IMO 1962 · Problem 5
On the circle \(K\) there are given three distinct points \(A, B, C\). Construct (using only straightedge and compasses) a fourth point \(D\) on \(K\) such that a circle can be inscribed in the quadrilateral thus obtained.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let \(M\) be the midpoint of the arc \(AC\) not containing \(B\). It is constructible by intersecting the perpendicular bisector of \(AC\) with \(K\) and selecting the intersection on that arc. Put \[ m=AM=CM. \]
If \(AB=BC\), choose \(D=M\).
If \(AB\ne BC\), construct the length \[ \ell=\frac{m\,|AB-BC|}{AC}. \] This is a straightedge-and-compass construction by similar triangles: mark \(T\) on \(AC\) with \(AT=|AB-BC|\), and draw through \(T\) the parallel to \(CM\), meeting \(AM\) at \(N\). Then \(AN=\ell\).
Draw the circle with centre \(M\) and radius \(\ell\). Choose its intersection with \(K\) as follows:
- If \(AB>BC\), choose \(D\) on the subarc \(MC\) of the arc \(AC\) not containing \(B\).
- If \(AB<BC\), choose \(D\) on the subarc \(AM\) of that arc.
We prove that this construction always works.
Since three distinct points on a circle are noncollinear, the strict triangle inequality gives \[ |AB-BC|<AC. \] Consequently, in the unequal case, \[ 0<\ell<m. \] Each of the subarcs \(AM\) and \(MC\) is shorter than a semicircle. Along either subarc, the chord length from \(M\) increases strictly from \(0\) to \(m\). Thus the auxiliary circle meets each subarc in exactly one interior point. In every case, \(D\) is distinct from \(A,B,C\), and \(ABCD\) is a convex quadrilateral in circular order.
We next show that \[ AB+CD=BC+DA. \tag{1} \]
If \(AB=BC\), this follows immediately from \(D=M\) and \(AM=CM\).
If \(AB>BC\), the points \(A,M,D,C\) occur in that circular order. Ptolemy’s theorem gives \[ AD\cdot MC=AM\cdot DC+MD\cdot AC. \] Since \(AM=MC=m\) and \(MD=\ell\), we obtain \[ AD-CD=\frac{\ell\,AC}{m}=AB-BC, \] which is (1).
If \(AB<BC\), apply Ptolemy’s theorem to the points \(A,D,M,C\): \[ AM\cdot DC=AD\cdot MC+DM\cdot AC. \] Hence \[ CD-AD=\frac{\ell\,AC}{m}=BC-AB, \] again proving (1).
To finish, we prove the needed converse of Pitot’s theorem: a convex quadrilateral whose opposite side lengths have equal sums has an inscribed circle.
Let \(PQRS\) be such a quadrilateral, so that \[ PQ+RS=QR+SP. \] Start with a sufficiently small circle inside the quadrilateral tangent to \(PQ\) and \(QR\). Enlarge it homothetically about \(Q\) until it first touches \(PS\) or \(RS\). Such a first contact exists because the quadrilateral is bounded.
If it touches both, it is the required circle. Otherwise, reversing the labels \(P,R\) if necessary, suppose it touches \(PS\) but not \(RS\).
Move the line \(RS\) inward, parallel to itself, until it becomes tangent to the circle. It cuts \(QR\) and \(PS\) at interior points \(R'\) and \(S'\): the circle already touches those two segments, so the moving line reaches the circle before passing either \(Q\) or \(P\).
The circle is inscribed in \(PQR'S'\). Equality of tangent lengths from each vertex therefore gives \[ PQ+R'S'=QR'+S'P. \] Subtracting this from the assumed equality yields \[ RS=RR'+R'S'+S'S. \] But the broken path \(R,R',S',S\) is not straight, so the strict triangle inequality gives \[ RS<RR'+R'S'+S'S, \] a contradiction. Thus the circle must touch all four original sides.
Applying this result to (1), the constructed quadrilateral \(ABCD\) has an inscribed circle, as required.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1962 · Aufgabe 5
Auf dem Kreis \(K\) sind drei verschiedene Punkte \(A, B, C\) gegeben. Konstruiere (nur mit Zirkel und Lineal) einen vierten Punkt \(D\) auf \(K\), sodass das so entstehende Viereck einen Inkreis besitzt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Es sei \(M\) der Mittelpunkt des Bogens \(AC\), der \(B\) nicht enthält. Er lässt sich konstruieren, indem man die Mittelsenkrechte von \(AC\) mit \(K\) schneidet und den auf diesem Bogen liegenden Schnittpunkt wählt. Setze \[ m=AM=CM. \]
Ist \(AB=BC\), so wähle \(D=M\).
