IMO 1961 · Problem 5
Construct triangle \(ABC\) if \(AC=b\), \(AB=c\) and \(\angle AMB=\omega\), where \(M\) is the midpoint of segment \(BC\) and \(\omega<90^\circ\). Prove that a solution exists if and only if \[ b\tan\frac{\omega}{2}\le c<b. \] In what case does the equality hold?
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
A solution exists exactly when \[ b\tan\frac{\omega}{2}\le c<b. \] Equality holds exactly when \(\angle BAC=90^\circ\), equivalently when \(AM=BM=CM\). A straightedge-and-compass construction is given below.
Solution
The given lengths are positive, and the prescribed angle satisfies \(0<\omega<90^\circ\).
Suppose first that a required triangle exists. Put \(x=AM\), \(y=BM=CM\), and \(t=\cos\omega>0\). Since \(\angle AMC=180^\circ-\omega\), the cosine rule gives \[ c^2=x^2+y^2-2xyt,\qquad b^2=x^2+y^2+2xyt. \] Consequently, \[ b^2-c^2=4xyt>0, \] so \(c<b\). Moreover, \[ (1+t)c^2-(1-t)b^2=2t(x-y)^2\ge0. \] Dividing by \(1+t\) and using the half-angle identity yields \[ c^2\ge b^2\frac{1-\cos\omega}{1+\cos\omega} =b^2\tan^2\frac{\omega}{2}. \] Thus the stated inequalities are necessary.
Equality in the lower bound holds exactly when \(x=y\), that is, \[ AM=BM=CM. \] This means that \(A\) lies on the circle with diameter \(BC\), which, by Thales’ theorem and its converse, is equivalent to \(\angle BAC=90^\circ\).
Now assume \[ b\tan\frac{\omega}{2}\le c<b. \] Perform the following construction:
- Draw a segment \(CD=2b\), and let \(A\) be its midpoint.
- Construct \(O\) on the perpendicular to \(CD\) through \(A\), on either chosen side, so that \[ \angle ACO=90^\circ-\omega. \]
- Draw the circle \(\Gamma\) with centre \(O\) through \(C\), and the circle \(\gamma\) with centre \(A\) and radius \(c\). Choose either intersection as \(B\).
We prove that these intersections exist and give the required triangle.
Write \(d=AO\) and \(R=OC\). The right triangle \(AOC\) gives \[ \angle AOC=\omega,\qquad d=b\cot\omega,\qquad R=\frac{b}{\sin\omega}. \] In particular, \(R>d>0\), and \[ R-d =b\frac{1-\cos\omega}{\sin\omega} =b\tan\frac{\omega}{2}\le c, \] whereas \[ c<b<R+d. \] These are precisely the circle-intersection inequalities \[ R-d\le c\le R+d, \] so \(\Gamma\) and \(\gamma\) intersect, including tangency when \(c=R-d\).
Because \(A\) is the midpoint of \(CD\) and \(OA\perp CD\), the circle \(\Gamma\) also passes through \(D\). Its minor arc \(CD\) has central angle \(2\omega<180^\circ\).
For any chosen intersection \(B\), we have \(AB=c<b=AC\). Comparing triangles \(AOB\) and \(AOC\), which share \(AO\) and satisfy \(OB=OC\), the cosine rule gives \[ \angle AOB<\angle AOC=\omega. \] Hence \(B\) lies on the open minor arc \(CD\). By the inscribed-angle theorem, \[ \angle CBD=\frac{360^\circ-2\omega}{2} =180^\circ-\omega. \]
Let \(M\) be the midpoint of \(BC\). In triangle \(BCD\), the segment \(MA\) joins the midpoints of \(BC\) and \(CD\). More precisely, \[ \overrightarrow{MA}=\frac12\overrightarrow{BD}, \qquad \overrightarrow{MB}=-\frac12\overrightarrow{BC}. \] Therefore \[ \angle AMB=180^\circ-\angle CBD=\omega. \] Also, \(AC=b\) and \(AB=c\) by construction. Finally, \(B\ne C,D\) because \(c<b\); since \(C,D\) are the only intersections of \(\Gamma\) with line \(CD\), the triangle \(ABC\) is nondegenerate. This remains true in the tangency case.
