IMO 1962 · Problem 7
The tetrahedron \(SABC\) has the following property: there exist five spheres, each tangent to the edges \(SA, SB, SC, BCCA, AB\), or to their extensions.
(a) Prove that the tetrahedron \(SABC\) is regular.
(b) Prove conversely that for every regular tetrahedron five such spheres exist.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
The printed \(BCCA\) denotes the two edges \(BC,CA\); thus all six edge lines are involved.
(a) We first classify the possible spheres and show that there are at most five.
Consider a sphere with center \(O\) and radius \(r>0\), tangent to all six edge lines. Every vertex \(V\) lies strictly outside the sphere. Indeed, it lies on a tangent line, so it cannot lie inside. If it lay on the sphere, the three incident edge lines would all lie in its tangent plane at \(V\), contradicting the noncoplanarity of the tetrahedron.
Consequently, the tangent segments from \(V\) have the same positive length \[ t_V=\sqrt{|OV|^2-r^2}. \] Call an edge contact internal if its tangency point lies between the endpoints, and external otherwise. No contact occurs at a vertex. For every edge \(UV\), \[ UV= \begin{cases} t_U+t_V,&\text{if its contact is internal},\\ |t_U-t_V|,&\text{if its contact is external}. \end{cases} \tag{1} \]
Choose a vertex \(V_0\) for which \(t_{V_0}\) is largest, and denote the other vertices by \(V_1,V_2,V_3\). Write \(t_i=t_{V_i}\). Then \[ V_0V_i=t_0+\varepsilon_i t_i,\qquad \varepsilon_i\in\{1,-1\}, \] where the sign is positive for an internal contact and negative for an external contact.
If \(\varepsilon_i\) and \(\varepsilon_j\) differed, then \[ |V_0V_i-V_0V_j|=t_i+t_j\ge V_iV_j, \] contrary to the strict triangle inequality in \(V_0V_iV_j\). Thus all three signs are equal. Moreover, \[ V_iV_j>|V_0V_i-V_0V_j|=|t_i-t_j|, \] so (1) forces every contact on the opposite face \(V_1V_2V_3\) to be internal.
Therefore every sphere has one of exactly five possible contact patterns:
- all six contacts are internal;
- for one vertex \(V\), the three incident contacts are external and the three contacts on the opposite face are internal.
We next prove that each pattern admits at most one sphere. Choose the exceptional vertex \(V\) for an external pattern, or any vertex for the all-internal pattern. Let the opposite face be \(UWZ\). Its internal contacts determine \[ t_U=\frac{UW+UZ-WZ}{2}, \] and similarly determine \(t_W,t_Z\). The remaining tangent length is \[ t_V= \begin{cases} VU-t_U,&\text{for the all-internal pattern},\\ VU+t_U,&\text{for the pattern external at }V. \end{cases} \] The second formula follows because the exceptional vertex is the vertex of largest tangent length in the classification above. Thus the pattern determines all four tangent lengths.
Suppose two spheres, with centers \(O,O'\) and radii \(r,r'\), have these same tangent lengths. At every vertex \(V\), \[ |O-V|^2-r^2=t_V^2=|O'-V|^2-r'^2. \] Subtracting the identities at \(V_0\) and \(V_i\) gives \[ (O-O')\cdot(V_i-V_0)=0\qquad(i=1,2,3). \] The three edge vectors are linearly independent, so \(O=O'\), and then \(r=r'\). This proves uniqueness.
Since five distinct spheres exist, every one of the five patterns must occur. Let \[ x_S,x_A,x_B,x_C>0 \] be the tangent lengths for the all-internal sphere. Thus \[ UV=x_U+x_V \tag{2} \] for every edge.
Now consider the sphere whose external contacts are on \(SA,SB,SC\). Its contacts on \(ABC\) are internal, so its tangent lengths at \(A,B,C\) are respectively \(x_A,x_B,x_C\), since those lengths are uniquely determined by the three sides of \(ABC\). If its tangent length at \(S\) is \(y\), then \[ SA=y-x_A=x_S+x_A, \] and similarly for \(SB,SC\). Hence \[ y=x_S+2x_A=x_S+2x_B=x_S+2x_C, \] giving \(x_A=x_B=x_C\).
Applying the same argument to the sphere whose external contacts are on the three edges through \(A\) gives \(x_S=x_B=x_C\). Therefore all four \(x\)'s are equal. Equation (2) now shows that all six edges are equal, so \(SABC\) is regular.
(b) Similarities preserve tangency, so it suffices to consider the regular tetrahedron \[ S=(1,1,1),\quad A=(1,-1,-1),\quad B=(-1,1,-1),\quad C=(-1,-1,1). \] Every edge has length \(2\sqrt2\).
The sphere centered at the origin with radius \(1\) is tangent to every edge: the six edge midpoints are \[ (\pm1,0,0),\quad(0,\pm1,0),\quad(0,0,\pm1), \] and each midpoint’s radius is perpendicular to its edge.
For a second sphere, take center \[ Q=(-2,-2,-2)=-2S \] and radius \(3\). The line \(SA\) consists of points \((1,t,t)\), whose squared distances from \(Q\) are \[ 9+2(t+2)^2. \] Its distance from \(Q\) is therefore \(3\). The line \(AB\) consists of points \((t,-t,-1)\), whose squared distances from \(Q\) are \[ (t+2)^2+(2-t)^2+1=2t^2+9. \] Its distance from \(Q\) is also \(3\).
Permuting the coordinates fixes \(S\) and \(Q\), and permutes \(A,B,C\). Thus the sphere is tangent to all three lines through \(S\) and all three lines of the opposite face.
Finally, changing the signs of any two coordinates preserves the tetrahedron and produces three further spheres, each of radius \(3\), with centers \[ -2A,\qquad -2B,\qquad -2C. \] These four centers and the origin are distinct. Hence we have constructed five distinct spheres with the required tangencies.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1962 · Aufgabe 7
Das Tetraeder \(SABC\) hat die folgende Eigenschaft: Es gibt fünf Kugeln, von denen jede die Kanten \(SA, SB, SC, BCCA, AB\) oder deren Verlängerungen berührt.
(a) Beweise, dass das Tetraeder \(SABC\) regelmäßig ist.
(b) Beweise umgekehrt, dass für jedes regelmäßige Tetraeder fünf solche Kugeln existieren.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Das gedruckte \(BCCA\) bezeichnet die beiden Kanten \(BC,CA\); es sind also alle sechs Kantengeraden gemeint.
