IMO 1962 · Problem 3
Consider the cube \(ABCDA'B'C'D'\) (\(ABCD\) and \(A'B'C'D'\) are the upper and lower bases, respectively, and edges \(AA', BB', CC', DD'\) are parallel). The point \(X\) moves at constant speed along the perimeter of the square \(ABCD\) in the direction \(ABCDA\), and the point \(Y\) moves at the same rate along the perimeter of the square \(B'C'CB\) in the direction \(B'C'CBB'\). Points \(X\) and \(Y\) begin their motion at the same instant from the starting positions \(A\) and \(B'\), respectively. Determine and draw the locus of the midpoints of the segments \(XY\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
Let \(P,Q,R\) be the centers of the faces \(ABB'A'\), \(BCC'B'\), and \(ABCD\), respectively.
The locus is the perimeter of the rhombus \(PQCR\), lying in the plane \(AB'C\). For a cube of edge length \(a\), its sides have length \(a/\sqrt2\), and its angles at \(P\) and \(C\) are \(60^\circ\).
A schematic drawing in its plane is:
C
/ \
/ \
R Q
\ /
\ /
P
The midpoint travels in the order \(P\to Q\to C\to R\to P\).
Solution
Let \(T\) be the time taken by either moving point to traverse one edge. Since their speeds are equal, they reach successive vertices simultaneously. Their positions and the corresponding midpoint \(M\) are:
| Time | \(X\) | \(Y\) | \(M\) |
|---|---|---|---|
| \(0\) | \(A\) | \(B'\) | \(P\) |
| \(T\) | \(B\) | \(C'\) | \(Q\) |
| \(2T\) | \(C\) | \(C\) | \(C\) |
| \(3T\) | \(D\) | \(B\) | \(R\) |
| \(4T\) | \(A\) | \(B'\) | \(P\) |
Here \(AB'\), \(BC'\), and \(DB\) are diagonals of the respective square faces, so their midpoints are indeed \(P,Q,R\). At time \(2T\), the segment \(XY\) degenerates to the point \(C\), whose midpoint is \(C\).
During each interval between successive times in the table, both points move uniformly along straight segments. Writing positions as vectors, suppose their endpoints during such an interval are \(U,V\) and \(U',V'\). At a fraction \(s\in[0,1]\) of the interval, \[ X(s)=(1-s)U+sV,\qquad Y(s)=(1-s)U'+sV'. \] Consequently, \[ M(s)=\frac{X(s)+Y(s)}2 =(1-s)\frac{U+U'}2+s\frac{V+V'}2. \] Thus \(M\) traverses exactly the entire segment joining its two endpoint positions. The four intervals therefore give precisely \[ PQ\cup QC\cup CR\cup RP. \] After \(4T\), both motions repeat, so there are no further points in the locus.
It remains to identify this quadrilateral. The diagonals of each square bisect one another, hence \[ P=\operatorname{mid}(AB'),\qquad Q=\operatorname{mid}(B'C),\qquad R=\operatorname{mid}(AC). \] Moreover, \(AB'\), \(B'C\), and \(CA\) are face diagonals of the cube. Each has length \(a\sqrt2\), so \(AB'C\) is an equilateral triangle.
Applying the midpoint theorem in this triangle gives \[ PQ\parallel AC,\qquad PR\parallel B'C. \] Since \(CR\) lies on \(CA\) and \(CQ\) lies on \(CB'\), both pairs of opposite sides of \(PQCR\) are parallel. Furthermore, \[ PQ=QC=CR=RP=\frac{a\sqrt2}{2}. \] Thus \(PQCR\) is a nondegenerate rhombus. Its angle at \(C\) is the \(60^\circ\) angle of the equilateral triangle, completing the description and proof.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1962 · Aufgabe 3
Gegeben sei der Würfel \(ABCDA'B'C'D'\) (\(ABCD\) und \(A'B'C'D'\) sind die obere bzw. untere Grundfläche, und die Kanten \(AA', BB', CC', DD'\) sind parallel). Der Punkt \(X\) bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit auf dem Rand des Quadrats \(ABCD\) in der Richtung \(ABCDA\), und der Punkt \(Y\) bewegt sich mit derselben Geschwindigkeit auf dem Rand des Quadrats \(B'C'CB\) in der Richtung \(B'C'CBB'\). Die Punkte \(X\) und \(Y\) beginnen ihre Bewegung gleichzeitig in den Ausgangslagen \(A\) bzw. \(B'\). Bestimme und zeichne den geometrischen Ort der Mittelpunkte der Strecken \(XY\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Es seien \(P,Q,R\) die Mittelpunkte der Flächen \(ABB'A'\), \(BCC'B'\) bzw. \(ABCD\).
