IMO 1963 · Problem 2
Point \(A\) and segment \(BC\) are given. Determine the locus of points in space which are vertices of right angles with one side passing through \(A\), and the other side intersecting the segment \(BC\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
Let \(K_B\) and \(K_C\) be the closed balls with diameters \(AB\) and \(AC\), respectively. The locus is \[ \boxed{\bigl(K_B\setminus\operatorname{int}K_C\bigr) \;\cup\; \bigl(K_C\setminus\operatorname{int}K_B\bigr).} \] Thus a point must lie in one closed ball and outside the interior of the other. All points on either sphere are included.
Here sides of angles are rays containing their vertices, so an incidence at the vertex is allowed. The modification when both incidences must be away from the vertex is given below.
Solution
For any points \(P,D\), define \[ F_D(P)=(P-A)\cdot(P-D). \] Writing \(O_D=(A+D)/2\), we obtain \[ F_D(P)=|P-O_D|^2-\frac{|A-D|^2}{4}. \] Consequently, \(F_D(P)\leq0\) means that \(P\) belongs to the closed ball with diameter \(AD\), while \(F_D(P)\geq0\) means that \(P\) is outside its interior. These statements remain valid when \(A=D\), in which case the ball is the singleton \(\{A\}\).
We shall prove that the required condition is precisely \[ \boxed{F_B(P)F_C(P)\leq0.} \tag{1} \]
Suppose first that \(P\) is a vertex of a suitable right angle, and let \(X\in BC\) belong to its other side. The vectors \(A-P\) and \(X-P\) lie along perpendicular rays, or one of them is zero. Hence \[ F_X(P)=(P-A)\cdot(P-X)=0. \] Write \[ X=(1-t)B+tC,\qquad 0\leq t\leq1. \] Then \[ 0=F_X(P)=(1-t)F_B(P)+tF_C(P). \] A convex combination of two strictly positive numbers is positive, and a convex combination of two strictly negative numbers is negative. Therefore \(F_B(P)\) and \(F_C(P)\) cannot have the same strict sign, proving (1).
Conversely, suppose (1) holds. There is some \(t\in[0,1]\) for which \[ (1-t)F_B(P)+tF_C(P)=0: \] choose an endpoint if one of the two values is zero; otherwise they have opposite signs, and take \[ t=\frac{F_B(P)}{F_B(P)-F_C(P)}\in(0,1). \] For \(X=(1-t)B+tC\), we consequently have \[ (P-A)\cdot(P-X)=0. \]
If \(P\ne A\) and \(P\ne X\), the rays \(PA\) and \(PX\) form the required right angle. The remaining cases also give genuine right angles:
- If \(P=A\ne X\), use the ray \(PX\) and any perpendicular ray from \(P\).
- If \(P=X\ne A\), use the ray \(PA\) and any perpendicular ray from \(P\).
- If \(P=A=X\), use any two perpendicular rays from \(P\).
Thus (1) is both necessary and sufficient. Finally, (1) is equivalent to \[ \bigl(F_B(P)\leq0,\ F_C(P)\geq0\bigr) \quad\text{or}\quad \bigl(F_C(P)\leq0,\ F_B(P)\geq0\bigr), \] which gives exactly the stated locus.
No assumption about the relative positions of \(A,B,C\) was used. In particular, collinear configurations are covered. If \(B=C\), condition (1) becomes \(F_B(P)=0\), giving the sphere with diameter \(AB\); if \(A=B=C\), it gives just \(\{A\}\).