(a) Wir klassifizieren zunächst die möglichen Kugeln und zeigen, dass es höchstens fünf gibt.
Betrachte eine Kugel mit Mittelpunkt \(O\) und Radius \(r>0\), die alle sechs Kantengeraden berührt. Jeder Eckpunkt \(V\) liegt strikt außerhalb der Kugel. Er liegt nämlich auf einer Tangente und kann daher nicht im Inneren liegen. Läge er auf der Kugel, so lägen die drei durch ihn verlaufenden Kantengeraden alle in ihrer Tangentialebene bei \(V\), im Widerspruch dazu, dass die Eckpunkte des Tetraeders nicht in einer Ebene liegen.
Folglich haben die Tangentenabschnitte von \(V\) aus dieselbe positive Länge \[ t_V=\sqrt{|OV|^2-r^2}. \] Wir nennen eine Kantenberührung innerlich, wenn ihr Berührpunkt zwischen den Endpunkten liegt, und andernfalls äußerlich. Kein Berührpunkt ist ein Eckpunkt. Für jede Kante \(UV\) gilt \[ UV= \begin{cases} t_U+t_V,&\text{wenn ihre Berührung innerlich ist},\\ |t_U-t_V|,&\text{wenn ihre Berührung äußerlich ist}. \end{cases} \tag{1} \]
Wähle einen Eckpunkt \(V_0\), für den \(t_{V_0}\) maximal ist, und bezeichne die übrigen Eckpunkte mit \(V_1,V_2,V_3\). Schreibe \(t_i=t_{V_i}\). Dann gilt \[ V_0V_i=t_0+\varepsilon_i t_i,\qquad \varepsilon_i\in\{1,-1\}, \] wobei das Vorzeichen bei einer innerlichen Berührung positiv und bei einer äußerlichen Berührung negativ ist.
Wären \(\varepsilon_i\) und \(\varepsilon_j\) verschieden, so wäre \[ |V_0V_i-V_0V_j|=t_i+t_j\ge V_iV_j, \] im Widerspruch zur strengen Dreiecksungleichung in \(V_0V_iV_j\). Somit sind alle drei Vorzeichen gleich. Außerdem gilt \[ V_iV_j>|V_0V_i-V_0V_j|=|t_i-t_j|, \] sodass (1) erzwingt, dass jede Berührung an der gegenüberliegenden Seitenfläche \(V_1V_2V_3\) innerlich ist.
Daher hat jede Kugel eines von genau fünf möglichen Berührungsmustern:
- Alle sechs Berührungen sind innerlich;
- für einen Eckpunkt \(V\) sind die drei Berührungen an den durch ihn verlaufenden Kanten äußerlich und die drei Berührungen an der gegenüberliegenden Seitenfläche innerlich.
Als Nächstes beweisen wir, dass zu jedem Muster höchstens eine Kugel gehört. Wähle bei einem Muster mit äußerlichen Berührungen den ausgezeichneten Eckpunkt \(V\), bei dem Muster mit ausschließlich innerlichen Berührungen einen beliebigen Eckpunkt. Die gegenüberliegende Seitenfläche sei \(UWZ\). Ihre innerlichen Berührungen bestimmen \[ t_U=\frac{UW+UZ-WZ}{2}, \] und bestimmen auf dieselbe Weise \(t_W,t_Z\). Die verbleibende Tangentenlänge ist \[ t_V= \begin{cases} VU-t_U,&\text{beim Muster mit ausschließlich innerlichen Berührungen},\\ VU+t_U,&\text{beim Muster mit äußerlichen Berührungen bei }V. \end{cases} \] Die zweite Formel folgt daraus, dass der ausgezeichnete Eckpunkt in der obigen Klassifikation der Eckpunkt mit der größten Tangentenlänge ist. Somit bestimmt das Muster alle vier Tangentenlängen.
Angenommen, zwei Kugeln mit Mittelpunkten \(O,O'\) und Radien \(r,r'\) haben dieselben Tangentenlängen. An jedem Eckpunkt \(V\) gilt \[ |O-V|^2-r^2=t_V^2=|O'-V|^2-r'^2. \] Subtrahiert man die Identitäten bei \(V_0\) und \(V_i\), so ergibt sich \[ (O-O')\cdot(V_i-V_0)=0\qquad(i=1,2,3). \] Die drei Kantenvektoren sind linear unabhängig, daher gilt \(O=O'\) und dann \(r=r'\). Dies beweist die Eindeutigkeit.
Da fünf verschiedene Kugeln existieren, muss jedes der fünf Muster vorkommen. Es seien \[ x_S,x_A,x_B,x_C>0 \] die Tangentenlängen für die Kugel mit ausschließlich innerlichen Berührungen. Somit gilt \[ UV=x_U+x_V \tag{2} \] für jede Kante.
Betrachte nun die Kugel, deren äußerliche Berührungen an \(SA,SB,SC\) liegen. Ihre Berührungen an \(ABC\) sind innerlich, sodass ihre Tangentenlängen bei \(A,B,C\) der Reihe nach \(x_A,x_B,x_C\) sind, da diese Längen durch die drei Seiten von \(ABC\) eindeutig bestimmt sind. Ist ihre Tangentenlänge bei \(S\) gleich \(y\), so gilt \[ SA=y-x_A=x_S+x_A, \] und entsprechend für \(SB,SC\). Daher gilt \[ y=x_S+2x_A=x_S+2x_B=x_S+2x_C, \] woraus \(x_A=x_B=x_C\) folgt.
Wenden wir dasselbe Argument auf die Kugel an, deren äußerliche Berührungen an den drei Kanten durch \(A\) liegen, so erhalten wir \(x_S=x_B=x_C\). Daher sind alle vier \(x\) gleich. Gleichung (2) zeigt nun, dass alle sechs Kanten gleich lang sind, also ist \(SABC\) regelmäßig.
(b) Ähnlichkeitsabbildungen erhalten Berührungen, daher genügt es, das regelmäßige Tetraeder \[ S=(1,1,1),\quad A=(1,-1,-1),\quad B=(-1,1,-1),\quad C=(-1,-1,1) \] zu betrachten. Jede Kante hat die Länge \(2\sqrt2\).
Die Kugel mit Mittelpunkt im Ursprung und Radius \(1\) berührt jede Kante: Die sechs Kantenmittelpunkte sind \[ (\pm1,0,0),\quad(0,\pm1,0),\quad(0,0,\pm1), \] und der Radius zu jedem Mittelpunkt steht senkrecht auf der zugehörigen Kante.