Der geometrische Ort ist der Rand der Raute \(PQCR\), die in der Ebene \(AB'C\) liegt. Bei einem Würfel mit der Kantenlänge \(a\) haben ihre Seiten die Länge \(a/\sqrt2\), und ihre Winkel bei \(P\) und \(C\) betragen \(60^\circ\).
Eine schematische Zeichnung in ihrer Ebene ist:
C
/ \
/ \
R Q
\ /
\ /
P
Der Mittelpunkt durchläuft die Punkte in der Reihenfolge \(P\to Q\to C\to R\to P\).
Lösung
Es sei \(T\) die Zeit, die jeder der bewegten Punkte zum Durchlaufen einer Kante benötigt. Da ihre Geschwindigkeiten gleich sind, erreichen sie die aufeinanderfolgenden Eckpunkte gleichzeitig. Ihre Positionen und der zugehörige Mittelpunkt \(M\) sind:
| Zeit | \(X\) | \(Y\) | \(M\) |
|---|---|---|---|
| \(0\) | \(A\) | \(B'\) | \(P\) |
| \(T\) | \(B\) | \(C'\) | \(Q\) |
| \(2T\) | \(C\) | \(C\) | \(C\) |
| \(3T\) | \(D\) | \(B\) | \(R\) |
| \(4T\) | \(A\) | \(B'\) | \(P\) |
Dabei sind \(AB'\), \(BC'\) und \(DB\) Diagonalen der jeweiligen Quadratflächen, sodass ihre Mittelpunkte tatsächlich \(P,Q,R\) sind. Zum Zeitpunkt \(2T\) entartet die Strecke \(XY\) zum Punkt \(C\), dessen Mittelpunkt \(C\) ist.
Während jedes Intervalls zwischen aufeinanderfolgenden Zeitpunkten in der Tabelle bewegen sich beide Punkte gleichförmig auf geraden Strecken. Wir stellen die Positionen als Vektoren dar und nehmen an, dass die Endpunkte ihrer Bahnen während eines solchen Intervalls \(U,V\) und \(U',V'\) sind. Nach einem Anteil \(s\in[0,1]\) des Intervalls gilt \[ X(s)=(1-s)U+sV,\qquad Y(s)=(1-s)U'+sV'. \] Folglich ist \[ M(s)=\frac{X(s)+Y(s)}2 =(1-s)\frac{U+U'}2+s\frac{V+V'}2. \] Somit durchläuft \(M\) genau die gesamte Strecke, die seine beiden Endpositionen verbindet. Die vier Intervalle ergeben daher genau \[ PQ\cup QC\cup CR\cup RP. \] Nach \(4T\) wiederholen sich beide Bewegungen, sodass der geometrische Ort keine weiteren Punkte enthält.
Es bleibt, dieses Viereck zu charakterisieren. Die Diagonalen jedes Quadrats halbieren einander, daher gilt \[ P=\operatorname{Mitte}(AB'),\qquad Q=\operatorname{Mitte}(B'C),\qquad R=\operatorname{Mitte}(AC). \] Außerdem sind \(AB'\), \(B'C\) und \(CA\) Flächendiagonalen des Würfels. Jede hat die Länge \(a\sqrt2\), also ist \(AB'C\) ein gleichseitiges Dreieck.
Die Anwendung des Mittelliniensatzes in diesem Dreieck ergibt \[ PQ\parallel AC,\qquad PR\parallel B'C. \] Da \(CR\) auf \(CA\) und \(CQ\) auf \(CB'\) liegt, sind beide Paare gegenüberliegender Seiten von \(PQCR\) parallel. Ferner gilt \[ PQ=QC=CR=RP=\frac{a\sqrt2}{2}. \] Somit ist \(PQCR\) eine nicht entartete Raute. Ihr Winkel bei \(C\) ist der Winkel von \(60^\circ\) des gleichseitigen Dreiecks; damit sind die Beschreibung und der Beweis abgeschlossen.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1962 · Soru 3
\(ABCDA'B'C'D'\) küpünü ele alınız (\(ABCD\) ve \(A'B'C'D'\) sırasıyla üst ve alt tabanlardır ve \(AA', BB', CC', DD'\) ayrıtları paraleldir). \(X\) noktası \(ABCD\) karesinin çevresi boyunca \(ABCDA\) yönünde sabit hızla, \(Y\) noktası ise \(B'C'CB\) karesinin çevresi boyunca \(B'C'CBB'\) yönünde aynı hızla hareket etmektedir. \(X\) ve \(Y\) noktaları harekete aynı anda, sırasıyla \(A\) ve \(B'\) başlangıç konumlarından başlamaktadır. \(XY\) doğru parçalarının orta noktalarının geometrik yerini belirleyiniz ve çiziniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\(P,Q,R\), sırasıyla \(ABB'A'\), \(BCC'B'\) ve \(ABCD\) yüzlerinin merkezleri olsun.