Thus the construction proves sufficiency, and the equality case is exactly the right triangle identified above.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1961 · Aufgabe 5
Konstruiere ein Dreieck \(ABC\), wenn \(AC=b\), \(AB=c\) und \(\angle AMB=\omega\) gegeben sind, wobei \(M\) der Mittelpunkt der Strecke \(BC\) ist und \(\omega<90^\circ\) gilt. Beweise, dass genau dann eine Lösung existiert, wenn \[ b\tan\frac{\omega}{2}\le c<b. \] In welchem Fall gilt Gleichheit?
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Eine Lösung existiert genau dann, wenn \[ b\tan\frac{\omega}{2}\le c<b. \] Gleichheit gilt genau dann, wenn \(\angle BAC=90^\circ\), oder gleichwertig, wenn \(AM=BM=CM\). Eine Konstruktion mit Zirkel und Lineal wird im Folgenden angegeben.
Lösung
Die gegebenen Längen sind positiv, und für den vorgegebenen Winkel gilt \(0<\omega<90^\circ\).
Nehmen wir zunächst an, dass ein gesuchtes Dreieck existiert. Setze \(x=AM\), \(y=BM=CM\) und \(t=\cos\omega>0\). Wegen \(\angle AMC=180^\circ-\omega\) ergibt der Kosinussatz \[ c^2=x^2+y^2-2xyt,\qquad b^2=x^2+y^2+2xyt. \] Folglich gilt \[ b^2-c^2=4xyt>0, \] also \(c<b\). Außerdem gilt \[ (1+t)c^2-(1-t)b^2=2t(x-y)^2\ge0. \] Division durch \(1+t\) und Anwendung der Halbwinkelformel liefern \[ c^2\ge b^2\frac{1-\cos\omega}{1+\cos\omega} =b^2\tan^2\frac{\omega}{2}. \] Somit sind die angegebenen Ungleichungen notwendig.
Gleichheit bei der unteren Schranke gilt genau dann, wenn \(x=y\), das heißt \[ AM=BM=CM. \] Dies bedeutet, dass \(A\) auf dem Kreis mit Durchmesser \(BC\) liegt, was nach dem Satz des Thales und seiner Umkehrung äquivalent zu \(\angle BAC=90^\circ\) ist.
Nehmen wir nun an, dass \[ b\tan\frac{\omega}{2}\le c<b. \] Führe die folgende Konstruktion aus:
- Zeichne eine Strecke \(CD=2b\), und sei \(A\) ihr Mittelpunkt.
- Konstruiere \(O\) auf der Senkrechten zu \(CD\) durch \(A\), auf einer beliebig gewählten Seite, sodass \[ \angle ACO=90^\circ-\omega. \]
- Zeichne den Kreis \(\Gamma\) mit Mittelpunkt \(O\) durch \(C\) und den Kreis \(\gamma\) mit Mittelpunkt \(A\) und Radius \(c\). Wähle einen beliebigen Schnittpunkt als \(B\).
Wir beweisen, dass diese Schnittpunkte existieren und das gesuchte Dreieck liefern.
Setze \(d=AO\) und \(R=OC\). Das rechtwinklige Dreieck \(AOC\) ergibt \[ \angle AOC=\omega,\qquad d=b\cot\omega,\qquad R=\frac{b}{\sin\omega}. \] Insbesondere gilt \(R>d>0\) sowie \[ R-d =b\frac{1-\cos\omega}{\sin\omega} =b\tan\frac{\omega}{2}\le c, \] während \[ c<b<R+d. \] Dies sind genau die Ungleichungen für die Existenz eines Kreisschnittpunkts \[ R-d\le c\le R+d, \] also schneiden sich \(\Gamma\) und \(\gamma\), wobei für \(c=R-d\) eine Berührung vorliegt.
Da \(A\) der Mittelpunkt von \(CD\) ist und \(OA\perp CD\) gilt, verläuft der Kreis \(\Gamma\) auch durch \(D\). Sein kleiner Bogen \(CD\) hat den Mittelpunktswinkel \(2\omega<180^\circ\).