Für eine zweite Kugel wählen wir den Mittelpunkt \[ Q=(-2,-2,-2)=-2S \] und den Radius \(3\). Die Gerade \(SA\) besteht aus den Punkten \((1,t,t)\), deren quadrierte Abstände von \(Q\) gleich \[ 9+2(t+2)^2 \] sind. Ihr Abstand von \(Q\) beträgt daher \(3\). Die Gerade \(AB\) besteht aus den Punkten \((t,-t,-1)\), deren quadrierte Abstände von \(Q\) gleich \[ (t+2)^2+(2-t)^2+1=2t^2+9 \] sind. Ihr Abstand von \(Q\) beträgt ebenfalls \(3\).
Eine Permutation der Koordinaten lässt \(S\) und \(Q\) fest und vertauscht \(A,B,C\). Somit berührt die Kugel alle drei Geraden durch \(S\) und alle drei Kantengeraden der gegenüberliegenden Seitenfläche.
Schließlich lässt ein Vorzeichenwechsel in jeweils zwei Koordinaten das Tetraeder unverändert und erzeugt drei weitere Kugeln, jede mit Radius \(3\), deren Mittelpunkte \[ -2A,\qquad -2B,\qquad -2C \] sind. Diese vier Mittelpunkte und der Ursprung sind verschieden. Damit haben wir fünf verschiedene Kugeln mit den geforderten Berührungen konstruiert.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1962 · Soru 7
\(SABC\) dörtyüzlüsü şu özelliğe sahiptir: her biri \(SA, SB, SC, BCCA, AB\) ayrıtlarına veya bunların uzantılarına teğet olan beş küre vardır.
(a) \(SABC\) dörtyüzlüsünün düzgün olduğunu ispatlayınız.
(b) Tersine, her düzgün dörtyüzlü için böyle beş kürenin var olduğunu ispatlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Basılı metindeki \(BCCA\), \(BC,CA\) ayrıtlarının ikisini belirtmektedir; dolayısıyla altı ayrıt doğrusu da söz konusudur.
(a) Önce olası küreleri sınıflandırıp en fazla beş tane olabileceğini gösterelim.
Altı ayrıt doğrusunun tümüne teğet, merkezi \(O\) ve yarıçapı \(r>0\) olan bir küreyi ele alalım. Her \(V\) köşesi kürenin kesinlikle dışındadır. Gerçekten de bir teğet doğrusu üzerinde bulunduğundan içeride olamaz. Küre üzerinde olsaydı, bu köşede birleşen üç ayrıt doğrusu da kürenin \(V\)'deki teğet düzleminde bulunurdu; bu ise dörtyüzlünün köşelerinin aynı düzlemde olmamasıyla çelişirdi.
Dolayısıyla \(V\)'den çizilen teğet parçalarının uzunlukları aynı pozitif \[ t_V=\sqrt{|OV|^2-r^2} \] değerine eşittir. Bir ayrıta teğet olma durumuna, teğet noktası uç noktalar arasında ise iç, aksi hâlde dış temas diyelim. Hiçbir temas bir köşede gerçekleşmez. Her \(UV\) ayrıtı için \[ UV= \begin{cases} t_U+t_V,&\text{temas iç ise},\\ |t_U-t_V|,&\text{temas dış ise}. \end{cases} \tag{1} \]
\(t_{V_0}\)'ın en büyük olduğu bir \(V_0\) köşesi seçip diğer köşeleri \(V_1,V_2,V_3\) ile gösterelim. \(t_i=t_{V_i}\) yazalım. Bu durumda \[ V_0V_i=t_0+\varepsilon_i t_i,\qquad \varepsilon_i\in\{1,-1\}, \] olur; burada işaret, iç temas için pozitif, dış temas için negatiftir.
\(\varepsilon_i\) ve \(\varepsilon_j\) farklı olsaydı, \[ |V_0V_i-V_0V_j|=t_i+t_j\ge V_iV_j, \] olurdu; bu da \(V_0V_iV_j\) üçgenindeki kesin üçgen eşitsizliğine aykırıdır. Dolayısıyla üç işaretin tümü aynıdır. Ayrıca \[ V_iV_j>|V_0V_i-V_0V_j|=|t_i-t_j|, \] olduğundan, (1) gereğince karşıdaki \(V_1V_2V_3\) yüzünde bulunan her temas iç olmak zorundadır.
Dolayısıyla her küre, tam olarak beş olası temas düzeninden birine sahiptir:
- altı temasın tümü içtir;
- bir \(V\) köşesinde birleşen üç ayrıttaki temaslar dış, karşı yüzün üç ayrıtındaki temaslar ise içtir.
Şimdi her düzen için en fazla bir küre olabileceğini ispatlayalım. Dış temaslı bir düzen için istisnai \(V\) köşesini, tüm temasların iç olduğu düzen için ise herhangi bir köşeyi seçelim. Karşı yüz \(UWZ\) olsun. Bu yüzdeki iç temaslar \[ t_U=\frac{UW+UZ-WZ}{2}, \] değerini belirler ve benzer biçimde \(t_W,t_Z\)'yi de belirler. Geriye kalan teğet uzunluğu \[ t_V= \begin{cases} VU-t_U,&\text{tüm temasların iç olduğu düzen için},\\ VU+t_U,&\text{dış temasların bulunduğu köşe }V \end{cases} \] olur. İkinci formül, yukarıdaki sınıflandırmada istisnai köşenin teğet uzunluğu en büyük olan köşe olmasından çıkar. Böylece düzen, dört teğet uzunluğunun tümünü belirler.
Merkezleri \(O,O'\), yarıçapları \(r,r'\) olan iki kürenin bu aynı teğet uzunluklarına sahip olduğunu varsayalım. Her \(V\) köşesinde, \[ |O-V|^2-r^2=t_V^2=|O'-V|^2-r'^2. \] \(V_0\) ve \(V_i\)'deki eşitlikleri birbirinden çıkarırsak \[ (O-O')\cdot(V_i-V_0)=0\qquad(i=1,2,3) \] elde ederiz. Üç ayrıt vektörü doğrusal bağımsız olduğundan \(O=O'\), ardından da \(r=r'\) olur. Bu, tekliği ispatlar.
Birbirinden farklı beş küre var olduğundan, beş düzenin her biri gerçekleşmelidir. Tüm temasları iç olan kürenin teğet uzunlukları \[ x_S,x_A,x_B,x_C>0 \] olsun. Böylece her ayrıt için \[ UV=x_U+x_V \tag{2} \] olur.