Geometrik yer, \(AB'C\) düzleminde bulunan \(PQCR\) eşkenar dörtgeninin çevresidir. Ayrıt uzunluğu \(a\) olan bir küp için bu eşkenar dörtgenin kenar uzunlukları \(a/\sqrt2\), \(P\) ve \(C\) köşelerindeki açıları ise \(60^\circ\)'dir.
Bulunduğu düzlemde şematik çizimi şöyledir:
C
/ \
/ \
R Q
\ /
\ /
P
Orta nokta, \(P\to Q\to C\to R\to P\) sırasıyla hareket eder.
Çözüm
Hareketli noktalardan herhangi birinin bir ayrıtı katetmesi için geçen süre \(T\) olsun. Hızları eşit olduğundan, ardışık köşelere aynı anda ulaşırlar. Konumları ve bunlara karşılık gelen \(M\) orta noktası şöyledir:
| Zaman | \(X\) | \(Y\) | \(M\) |
|---|---|---|---|
| \(0\) | \(A\) | \(B'\) | \(P\) |
| \(T\) | \(B\) | \(C'\) | \(Q\) |
| \(2T\) | \(C\) | \(C\) | \(C\) |
| \(3T\) | \(D\) | \(B\) | \(R\) |
| \(4T\) | \(A\) | \(B'\) | \(P\) |
Burada \(AB'\), \(BC'\) ve \(DB\), ilgili kare yüzlerin köşegenleridir; dolayısıyla orta noktaları gerçekten \(P,Q,R\)'dir. \(2T\) anında \(XY\) doğru parçası \(C\) noktasına indirgenir ve orta noktası da \(C\)'dir.
Tablodaki ardışık zamanlar arasındaki her aralıkta, her iki nokta da doğru parçaları boyunca sabit hızla hareket eder. Konumları vektör olarak yazarak, böyle bir aralıkta hareketlerin uç noktalarının \(U,V\) ve \(U',V'\) olduğunu varsayalım. Aralığın \(s\in[0,1]\) oranındaki kısmı geçtiğinde, \[ X(s)=(1-s)U+sV,\qquad Y(s)=(1-s)U'+sV' \] olur. Dolayısıyla \[ M(s)=\frac{X(s)+Y(s)}2 =(1-s)\frac{U+U'}2+s\frac{V+V'}2. \] Böylece \(M\), iki uç konumunu birleştiren doğru parçasının tam olarak tamamını tarar. Bu nedenle dört aralık tam olarak \[ PQ\cup QC\cup CR\cup RP \] kümesini verir. \(4T\)'den sonra her iki hareket de tekrarlandığından, geometrik yerde başka nokta bulunmaz.
Geriye bu dörtgeni tanımlamak kalır. Her karenin köşegenleri birbirini ortaladığından, \[ P=\operatorname{orta}(AB'),\qquad Q=\operatorname{orta}(B'C),\qquad R=\operatorname{orta}(AC). \] Ayrıca \(AB'\), \(B'C\) ve \(CA\), küpün yüz köşegenleridir. Her birinin uzunluğu \(a\sqrt2\) olduğundan, \(AB'C\) bir eşkenar üçgendir.