For completeness, under the convention that both incidences must occur away from the vertex, delete \(A\) and all of \(BC\) from the displayed locus, with one possible exception. When \(B\ne C\), let \(H\) be the perpendicular projection of \(A\) onto the line \(BC\); retain \(H\) if \(H\in BC\) and \(H\ne A\). Indeed, for distinct \(P,X\in BC\), the condition \(PA\perp PX\) holds exactly when \(P=H\). Conversely, such an \(H\) works by choosing any \(X\in BC\setminus\{H\}\). Outside \(\{A\}\cup BC\), the preceding construction already has both incidences away from the vertex.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1963 · Aufgabe 2
Gegeben sind ein Punkt \(A\) und eine Strecke \(BC\). Bestimme den geometrischen Ort aller Punkte im Raum, die Scheitelpunkte rechter Winkel sind, deren einer Schenkel durch \(A\) geht und deren anderer Schenkel die Strecke \(BC\) schneidet.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Seien \(K_B\) und \(K_C\) die abgeschlossenen Kugeln mit den Durchmessern \(AB\) bzw. \(AC\). Der geometrische Ort ist \[ \boxed{\bigl(K_B\setminus\operatorname{int}K_C\bigr) \;\cup\; \bigl(K_C\setminus\operatorname{int}K_B\bigr).} \] Ein Punkt muss also in einer der abgeschlossenen Kugeln und außerhalb des Inneren der anderen liegen. Alle Punkte auf jeder der beiden Kugeloberflächen gehören dazu.
Hier sind Winkelschenkel Halbgeraden, die ihren Scheitelpunkt enthalten, sodass auch ein Zusammentreffen im Scheitelpunkt zulässig ist. Die Abänderung für den Fall, dass beide Inzidenzen außerhalb des Scheitelpunkts liegen müssen, wird weiter unten angegeben.
Lösung
Für beliebige Punkte \(P,D\) definieren wir \[ F_D(P)=(P-A)\cdot(P-D). \] Mit \(O_D=(A+D)/2\) erhalten wir \[ F_D(P)=|P-O_D|^2-\frac{|A-D|^2}{4}. \] Somit bedeutet \(F_D(P)\leq0\), dass \(P\) zur abgeschlossenen Kugel mit Durchmesser \(AD\) gehört, während \(F_D(P)\geq0\) bedeutet, dass \(P\) außerhalb ihres Inneren liegt. Diese Aussagen gelten auch für \(A=D\); in diesem Fall ist die Kugel die einelementige Menge \(\{A\}\).
Wir beweisen, dass die gesuchte Bedingung genau wie folgt lautet: \[ \boxed{F_B(P)F_C(P)\leq0.} \tag{1} \]
Sei zunächst \(P\) der Scheitelpunkt eines geeigneten rechten Winkels, und sei \(X\in BC\) ein Punkt auf dessen anderem Schenkel. Die Vektoren \(A-P\) und \(X-P\) liegen auf zueinander senkrechten Halbgeraden, oder einer von ihnen ist der Nullvektor. Daher gilt \[ F_X(P)=(P-A)\cdot(P-X)=0. \] Schreibe \[ X=(1-t)B+tC,\qquad 0\leq t\leq1. \] Dann gilt \[ 0=F_X(P)=(1-t)F_B(P)+tF_C(P). \] Eine Konvexkombination zweier strikt positiver Zahlen ist positiv, und eine Konvexkombination zweier strikt negativer Zahlen ist negativ. Daher können \(F_B(P)\) und \(F_C(P)\) nicht beide strikt dasselbe Vorzeichen haben, womit (1) bewiesen ist.
Gelte umgekehrt (1). Es gibt ein \(t\in[0,1]\), für das \[ (1-t)F_B(P)+tF_C(P)=0: \] Ist einer der beiden Werte null, so wähle den entsprechenden Randpunkt; andernfalls haben sie entgegengesetzte Vorzeichen, und wir wählen \[ t=\frac{F_B(P)}{F_B(P)-F_C(P)}\in(0,1). \] Für \(X=(1-t)B+tC\) gilt folglich \[ (P-A)\cdot(P-X)=0. \]
Falls \(P\ne A\) und \(P\ne X\), bilden die Halbgeraden \(PA\) und \(PX\) den gesuchten rechten Winkel. Auch in den übrigen Fällen ergeben sich echte rechte Winkel:
- Falls \(P=A\ne X\), verwende die Halbgerade \(PX\) und eine beliebige dazu senkrechte Halbgerade mit Anfangspunkt \(P\).
