IMO 1962 · Problem 6
Consider an isosceles triangle. Let \(r\) be the radius of its circumscribed circle and \(\rho\) the radius of its inscribed circle. Prove that the distance \(d\) between the centers of these two circles is \[ d=\sqrt{r(r-2\rho)}. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let the triangle have vertices \[ A=(0,h),\qquad B=(-b,0),\qquad C=(b,0), \] where \(b,h>0\). Write \(AB=AC=s\), so that \[ s^2=b^2+h^2. \]
By symmetry, the incenter \(I\) lies on the altitude from \(A\). Its distance from \(BC\) is \(\rho\), hence \(I=(0,\rho)\). Joining \(I\) to the vertices divides the triangle into three triangles of height \(\rho\); comparing their total area with \(bh\) gives \[ bh=\rho(s+b). \] Consequently, \[ \rho=\frac{bh}{s+b} =\frac{b(s-b)}{h}, \] where the second equality uses \(h^2=(s-b)(s+b)\).
The circumcenter \(O\) lies on the perpendicular bisector of \(BC\), so write \(O=(0,t)\), allowing \(t\) to be negative. Since \(OA=OB\), \[ (h-t)^2=b^2+t^2, \] and therefore \[ t=\frac{h^2-b^2}{2h} =\frac{s^2-2b^2}{2h}. \] Moreover, \[ h-t=\frac{h^2+b^2}{2h}=\frac{s^2}{2h}>0, \] so the circumradius is \(r=OA=s^2/(2h)\).
Thus \[ d^2=(t-\rho)^2 =\left(\frac{s^2-2b^2-2b(s-b)}{2h}\right)^2 =\frac{s^2(s-2b)^2}{4h^2}. \] On the other hand, \[ r-2\rho =\frac{s^2-4b(s-b)}{2h} =\frac{(s-2b)^2}{2h}, \] whence \[ r(r-2\rho)=\frac{s^2(s-2b)^2}{4h^2}=d^2. \] Taking the nonnegative square root proves the required formula.
The calculation permits either sign of \(t\), so it includes obtuse triangles. It also includes the equilateral case \(s=2b\), when \(d=0\).
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1962 · Aufgabe 6
Gegeben sei ein gleichschenkliges Dreieck. Es seien \(r\) der Radius seines Umkreises und \(\rho\) der Radius seines Inkreises. Beweise, dass der Abstand \(d\) zwischen den Mittelpunkten dieser beiden Kreise durch \[ d=\sqrt{r(r-2\rho)} \] gegeben ist.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Das Dreieck habe die Eckpunkte \[ A=(0,h),\qquad B=(-b,0),\qquad C=(b,0), \] wobei \(b,h>0\). Wir schreiben \(AB=AC=s\), sodass \[ s^2=b^2+h^2. \]
Aus Symmetriegründen liegt der Inkreismittelpunkt \(I\) auf der Höhe von \(A\). Sein Abstand von \(BC\) ist \(\rho\), also gilt \(I=(0,\rho)\). Verbindet man \(I\) mit den Eckpunkten, so wird das Dreieck in drei Dreiecke mit der Höhe \(\rho\) zerlegt; der Vergleich ihrer Gesamtfläche mit \(bh\) ergibt \[ bh=\rho(s+b). \] Folglich gilt \[ \rho=\frac{bh}{s+b} =\frac{b(s-b)}{h}, \] wobei die zweite Gleichheit \(h^2=(s-b)(s+b)\) verwendet.
Der Umkreismittelpunkt \(O\) liegt auf der Mittelsenkrechten von \(BC\), daher schreiben wir \(O=(0,t)\), wobei \(t\) auch negativ sein darf. Wegen \(OA=OB\) gilt \[ (h-t)^2=b^2+t^2, \] und somit \[ t=\frac{h^2-b^2}{2h} =\frac{s^2-2b^2}{2h}. \] Außerdem ist \[ h-t=\frac{h^2+b^2}{2h}=\frac{s^2}{2h}>0, \] also ist der Umkreisradius \(r=OA=s^2/(2h)\).
Somit gilt \[ d^2=(t-\rho)^2 =\left(\frac{s^2-2b^2-2b(s-b)}{2h}\right)^2 =\frac{s^2(s-2b)^2}{4h^2}. \] Andererseits gilt \[ r-2\rho =\frac{s^2-4b(s-b)}{2h} =\frac{(s-2b)^2}{2h}, \] woraus \[ r(r-2\rho)=\frac{s^2(s-2b)^2}{4h^2}=d^2 \] folgt. Das Ziehen der nichtnegativen Quadratwurzel beweist die geforderte Formel.