Bu üçgende orta taban teoremi uygulanırsa \[ PQ\parallel AC,\qquad PR\parallel B'C \] elde edilir. \(CR\), \(CA\) üzerinde ve \(CQ\), \(CB'\) üzerinde bulunduğundan, \(PQCR\)'nin karşılıklı kenarlarının her iki çifti de paraleldir. Üstelik \[ PQ=QC=CR=RP=\frac{a\sqrt2}{2}. \] Böylece \(PQCR\), dejenere olmayan bir eşkenar dörtgendir. \(C\) köşesindeki açısı, eşkenar üçgenin \(60^\circ\)'lik açısıdır; böylece tanımlama ve ispat tamamlanır.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1962 · Problema 3
Consideremos el cubo \(ABCDA'B'C'D'\) (\(ABCD\) y \(A'B'C'D'\) son las bases superior e inferior, respectivamente, y las aristas \(AA', BB', CC', DD'\) son paralelas). El punto \(X\) se mueve con rapidez constante a lo largo del perímetro del cuadrado \(ABCD\) en el sentido \(ABCDA\), y el punto \(Y\) se mueve con la misma rapidez a lo largo del perímetro del cuadrado \(B'C'CB\) en el sentido \(B'C'CBB'\). Los puntos \(X\) e \(Y\) comienzan su movimiento en el mismo instante desde las posiciones iniciales \(A\) y \(B'\), respectivamente. Determinar y dibujar el lugar geométrico de los puntos medios de los segmentos \(XY\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Sean \(P,Q,R\) los centros de las caras \(ABB'A'\), \(BCC'B'\) y \(ABCD\), respectivamente.
El lugar geométrico es el perímetro del rombo \(PQCR\), situado en el plano \(AB'C\). Para un cubo de arista \(a\), sus lados tienen longitud \(a/\sqrt2\), y sus ángulos en \(P\) y \(C\) son de \(60^\circ\).
Un dibujo esquemático en su plano es:
C
/ \
/ \
R Q
\ /
\ /
P
El punto medio recorre el rombo en el orden \(P\to Q\to C\to R\to P\).
Solución
Sea \(T\) el tiempo que tarda cualquiera de los puntos móviles en recorrer una arista. Como sus rapideces son iguales, llegan simultáneamente a los vértices sucesivos. Sus posiciones y el correspondiente punto medio \(M\) son:
| Tiempo | \(X\) | \(Y\) | \(M\) |
|---|---|---|---|
| \(0\) | \(A\) | \(B'\) | \(P\) |
| \(T\) | \(B\) | \(C'\) | \(Q\) |
| \(2T\) | \(C\) | \(C\) | \(C\) |
| \(3T\) | \(D\) | \(B\) | \(R\) |
| \(4T\) | \(A\) | \(B'\) | \(P\) |
Aquí \(AB'\), \(BC'\) y \(DB\) son diagonales de las respectivas caras cuadradas, por lo que sus puntos medios son, en efecto, \(P,Q,R\). En el instante \(2T\), el segmento \(XY\) se reduce al punto \(C\), cuyo punto medio es \(C\).
Durante cada intervalo entre instantes sucesivos de la tabla, ambos puntos se mueven uniformemente a lo largo de segmentos rectilíneos. Expresando las posiciones como vectores, supongamos que los extremos de sus recorridos durante uno de estos intervalos son \(U,V\) y \(U',V'\). Cuando ha transcurrido una fracción \(s\in[0,1]\) del intervalo, \[ X(s)=(1-s)U+sV,\qquad Y(s)=(1-s)U'+sV'. \] En consecuencia, \[ M(s)=\frac{X(s)+Y(s)}2 =(1-s)\frac{U+U'}2+s\frac{V+V'}2. \] Así, \(M\) recorre exactamente todo el segmento que une sus posiciones inicial y final. Por tanto, los cuatro intervalos dan precisamente \[ PQ\cup QC\cup CR\cup RP. \] Después de \(4T\), ambos movimientos se repiten, de modo que no hay más puntos en el lugar geométrico.
Queda por identificar este cuadrilátero. Las diagonales de cada cuadrado se bisecan mutuamente, por lo que \[ P=\operatorname{punto\ medio}(AB'),\qquad Q=\operatorname{punto\ medio}(B'C),\qquad R=\operatorname{punto\ medio}(AC). \] Además, \(AB'\), \(B'C\) y \(CA\) son diagonales de caras del cubo. Cada una tiene longitud \(a\sqrt2\), por lo que \(AB'C\) es un triángulo equilátero.