Für jeden gewählten Schnittpunkt \(B\) gilt \(AB=c<b=AC\). Vergleichen wir die Dreiecke \(AOB\) und \(AOC\), die \(AO\) gemeinsam haben und \(OB=OC\) erfüllen, so ergibt der Kosinussatz \[ \angle AOB<\angle AOC=\omega. \] Also liegt \(B\) auf dem offenen kleinen Bogen \(CD\). Nach dem Umfangswinkelsatz gilt \[ \angle CBD=\frac{360^\circ-2\omega}{2} =180^\circ-\omega. \]
Sei \(M\) der Mittelpunkt von \(BC\). Im Dreieck \(BCD\) verbindet die Strecke \(MA\) die Mittelpunkte von \(BC\) und \(CD\). Genauer gilt \[ \overrightarrow{MA}=\frac12\overrightarrow{BD}, \qquad \overrightarrow{MB}=-\frac12\overrightarrow{BC}. \] Daher ist \[ \angle AMB=180^\circ-\angle CBD=\omega. \] Außerdem gelten nach Konstruktion \(AC=b\) und \(AB=c\). Schließlich ist \(B\ne C,D\) wegen \(c<b\); da \(C,D\) die einzigen Schnittpunkte von \(\Gamma\) mit der Geraden \(CD\) sind, ist das Dreieck \(ABC\) nicht entartet. Dies gilt auch im Berührungsfall.
Damit beweist die Konstruktion die Hinlänglichkeit, und der Gleichheitsfall ist genau das oben beschriebene rechtwinklige Dreieck.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1961 · Soru 5
\(M\), \(BC\) doğru parçasının orta noktası ve \(\omega<90^\circ\) olmak üzere, \(AC=b\), \(AB=c\) ve \(\angle AMB=\omega\) koşullarını sağlayan \(ABC\) üçgenini inşa ediniz. Bir çözümün var olması için gerek ve yeter koşulun \[ b\tan\frac{\omega}{2}\le c<b \] olduğunu kanıtlayınız. Eşitlik hangi durumda sağlanır?
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Bir çözüm ancak ve ancak \[ b\tan\frac{\omega}{2}\le c<b \] olduğunda vardır. Eşitlik ancak ve ancak \(\angle BAC=90^\circ\) olduğunda, eş değer olarak \(AM=BM=CM\) olduğunda sağlanır. Aşağıda cetvel ve pergel ile bir inşa verilmiştir.
Çözüm
Verilen uzunluklar pozitiftir ve verilen açı \(0<\omega<90^\circ\) koşulunu sağlar.
Önce istenen üçgenin var olduğunu varsayalım. \(x=AM\), \(y=BM=CM\) ve \(t=\cos\omega>0\) olsun. \(\angle AMC=180^\circ-\omega\) olduğundan kosinüs teoremine göre \[ c^2=x^2+y^2-2xyt,\qquad b^2=x^2+y^2+2xyt \] olur. Dolayısıyla \[ b^2-c^2=4xyt>0, \] ve buradan \(c<b\) elde edilir. Ayrıca \[ (1+t)c^2-(1-t)b^2=2t(x-y)^2\ge0 \] olur. \(1+t\)'ye bölüp yarım açı özdeşliğini kullanarak \[ c^2\ge b^2\frac{1-\cos\omega}{1+\cos\omega} =b^2\tan^2\frac{\omega}{2} \] elde ederiz. Böylece belirtilen eşitsizlikler gereklidir.
Alt sınırda eşitlik tam olarak \(x=y\) olduğunda, yani \[ AM=BM=CM \] olduğunda sağlanır. Bu, \(A\)'nın çapı \(BC\) olan çember üzerinde bulunması demektir; Thales teoremi ve karşıtına göre bu koşul \(\angle BAC=90^\circ\) ile eş değerdir.
Şimdi \[ b\tan\frac{\omega}{2}\le c<b \] olduğunu varsayalım. Aşağıdaki inşayı yapalım:
- \(CD=2b\) doğru parçasını çizelim ve orta noktasına \(A\) diyelim.
- \(CD\)'ye \(A\)'dan çizilen dikme üzerinde, seçilen herhangi bir tarafta, \[ \angle ACO=90^\circ-\omega \] olacak şekilde \(O\) noktasını inşa edelim.
- Merkezi \(O\) olan ve \(C\)'den geçen \(\Gamma\) çemberini ve merkezi \(A\), yarıçapı \(c\) olan \(\gamma\) çemberini çizelim. Kesişim noktalarından herhangi birini \(B\) olarak seçelim.
Bu kesişim noktalarının var olduğunu ve istenen üçgeni verdiğini kanıtlayalım.
\(d=AO\) ve \(R=OC\) yazalım. \(AOC\) dik üçgeninden \[ \angle AOC=\omega,\qquad d=b\cot\omega,\qquad R=\frac{b}{\sin\omega} \] elde edilir. Özellikle \(R>d>0\) olur ve \[ R-d =b\frac{1-\cos\omega}{\sin\omega} =b\tan\frac{\omega}{2}\le c, \] iken \[ c<b<R+d \] olur. Bunlar tam olarak çemberlerin kesişme koşulu olan \[ R-d\le c\le R+d, \] eşitsizlikleridir; dolayısıyla \(\Gamma\) ve \(\gamma\), \(c=R-d\) olduğunda teğet olma durumu da dahil olmak üzere kesişir.