Die Rechnung lässt beide Vorzeichen von \(t\) zu und umfasst daher auch stumpfwinklige Dreiecke. Sie umfasst auch den gleichseitigen Fall \(s=2b\), in dem \(d=0\) gilt.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1962 · Soru 6
Bir ikizkenar üçgeni ele alınız. Çevrel çemberinin yarıçapı \(r\), iç teğet çemberinin yarıçapı ise \(\rho\) olsun. Bu iki çemberin merkezleri arasındaki \(d\) uzaklığının \[ d=\sqrt{r(r-2\rho)} \] olduğunu ispatlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Üçgenin köşeleri \[ A=(0,h),\qquad B=(-b,0),\qquad C=(b,0), \] olsun; burada \(b,h>0\)'dır. \(AB=AC=s\) yazalım; böylece \[ s^2=b^2+h^2. \]
Simetriden, iç teğet çemberin merkezi \(I\), \(A\)'dan çizilen yükseklik üzerindedir. \(BC\)'ye uzaklığı \(\rho\) olduğundan \(I=(0,\rho)\)'dur. \(I\)'yi köşelere birleştirmek, üçgeni yükseklikleri \(\rho\) olan üç üçgene ayırır; bunların toplam alanını \(bh\) ile karşılaştırırsak \[ bh=\rho(s+b) \] elde ederiz. Dolayısıyla \[ \rho=\frac{bh}{s+b} =\frac{b(s-b)}{h}, \] olur; burada ikinci eşitlikte \(h^2=(s-b)(s+b)\) kullanılmıştır.
Çevrel çemberin merkezi \(O\), \(BC\)'nin orta dikmesi üzerindedir; dolayısıyla \(t\)'nin negatif olmasına da izin vererek \(O=(0,t)\) yazalım. \(OA=OB\) olduğundan, \[ (h-t)^2=b^2+t^2, \] ve bu nedenle \[ t=\frac{h^2-b^2}{2h} =\frac{s^2-2b^2}{2h}. \] Ayrıca \[ h-t=\frac{h^2+b^2}{2h}=\frac{s^2}{2h}>0, \] olduğundan, çevrel çemberin yarıçapı \(r=OA=s^2/(2h)\)'dır.
Böylece \[ d^2=(t-\rho)^2 =\left(\frac{s^2-2b^2-2b(s-b)}{2h}\right)^2 =\frac{s^2(s-2b)^2}{4h^2}. \] Öte yandan, \[ r-2\rho =\frac{s^2-4b(s-b)}{2h} =\frac{(s-2b)^2}{2h}, \] buradan da \[ r(r-2\rho)=\frac{s^2(s-2b)^2}{4h^2}=d^2 \] elde edilir. Negatif olmayan karekök alınarak istenen formül ispatlanır.
Hesaplamada \(t\)'nin her iki işareti de mümkün olduğundan, geniş açılı üçgenler de kapsanır. Ayrıca \(d=0\) olan \(s=2b\) eşkenar üçgen durumu da kapsanır.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1962 · Problema 6
Consideremos un triángulo isósceles. Sea \(r\) el radio de su circunferencia circunscrita y \(\rho\) el radio de su circunferencia inscrita. Demostrar que la distancia \(d\) entre los centros de estas dos circunferencias es \[ d=\sqrt{r(r-2\rho)}. \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sean los vértices del triángulo \[ A=(0,h),\qquad B=(-b,0),\qquad C=(b,0), \] donde \(b,h>0\). Escribimos \(AB=AC=s\), de modo que \[ s^2=b^2+h^2. \]
Por simetría, el incentro \(I\) está en la altura trazada desde \(A\). Su distancia a \(BC\) es \(\rho\), de modo que \(I=(0,\rho)\). Al unir \(I\) con los vértices, el triángulo queda dividido en tres triángulos de altura \(\rho\); al comparar su área total con \(bh\) se obtiene \[ bh=\rho(s+b). \] En consecuencia, \[ \rho=\frac{bh}{s+b} =\frac{b(s-b)}{h}, \] donde en la segunda igualdad se usa \(h^2=(s-b)(s+b)\).