Şimdi dış temasları \(SA,SB,SC\) üzerinde olan küreyi ele alalım. \(ABC\) üzerindeki temasları iç olduğundan, \(A,B,C\)'deki teğet uzunlukları sırasıyla \(x_A,x_B,x_C\)'dir; çünkü bu uzunluklar \(ABC\)'nin üç kenarı tarafından tek bir biçimde belirlenir. \(S\)'deki teğet uzunluğu \(y\) ise \[ SA=y-x_A=x_S+x_A, \] olur ve benzeri \(SB,SC\) için de geçerlidir. Dolayısıyla \[ y=x_S+2x_A=x_S+2x_B=x_S+2x_C, \] olur; buradan \(x_A=x_B=x_C\) elde edilir.
Aynı akıl yürütmeyi, dış temasları \(A\)'dan geçen üç ayrıt üzerinde olan küreye uygulayarak \(x_S=x_B=x_C\) elde ederiz. Dolayısıyla dört \(x\)'in tümü eşittir. (2) eşitliği artık altı ayrıtın tümünün eşit olduğunu gösterir; böylece \(SABC\) düzgündür.
(b) Benzerlik dönüşümleri teğetliği koruduğundan, \[ S=(1,1,1),\quad A=(1,-1,-1),\quad B=(-1,1,-1),\quad C=(-1,-1,1) \] düzgün dörtyüzlüsünü ele almak yeterlidir. Her ayrıtın uzunluğu \(2\sqrt2\)'dir.
Merkezi orijinde, yarıçapı \(1\) olan küre her ayrıta teğettir: altı ayrıtın orta noktaları \[ (\pm1,0,0),\quad(0,\pm1,0),\quad(0,0,\pm1), \] olup her orta noktaya çizilen yarıçap ilgili ayrıta diktir.
İkinci bir küre için merkezi \[ Q=(-2,-2,-2)=-2S \] ve yarıçapı \(3\) alalım. \(SA\) doğrusu \((1,t,t)\) noktalarından oluşur; bu noktaların \(Q\)'ya uzaklıklarının kareleri \[ 9+2(t+2)^2 \] olur. Dolayısıyla bu doğrunun \(Q\)'ya uzaklığı \(3\)'tür. \(AB\) doğrusu \((t,-t,-1)\) noktalarından oluşur; bu noktaların \(Q\)'ya uzaklıklarının kareleri \[ (t+2)^2+(2-t)^2+1=2t^2+9 \] olur. Bu doğrunun \(Q\)'ya uzaklığı da \(3\)'tür.
Koordinatların yerlerini değiştirmek \(S\) ve \(Q\)'yu sabit tutar, \(A,B,C\)'nin ise yerlerini değiştirir. Böylece küre, hem \(S\)'den geçen üç doğrunun hem de karşı yüzün üç doğrusunun tümüne teğettir.
Son olarak, herhangi iki koordinatın işaretlerini değiştirmek dörtyüzlüyü korur ve her birinin yarıçapı \(3\), merkezleri ise \[ -2A,\qquad -2B,\qquad -2C \] olan üç küre daha verir. Bu dört merkez ve orijin birbirinden farklıdır. Böylece istenen teğetliklere sahip, birbirinden farklı beş küre inşa etmiş olduk.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1962 · Problema 7
El tetraedro \(SABC\) tiene la siguiente propiedad: existen cinco esferas, cada una tangente a las aristas \(SA, SB, SC, BCCA, AB\), o a sus prolongaciones.
(a) Demostrar que el tetraedro \(SABC\) es regular.
(b) Demostrar recíprocamente que para todo tetraedro regular existen cinco esferas de este tipo.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
La expresión impresa \(BCCA\) designa las dos aristas \(BC,CA\); por tanto, intervienen las rectas que contienen las seis aristas.
(a) Primero clasificaremos las esferas posibles y demostraremos que hay a lo sumo cinco.
Consideremos una esfera de centro \(O\) y radio \(r>0\), tangente a las rectas que contienen las seis aristas. Todo vértice \(V\) se encuentra estrictamente fuera de la esfera. En efecto, pertenece a una recta tangente, por lo que no puede estar en el interior. Si estuviera sobre la esfera, las rectas que contienen las tres aristas incidentes estarían todas en su plano tangente en \(V\), lo que contradice la no coplanaridad de los vértices del tetraedro.
En consecuencia, los segmentos tangentes desde \(V\) tienen la misma longitud positiva \[ t_V=\sqrt{|OV|^2-r^2}. \] Llamaremos interior al contacto con una arista si su punto de tangencia se encuentra entre los extremos, y exterior en caso contrario. Ningún contacto se produce en un vértice. Para toda arista \(UV\), \[ UV= \begin{cases} t_U+t_V,&\text{si su contacto es interior},\\ |t_U-t_V|,&\text{si su contacto es exterior}. \end{cases} \tag{1} \]
Elegimos un vértice \(V_0\) para el que \(t_{V_0}\) sea máximo, y denotamos los otros vértices por \(V_1,V_2,V_3\). Escribimos \(t_i=t_{V_i}\). Entonces \[ V_0V_i=t_0+\varepsilon_i t_i,\qquad \varepsilon_i\in\{1,-1\}, \] donde el signo es positivo para un contacto interior y negativo para un contacto exterior.
Si \(\varepsilon_i\) y \(\varepsilon_j\) fueran distintos, entonces \[ |V_0V_i-V_0V_j|=t_i+t_j\ge V_iV_j, \] en contradicción con la desigualdad triangular estricta en \(V_0V_iV_j\). Por tanto, los tres signos son iguales. Además, \[ V_iV_j>|V_0V_i-V_0V_j|=|t_i-t_j|, \] por lo que (1) obliga a que todo contacto en la cara opuesta \(V_1V_2V_3\) sea interior.
Por tanto, toda esfera tiene una de exactamente cinco configuraciones de contacto posibles:
- los seis contactos son interiores;
- para un vértice \(V\), los tres contactos incidentes son exteriores y los tres contactos en la cara opuesta son interiores.