\(A\), \(CD\)'nin orta noktası ve \(OA\perp CD\) olduğundan \(\Gamma\) çemberi \(D\)'den de geçer. Bu çemberin küçük \(CD\) yayına karşılık gelen merkez açı \(2\omega<180^\circ\)'dir.
Seçilen herhangi bir \(B\) kesişim noktası için \(AB=c<b=AC\) olur. \(AO\) kenarı ortak olan ve \(OB=OC\) eşitliğini sağlayan \(AOB\) ve \(AOC\) üçgenleri karşılaştırıldığında kosinüs teoreminden \[ \angle AOB<\angle AOC=\omega \] elde edilir. Dolayısıyla \(B\), uç noktaları hariç küçük \(CD\) yayı üzerinde bulunur. Çevre açı teoremine göre \[ \angle CBD=\frac{360^\circ-2\omega}{2} =180^\circ-\omega \] olur.
\(M\), \(BC\)'nin orta noktası olsun. \(BCD\) üçgeninde \(MA\) doğru parçası \(BC\) ve \(CD\)'nin orta noktalarını birleştirir. Daha açık olarak, \[ \overrightarrow{MA}=\frac12\overrightarrow{BD}, \qquad \overrightarrow{MB}=-\frac12\overrightarrow{BC} \] olur. Bu nedenle \[ \angle AMB=180^\circ-\angle CBD=\omega \] elde edilir. Ayrıca inşa gereği \(AC=b\) ve \(AB=c\) olur. Son olarak, \(c<b\) olduğundan \(B\ne C,D\)'dir; \(\Gamma\)'nın \(CD\) doğrusu ile kesiştiği tek noktalar \(C,D\) olduğundan \(ABC\) üçgeni dejenere değildir. Bu, teğetlik durumunda da geçerlidir.
Böylece inşa, koşulların yeterli olduğunu kanıtlar ve eşitlik durumu tam olarak yukarıda belirlenen dik üçgendir.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1961 · Problema 5
Construir el triángulo \(ABC\) si \(AC=b\), \(AB=c\) y \(\angle AMB=\omega\), donde \(M\) es el punto medio del segmento \(BC\) y \(\omega<90^\circ\). Demostrar que existe una solución si y solo si \[ b\tan\frac{\omega}{2}\le c<b. \] ¿En qué caso se da la igualdad?
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Existe una solución exactamente cuando \[ b\tan\frac{\omega}{2}\le c<b. \] La igualdad se da exactamente cuando \(\angle BAC=90^\circ\), o, equivalentemente, cuando \(AM=BM=CM\). A continuación se presenta una construcción con regla y compás.
Solución
Las longitudes dadas son positivas, y el ángulo prescrito satisface \(0<\omega<90^\circ\).
Supongamos primero que existe un triángulo con las condiciones requeridas. Sean \(x=AM\), \(y=BM=CM\) y \(t=\cos\omega>0\). Como \(\angle AMC=180^\circ-\omega\), el teorema del coseno da \[ c^2=x^2+y^2-2xyt,\qquad b^2=x^2+y^2+2xyt. \] Por consiguiente, \[ b^2-c^2=4xyt>0, \] por lo que \(c<b\). Además, \[ (1+t)c^2-(1-t)b^2=2t(x-y)^2\ge0. \] Dividiendo entre \(1+t\) y usando la identidad del ángulo mitad, obtenemos \[ c^2\ge b^2\frac{1-\cos\omega}{1+\cos\omega} =b^2\tan^2\frac{\omega}{2}. \] Así, las desigualdades enunciadas son necesarias.
La igualdad en la cota inferior se da exactamente cuando \(x=y\), es decir, \[ AM=BM=CM. \] Esto significa que \(A\) pertenece a la circunferencia de diámetro \(BC\), lo cual, por el teorema de Tales y su recíproco, equivale a \(\angle BAC=90^\circ\).
Supongamos ahora que \[ b\tan\frac{\omega}{2}\le c<b. \] Realicemos la siguiente construcción:
- Trazar un segmento \(CD=2b\), y sea \(A\) su punto medio.