El circuncentro \(O\) está en la mediatriz de \(BC\), por lo que escribimos \(O=(0,t)\), permitiendo que \(t\) sea negativo. Como \(OA=OB\), \[ (h-t)^2=b^2+t^2, \] y por tanto \[ t=\frac{h^2-b^2}{2h} =\frac{s^2-2b^2}{2h}. \] Además, \[ h-t=\frac{h^2+b^2}{2h}=\frac{s^2}{2h}>0, \] por lo que el radio de la circunferencia circunscrita es \(r=OA=s^2/(2h)\).
Así, \[ d^2=(t-\rho)^2 =\left(\frac{s^2-2b^2-2b(s-b)}{2h}\right)^2 =\frac{s^2(s-2b)^2}{4h^2}. \] Por otra parte, \[ r-2\rho =\frac{s^2-4b(s-b)}{2h} =\frac{(s-2b)^2}{2h}, \] de donde \[ r(r-2\rho)=\frac{s^2(s-2b)^2}{4h^2}=d^2. \] Tomando la raíz cuadrada no negativa se demuestra la fórmula requerida.
El cálculo admite ambos signos de \(t\), por lo que incluye los triángulos obtusángulos. También incluye el caso equilátero \(s=2b\), en el que \(d=0\).
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1962 · 问题 6
考虑一个等腰三角形。设其外接圆半径为 \(r\),内切圆半径为 \(\rho\)。证明这两个圆的圆心之间的距离 \(d\) 为 \[ d=\sqrt{r(r-2\rho)}. \]
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
设三角形的顶点为 \[ A=(0,h),\qquad B=(-b,0),\qquad C=(b,0), \] 其中 \(b,h>0\)。记 \(AB=AC=s\),则 \[ s^2=b^2+h^2. \]
由对称性,内心 \(I\) 位于从 \(A\) 引出的高上。它到 \(BC\) 的距离为 \(\rho\),因此 \(I=(0,\rho)\)。将 \(I\) 与各顶点相连,把三角形分成三个高为 \(\rho\) 的三角形;将它们的面积之和与 \(bh\) 比较,得到 \[ bh=\rho(s+b). \] 因此, \[ \rho=\frac{bh}{s+b} =\frac{b(s-b)}{h}, \] 其中第二个等号利用了 \(h^2=(s-b)(s+b)\)。
外心 \(O\) 位于 \(BC\) 的垂直平分线上,因此设 \(O=(0,t)\),其中 \(t\) 可以为负。由于 \(OA=OB\), \[ (h-t)^2=b^2+t^2, \] 所以 \[ t=\frac{h^2-b^2}{2h} =\frac{s^2-2b^2}{2h}. \] 此外, \[ h-t=\frac{h^2+b^2}{2h}=\frac{s^2}{2h}>0, \] 所以外接圆半径为 \(r=OA=s^2/(2h)\)。
于是 \[ d^2=(t-\rho)^2 =\left(\frac{s^2-2b^2-2b(s-b)}{2h}\right)^2 =\frac{s^2(s-2b)^2}{4h^2}. \] 另一方面, \[ r-2\rho =\frac{s^2-4b(s-b)}{2h} =\frac{(s-2b)^2}{2h}, \] 从而 \[ r(r-2\rho)=\frac{s^2(s-2b)^2}{4h^2}=d^2. \] 取非负平方根,即得所要证明的公式。
上述计算允许 \(t\) 取正值或负值,因此也涵盖了钝角三角形的情形。它还涵盖了等边三角形的情形 \(s=2b\),此时 \(d=0\)。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1962 · Задача 6
Рассмотрим равнобедренный треугольник. Пусть \(r\) — радиус его описанной окружности, а \(\rho\) — радиус его вписанной окружности. Докажите, что расстояние \(d\) между центрами этих двух окружностей равно \[ d=\sqrt{r(r-2\rho)}. \]
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Пусть вершины треугольника имеют координаты \[ A=(0,h),\qquad B=(-b,0),\qquad C=(b,0), \] где \(b,h>0\). Обозначим \(AB=AC=s\), так что \[ s^2=b^2+h^2. \]
В силу симметрии центр вписанной окружности \(I\) лежит на высоте, проведённой из \(A\). Его расстояние до \(BC\) равно \(\rho\), поэтому \(I=(0,\rho)\). Соединив \(I\) с вершинами, разделим треугольник на три треугольника с высотой \(\rho\); приравнивая сумму их площадей к \(bh\), получаем \[ bh=\rho(s+b). \] Следовательно, \[ \rho=\frac{bh}{s+b} =\frac{b(s-b)}{h}, \] где во втором равенстве использовано \(h^2=(s-b)(s+b)\).