A continuación demostraremos que cada configuración admite a lo sumo una esfera. Elegimos el vértice excepcional \(V\) para una configuración exterior, o cualquier vértice para la configuración con todos los contactos interiores. Sea \(UWZ\) la cara opuesta. Sus contactos interiores determinan \[ t_U=\frac{UW+UZ-WZ}{2}, \] y determinan de manera análoga \(t_W,t_Z\). La longitud tangente restante es \[ t_V= \begin{cases} VU-t_U,&\text{para la configuración con todos los contactos interiores},\\ VU+t_U,&\text{para la configuración exterior en }V. \end{cases} \] La segunda fórmula se deduce de que el vértice excepcional es el vértice de mayor longitud tangente en la clasificación anterior. Así, la configuración determina las cuatro longitudes tangentes.
Supongamos que dos esferas, de centros \(O,O'\) y radios \(r,r'\), tienen estas mismas longitudes tangentes. En cada vértice \(V\), \[ |O-V|^2-r^2=t_V^2=|O'-V|^2-r'^2. \] Al restar las identidades en \(V_0\) y \(V_i\) se obtiene \[ (O-O')\cdot(V_i-V_0)=0\qquad(i=1,2,3). \] Los tres vectores de las aristas son linealmente independientes, por lo que \(O=O'\), y entonces \(r=r'\). Esto demuestra la unicidad.
Como existen cinco esferas distintas, debe darse cada una de las cinco configuraciones. Sean \[ x_S,x_A,x_B,x_C>0 \] las longitudes tangentes de la esfera con todos los contactos interiores. Así, \[ UV=x_U+x_V \tag{2} \] para toda arista.
Consideremos ahora la esfera cuyos contactos exteriores están en \(SA,SB,SC\). Sus contactos en \(ABC\) son interiores, por lo que sus longitudes tangentes en \(A,B,C\) son, respectivamente, \(x_A,x_B,x_C\), ya que dichas longitudes quedan determinadas de manera única por los tres lados de \(ABC\). Si su longitud tangente en \(S\) es \(y\), entonces \[ SA=y-x_A=x_S+x_A, \] y análogamente para \(SB,SC\). Por tanto, \[ y=x_S+2x_A=x_S+2x_B=x_S+2x_C, \] de donde \(x_A=x_B=x_C\).
Al aplicar el mismo argumento a la esfera cuyos contactos exteriores están en las tres aristas que pasan por \(A\), se obtiene \(x_S=x_B=x_C\). Por tanto, los cuatro valores de \(x\) son iguales. La ecuación (2) muestra ahora que las seis aristas son iguales, de modo que \(SABC\) es regular.
(b) Las semejanzas conservan la tangencia, por lo que basta considerar el tetraedro regular \[ S=(1,1,1),\quad A=(1,-1,-1),\quad B=(-1,1,-1),\quad C=(-1,-1,1). \] Todas las aristas tienen longitud \(2\sqrt2\).
La esfera de centro en el origen y radio \(1\) es tangente a todas las aristas: los seis puntos medios de las aristas son \[ (\pm1,0,0),\quad(0,\pm1,0),\quad(0,0,\pm1), \] y el radio que llega a cada punto medio es perpendicular a su arista.
Para una segunda esfera, tomamos el centro \[ Q=(-2,-2,-2)=-2S \] y el radio \(3\). La recta \(SA\) está formada por los puntos \((1,t,t)\), cuyos cuadrados de las distancias a \(Q\) son \[ 9+2(t+2)^2. \] Por tanto, su distancia a \(Q\) es \(3\). La recta \(AB\) está formada por los puntos \((t,-t,-1)\), cuyos cuadrados de las distancias a \(Q\) son \[ (t+2)^2+(2-t)^2+1=2t^2+9. \] Su distancia a \(Q\) también es \(3\).
Permutar las coordenadas deja fijos \(S\) y \(Q\), y permuta \(A,B,C\). Por tanto, la esfera es tangente a las tres rectas que pasan por \(S\) y a las tres rectas de la cara opuesta.
Finalmente, cambiar los signos de dos coordenadas cualesquiera conserva el tetraedro y produce otras tres esferas, cada una de radio \(3\), con centros \[ -2A,\qquad -2B,\qquad -2C. \] Estos cuatro centros y el origen son distintos. Por tanto, hemos construido cinco esferas distintas con las tangencias requeridas.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1962 · 问题 7
四面体 \(SABC\) 具有下列性质:存在五个球,每个球都与棱 \(SA, SB, SC, BCCA, AB\) 或它们的延长线相切。
(a) 证明四面体 \(SABC\) 是正四面体。
(b) 反过来,证明对每个正四面体,都存在这样的五个球。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
原文印出的 \(BCCA\) 表示两条棱 \(BC,CA\);因此,这里涉及全部六条棱所在的直线。
(a) 我们先对可能的球进行分类,并证明这样的球至多有五个。
考虑一个球心为 \(O\)、半径为 \(r>0\) 的球,它与六条棱所在的直线都相切。每个顶点 \(V\) 都严格位于球外。事实上,它位于一条切线上,因此不可能位于球内。若它位于球面上,则与它相接的三条棱所在的直线都位于球在 \(V\) 处的切平面内,这与四面体的四个顶点不共面矛盾。
因此,从 \(V\) 引出的切线段具有相同的正长度 \[ t_V=\sqrt{|OV|^2-r^2}. \] 若一条棱上的切点位于两个端点之间,就称该相切为内部相切,否则称为外部相切。切点不会落在顶点上。对于每条棱 \(UV\), \[ UV= \begin{cases} t_U+t_V,&\text{若为内部相切},\\ |t_U-t_V|,&\text{若为外部相切}. \end{cases} \tag{1} \]