- Construir \(O\) sobre la perpendicular a \(CD\) por \(A\), en cualquiera de los dos lados, de modo que \[ \angle ACO=90^\circ-\omega. \]
- Trazar la circunferencia \(\Gamma\) de centro \(O\) que pasa por \(C\), y la circunferencia \(\gamma\) de centro \(A\) y radio \(c\). Elegir cualquiera de sus intersecciones como \(B\).
Demostraremos que estas intersecciones existen y dan el triángulo requerido.
Escribamos \(d=AO\) y \(R=OC\). El triángulo rectángulo \(AOC\) da \[ \angle AOC=\omega,\qquad d=b\cot\omega,\qquad R=\frac{b}{\sin\omega}. \] En particular, \(R>d>0\), y \[ R-d =b\frac{1-\cos\omega}{\sin\omega} =b\tan\frac{\omega}{2}\le c, \] mientras que \[ c<b<R+d. \] Estas son precisamente las desigualdades que garantizan la intersección de las circunferencias, \[ R-d\le c\le R+d, \] por lo que \(\Gamma\) y \(\gamma\) se cortan, incluyendo el caso de tangencia cuando \(c=R-d\).
Como \(A\) es el punto medio de \(CD\) y \(OA\perp CD\), la circunferencia \(\Gamma\) también pasa por \(D\). Su arco menor \(CD\) tiene un ángulo central de \(2\omega<180^\circ\).
Para cualquier intersección elegida \(B\), tenemos \(AB=c<b=AC\). Comparando los triángulos \(AOB\) y \(AOC\), que comparten \(AO\) y satisfacen \(OB=OC\), el teorema del coseno da \[ \angle AOB<\angle AOC=\omega. \] Por tanto, \(B\) pertenece al arco menor abierto \(CD\). Por el teorema del ángulo inscrito, \[ \angle CBD=\frac{360^\circ-2\omega}{2} =180^\circ-\omega. \]
Sea \(M\) el punto medio de \(BC\). En el triángulo \(BCD\), el segmento \(MA\) une los puntos medios de \(BC\) y \(CD\). Más precisamente, \[ \overrightarrow{MA}=\frac12\overrightarrow{BD}, \qquad \overrightarrow{MB}=-\frac12\overrightarrow{BC}. \] Por tanto, \[ \angle AMB=180^\circ-\angle CBD=\omega. \] Además, \(AC=b\) y \(AB=c\) por construcción. Por último, \(B\ne C,D\) porque \(c<b\); como \(C,D\) son las únicas intersecciones de \(\Gamma\) con la recta \(CD\), el triángulo \(ABC\) no es degenerado. Esto sigue siendo cierto en el caso de tangencia.
Así, la construcción demuestra la suficiencia, y el caso de igualdad es exactamente el triángulo rectángulo identificado anteriormente.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1961 · 问题 5
已知 \(AC=b\)、\(AB=c\) 及 \(\angle AMB=\omega\),其中 \(M\) 是线段 \(BC\) 的中点,且 \(\omega<90^\circ\),求作三角形 \(ABC\)。证明:所求三角形存在当且仅当 \[ b\tan\frac{\omega}{2}\le c<b. \] 等号在什么情况下成立?