Ist \(AB\ne BC\), so konstruiere die Länge \[ \ell=\frac{m\,|AB-BC|}{AC}. \] Dies ist mithilfe ähnlicher Dreiecke eine Konstruktion mit Zirkel und Lineal: Markiere den Punkt \(T\) auf \(AC\) mit \(AT=|AB-BC|\) und zeichne durch \(T\) die Parallele zu \(CM\), die \(AM\) in \(N\) schneidet. Dann gilt \(AN=\ell\).
Zeichne den Kreis mit Mittelpunkt \(M\) und Radius \(\ell\). Wähle seinen Schnittpunkt mit \(K\) wie folgt:
- Ist \(AB>BC\), so wähle \(D\) auf dem Teilbogen \(MC\) des Bogens \(AC\), der \(B\) nicht enthält.
- Ist \(AB<BC\), so wähle \(D\) auf dem Teilbogen \(AM\) dieses Bogens.
Wir beweisen, dass diese Konstruktion stets zum Ziel führt.
Da drei verschiedene Punkte auf einem Kreis nicht auf einer Geraden liegen, liefert die strenge Dreiecksungleichung \[ |AB-BC|<AC. \] Folglich gilt im Fall ungleicher Längen \[ 0<\ell<m. \] Jeder der Teilbögen \(AM\) und \(MC\) ist kürzer als ein Halbkreis. Entlang jedes dieser Teilbögen wächst die Sehnenlänge von \(M\) aus streng monoton von \(0\) auf \(m\). Somit schneidet der Hilfskreis jeden Teilbogen in genau einem inneren Punkt. In jedem Fall ist \(D\) von \(A,B,C\) verschieden, und \(ABCD\) ist ein konvexes Viereck, dessen Eckpunkte in dieser Reihenfolge auf dem Kreis liegen.
Als Nächstes zeigen wir, dass \[ AB+CD=BC+DA. \tag{1} \]
Ist \(AB=BC\), so folgt dies unmittelbar aus \(D=M\) und \(AM=CM\).
Ist \(AB>BC\), so liegen die Punkte \(A,M,D,C\) in dieser Reihenfolge auf dem Kreis. Der Satz von Ptolemäus liefert \[ AD\cdot MC=AM\cdot DC+MD\cdot AC. \] Wegen \(AM=MC=m\) und \(MD=\ell\) erhalten wir \[ AD-CD=\frac{\ell\,AC}{m}=AB-BC, \] was (1) entspricht.
Ist \(AB<BC\), so wenden wir den Satz von Ptolemäus auf die Punkte \(A,D,M,C\) an: \[ AM\cdot DC=AD\cdot MC+DM\cdot AC. \] Daraus folgt \[ CD-AD=\frac{\ell\,AC}{m}=BC-AB, \] womit (1) auch in diesem Fall bewiesen ist.
Zum Abschluss beweisen wir die benötigte Umkehrung des Satzes von Pitot: Ein konvexes Viereck, bei dem die Summen der Längen gegenüberliegender Seiten gleich sind, besitzt einen Inkreis.
Es sei \(PQRS\) ein solches Viereck, sodass \[ PQ+RS=QR+SP. \] Wir beginnen mit einem hinreichend kleinen Kreis im Inneren des Vierecks, der \(PQ\) und \(QR\) berührt. Wir vergrößern ihn durch eine zentrische Streckung mit Zentrum \(Q\), bis er erstmals \(PS\) oder \(RS\) berührt. Eine solche erste Berührung gibt es, weil das Viereck beschränkt ist.
Berührt er beide Seiten, so ist er der gesuchte Kreis. Andernfalls nehmen wir, gegebenenfalls nach Vertauschung der Bezeichnungen \(P,R\), an, dass er \(PS\), aber nicht \(RS\) berührt.
Wir verschieben die Gerade \(RS\) parallel zu sich selbst nach innen, bis sie den Kreis berührt. Sie schneidet \(QR\) und \(PS\) in inneren Punkten \(R'\) und \(S'\): Der Kreis berührt diese beiden Strecken bereits, sodass die verschobene Gerade den Kreis erreicht, bevor sie über \(Q\) oder \(P\) hinausgelangt.