- Falls \(P=X\ne A\), verwende die Halbgerade \(PA\) und eine beliebige dazu senkrechte Halbgerade mit Anfangspunkt \(P\).
- Falls \(P=A=X\), verwende zwei beliebige zueinander senkrechte Halbgeraden mit Anfangspunkt \(P\).
Damit ist (1) sowohl notwendig als auch hinreichend. Schließlich ist (1) äquivalent zu \[ \bigl(F_B(P)\leq0,\ F_C(P)\geq0\bigr) \quad\text{oder}\quad \bigl(F_C(P)\leq0,\ F_B(P)\geq0\bigr), \] was genau den angegebenen geometrischen Ort ergibt.
Es wurde keine Voraussetzung über die gegenseitige Lage von \(A,B,C\) verwendet. Insbesondere sind auch kollineare Anordnungen erfasst. Falls \(B=C\), wird Bedingung (1) zu \(F_B(P)=0\), was die Kugeloberfläche mit Durchmesser \(AB\) ergibt; falls \(A=B=C\), ergibt sie lediglich \(\{A\}\).
Der Vollständigkeit halber gilt unter der Konvention, dass beide Inzidenzen außerhalb des Scheitelpunkts liegen müssen: Entferne \(A\) und die gesamte Strecke \(BC\) aus dem angegebenen geometrischen Ort, mit einer möglichen Ausnahme. Falls \(B\ne C\), sei \(H\) der Lotfußpunkt von \(A\) auf der Geraden \(BC\); behalte \(H\) bei, wenn \(H\in BC\) und \(H\ne A\). Für verschiedene Punkte \(P,X\in BC\) gilt die Bedingung \(PA\perp PX\) nämlich genau dann, wenn \(P=H\). Umgekehrt ist ein solches \(H\) geeignet, indem man ein beliebiges \(X\in BC\setminus\{H\}\) wählt. Außerhalb von \(\{A\}\cup BC\) liegen bei der obigen Konstruktion bereits beide Inzidenzen außerhalb des Scheitelpunkts.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1963 · Soru 2
\(A\) noktası ve \(BC\) doğru parçası veriliyor. Bir kenarı \(A\)'dan geçen, diğer kenarı ise \(BC\) doğru parçasını kesen dik açıların köşeleri olan uzay noktalarının geometrik yerini belirleyiniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\(K_B\) ve \(K_C\), sırasıyla çapları \(AB\) ve \(AC\) olan kapalı yuvarlar olsun. Geometrik yer \[ \boxed{\bigl(K_B\setminus\operatorname{int}K_C\bigr) \;\cup\; \bigl(K_C\setminus\operatorname{int}K_B\bigr)} \] kümesidir. Dolayısıyla bir nokta, kapalı yuvarlardan birinde bulunmalı ve diğerinin iç bölgesinin dışında olmalıdır. Her iki kürenin üzerindeki tüm noktalar bu kümeye dâhildir.
Burada açıların kenarları, köşelerini içeren ışınlardır; dolayısıyla geçme veya kesişmenin köşede gerçekleşmesine izin verilir. Her iki durumun da köşeden farklı bir noktada gerçekleşmesi gerektiğinde yapılacak değişiklik aşağıda verilmiştir.
Çözüm
Herhangi \(P,D\) noktaları için \[ F_D(P)=(P-A)\cdot(P-D) \] tanımını yapalım. \(O_D=(A+D)/2\) yazarak \[ F_D(P)=|P-O_D|^2-\frac{|A-D|^2}{4} \] elde ederiz. Dolayısıyla \(F_D(P)\leq0\), \(P\)'nin çapı \(AD\) olan kapalı yuvara ait olduğu, \(F_D(P)\geq0\) ise \(P\)'nin bu yuvarın iç bölgesinin dışında olduğu anlamına gelir. Bu ifadeler \(A=D\) olduğunda da geçerlidir; bu durumda yuvar, tek elemanlı \(\{A\}\) kümesidir.
Aranan koşulun tam olarak \[ \boxed{F_B(P)F_C(P)\leq0} \tag{1} \] olduğunu kanıtlayacağız.