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
所求三角形存在当且仅当 \[ b\tan\frac{\omega}{2}\le c<b. \] 等号成立当且仅当 \(\angle BAC=90^\circ\),等价地,当且仅当 \(AM=BM=CM\)。下面给出尺规作图的方法。
解答
给定的长度均为正数,且给定的角满足 \(0<\omega<90^\circ\)。
先设所求三角形存在。令 \(x=AM\)、\(y=BM=CM\)、\(t=\cos\omega>0\)。由于 \(\angle AMC=180^\circ-\omega\),由余弦定理得 \[ c^2=x^2+y^2-2xyt,\qquad b^2=x^2+y^2+2xyt. \] 因此, \[ b^2-c^2=4xyt>0, \] 所以 \(c<b\)。此外, \[ (1+t)c^2-(1-t)b^2=2t(x-y)^2\ge0. \] 两边除以 \(1+t\),并利用半角公式,得 \[ c^2\ge b^2\frac{1-\cos\omega}{1+\cos\omega} =b^2\tan^2\frac{\omega}{2}. \] 因此,所述不等式是必要条件。
下界处的等号成立当且仅当 \(x=y\),即 \[ AM=BM=CM. \] 这意味着 \(A\) 位于以 \(BC\) 为直径的圆上,根据泰勒斯定理及其逆定理,这等价于 \(\angle BAC=90^\circ\)。
现在假设 \[ b\tan\frac{\omega}{2}\le c<b. \] 按以下步骤作图:
- 作线段 \(CD=2b\),并取其中点为 \(A\)。
- 在过 \(A\) 且垂直于 \(CD\) 的直线上任选一侧,作点 \(O\),使得 \[ \angle ACO=90^\circ-\omega. \]
- 作以 \(O\) 为圆心、经过 \(C\) 的圆 \(\Gamma\),以及以 \(A\) 为圆心、\(c\) 为半径的圆 \(\gamma\)。任选一个交点作为 \(B\)。
下面证明这些交点存在,且由此得到所求三角形。
记 \(d=AO\)、\(R=OC\)。由直角三角形 \(AOC\) 得 \[ \angle AOC=\omega,\qquad d=b\cot\omega,\qquad R=\frac{b}{\sin\omega}. \] 特别地,\(R>d>0\),且 \[ R-d =b\frac{1-\cos\omega}{\sin\omega} =b\tan\frac{\omega}{2}\le c, \] 另一方面, \[ c<b<R+d. \] 这些恰好满足两圆有公共点的不等式条件 \[ R-d\le c\le R+d, \] 所以 \(\Gamma\) 与 \(\gamma\) 有公共点,其中包括 \(c=R-d\) 时两圆相切的情形。
由于 \(A\) 是 \(CD\) 的中点,且 \(OA\perp CD\),圆 \(\Gamma\) 也经过 \(D\)。其劣弧 \(CD\) 所对的圆心角为 \(2\omega<180^\circ\)。
对于任意选取的交点 \(B\),都有 \(AB=c<b=AC\)。比较三角形 \(AOB\) 和 \(AOC\),它们有公共边 \(AO\),且满足 \(OB=OC\),由余弦定理得 \[ \angle AOB<\angle AOC=\omega. \] 因此,\(B\) 位于劣弧 \(CD\) 上,且不在端点处。由圆周角定理得 \[ \angle CBD=\frac{360^\circ-2\omega}{2} =180^\circ-\omega. \]
设 \(M\) 为 \(BC\) 的中点。在三角形 \(BCD\) 中,线段 \(MA\) 连接 \(BC\) 和 \(CD\) 的中点。更确切地说, \[ \overrightarrow{MA}=\frac12\overrightarrow{BD}, \qquad \overrightarrow{MB}=-\frac12\overrightarrow{BC}. \] 因此 \[ \angle AMB=180^\circ-\angle CBD=\omega. \] 此外,由作法知 \(AC=b\) 且 \(AB=c\)。最后,由于 \(c<b\),故 \(B\ne C,D\);又因为 \(C,D\) 是 \(\Gamma\) 与直线 \(CD\) 仅有的两个交点,所以三角形 \(ABC\) 不退化。在两圆相切的情形下,这一结论仍然成立。
因此,上述作图证明了充分性,而等号成立的情形恰好是前面确定的直角三角形。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1961 · Задача 5
Постройте треугольник \(ABC\), если \(AC=b\), \(AB=c\) и \(\angle AMB=\omega\), где \(M\) — середина отрезка \(BC\) и \(\omega<90^\circ\). Докажите, что решение существует тогда и только тогда, когда \[ b\tan\frac{\omega}{2}\le c<b. \] В каком случае достигается равенство?
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Решение существует в точности тогда, когда \[ b\tan\frac{\omega}{2}\le c<b. \] Равенство достигается в точности тогда, когда \(\angle BAC=90^\circ\), или, что равносильно, когда \(AM=BM=CM\). Ниже приведено построение циркулем и линейкой.
Решение
Данные длины положительны, а заданный угол удовлетворяет условию \(0<\omega<90^\circ\).
Пусть сначала искомый треугольник существует. Положим \(x=AM\), \(y=BM=CM\) и \(t=\cos\omega>0\). Поскольку \(\angle AMC=180^\circ-\omega\), по теореме косинусов \[ c^2=x^2+y^2-2xyt,\qquad b^2=x^2+y^2+2xyt. \] Следовательно, \[ b^2-c^2=4xyt>0, \] так что \(c<b\). Кроме того, \[ (1+t)c^2-(1-t)b^2=2t(x-y)^2\ge0. \] Разделив на \(1+t\) и воспользовавшись формулой половинного угла, получаем \[ c^2\ge b^2\frac{1-\cos\omega}{1+\cos\omega} =b^2\tan^2\frac{\omega}{2}. \] Таким образом, указанные неравенства необходимы.