Центр описанной окружности \(O\) лежит на серединном перпендикуляре к \(BC\), поэтому запишем \(O=(0,t)\), допуская отрицательные значения \(t\). Поскольку \(OA=OB\), \[ (h-t)^2=b^2+t^2, \] и потому \[ t=\frac{h^2-b^2}{2h} =\frac{s^2-2b^2}{2h}. \] Кроме того, \[ h-t=\frac{h^2+b^2}{2h}=\frac{s^2}{2h}>0, \] так что радиус описанной окружности равен \(r=OA=s^2/(2h)\).
Таким образом, \[ d^2=(t-\rho)^2 =\left(\frac{s^2-2b^2-2b(s-b)}{2h}\right)^2 =\frac{s^2(s-2b)^2}{4h^2}. \] С другой стороны, \[ r-2\rho =\frac{s^2-4b(s-b)}{2h} =\frac{(s-2b)^2}{2h}, \] откуда \[ r(r-2\rho)=\frac{s^2(s-2b)^2}{4h^2}=d^2. \] Извлекая неотрицательный квадратный корень, получаем требуемую формулу.
Вычисления допускают любой знак \(t\), поэтому охватывают и тупоугольные треугольники. Они также охватывают случай равностороннего треугольника \(s=2b\), когда \(d=0\).
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1962 · المسألة 6
ليكن لدينا مثلث متساوي الساقين. وليكن \(r\) نصف قطر دائرته المحيطة، و\(\rho\) نصف قطر دائرته الداخلية. أثبت أن المسافة \(d\) بين مركزي هاتين الدائرتين هي \[ d=\sqrt{r(r-2\rho)}. \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لتكن رؤوس المثلث \[ A=(0,h),\qquad B=(-b,0),\qquad C=(b,0), \] حيث \(b,h>0\). نكتب \(AB=AC=s\)، فيكون \[ s^2=b^2+h^2. \]
بالتناظر، يقع مركز الدائرة الداخلية \(I\) على الارتفاع النازل من \(A\). وبعده عن \(BC\) هو \(\rho\)، ومن ثم \(I=(0,\rho)\). إن وصل \(I\) بالرؤوس يقسم المثلث إلى ثلاثة مثلثات ارتفاع كل منها \(\rho\)؛ وبمقارنة مجموع مساحاتها مع \(bh\)، نحصل على \[ bh=\rho(s+b). \] وبالتالي، \[ \rho=\frac{bh}{s+b} =\frac{b(s-b)}{h}, \] حيث استخدمنا في المساواة الثانية \(h^2=(s-b)(s+b)\).
يقع مركز الدائرة المحيطة \(O\) على العمود المنصف للقطعة \(BC\)، لذا نكتب \(O=(0,t)\)، مع السماح بأن تكون \(t\) سالبة. وبما أن \(OA=OB\)، فإن \[ (h-t)^2=b^2+t^2, \] ومن ثم \[ t=\frac{h^2-b^2}{2h} =\frac{s^2-2b^2}{2h}. \] علاوة على ذلك، \[ h-t=\frac{h^2+b^2}{2h}=\frac{s^2}{2h}>0, \] لذا فإن نصف قطر الدائرة المحيطة هو \(r=OA=s^2/(2h)\).
إذن \[ d^2=(t-\rho)^2 =\left(\frac{s^2-2b^2-2b(s-b)}{2h}\right)^2 =\frac{s^2(s-2b)^2}{4h^2}. \] ومن جهة أخرى، \[ r-2\rho =\frac{s^2-4b(s-b)}{2h} =\frac{(s-2b)^2}{2h}, \] ومنه \[ r(r-2\rho)=\frac{s^2(s-2b)^2}{4h^2}=d^2. \] بأخذ الجذر التربيعي غير السالب، تثبت الصيغة المطلوبة.
تسمح هذه الحسابات بكلتا إشارتي \(t\)، لذا فهي تشمل المثلثات المنفرجة الزاوية. وتشمل أيضًا حالة المثلث المتساوي الأضلاع \(s=2b\)، حيث \(d=0\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).