Önce \(P\)'nin istenen özellikte bir dik açının köşesi olduğunu varsayalım ve \(X\in BC\) bu açının diğer kenarı üzerinde bulunsun. \(A-P\) ve \(X-P\) vektörleri birbirine dik ışınlar boyunca uzanır ya da bunlardan biri sıfırdır. Bu nedenle \[ F_X(P)=(P-A)\cdot(P-X)=0 \] olur. \[ X=(1-t)B+tC,\qquad 0\leq t\leq1 \] yazalım. O hâlde \[ 0=F_X(P)=(1-t)F_B(P)+tF_C(P) \] olur. İki pozitif sayının konveks birleşimi pozitiftir ve iki negatif sayının konveks birleşimi negatiftir. Dolayısıyla \(F_B(P)\) ve \(F_C(P)\) aynı anda pozitif veya aynı anda negatif olamaz; böylece (1) kanıtlanır.
Tersine, (1)'in sağlandığını varsayalım. Aşağıdaki eşitliği sağlayan bir \(t\in[0,1]\) vardır: \[ (1-t)F_B(P)+tF_C(P)=0: \] iki değerden biri sıfırsa bir uç noktayı seçeriz; aksi hâlde bu değerler zıt işaretlidir ve \[ t=\frac{F_B(P)}{F_B(P)-F_C(P)}\in(0,1) \] alırız. Dolayısıyla \(X=(1-t)B+tC\) için \[ (P-A)\cdot(P-X)=0 \] olur.
\(P\ne A\) ve \(P\ne X\) ise \(PA\) ve \(PX\) ışınları istenen dik açıyı oluşturur. Kalan durumlarda da gerçek birer dik açı elde edilir:
- \(P=A\ne X\) ise \(PX\) ışınını ve \(P\)'den çıkan, ona dik herhangi bir ışını kullanırız.
- \(P=X\ne A\) ise \(PA\) ışınını ve \(P\)'den çıkan, ona dik herhangi bir ışını kullanırız.
- \(P=A=X\) ise \(P\)'den çıkan, birbirine dik herhangi iki ışını kullanırız.
Böylece (1) hem gerekli hem de yeterlidir. Son olarak, (1) koşulu \[ \bigl(F_B(P)\leq0,\ F_C(P)\geq0\bigr) \quad\text{veya}\quad \bigl(F_C(P)\leq0,\ F_B(P)\geq0\bigr) \] koşuluna denktir; bu da tam olarak belirtilen geometrik yeri verir.
\(A,B,C\)'nin birbirlerine göre konumları hakkında hiçbir varsayım kullanılmadı. Özellikle, doğrusal oldukları durumlar da kapsanır. \(B=C\) ise (1) koşulu \(F_B(P)=0\) hâline gelir ve çapı \(AB\) olan küreyi verir; \(A=B=C\) ise yalnızca \(\{A\}\) kümesini verir.
Eksiksiz olması için, her iki geçme veya kesişmenin de köşeden farklı bir noktada gerçekleşmesi gerektiği kabulü altında, olası bir istisna dışında, \(A\)'yı ve \(BC\)'nin tamamını yukarıda verilen geometrik yerden çıkarırız. \(B\ne C\) olduğunda, \(H\), \(A\)'nın \(BC\) doğrusu üzerindeki dik izdüşümü olsun; \(H\in BC\) ve \(H\ne A\) ise \(H\)'yi kümede tutarız. Gerçekten, farklı \(P,X\in BC\) noktaları için \(PA\perp PX\) koşulu ancak ve ancak \(P=H\) olduğunda sağlanır. Tersine, böyle bir \(H\) için herhangi bir \(X\in BC\setminus\{H\}\) seçilerek istenen açı elde edilir. \(\{A\}\cup BC\) dışında, önceki inşada her iki geçme veya kesişme zaten köşeden farklı noktalarda gerçekleşir.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1963 · Problema 2
Se dan un punto \(A\) y un segmento \(BC\). Determinar el lugar geométrico de los puntos del espacio que son vértices de ángulos rectos con un lado que pasa por \(A\) y el otro que corta al segmento \(BC\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Sean \(K_B\) y \(K_C\) las bolas cerradas de diámetros \(AB\) y \(AC\), respectivamente. El lugar geométrico es \[ \boxed{\bigl(K_B\setminus\operatorname{int}K_C\bigr) \;\cup\; \bigl(K_C\setminus\operatorname{int}K_B\bigr).} \] Así pues, un punto debe pertenecer a una de las bolas cerradas y estar fuera del interior de la otra. Se incluyen todos los puntos de ambas esferas.