Равенство в нижней оценке достигается в точности при \(x=y\), то есть при \[ AM=BM=CM. \] Это означает, что \(A\) лежит на окружности с диаметром \(BC\), что по теореме Фалеса и обратной к ней теореме равносильно \(\angle BAC=90^\circ\).
Теперь предположим, что \[ b\tan\frac{\omega}{2}\le c<b. \] Выполним следующее построение:
- Построим отрезок \(CD=2b\) и обозначим его середину через \(A\).
- На перпендикуляре к \(CD\), проходящем через \(A\), по любую выбранную сторону от \(CD\) построим точку \(O\) так, чтобы \[ \angle ACO=90^\circ-\omega. \]
- Проведём окружность \(\Gamma\) с центром \(O\), проходящую через \(C\), и окружность \(\gamma\) с центром \(A\) и радиусом \(c\). В качестве \(B\) выберем любую из точек их пересечения.
Докажем, что эти точки пересечения существуют и дают искомый треугольник.
Обозначим \(d=AO\) и \(R=OC\). Из прямоугольного треугольника \(AOC\) получаем \[ \angle AOC=\omega,\qquad d=b\cot\omega,\qquad R=\frac{b}{\sin\omega}. \] В частности, \(R>d>0\), и \[ R-d =b\frac{1-\cos\omega}{\sin\omega} =b\tan\frac{\omega}{2}\le c, \] тогда как \[ c<b<R+d. \] Тем самым выполнены в точности условия пересечения окружностей \[ R-d\le c\le R+d, \] поэтому \(\Gamma\) и \(\gamma\) пересекаются, причём при \(c=R-d\) они касаются.
Поскольку \(A\) — середина \(CD\) и \(OA\perp CD\), окружность \(\Gamma\) проходит также через \(D\). Её меньшей дуге \(CD\) соответствует центральный угол \(2\omega<180^\circ\).
Для любой выбранной точки пересечения \(B\) имеем \(AB=c<b=AC\). Сравнивая треугольники \(AOB\) и \(AOC\), у которых \(AO\) — общая сторона и \(OB=OC\), по теореме косинусов получаем \[ \angle AOB<\angle AOC=\omega. \] Следовательно, \(B\) лежит на меньшей дуге \(CD\), не совпадая с её концами. По теореме о вписанном угле \[ \angle CBD=\frac{360^\circ-2\omega}{2} =180^\circ-\omega. \]
Пусть \(M\) — середина \(BC\). В треугольнике \(BCD\) отрезок \(MA\) соединяет середины \(BC\) и \(CD\). Точнее, \[ \overrightarrow{MA}=\frac12\overrightarrow{BD}, \qquad \overrightarrow{MB}=-\frac12\overrightarrow{BC}. \] Поэтому \[ \angle AMB=180^\circ-\angle CBD=\omega. \] Кроме того, \(AC=b\) и \(AB=c\) по построению. Наконец, \(B\ne C,D\), поскольку \(c<b\); так как \(C,D\) — единственные точки пересечения \(\Gamma\) с прямой \(CD\), треугольник \(ABC\) невырожденный. Это остаётся верным и в случае касания.
Таким образом, построение доказывает достаточность, а случай равенства соответствует в точности прямоугольному треугольнику, указанному выше.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1961 · المسألة 5
أنشئ مثلثًا \(ABC\) إذا كان \(AC=b\)، و\(AB=c\)، و\(\angle AMB=\omega\)، حيث \(M\) منتصف القطعة \(BC\) و\(\omega<90^\circ\). أثبت أن حلًا يوجد إذا وفقط إذا كان \[ b\tan\frac{\omega}{2}\le c<b. \] في أي حالة تتحقق المساواة؟
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
يوجد حل بالضبط عندما \[ b\tan\frac{\omega}{2}\le c<b. \] تتحقق المساواة بالضبط عندما \(\angle BAC=90^\circ\)، أو، بصورة مكافئة، عندما \(AM=BM=CM\). ويرد أدناه إنشاء بالمسطرة والفرجار.
الحل
الطولان المعطيان موجبان، والزاوية المعطاة تحقق \(0<\omega<90^\circ\).