Al aplicar el teorema del segmento medio en este triángulo se obtiene \[ PQ\parallel AC,\qquad PR\parallel B'C. \] Como \(CR\) está contenido en \(CA\) y \(CQ\) está contenido en \(CB'\), los dos pares de lados opuestos de \(PQCR\) son paralelos. Además, \[ PQ=QC=CR=RP=\frac{a\sqrt2}{2}. \] Por tanto, \(PQCR\) es un rombo no degenerado. Su ángulo en \(C\) es el ángulo de \(60^\circ\) del triángulo equilátero, lo que completa la descripción y la demostración.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1962 · 问题 3
考虑正方体 \(ABCDA'B'C'D'\)(\(ABCD\) 和 \(A'B'C'D'\) 分别为上、下底面,棱 \(AA', BB', CC', DD'\) 相互平行)。点 \(X\) 沿正方形 \(ABCD\) 的周界按 \(ABCDA\) 的方向匀速运动,点 \(Y\) 以相同的速率沿正方形 \(B'C'CB\) 的周界按 \(B'C'CBB'\) 的方向运动。点 \(X\) 和 \(Y\) 分别从起点 \(A\) 和 \(B'\) 同时开始运动。求线段 \(XY\) 的中点的轨迹,并画出该轨迹。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
设 \(P,Q,R\) 分别为面 \(ABB'A'\)、\(BCC'B'\) 和 \(ABCD\) 的中心。
轨迹是位于平面 \(AB'C\) 内的菱形 \(PQCR\) 的周界。若正方体的棱长为 \(a\),则该菱形的边长为 \(a/\sqrt2\),在 \(P\) 和 \(C\) 处的内角均为 \(60^\circ\)。
在其所在平面内的示意图如下:
C
/ \
/ \
R Q
\ /
\ /
P
中点按 \(P\to Q\to C\to R\to P\) 的顺序运动。
解答
设任一动点走完一条棱所需的时间为 \(T\)。由于它们的速率相同,它们同时到达各个相继的顶点。它们的位置及相应的中点 \(M\) 如下:
| 时刻 | \(X\) | \(Y\) | \(M\) |
|---|---|---|---|
| \(0\) | \(A\) | \(B'\) | \(P\) |
| \(T\) | \(B\) | \(C'\) | \(Q\) |
| \(2T\) | \(C\) | \(C\) | \(C\) |
| \(3T\) | \(D\) | \(B\) | \(R\) |
| \(4T\) | \(A\) | \(B'\) | \(P\) |
这里,\(AB'\)、\(BC'\) 和 \(DB\) 是相应正方形面的对角线,所以它们的中点确实分别为 \(P,Q,R\)。在时刻 \(2T\),线段 \(XY\) 退化为点 \(C\),其中点就是 \(C\)。
在表中每两个相邻时刻之间的时间段内,两点均沿直线段匀速运动。用向量表示位置,设两点在这样一个时间段内运动的起点和终点分别为 \(U,V\) 和 \(U',V'\)。当经过的时间占该时间段的比例为 \(s\in[0,1]\) 时, \[ X(s)=(1-s)U+sV,\qquad Y(s)=(1-s)U'+sV'. \] 因此, \[ M(s)=\frac{X(s)+Y(s)}2 =(1-s)\frac{U+U'}2+s\frac{V+V'}2. \] 所以,\(M\) 恰好遍历连接其起点与终点的整条线段。因此,四个时间段给出的轨迹恰为 \[ PQ\cup QC\cup CR\cup RP. \] 在 \(4T\) 之后,两点的运动均重复进行,因此轨迹中没有其他点。
下面确定这个四边形的形状。每个正方形的两条对角线互相平分,因此 \[ P=\operatorname{中点}(AB'),\qquad Q=\operatorname{中点}(B'C),\qquad R=\operatorname{中点}(AC). \] 此外,\(AB'\)、\(B'C\) 和 \(CA\) 都是正方体的面对角线。每条的长度均为 \(a\sqrt2\),所以 \(AB'C\) 是等边三角形。
在这个三角形中应用中位线定理,得到 \[ PQ\parallel AC,\qquad PR\parallel B'C. \] 由于 \(CR\) 位于 \(CA\) 上,\(CQ\) 位于 \(CB'\) 上,\(PQCR\) 的两组对边分别平行。此外, \[ PQ=QC=CR=RP=\frac{a\sqrt2}{2}. \] 所以 \(PQCR\) 是一个非退化的菱形。它在 \(C\) 处的内角就是该等边三角形的 \(60^\circ\) 角,至此完成了轨迹的描述和证明。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1962 · Задача 3
Рассмотрим куб \(ABCDA'B'C'D'\) (\(ABCD\) и \(A'B'C'D'\) — соответственно верхнее и нижнее основания, а рёбра \(AA', BB', CC', DD'\) параллельны). Точка \(X\) движется с постоянной скоростью по периметру квадрата \(ABCD\) в направлении \(ABCDA\), а точка \(Y\) движется с той же скоростью по периметру квадрата \(B'C'CB\) в направлении \(B'C'CBB'\). Точки \(X\) и \(Y\) начинают движение одновременно из точек \(A\) и \(B'\) соответственно. Найдите и изобразите геометрическое место середин отрезков \(XY\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Пусть \(P,Q,R\) — центры граней \(ABB'A'\), \(BCC'B'\) и \(ABCD\) соответственно.