Aquí los lados de los ángulos son semirrectas que contienen sus vértices, de modo que se permite una incidencia en el vértice. Más abajo se indica la modificación correspondiente al caso en que ambas incidencias deban producirse fuera del vértice.
Solución
Para cualesquiera puntos \(P,D\), definimos \[ F_D(P)=(P-A)\cdot(P-D). \] Escribiendo \(O_D=(A+D)/2\), obtenemos \[ F_D(P)=|P-O_D|^2-\frac{|A-D|^2}{4}. \] En consecuencia, \(F_D(P)\leq0\) significa que \(P\) pertenece a la bola cerrada de diámetro \(AD\), mientras que \(F_D(P)\geq0\) significa que \(P\) está fuera de su interior. Estas afirmaciones siguen siendo válidas cuando \(A=D\), en cuyo caso la bola es el conjunto de un solo punto \(\{A\}\).
Demostraremos que la condición buscada es precisamente \[ \boxed{F_B(P)F_C(P)\leq0.} \tag{1} \]
Supongamos primero que \(P\) es el vértice de un ángulo recto que cumple las condiciones, y sea \(X\in BC\) un punto de su otro lado. Los vectores \(A-P\) y \(X-P\) tienen las direcciones de semirrectas perpendiculares, o uno de ellos es nulo. Por tanto, \[ F_X(P)=(P-A)\cdot(P-X)=0. \] Escribamos \[ X=(1-t)B+tC,\qquad 0\leq t\leq1. \] Entonces \[ 0=F_X(P)=(1-t)F_B(P)+tF_C(P). \] Una combinación convexa de dos números estrictamente positivos es positiva, y una combinación convexa de dos números estrictamente negativos es negativa. Por tanto, \(F_B(P)\) y \(F_C(P)\) no pueden ser ambos estrictamente positivos ni ambos estrictamente negativos, lo que demuestra (1).
Recíprocamente, supongamos que se cumple (1). Existe algún \(t\in[0,1]\) para el cual \[ (1-t)F_B(P)+tF_C(P)=0: \] elegimos un extremo si uno de los dos valores es cero; en caso contrario, tienen signos opuestos, y tomamos \[ t=\frac{F_B(P)}{F_B(P)-F_C(P)}\in(0,1). \] Para \(X=(1-t)B+tC\), tenemos, en consecuencia, \[ (P-A)\cdot(P-X)=0. \]
Si \(P\ne A\) y \(P\ne X\), las semirrectas \(PA\) y \(PX\) forman el ángulo recto requerido. Los casos restantes también dan ángulos rectos propiamente dichos:
- Si \(P=A\ne X\), usamos la semirrecta \(PX\) y cualquier semirrecta perpendicular con origen en \(P\).
- Si \(P=X\ne A\), usamos la semirrecta \(PA\) y cualquier semirrecta perpendicular con origen en \(P\).
- Si \(P=A=X\), usamos dos semirrectas perpendiculares cualesquiera con origen en \(P\).
Por tanto, (1) es necesaria y suficiente. Finalmente, (1) equivale a \[ \bigl(F_B(P)\leq0,\ F_C(P)\geq0\bigr) \quad\text{o}\quad \bigl(F_C(P)\leq0,\ F_B(P)\geq0\bigr), \] lo que da exactamente el lugar geométrico indicado.
No se ha utilizado ninguna hipótesis sobre las posiciones relativas de \(A,B,C\). En particular, quedan incluidas las configuraciones con puntos colineales. Si \(B=C\), la condición (1) se convierte en \(F_B(P)=0\), y da la esfera de diámetro \(AB\); si \(A=B=C\), da únicamente \(\{A\}\).