选取一个使 \(t_{V_0}\) 最大的顶点 \(V_0\),并将其他顶点记为 \(V_1,V_2,V_3\)。记 \(t_i=t_{V_i}\)。则 \[ V_0V_i=t_0+\varepsilon_i t_i,\qquad \varepsilon_i\in\{1,-1\}, \] 其中,内部相切时取正号,外部相切时取负号。
若 \(\varepsilon_i\) 与 \(\varepsilon_j\) 不同,则 \[ |V_0V_i-V_0V_j|=t_i+t_j\ge V_iV_j, \] 这与三角形 \(V_0V_iV_j\) 中的严格三角不等式矛盾。因此,三个符号全都相同。此外, \[ V_iV_j>|V_0V_i-V_0V_j|=|t_i-t_j|, \] 所以由 (1) 可知,对面 \(V_1V_2V_3\) 上的每处相切都必须是内部相切。
因此,每个球的相切方式都属于下列恰好五种可能情形之一:
- 六处相切全都是内部相切;
- 对某个顶点 \(V\),与它相接的三条棱上的相切是外部相切,而对面上的三处相切是内部相切。
接下来证明,每种相切方式至多对应一个球。对于有外部相切的情形,选取那个特殊顶点 \(V\);对于全部为内部相切的情形,任取一个顶点。设其对面为 \(UWZ\)。该面上的内部相切确定了 \[ t_U=\frac{UW+UZ-WZ}{2}, \] 并以同样的方式确定 \(t_W,t_Z\)。余下的切线段长度为 \[ t_V= \begin{cases} VU-t_U,&\text{对于全部为内部相切的情形},\\ VU+t_U,&\text{对于外部相切的特殊顶点为 }V. \end{cases} \] 第二个公式成立,是因为在上述分类中,特殊顶点就是切线段长度最大的顶点。因此,相切方式确定了全部四个切线段长度。
假设有两个球,其球心分别为 \(O,O'\),半径分别为 \(r,r'\),且具有这些相同的切线段长度。对每个顶点 \(V\),都有 \[ |O-V|^2-r^2=t_V^2=|O'-V|^2-r'^2. \] 将 \(V_0\) 和 \(V_i\) 处的等式相减,得到 \[ (O-O')\cdot(V_i-V_0)=0\qquad(i=1,2,3). \] 这三个棱向量线性无关,因此 \(O=O'\),进而 \(r=r'\)。这就证明了唯一性。
由于存在五个互不相同的球,五种相切方式必定全部出现。设 \[ x_S,x_A,x_B,x_C>0 \] 为全部是内部相切的那个球的切线段长度。于是,对每条棱都有 \[ UV=x_U+x_V \tag{2} \]
现在考虑外部相切发生在 \(SA,SB,SC\) 上的那个球。它在 \(ABC\) 上的相切是内部相切,因此它在 \(A,B,C\) 处的切线段长度分别为 \(x_A,x_B,x_C\),因为这些长度由 \(ABC\) 的三条边唯一确定。若它在 \(S\) 处的切线段长度为 \(y\),则 \[ SA=y-x_A=x_S+x_A, \] 对 \(SB,SC\) 也有类似等式。因此 \[ y=x_S+2x_A=x_S+2x_B=x_S+2x_C, \] 从而 \(x_A=x_B=x_C\)。
对外部相切发生在经过 \(A\) 的三条棱上的那个球应用相同的论证,得到 \(x_S=x_B=x_C\)。因此,四个 \(x\) 全都相等。由等式 (2) 可知,六条棱全都相等,所以 \(SABC\) 是正四面体。
(b) 相似变换保持相切关系,因此只需考虑正四面体 \[ S=(1,1,1),\quad A=(1,-1,-1),\quad B=(-1,1,-1),\quad C=(-1,-1,1). \] 每条棱的长度均为 \(2\sqrt2\)。
以原点为球心、半径为 \(1\) 的球与每条棱都相切:六条棱的中点为 \[ (\pm1,0,0),\quad(0,\pm1,0),\quad(0,0,\pm1), \] 且连接球心与每个中点的半径都垂直于相应的棱。
对于第二个球,取球心为 \[ Q=(-2,-2,-2)=-2S \] 且半径为 \(3\)。直线 \(SA\) 上的点可表示为 \((1,t,t)\),这些点到 \(Q\) 的距离的平方为 \[ 9+2(t+2)^2. \] 因此,该直线到 \(Q\) 的距离为 \(3\)。直线 \(AB\) 上的点可表示为 \((t,-t,-1)\),这些点到 \(Q\) 的距离的平方为 \[ (t+2)^2+(2-t)^2+1=2t^2+9. \] 该直线到 \(Q\) 的距离也为 \(3\)。
置换坐标保持 \(S\) 和 \(Q\) 不动,并置换 \(A,B,C\)。因此,该球与经过 \(S\) 的三条棱所在的直线以及对面的三条边所在的直线都相切。
最后,将任意两个坐标的符号同时改变,保持该四面体不变,并得到另外三个球,它们的半径均为 \(3\),球心分别为 \[ -2A,\qquad -2B,\qquad -2C. \] 这四个球心与原点互不相同。因此,我们构造出了五个互不相同且满足所要求的相切关系的球。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1962 · Задача 7
Тетраэдр \(SABC\) обладает следующим свойством: существуют пять сфер, каждая из которых касается рёбер \(SA, SB, SC, BCCA, AB\) или их продолжений.
(a) Докажите, что тетраэдр \(SABC\) правильный.
(b) Докажите, обратно, что для любого правильного тетраэдра существуют пять таких сфер.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Напечатанное обозначение \(BCCA\) означает два ребра \(BC,CA\); таким образом, речь идёт обо всех шести прямых, содержащих рёбра.
(a) Сначала классифицируем возможные сферы и покажем, что их не более пяти.
Рассмотрим сферу с центром \(O\) и радиусом \(r>0\), касающуюся всех шести прямых, содержащих рёбра. Каждая вершина \(V\) лежит строго вне сферы. Действительно, она лежит на касательной прямой, поэтому не может лежать внутри. Если бы она лежала на сфере, все три прямые, содержащие выходящие из неё рёбра, лежали бы в касательной плоскости к сфере в точке \(V\), что противоречит тому, что вершины тетраэдра не лежат в одной плоскости.
Следовательно, отрезки касательных, проведённых из \(V\), имеют одну и ту же положительную длину \[ t_V=\sqrt{|OV|^2-r^2}. \] Назовём касание ребра внутренним, если точка касания лежит между его концами, и внешним в противном случае. Ни одна точка касания не совпадает с вершиной. Для каждого ребра \(UV\) \[ UV= \begin{cases} t_U+t_V,&\text{если касание внутреннее},\\ |t_U-t_V|,&\text{если касание внешнее}. \end{cases} \tag{1} \]
Выберем вершину \(V_0\), для которой \(t_{V_0}\) максимально, и обозначим остальные вершины через \(V_1,V_2,V_3\). Положим \(t_i=t_{V_i}\). Тогда \[ V_0V_i=t_0+\varepsilon_i t_i,\qquad \varepsilon_i\in\{1,-1\}, \] где знак положителен при внутреннем касании и отрицателен при внешнем.
Если бы \(\varepsilon_i\) и \(\varepsilon_j\) различались, то \[ |V_0V_i-V_0V_j|=t_i+t_j\ge V_iV_j, \] что противоречит строгому неравенству треугольника в \(V_0V_iV_j\). Поэтому все три знака одинаковы. Кроме того, \[ V_iV_j>|V_0V_i-V_0V_j|=|t_i-t_j|, \] так что в силу (1) все касания на противоположной грани \(V_1V_2V_3\) должны быть внутренними.