لنفترض أولًا وجود مثلث يحقق المطلوب. ضع \(x=AM\)، و\(y=BM=CM\)، و\(t=\cos\omega>0\). بما أن \(\angle AMC=180^\circ-\omega\)، فإن قانون جيب التمام يعطي \[ c^2=x^2+y^2-2xyt,\qquad b^2=x^2+y^2+2xyt. \] وبالتالي، \[ b^2-c^2=4xyt>0, \] ومن ثم \(c<b\). علاوة على ذلك، \[ (1+t)c^2-(1-t)b^2=2t(x-y)^2\ge0. \] بالقسمة على \(1+t\) واستخدام متطابقة نصف الزاوية، نحصل على \[ c^2\ge b^2\frac{1-\cos\omega}{1+\cos\omega} =b^2\tan^2\frac{\omega}{2}. \] إذن المتباينتان المذكورتان لازمتان.
تتحقق المساواة في الحد الأدنى بالضبط عندما \(x=y\)، أي عندما \[ AM=BM=CM. \] وهذا يعني أن \(A\) تقع على الدائرة التي قطرها \(BC\)، وهو ما يكافئ، بنظرية طاليس وعكسها، أن تكون \(\angle BAC=90^\circ\).
لنفترض الآن أن \[ b\tan\frac{\omega}{2}\le c<b. \] أجرِ الإنشاء الآتي:
- ارسم قطعة \(CD=2b\)، ولتكن \(A\) منتصفها.
- أنشئ \(O\) على العمود على \(CD\) المار بـ\(A\)، في أي من الجهتين تختارها، بحيث \[ \angle ACO=90^\circ-\omega. \]
- ارسم الدائرة \(\Gamma\) ذات المركز \(O\) والمارة بـ\(C\)، والدائرة \(\gamma\) ذات المركز \(A\) ونصف القطر \(c\). اختر أي نقطة تقاطع لتكون \(B\).
نثبت أن نقطتي التقاطع هاتين موجودتان وتعطيان المثلث المطلوب.
لنكتب \(d=AO\) و\(R=OC\). يعطينا المثلث القائم \(AOC\) \[ \angle AOC=\omega,\qquad d=b\cot\omega,\qquad R=\frac{b}{\sin\omega}. \] وعلى وجه الخصوص، \(R>d>0\)، و \[ R-d =b\frac{1-\cos\omega}{\sin\omega} =b\tan\frac{\omega}{2}\le c, \] في حين أن \[ c<b<R+d. \] وهذه بالضبط متباينات تقاطع الدائرتين \[ R-d\le c\le R+d, \] فتتقاطع \(\Gamma\) و\(\gamma\)، بما في ذلك حالة التماس عندما \(c=R-d\).
بما أن \(A\) منتصف \(CD\) و\(OA\perp CD\)، فإن الدائرة \(\Gamma\) تمر أيضًا بـ\(D\). والزاوية المركزية المقابلة لقوسها الأصغر \(CD\) هي \(2\omega<180^\circ\).
لأي نقطة تقاطع مختارة \(B\)، لدينا \(AB=c<b=AC\). وبمقارنة المثلثين \(AOB\) و\(AOC\)، اللذين يشتركان في \(AO\) ويحققان \(OB=OC\)، يعطينا قانون جيب التمام \[ \angle AOB<\angle AOC=\omega. \] وعليه تقع \(B\) على القوس الأصغر \(CD\) دون طرفيه. وبحسب نظرية الزاوية المحيطية، \[ \angle CBD=\frac{360^\circ-2\omega}{2} =180^\circ-\omega. \]
لتكن \(M\) منتصف \(BC\). في المثلث \(BCD\)، تصل القطعة \(MA\) بين منتصفي \(BC\) و\(CD\). وبصورة أدق، \[ \overrightarrow{MA}=\frac12\overrightarrow{BD}, \qquad \overrightarrow{MB}=-\frac12\overrightarrow{BC}. \] لذلك \[ \angle AMB=180^\circ-\angle CBD=\omega. \] كذلك، \(AC=b\) و\(AB=c\) بحكم الإنشاء. وأخيرًا، \(B\ne C,D\) لأن \(c<b\)؛ وبما أن \(C,D\) هما نقطتا التقاطع الوحيدتان للدائرة \(\Gamma\) مع المستقيم \(CD\)، فإن المثلث \(ABC\) غير منعدم المساحة. ويظل هذا صحيحًا في حالة التماس.
وهكذا يثبت الإنشاء الكفاية، وحالة المساواة هي بالضبط حالة المثلث القائم المحددة أعلاه.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).