Para completar la discusión, bajo la convención de que ambas incidencias deben producirse fuera del vértice, hay que eliminar \(A\) y todo el segmento \(BC\) del lugar geométrico mostrado, con una posible excepción. Cuando \(B\ne C\), sea \(H\) la proyección perpendicular de \(A\) sobre la recta \(BC\); se conserva \(H\) si \(H\in BC\) y \(H\ne A\). En efecto, para puntos distintos \(P,X\in BC\), la condición \(PA\perp PX\) se cumple exactamente cuando \(P=H\). Recíprocamente, tal punto \(H\) cumple lo requerido eligiendo cualquier \(X\in BC\setminus\{H\}\). Fuera de \(\{A\}\cup BC\), la construcción anterior ya tiene ambas incidencias fuera del vértice.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1963 · 问题 2
已知点 \(A\) 和线段 \(BC\)。求空间中满足下述条件的点的轨迹:该点是一个直角的顶点,这个直角的一边经过 \(A\),另一边与线段 \(BC\) 相交。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
设 \(K_B\) 和 \(K_C\) 分别为以 \(AB\) 和 \(AC\) 为直径的闭球。所求轨迹为 \[ \boxed{\bigl(K_B\setminus\operatorname{int}K_C\bigr) \;\cup\; \bigl(K_C\setminus\operatorname{int}K_B\bigr).} \] 因此,所求点必须属于其中一个闭球,且不在另一个闭球的内部。两个球面上的所有点均包含在轨迹中。
这里,角的边是包含其顶点的射线,因此允许上述经过或相交发生在顶点处。若要求这两处均不在顶点,轨迹应如何修改,将在下文说明。
解答
对于任意两点 \(P,D\),定义 \[ F_D(P)=(P-A)\cdot(P-D). \] 记 \(O_D=(A+D)/2\),得 \[ F_D(P)=|P-O_D|^2-\frac{|A-D|^2}{4}. \] 因此,\(F_D(P)\leq0\) 表示 \(P\) 属于以 \(AD\) 为直径的闭球,而 \(F_D(P)\geq0\) 表示 \(P\) 不在该闭球的内部。当 \(A=D\) 时,这些结论仍然成立,此时闭球为单点集 \(\{A\}\)。
我们将证明,所求条件恰好是 \[ \boxed{F_B(P)F_C(P)\leq0.} \tag{1} \]
先设 \(P\) 是一个符合条件的直角的顶点,并设 \(X\in BC\) 在该角的另一边上。向量 \(A-P\) 和 \(X-P\) 沿着两条互相垂直的射线,或者其中至少一个为零向量。因此 \[ F_X(P)=(P-A)\cdot(P-X)=0. \] 写成 \[ X=(1-t)B+tC,\qquad 0\leq t\leq1. \] 则 \[ 0=F_X(P)=(1-t)F_B(P)+tF_C(P). \] 两个严格正数的凸组合为正,两个严格负数的凸组合为负。因此,\(F_B(P)\) 和 \(F_C(P)\) 不可能同为正数或同为负数,从而证明了 (1)。
反过来,假设 (1) 成立。存在某个 \(t\in[0,1]\),使得 \[ (1-t)F_B(P)+tF_C(P)=0: \] 若这两个值中有一个为零,则取相应的端点;否则它们异号,此时取 \[ t=\frac{F_B(P)}{F_B(P)-F_C(P)}\in(0,1). \] 于是,对于 \(X=(1-t)B+tC\),有 \[ (P-A)\cdot(P-X)=0. \]
若 \(P\ne A\) 且 \(P\ne X\),则射线 \(PA\) 和 \(PX\) 构成所需的直角。其余情形也都能构成真正的直角:
- 若 \(P=A\ne X\),则取射线 \(PX\) 及从 \(P\) 出发的任意一条与之垂直的射线。
- 若 \(P=X\ne A\),则取射线 \(PA\) 及从 \(P\) 出发的任意一条与之垂直的射线。
- 若 \(P=A=X\),则取从 \(P\) 出发的任意两条互相垂直的射线。
因此,(1) 是充要条件。最后,(1) 等价于 \[ \bigl(F_B(P)\leq0,\ F_C(P)\geq0\bigr) \quad\text{或}\quad \bigl(F_C(P)\leq0,\ F_B(P)\geq0\bigr), \] 这恰好给出了所述轨迹。
上述证明未对 \(A,B,C\) 的相对位置作任何假设。特别地,也包括三点共线的情形。若 \(B=C\),条件 (1) 变为 \(F_B(P)=0\),所得轨迹是以 \(AB\) 为直径的球面;若 \(A=B=C\),则轨迹仅为 \(\{A\}\)。