Der Kreis ist der Inkreis von \(PQR'S'\). Aus der Gleichheit der Tangentenabschnitte von jedem Eckpunkt aus folgt daher \[ PQ+R'S'=QR'+S'P. \] Subtrahiert man dies von der vorausgesetzten Gleichheit, so erhält man \[ RS=RR'+R'S'+S'S. \] Der Streckenzug \(R,R',S',S\) ist jedoch nicht geradlinig, sodass die strenge Dreiecksungleichung \[ RS<RR'+R'S'+S'S, \] einen Widerspruch ergibt. Somit muss der Kreis alle vier ursprünglichen Seiten berühren.
Wenden wir dieses Ergebnis auf (1) an, so besitzt das konstruierte Viereck \(ABCD\) wie gefordert einen Inkreis.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1962 · Soru 5
\(K\) çemberi üzerinde birbirinden farklı üç \(A, B, C\) noktası verilmiştir. Elde edilen dörtgenin içine bir çember çizilebilecek şekilde, \(K\) üzerinde dördüncü bir \(D\) noktası inşa ediniz (yalnızca cetvel ve pergel kullanınız).
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(M\), \(B\)'yi içermeyen \(AC\) yayının orta noktası olsun. Bu nokta, \(AC\)'nin orta dikmesi ile \(K\) kesiştirilip bu yay üzerindeki kesişim noktası seçilerek inşa edilebilir. \[ m=AM=CM \] olsun.
\(AB=BC\) ise \(D=M\) seçiniz.
\(AB\ne BC\) ise \[ \ell=\frac{m\,|AB-BC|}{AC} \] uzunluğunu inşa ediniz. Bu, benzer üçgenler yardımıyla yapılan bir cetvel-pergel inşasıdır: \(AC\) üzerinde \(AT=|AB-BC|\) olacak şekilde \(T\) noktasını işaretleyiniz ve \(T\)'den \(CM\)'ye paralel çizerek \(AM\)'yi \(N\)'de kestiriniz. Bu durumda \(AN=\ell\) olur.
Merkezi \(M\), yarıçapı \(\ell\) olan çemberi çiziniz. Bu çemberin \(K\) ile kesişim noktasını aşağıdaki gibi seçiniz:
- \(AB>BC\) ise \(D\)'yi, \(B\)'yi içermeyen \(AC\) yayının \(MC\) alt yayı üzerinde seçiniz.
- \(AB<BC\) ise \(D\)'yi bu yayın \(AM\) alt yayı üzerinde seçiniz.
Bu inşanın her zaman istenen sonucu verdiğini ispatlayalım.
Bir çember üzerindeki birbirinden farklı üç nokta doğrusal olmadığından, kesin üçgen eşitsizliği \[ |AB-BC|<AC \] sonucunu verir. Dolayısıyla, uzunlukların eşit olmadığı durumda, \[ 0<\ell<m. \] \(AM\) ve \(MC\) alt yaylarının her biri bir yarım çemberden kısadır. Her iki alt yay boyunca da \(M\)'den ölçülen kiriş uzunluğu \(0\)'dan \(m\)'ye kesin olarak artar. Böylece yardımcı çember her alt yayı tam olarak bir iç noktada keser. Her durumda \(D\), \(A,B,C\)'den farklıdır ve \(ABCD\), köşeleri çember üzerinde bu sırayla bulunan bir dışbükey dörtgendir.
Şimdi \[ AB+CD=BC+DA \tag{1} \] olduğunu gösterelim.
\(AB=BC\) ise bu, \(D=M\) ve \(AM=CM\) eşitliklerinden hemen çıkar.
\(AB>BC\) ise \(A,M,D,C\) noktaları çember üzerinde bu sırayla bulunur. Batlamyus teoreminden \[ AD\cdot MC=AM\cdot DC+MD\cdot AC \] elde edilir. \(AM=MC=m\) ve \(MD=\ell\) olduğundan, \[ AD-CD=\frac{\ell\,AC}{m}=AB-BC, \] bulunur ki bu, (1) eşitliğidir.
\(AB<BC\) ise Batlamyus teoremini \(A,D,M,C\) noktalarına uygulayalım: \[ AM\cdot DC=AD\cdot MC+DM\cdot AC. \] Böylece \[ CD-AD=\frac{\ell\,AC}{m}=BC-AB, \] olur ve (1) yine ispatlanır.