Искомое геометрическое место — периметр ромба \(PQCR\), лежащего в плоскости \(AB'C\). Если длина ребра куба равна \(a\), то стороны ромба имеют длину \(a/\sqrt2\), а его углы при \(P\) и \(C\) равны \(60^\circ\).
Схематический рисунок в его плоскости:
C
/ \
/ \
R Q
\ /
\ /
P
Середина отрезка движется в порядке \(P\to Q\to C\to R\to P\).
Решение
Пусть \(T\) — время, за которое каждая из движущихся точек проходит одно ребро. Поскольку их скорости равны, они одновременно достигают очередных вершин. Их положения и соответствующие положения середины \(M\) приведены в таблице:
| Время | \(X\) | \(Y\) | \(M\) |
|---|---|---|---|
| \(0\) | \(A\) | \(B'\) | \(P\) |
| \(T\) | \(B\) | \(C'\) | \(Q\) |
| \(2T\) | \(C\) | \(C\) | \(C\) |
| \(3T\) | \(D\) | \(B\) | \(R\) |
| \(4T\) | \(A\) | \(B'\) | \(P\) |
Здесь \(AB'\), \(BC'\) и \(DB\) — диагонали соответствующих квадратных граней, поэтому их серединами действительно являются \(P,Q,R\). В момент \(2T\) отрезок \(XY\) вырождается в точку \(C\), середина которой есть \(C\).
В течение каждого промежутка между последовательными моментами времени из таблицы обе точки равномерно движутся по прямолинейным отрезкам. Представляя положения точек векторами, обозначим начала и концы их путей за такой промежуток через \(U,V\) и \(U',V'\). Когда проходит доля \(s\in[0,1]\) этого промежутка, \[ X(s)=(1-s)U+sV,\qquad Y(s)=(1-s)U'+sV'. \] Следовательно, \[ M(s)=\frac{X(s)+Y(s)}2 =(1-s)\frac{U+U'}2+s\frac{V+V'}2. \] Таким образом, \(M\) проходит в точности весь отрезок, соединяющий её начальное и конечное положения. Поэтому четыре промежутка дают в точности \[ PQ\cup QC\cup CR\cup RP. \] После \(4T\) оба движения повторяются, так что других точек в искомом геометрическом месте нет.
Остаётся определить вид этого четырёхугольника. Диагонали каждого квадрата делят друг друга пополам, поэтому \[ P=\operatorname{середина}(AB'),\qquad Q=\operatorname{середина}(B'C),\qquad R=\operatorname{середина}(AC). \] Кроме того, \(AB'\), \(B'C\) и \(CA\) — диагонали граней куба. Длина каждой из них равна \(a\sqrt2\), так что \(AB'C\) — равносторонний треугольник.
Применяя теорему о средней линии к этому треугольнику, получаем \[ PQ\parallel AC,\qquad PR\parallel B'C. \] Поскольку \(CR\) лежит на \(CA\), а \(CQ\) — на \(CB'\), обе пары противоположных сторон \(PQCR\) параллельны. Кроме того, \[ PQ=QC=CR=RP=\frac{a\sqrt2}{2}. \] Следовательно, \(PQCR\) — невырожденный ромб. Его угол при \(C\) равен углу \(60^\circ\) равностороннего треугольника, что завершает описание и доказательство.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1962 · المسألة 3
ليكن \(ABCDA'B'C'D'\) مكعبًا (قاعدتاه العليا والسفلى هما \(ABCD\) و\(A'B'C'D'\) على الترتيب، والأحرف \(AA', BB', CC', DD'\) متوازية). تتحرك النقطة \(X\) بسرعة ثابتة على محيط المربع \(ABCD\) في الاتجاه \(ABCDA\)، وتتحرك النقطة \(Y\) بالسرعة نفسها على محيط المربع \(B'C'CB\) في الاتجاه \(B'C'CBB'\). تبدأ النقطتان \(X\) و\(Y\) حركتيهما في اللحظة نفسها من الموضعين الابتدائيين \(A\) و\(B'\) على الترتيب. عيّن وارسم المحل الهندسي لمنتصفات القطع \(XY\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
لتكن \(P,Q,R\) مراكز الأوجه \(ABB'A'\)، و\(BCC'B'\)، و\(ABCD\) على الترتيب.