Следовательно, каждая сфера имеет один из ровно пяти возможных типов расположения точек касания:
- все шесть касаний внутренние;
- для одной вершины \(V\) три касания на выходящих из неё рёбрах внешние, а три касания на противоположной грани внутренние.
Теперь докажем, что каждому типу соответствует не более одной сферы. Для типа с внешними касаниями выберем исключительную вершину \(V\), а для типа со всеми внутренними касаниями — любую вершину. Пусть противоположная грань — \(UWZ\). Внутренние касания на ней определяют \[ t_U=\frac{UW+UZ-WZ}{2}, \] и аналогично определяют \(t_W,t_Z\). Длина оставшейся касательной равна \[ t_V= \begin{cases} VU-t_U,&\text{для типа со всеми внутренними касаниями},\\ VU+t_U,&\text{для типа с внешними касаниями при }V. \end{cases} \] Вторая формула следует из того, что в приведённой выше классификации исключительная вершина является вершиной с наибольшей длиной касательной. Таким образом, тип определяет все четыре длины касательных.
Предположим, что две сферы с центрами \(O,O'\) и радиусами \(r,r'\) имеют эти одинаковые длины касательных. Для каждой вершины \(V\) \[ |O-V|^2-r^2=t_V^2=|O'-V|^2-r'^2. \] Вычитая равенства для \(V_0\) и \(V_i\), получаем \[ (O-O')\cdot(V_i-V_0)=0\qquad(i=1,2,3). \] Три вектора рёбер линейно независимы, поэтому \(O=O'\), а затем и \(r=r'\). Единственность доказана.
Поскольку существуют пять различных сфер, должен встречаться каждый из пяти типов. Пусть \[ x_S,x_A,x_B,x_C>0 \] — длины касательных для сферы со всеми внутренними касаниями. Тогда \[ UV=x_U+x_V \tag{2} \] для каждого ребра.
Теперь рассмотрим сферу, внешние касания которой приходятся на \(SA,SB,SC\). Её касания на \(ABC\) внутренние, поэтому длины её касательных из \(A,B,C\) равны соответственно \(x_A,x_B,x_C\), поскольку эти длины однозначно определяются тремя сторонами \(ABC\). Если длина её касательной из \(S\) равна \(y\), то \[ SA=y-x_A=x_S+x_A, \] и аналогично для \(SB,SC\). Следовательно, \[ y=x_S+2x_A=x_S+2x_B=x_S+2x_C, \] откуда \(x_A=x_B=x_C\).
Применяя то же рассуждение к сфере, внешние касания которой приходятся на три ребра, выходящие из \(A\), получаем \(x_S=x_B=x_C\). Поэтому все четыре величины \(x\) равны. Теперь из равенства (2) следует, что все шесть рёбер равны, так что \(SABC\) — правильный тетраэдр.
(b) Преобразования подобия сохраняют касание, поэтому достаточно рассмотреть правильный тетраэдр \[ S=(1,1,1),\quad A=(1,-1,-1),\quad B=(-1,1,-1),\quad C=(-1,-1,1). \] Каждое ребро имеет длину \(2\sqrt2\).
Сфера с центром в начале координат и радиусом \(1\) касается каждого ребра: середины шести рёбер имеют координаты \[ (\pm1,0,0),\quad(0,\pm1,0),\quad(0,0,\pm1), \] и радиус, проведённый в каждую середину, перпендикулярен соответствующему ребру.
Для второй сферы возьмём центр \[ Q=(-2,-2,-2)=-2S \] и радиус \(3\). Прямая \(SA\) состоит из точек \((1,t,t)\), квадраты расстояний от которых до \(Q\) равны \[ 9+2(t+2)^2. \] Поэтому расстояние от \(Q\) до этой прямой равно \(3\). Прямая \(AB\) состоит из точек \((t,-t,-1)\), квадраты расстояний от которых до \(Q\) равны \[ (t+2)^2+(2-t)^2+1=2t^2+9. \] Расстояние от \(Q\) до неё также равно \(3\).
Перестановки координат оставляют \(S\) и \(Q\) на месте и переставляют \(A,B,C\). Таким образом, сфера касается всех трёх прямых, проходящих через \(S\), и всех трёх прямых, содержащих стороны противоположной грани.
Наконец, смена знаков любых двух координат сохраняет тетраэдр и даёт ещё три сферы, каждая радиуса \(3\), с центрами \[ -2A,\qquad -2B,\qquad -2C. \] Эти четыре центра и начало координат различны. Следовательно, мы построили пять различных сфер с требуемыми касаниями.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1962 · المسألة 7
يتمتع رباعي الوجوه \(SABC\) بالخاصية الآتية: توجد خمس كرات، كل منها تمس الأحرف \(SA, SB, SC, BCCA, AB\)، أو امتداداتها.
(a) أثبت أن رباعي الوجوه \(SABC\) منتظم.
(b) أثبت، عكسًا، أنه توجد خمس كرات من هذا النوع لكل رباعي وجوه منتظم.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
الرمز المطبوع \(BCCA\) يدل على الحرفين \(BC,CA\)؛ ومن ثم فإن المستقيمات الحاملة للأحرف الستة كلها معنية.
(a) نصنف أولًا الكرات الممكنة، ونثبت أن عددها لا يتجاوز خمسًا.
لنعتبر كرة مركزها \(O\) ونصف قطرها \(r>0\)، تمس المستقيمات الحاملة للأحرف الستة. يقع كل رأس \(V\) خارج الكرة تمامًا. فهو يقع على مستقيم مماس، لذا لا يمكن أن يقع داخلها. ولو وقع على سطح الكرة، لكانت المستقيمات الحاملة للأحرف الثلاثة الملتقية عنده كلها في المستوى المماس لها عند \(V\)، وهو ما يناقض عدم وقوع رؤوس رباعي الوجوه في مستوى واحد.