Son olarak, Pitot teoreminin ihtiyaç duyduğumuz tersini ispatlayalım: Karşılıklı kenar uzunluklarının toplamları eşit olan bir dışbükey dörtgenin iç teğet çemberi vardır.
\(PQRS\) böyle bir dörtgen olsun; yani \[ PQ+RS=QR+SP. \] Dörtgenin içinde, \(PQ\) ve \(QR\)'ye teğet, yeterince küçük bir çemberle başlayalım. Bu çemberi \(Q\) merkezli bir homotetiyle, ilk kez \(PS\) veya \(RS\)'ye değinceye kadar büyütelim. Dörtgen sınırlı olduğundan böyle bir ilk temas gerçekleşir.
Her ikisine de değerse, aranan çember budur. Aksi hâlde, gerekirse \(P,R\) etiketlerini yer değiştirerek, \(PS\)'ye değdiğini fakat \(RS\)'ye değmediğini varsayalım.
\(RS\) doğrusunu, kendisine paralel kalacak şekilde, çembere teğet oluncaya kadar içeri doğru kaydıralım. Bu doğru, \(QR\) ve \(PS\)'yi sırasıyla \(R'\) ve \(S'\) iç noktalarında keser: çember bu iki doğru parçasına zaten değdiğinden, hareket eden doğru \(Q\) veya \(P\)'den herhangi birini geçmeden önce çembere ulaşır.
Çember, \(PQR'S'\)'nin iç teğet çemberidir. Dolayısıyla her köşeden çizilen teğet parçalarının uzunluklarının eşitliğinden \[ PQ+R'S'=QR'+S'P \] elde edilir. Bunu varsayılan eşitlikten çıkarırsak \[ RS=RR'+R'S'+S'S \] buluruz. Ancak \(R,R',S',S\) kırık çizgisi düz olmadığından, kesin üçgen eşitsizliği \[ RS<RR'+R'S'+S'S, \] sonucunu verir; bu bir çelişkidir. Demek ki çember başlangıçtaki dört kenarın tümüne değmelidir.
Bu sonucu (1)'e uyguladığımızda, inşa edilen \(ABCD\) dörtgeninin istendiği gibi bir iç teğet çemberi olduğu görülür.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1962 · Problema 5
En la circunferencia \(K\) se dan tres puntos distintos \(A, B, C\). Construir (usando únicamente regla y compás) un cuarto punto \(D\) en \(K\) de modo que se pueda inscribir una circunferencia en el cuadrilátero así obtenido.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sea \(M\) el punto medio del arco \(AC\) que no contiene a \(B\). Se puede construir intersecando la mediatriz de \(AC\) con \(K\) y eligiendo la intersección situada en dicho arco. Sea \[ m=AM=CM. \]
Si \(AB=BC\), elegimos \(D=M\).
Si \(AB\ne BC\), construimos la longitud \[ \ell=\frac{m\,|AB-BC|}{AC}. \] Esta construcción se realiza con regla y compás mediante triángulos semejantes: marcamos \(T\) en \(AC\) con \(AT=|AB-BC|\), y trazamos por \(T\) la paralela a \(CM\), que corta a \(AM\) en \(N\). Entonces \(AN=\ell\).
Trazamos la circunferencia de centro \(M\) y radio \(\ell\). Elegimos su intersección con \(K\) del siguiente modo:
- Si \(AB>BC\), elegimos \(D\) en el subarco \(MC\) del arco \(AC\) que no contiene a \(B\).
- Si \(AB<BC\), elegimos \(D\) en el subarco \(AM\) de dicho arco.
Demostremos que esta construcción siempre funciona.
Como tres puntos distintos de una circunferencia no están alineados, la desigualdad triangular estricta da \[ |AB-BC|<AC. \] En consecuencia, en el caso de desigualdad, \[ 0<\ell<m. \] Cada uno de los subarcos \(AM\) y \(MC\) es menor que una semicircunferencia. A lo largo de cualquiera de ellos, la longitud de la cuerda desde \(M\) aumenta estrictamente de \(0\) a \(m\). Por tanto, la circunferencia auxiliar corta a cada subarco en exactamente un punto interior. En todos los casos, \(D\) es distinto de \(A,B,C\), y \(ABCD\) es un cuadrilátero convexo cuyos vértices aparecen en ese orden sobre la circunferencia.