المحل الهندسي هو محيط المعين \(PQCR\)، الواقع في المستوى \(AB'C\). إذا كان طول حرف المكعب \(a\)، فإن طول كل ضلع من أضلاع المعين هو \(a/\sqrt2\)، وقياس كل من زاويتيه عند \(P\) و\(C\) هو \(60^\circ\).
فيما يأتي رسم تخطيطي له في مستواه:
C
/ \
/ \
R Q
\ /
\ /
P
يتحرك المنتصف وفق الترتيب \(P\to Q\to C\to R\to P\).
الحل
ليكن \(T\) الزمن الذي تستغرقه أي من النقطتين المتحركتين لقطع حرف واحد. بما أن سرعتيهما متساويتان، فإنهما تصلان إلى الرؤوس المتتالية في الوقت نفسه. موضعاهما والمنتصف الموافق \(M\) هي:
| الزمن | \(X\) | \(Y\) | \(M\) |
|---|---|---|---|
| \(0\) | \(A\) | \(B'\) | \(P\) |
| \(T\) | \(B\) | \(C'\) | \(Q\) |
| \(2T\) | \(C\) | \(C\) | \(C\) |
| \(3T\) | \(D\) | \(B\) | \(R\) |
| \(4T\) | \(A\) | \(B'\) | \(P\) |
هنا \(AB'\)، و\(BC'\)، و\(DB\) أقطار الأوجه المربعة المعنية، لذا فإن منتصفاتها هي بالفعل \(P,Q,R\). عند الزمن \(2T\)، تنكمش القطعة \(XY\) إلى النقطة \(C\)، التي يكون منتصفها \(C\).
خلال كل فترة بين زمنين متتاليين في الجدول، تتحرك النقطتان بانتظام على قطعتين مستقيمتين. وبتمثيل المواضع بمتجهات، لنفترض أن طرفي مسار كل منهما خلال إحدى هذه الفترات هما \(U,V\) و\(U',V'\). عند انقضاء جزء \(s\in[0,1]\) من الفترة، \[ X(s)=(1-s)U+sV,\qquad Y(s)=(1-s)U'+sV'. \] وبالتالي، \[ M(s)=\frac{X(s)+Y(s)}2 =(1-s)\frac{U+U'}2+s\frac{V+V'}2. \] إذن تجتاز \(M\) بالضبط كامل القطعة الواصلة بين موضعيها عند طرفي الفترة. ومن ثم تعطي الفترات الأربع بالضبط \[ PQ\cup QC\cup CR\cup RP. \] بعد \(4T\)، تتكرر الحركتان، فلا توجد نقاط أخرى في المحل الهندسي.
يبقى أن نحدد نوع هذا الرباعي. ينصف قطرا كل مربع أحدهما الآخر، ومن ثم \[ P=\operatorname{منتصف}(AB'),\qquad Q=\operatorname{منتصف}(B'C),\qquad R=\operatorname{منتصف}(AC). \] علاوة على ذلك، فإن \(AB'\)، و\(B'C\)، و\(CA\) أقطار أوجه المكعب. طول كل منها \(a\sqrt2\)، لذا فإن \(AB'C\) مثلث متساوي الأضلاع.
بتطبيق نظرية القطعة الواصلة بين منتصفي ضلعين في هذا المثلث، نحصل على \[ PQ\parallel AC,\qquad PR\parallel B'C. \] بما أن \(CR\) تقع على \(CA\) و\(CQ\) تقع على \(CB'\)، فإن كل ضلعين متقابلين في \(PQCR\) متوازيان. وكذلك، \[ PQ=QC=CR=RP=\frac{a\sqrt2}{2}. \] إذن \(PQCR\) معين غير منعدم. وزاويته عند \(C\) هي زاوية المثلث المتساوي الأضلاع التي قياسها \(60^\circ\)، وبذلك يكتمل الوصف والبرهان.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).