وبالتالي، فإن القطع المماسة المرسومة من \(V\) لها الطول الموجب نفسه \[ t_V=\sqrt{|OV|^2-r^2}. \] نسمي تماس الحرف داخليًا إذا كانت نقطة التماس بين طرفيه، وخارجيًا خلاف ذلك. لا يحدث أي تماس عند رأس. ولكل حرف \(UV\)، \[ UV= \begin{cases} t_U+t_V,&\text{إذا كان تماسه داخليًا},\\ |t_U-t_V|,&\text{إذا كان تماسه خارجيًا}. \end{cases} \tag{1} \]
نختار رأسًا \(V_0\) تكون عنده \(t_{V_0}\) عظمى، ونرمز إلى الرؤوس الأخرى بـ\(V_1,V_2,V_3\). نكتب \(t_i=t_{V_i}\). عندئذ \[ V_0V_i=t_0+\varepsilon_i t_i,\qquad \varepsilon_i\in\{1,-1\}, \] حيث تكون الإشارة موجبة للتماس الداخلي وسالبة للتماس الخارجي.
لو اختلفت \(\varepsilon_i\) و\(\varepsilon_j\)، لكان \[ |V_0V_i-V_0V_j|=t_i+t_j\ge V_iV_j, \] خلافًا لمتباينة المثلث الصارمة في \(V_0V_iV_j\). إذن الإشارات الثلاث متساوية. علاوة على ذلك، \[ V_iV_j>|V_0V_i-V_0V_j|=|t_i-t_j|, \] لذا تُلزم (1) بأن يكون كل تماس على الوجه المقابل \(V_1V_2V_3\) داخليًا.
وعليه، فإن لكل كرة واحدًا من خمسة أنماط ممكنة للتماس بالضبط:
- التماسات الستة كلها داخلية؛
- عند أحد الرؤوس \(V\)، تكون التماسات الثلاثة على الأحرف الملتقية عنده خارجية، وتكون التماسات الثلاثة على الوجه المقابل داخلية.
نثبت بعد ذلك أن كل نمط يقبل كرة واحدة على الأكثر. نختار الرأس الاستثنائي \(V\) في النمط الخارجي، أو أي رأس في النمط ذي التماسات الداخلية كلها. وليكن الوجه المقابل \(UWZ\). تحدد تماساته الداخلية \[ t_U=\frac{UW+UZ-WZ}{2}, \] وتحدد بالطريقة نفسها \(t_W,t_Z\). أما طول المماس المتبقي فهو \[ t_V= \begin{cases} VU-t_U,&\text{للنمط ذي التماسات الداخلية كلها},\\ VU+t_U,&\text{للنمط الخارجي عند }V. \end{cases} \] تنتج الصيغة الثانية لأن الرأس الاستثنائي هو الرأس ذو أكبر طول مماس في التصنيف أعلاه. إذن يحدد النمط أطوال المماسات الأربعة كلها.
لنفترض أن كرتين، مركزاهما \(O,O'\) ونصفا قطريهما \(r,r'\)، لهما أطوال المماسات نفسها. عند كل رأس \(V\)، \[ |O-V|^2-r^2=t_V^2=|O'-V|^2-r'^2. \] بطرح العلاقتين عند \(V_0\) و\(V_i\)، نحصل على \[ (O-O')\cdot(V_i-V_0)=0\qquad(i=1,2,3). \] متجهات الأحرف الثلاثة مستقلة خطيًا، لذا \(O=O'\)، ومن ثم \(r=r'\). وهذا يثبت الوحدانية.
بما أن خمس كرات متمايزة موجودة، فلا بد أن يتحقق كل واحد من الأنماط الخمسة. لتكن \[ x_S,x_A,x_B,x_C>0 \] أطوال المماسات للكرة ذات التماسات الداخلية كلها. إذن \[ UV=x_U+x_V \tag{2} \] لكل حرف.
نعتبر الآن الكرة التي تقع تماساتها الخارجية على \(SA,SB,SC\). تماساتهـا على \(ABC\) داخلية، لذا فإن أطوال مماساتها عند \(A,B,C\) هي على الترتيب \(x_A,x_B,x_C\)، لأن هذه الأطوال تتحدد على نحو وحيد بأضلاع \(ABC\) الثلاثة. إذا كان طول مماسها عند \(S\) هو \(y\)، فإن \[ SA=y-x_A=x_S+x_A, \] وبالمثل بالنسبة إلى \(SB,SC\). ومن ثم \[ y=x_S+2x_A=x_S+2x_B=x_S+2x_C, \] مما يعطي \(x_A=x_B=x_C\).
بتطبيق الحجة نفسها على الكرة التي تقع تماساتها الخارجية على الأحرف الثلاثة المارة بـ\(A\)، نحصل على \(x_S=x_B=x_C\). إذن قيم \(x\) الأربع كلها متساوية. وتبين المعادلة (2) الآن أن الأحرف الستة كلها متساوية، ومن ثم فإن \(SABC\) منتظم.
(b) تحفظ التشابهات التماس، لذا يكفي أن نعتبر رباعي الوجوه المنتظم \[ S=(1,1,1),\quad A=(1,-1,-1),\quad B=(-1,1,-1),\quad C=(-1,-1,1). \] طول كل حرف هو \(2\sqrt2\).
الكرة التي مركزها نقطة الأصل ونصف قطرها \(1\) تمس كل حرف: فمنتصفات الأحرف الستة هي \[ (\pm1,0,0),\quad(0,\pm1,0),\quad(0,0,\pm1), \] ونصف القطر الواصل إلى كل منتصف عمودي على الحرف الذي يحتويه.
للحصول على كرة ثانية، نأخذ المركز \[ Q=(-2,-2,-2)=-2S \] ونصف القطر \(3\). يتكون المستقيم \(SA\) من النقاط \((1,t,t)\)، التي مربعات مسافاتها عن \(Q\) هي \[ 9+2(t+2)^2. \] إذن بعده عن \(Q\) هو \(3\). ويتكون المستقيم \(AB\) من النقاط \((t,-t,-1)\)، التي مربعات مسافاتها عن \(Q\) هي \[ (t+2)^2+(2-t)^2+1=2t^2+9. \] وبعده عن \(Q\) هو أيضًا \(3\).
إن تبديل الإحداثيات يثبت \(S\) و\(Q\)، ويبدل \(A,B,C\) فيما بينها. لذا تمس الكرة المستقيمات الثلاثة المارة بـ\(S\)، والمستقيمات الثلاثة الحاملة لأضلاع الوجه المقابل.
أخيرًا، إن تغيير إشارتي أي إحداثيين يحفظ رباعي الوجوه ويعطي ثلاث كرات إضافية، نصف قطر كل منها \(3\)، ومراكزها \[ -2A,\qquad -2B,\qquad -2C. \] هذه المراكز الأربعة ونقطة الأصل متمايزة. وبذلك نكون قد أنشأنا خمس كرات متمايزة تحقق التماسات المطلوبة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).