A continuación, demostraremos que \[ AB+CD=BC+DA. \tag{1} \]
Si \(AB=BC\), esto se deduce inmediatamente de \(D=M\) y \(AM=CM\).
Si \(AB>BC\), los puntos \(A,M,D,C\) aparecen en ese orden sobre la circunferencia. El teorema de Ptolomeo da \[ AD\cdot MC=AM\cdot DC+MD\cdot AC. \] Como \(AM=MC=m\) y \(MD=\ell\), obtenemos \[ AD-CD=\frac{\ell\,AC}{m}=AB-BC, \] que es (1).
Si \(AB<BC\), aplicamos el teorema de Ptolomeo a los puntos \(A,D,M,C\): \[ AM\cdot DC=AD\cdot MC+DM\cdot AC. \] Por tanto, \[ CD-AD=\frac{\ell\,AC}{m}=BC-AB, \] lo que demuestra de nuevo (1).
Para terminar, demostraremos el recíproco del teorema de Pitot que necesitamos: un cuadrilátero convexo en el que las sumas de las longitudes de los lados opuestos son iguales tiene una circunferencia inscrita.
Sea \(PQRS\) un cuadrilátero de este tipo, de modo que \[ PQ+RS=QR+SP. \] Partimos de una circunferencia suficientemente pequeña situada dentro del cuadrilátero y tangente a \(PQ\) y \(QR\). La ampliamos mediante una homotecia de centro \(Q\) hasta que toque por primera vez a \(PS\) o a \(RS\). Ese primer contacto existe porque el cuadrilátero es acotado.
Si toca a ambos, es la circunferencia buscada. En caso contrario, intercambiando las etiquetas \(P,R\) si es necesario, supongamos que toca a \(PS\) pero no a \(RS\).
Desplazamos la recta \(RS\) hacia el interior, paralelamente a sí misma, hasta que sea tangente a la circunferencia. Corta a \(QR\) y \(PS\) en puntos interiores \(R'\) y \(S'\): la circunferencia ya toca a esos dos segmentos, por lo que la recta móvil alcanza la circunferencia antes de pasar por \(Q\) o por \(P\).
La circunferencia está inscrita en \(PQR'S'\). Por tanto, la igualdad de las longitudes de los segmentos tangentes desde cada vértice da \[ PQ+R'S'=QR'+S'P. \] Al restar esta igualdad de la igualdad supuesta se obtiene \[ RS=RR'+R'S'+S'S. \] Pero la línea poligonal \(R,R',S',S\) no es recta, por lo que la desigualdad triangular estricta da \[ RS<RR'+R'S'+S'S, \] una contradicción. Así pues, la circunferencia debe tocar los cuatro lados originales.
Aplicando este resultado a (1), el cuadrilátero construido \(ABCD\) tiene una circunferencia inscrita, como se requería.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1962 · 问题 5
圆 \(K\) 上给定三个互不相同的点 \(A, B, C\)。仅用直尺和圆规,在 \(K\) 上作出第四个点 \(D\),使所得的四边形有内切圆。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
设 \(M\) 为不含 \(B\) 的弧 \(AC\) 的中点。作 \(AC\) 的垂直平分线与 \(K\) 相交,选取位于该弧上的交点,即可作出 \(M\)。令 \[ m=AM=CM. \]
若 \(AB=BC\),取 \(D=M\)。
若 \(AB\ne BC\),作出长度 \[ \ell=\frac{m\,|AB-BC|}{AC}. \] 这可以利用相似三角形进行尺规作图:在 \(AC\) 上取点 \(T\),使 \(AT=|AB-BC|\),过 \(T\) 作 \(CM\) 的平行线,与 \(AM\) 交于 \(N\)。则 \(AN=\ell\)。
以 \(M\) 为圆心、\(\ell\) 为半径作圆。按如下方式选取它与 \(K\) 的交点:
- 若 \(AB>BC\),选取位于不含 \(B\) 的弧 \(AC\) 的子弧 \(MC\) 上的点 \(D\)。
- 若 \(AB<BC\),选取位于该弧的子弧 \(AM\) 上的点 \(D\)。
下面证明这种作法总是可行。
由于圆上三个互不相同的点不共线,由严格三角不等式得 \[ |AB-BC|<AC. \] 因此,在两边不等的情形下, \[ 0<\ell<m. \] 子弧 \(AM\) 和 \(MC\) 都短于半圆。沿任一子弧从 \(M\) 出发,与 \(M\) 相连的弦长从 \(0\) 严格增加到 \(m\)。因此,辅助圆与每条子弧都恰有一个交点,且该交点位于子弧内部。在所有情形下,\(D\) 都不同于 \(A,B,C\),且 \(ABCD\) 是顶点按此顺序排列在圆上的凸四边形。
接下来证明 \[ AB+CD=BC+DA. \tag{1} \]
若 \(AB=BC\),由 \(D=M\) 和 \(AM=CM\) 立即可得此式。
若 \(AB>BC\),则点 \(A,M,D,C\) 按此顺序排列在圆上。由托勒密定理得 \[ AD\cdot MC=AM\cdot DC+MD\cdot AC. \] 由于 \(AM=MC=m\) 且 \(MD=\ell\),得到 \[ AD-CD=\frac{\ell\,AC}{m}=AB-BC, \] 这就是 (1)。
若 \(AB<BC\),对点 \(A,D,M,C\) 应用托勒密定理: \[ AM\cdot DC=AD\cdot MC+DM\cdot AC. \] 于是 \[ CD-AD=\frac{\ell\,AC}{m}=BC-AB, \] 再次证明了 (1)。
最后,证明所需的皮托定理的逆命题:若一个凸四边形的两组对边长度之和相等,则它有内切圆。
设 \(PQRS\) 是这样的四边形,即 \[ PQ+RS=QR+SP. \] 先在四边形内部取一个充分小的圆,使其与 \(PQ\) 和 \(QR\) 相切。以 \(Q\) 为位似中心将它放大,直到它首次与 \(PS\) 或 \(RS\) 相切。由于四边形是有界的,这样的首次相切必定存在。
若它同时与两边相切,它就是所求的圆。否则,必要时交换标号 \(P,R\),可设它与 \(PS\) 相切,但不与 \(RS\) 相切。
将直线 \(RS\) 向内平行移动,直到它与圆相切。它与 \(QR\) 和 \(PS\) 分别交于内点 \(R'\) 和 \(S'\):圆已经与这两条线段相切,因此移动的直线在经过 \(Q\) 或 \(P\) 之前就会与圆相切。
该圆内切于 \(PQR'S'\)。因此,由从每个顶点引出的两条切线段长度相等,得到 \[ PQ+R'S'=QR'+S'P. \] 用假设中的等式减去此式,得到 \[ RS=RR'+R'S'+S'S. \] 但折线路径 \(R,R',S',S\) 不是直线段,所以由严格三角不等式得 \[ RS<RR'+R'S'+S'S, \] 矛盾。因此,该圆必定与原四边形的四条边都相切。
将这一结果应用于 (1),可知作出的四边形 \(ABCD\) 有内切圆,符合要求。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1962 · Задача 5
На окружности \(K\) даны три различные точки \(A, B, C\). Постройте (используя только линейку и циркуль) четвёртую точку \(D\) на \(K\) так, чтобы в полученный четырёхугольник можно было вписать окружность.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Пусть \(M\) — середина дуги \(AC\), не содержащей \(B\). Её можно построить, проведя серединный перпендикуляр к \(AC\) и выбрав точку его пересечения с \(K\), лежащую на этой дуге. Положим \[ m=AM=CM. \]
Если \(AB=BC\), выберем \(D=M\).
Если \(AB\ne BC\), построим отрезок длины \[ \ell=\frac{m\,|AB-BC|}{AC}. \] Это построение выполняется линейкой и циркулем с помощью подобных треугольников: отметим на \(AC\) точку \(T\) так, чтобы \(AT=|AB-BC|\), и проведём через \(T\) прямую, параллельную \(CM\), которая пересечёт \(AM\) в точке \(N\). Тогда \(AN=\ell\).
Проведём окружность с центром \(M\) и радиусом \(\ell\). Выберем точку её пересечения с \(K\) следующим образом:
- Если \(AB>BC\), выберем \(D\) на поддуге \(MC\) дуги \(AC\), не содержащей \(B\).
- Если \(AB<BC\), выберем \(D\) на поддуге \(AM\) этой дуги.
Докажем, что это построение всегда даёт требуемый результат.
Поскольку три различные точки окружности не лежат на одной прямой, из строгого неравенства треугольника следует \[ |AB-BC|<AC. \] Следовательно, в случае неравных сторон \[ 0<\ell<m. \] Каждая из поддуг \(AM\) и \(MC\) меньше полуокружности. При движении по любой из этих поддуг от \(M\) длина хорды с концом в \(M\) строго возрастает от \(0\) до \(m\). Поэтому вспомогательная окружность пересекает каждую поддугу ровно в одной внутренней точке. Во всех случаях \(D\) отлична от \(A,B,C\), а \(ABCD\) — выпуклый четырёхугольник, вершины которого расположены на окружности в указанном порядке.
Теперь покажем, что \[ AB+CD=BC+DA. \tag{1} \]
Если \(AB=BC\), это непосредственно следует из \(D=M\) и \(AM=CM\).
Если \(AB>BC\), точки \(A,M,D,C\) расположены на окружности в указанном порядке. По теореме Птолемея \[ AD\cdot MC=AM\cdot DC+MD\cdot AC. \] Поскольку \(AM=MC=m\) и \(MD=\ell\), получаем \[ AD-CD=\frac{\ell\,AC}{m}=AB-BC, \] что и есть (1).
Если \(AB<BC\), применим теорему Птолемея к точкам \(A,D,M,C\): \[ AM\cdot DC=AD\cdot MC+DM\cdot AC. \] Отсюда \[ CD-AD=\frac{\ell\,AC}{m}=BC-AB, \] что снова доказывает (1).
В завершение докажем нужное нам утверждение, обратное теореме Пито: в выпуклый четырёхугольник, у которого суммы длин противоположных сторон равны, можно вписать окружность.
Пусть \(PQRS\) — такой четырёхугольник, то есть \[ PQ+RS=QR+SP. \] Возьмём внутри четырёхугольника достаточно маленькую окружность, касающуюся \(PQ\) и \(QR\). Будем увеличивать её гомотетией с центром \(Q\), пока она впервые не коснётся \(PS\) или \(RS\). Такой первый момент касания существует, поскольку четырёхугольник ограничен.
Если окружность коснётся обеих сторон, то она и есть искомая. В противном случае, при необходимости поменяв местами обозначения \(P,R\), предположим, что она касается \(PS\), но не \(RS\).
Будем перемещать прямую \(RS\) внутрь четырёхугольника параллельно самой себе, пока она не станет касательной к окружности. Она пересечёт \(QR\) и \(PS\) во внутренних точках \(R'\) и \(S'\): окружность уже касается этих двух отрезков, поэтому движущаяся прямая достигнет окружности раньше, чем пройдёт через \(Q\) или \(P\).
Окружность вписана в \(PQR'S'\). Поэтому из равенства длин отрезков касательных, проведённых из каждой вершины, следует \[ PQ+R'S'=QR'+S'P. \] Вычитая это равенство из равенства, данного в условии, получаем \[ RS=RR'+R'S'+S'S. \] Но ломаная \(R,R',S',S\) не лежит на одной прямой, поэтому строгое неравенство треугольника даёт \[ RS<RR'+R'S'+S'S, \] что приводит к противоречию. Следовательно, окружность должна касаться всех четырёх исходных сторон.
Применяя это утверждение к (1), получаем, что в построенный четырёхугольник \(ABCD\) можно вписать окружность, как и требовалось.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1962 · المسألة 5
أُعطيت ثلاث نقاط متمايزة \(A, B, C\) على الدائرة \(K\). أنشئ (باستخدام المسطرة والفرجار فقط) نقطة رابعة \(D\) على \(K\) بحيث يمكن رسم دائرة داخل الرباعي الناتج تمس أضلاعه الأربعة.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لتكن \(M\) منتصف القوس \(AC\) الذي لا يحتوي على \(B\). يمكن إنشاؤها بتقاطع العمود المنصف للقطعة \(AC\) مع \(K\)، واختيار نقطة التقاطع الواقعة على ذلك القوس. نضع \[ m=AM=CM. \]
إذا كان \(AB=BC\)، نختار \(D=M\).
إذا كان \(AB\ne BC\)، ننشئ الطول \[ \ell=\frac{m\,|AB-BC|}{AC}. \] يمكن إجراء هذا الإنشاء بالمسطرة والفرجار باستخدام تشابه المثلثات: نعيّن \(T\) على \(AC\) بحيث \(AT=|AB-BC|\)، ونرسم من \(T\) مستقيمًا موازيًا لـ\(CM\)، يقطع \(AM\) في \(N\). عندئذ \(AN=\ell\).
نرسم الدائرة التي مركزها \(M\) ونصف قطرها \(\ell\). ونختار نقطة تقاطعها مع \(K\) كما يأتي:
- إذا كان \(AB>BC\)، نختار \(D\) على القوس الجزئي \(MC\) من القوس \(AC\) الذي لا يحتوي على \(B\).
- إذا كان \(AB<BC\)، نختار \(D\) على القوس الجزئي \(AM\) من ذلك القوس.
نبرهن أن هذا الإنشاء يحقق المطلوب دائمًا.
بما أن ثلاث نقاط متمايزة على دائرة لا تقع على استقامة واحدة، فإن متباينة المثلث الصارمة تعطي \[ |AB-BC|<AC. \] وبالتالي، في حالة عدم التساوي، \[ 0<\ell<m. \] كل من القوسين الجزئيين \(AM\) و\(MC\) أقصر من نصف دائرة. وعلى كل منهما، يزداد طول الوتر الممتد من \(M\) ازديادًا صارمًا من \(0\) إلى \(m\). لذلك تقطع الدائرة المساعدة كل قوس جزئي في نقطة داخلية واحدة بالضبط. وفي جميع الحالات، تكون \(D\) مختلفة عن \(A,B,C\)، ويكون \(ABCD\) رباعيًا محدبًا تقع رؤوسه بهذا الترتيب على الدائرة.
نثبت بعد ذلك أن \[ AB+CD=BC+DA. \tag{1} \]
إذا كان \(AB=BC\)، فإن ذلك ينتج مباشرة من \(D=M\) و\(AM=CM\).
إذا كان \(AB>BC\)، فإن النقاط \(A,M,D,C\) تقع بهذا الترتيب على الدائرة. تعطي مبرهنة بطليموس \[ AD\cdot MC=AM\cdot DC+MD\cdot AC. \] بما أن \(AM=MC=m\) و\(MD=\ell\)، نحصل على \[ AD-CD=\frac{\ell\,AC}{m}=AB-BC, \] وهي العلاقة (1).
إذا كان \(AB<BC\)، نطبق مبرهنة بطليموس على النقاط \(A,D,M,C\): \[ AM\cdot DC=AD\cdot MC+DM\cdot AC. \] ومن ثم \[ CD-AD=\frac{\ell\,AC}{m}=BC-AB, \] فتثبت (1) في هذه الحالة أيضًا.
لإتمام الحل، نثبت العكس المطلوب لمبرهنة بيتو: كل رباعي محدب يتساوى فيه مجموعا طولي كل ضلعين متقابلين له دائرة داخلية تمس أضلاعه الأربعة.
ليكن \(PQRS\) رباعيًا من هذا النوع، بحيث \[ PQ+RS=QR+SP. \] نبدأ بدائرة صغيرة بما يكفي داخل الرباعي، تمس \(PQ\) و\(QR\). نكبرها بتحاكٍ مركزه \(Q\) حتى تمس \(PS\) أو \(RS\) لأول مرة. يحدث هذا التماس الأول لأن الرباعي محدود.
إذا مست كليهما، فهي الدائرة المطلوبة. وإلا، فبتبادل التسميتين \(P,R\) عند الحاجة، نفترض أنها تمس \(PS\) ولا تمس \(RS\).
نحرك المستقيم \(RS\) إلى الداخل، موازيًا لنفسه، حتى يصبح مماسًا للدائرة. يقطع هذا المستقيم \(QR\) و\(PS\) في نقطتين داخليتين \(R'\) و\(S'\): فالدائرة تمس هاتين القطعتين بالفعل، لذا يصل المستقيم المتحرك إلى الدائرة قبل أن يمر بأي من \(Q\) أو \(P\).
الدائرة داخلية في \(PQR'S'\) وتمس أضلاعه الأربعة. ومن ثم فإن تساوي طولي المماسين المرسومين من كل رأس يعطي \[ PQ+R'S'=QR'+S'P. \] بطرح هذه المساواة من المساواة المفترضة، نحصل على \[ RS=RR'+R'S'+S'S. \] لكن المسار المنكسر \(R,R',S',S\) ليس مستقيمًا، لذا فإن متباينة المثلث الصارمة تعطي \[ RS<RR'+R'S'+S'S, \] وهذا تناقض. إذن لا بد أن تمس الدائرة الأضلاع الأربعة الأصلية.
بتطبيق هذه النتيجة على (1)، تكون للرباعي المنشأ \(ABCD\) دائرة داخلية تمس أضلاعه الأربعة، وهو المطلوب.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).