为完整起见,若约定上述经过和相交均须发生在顶点以外,则应从上面给出的轨迹中删去 \(A\) 及整条线段 \(BC\),但可能有一个例外。当 \(B\ne C\) 时,设 \(H\) 为 \(A\) 在直线 \(BC\) 上的垂足;若 \(H\in BC\) 且 \(H\ne A\),则保留 \(H\)。事实上,对于不同的两点 \(P,X\in BC\),条件 \(PA\perp PX\) 成立当且仅当 \(P=H\)。反过来,对于这样的 \(H\),任取 \(X\in BC\setminus\{H\}\) 即可满足条件。在 \(\{A\}\cup BC\) 以外,上述构造中的经过和相交本就均发生在顶点以外。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1963 · Задача 2
Даны точка \(A\) и отрезок \(BC\). Найдите геометрическое место точек пространства, являющихся вершинами прямых углов, одна сторона которых проходит через \(A\), а другая пересекает отрезок \(BC\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Пусть \(K_B\) и \(K_C\) — замкнутые шары с диаметрами \(AB\) и \(AC\) соответственно. Искомое геометрическое место имеет вид \[ \boxed{\bigl(K_B\setminus\operatorname{int}K_C\bigr) \;\cup\; \bigl(K_C\setminus\operatorname{int}K_B\bigr).} \] Таким образом, точка должна принадлежать одному замкнутому шару и не принадлежать внутренности другого. Все точки обеих сфер входят в искомое множество.
Здесь стороны углов — лучи, содержащие свои начала, поэтому допускается, что точка прохождения или пересечения совпадает с вершиной угла. Ниже описано изменение ответа для случая, когда обе эти точки должны отличаться от вершины.
Решение
Для любых точек \(P,D\) определим \[ F_D(P)=(P-A)\cdot(P-D). \] Положив \(O_D=(A+D)/2\), получаем \[ F_D(P)=|P-O_D|^2-\frac{|A-D|^2}{4}. \] Следовательно, \(F_D(P)\leq0\) означает, что \(P\) принадлежит замкнутому шару с диаметром \(AD\), а \(F_D(P)\geq0\) означает, что \(P\) не принадлежит его внутренности. Эти утверждения остаются верными и при \(A=D\), когда шар состоит из единственной точки \(\{A\}\).
Докажем, что искомое условие в точности имеет вид \[ \boxed{F_B(P)F_C(P)\leq0.} \tag{1} \]
Пусть сначала \(P\) — вершина подходящего прямого угла, а \(X\in BC\) принадлежит его другой стороне. Векторы \(A-P\) и \(X-P\) направлены вдоль перпендикулярных лучей либо один из них нулевой. Поэтому \[ F_X(P)=(P-A)\cdot(P-X)=0. \] Запишем \[ X=(1-t)B+tC,\qquad 0\leq t\leq1. \] Тогда \[ 0=F_X(P)=(1-t)F_B(P)+tF_C(P). \] Выпуклая комбинация двух строго положительных чисел положительна, а выпуклая комбинация двух строго отрицательных чисел отрицательна. Поэтому \(F_B(P)\) и \(F_C(P)\) не могут быть одновременно строго положительными или одновременно строго отрицательными, что доказывает (1).
Обратно, пусть выполнено (1). Существует такое \(t\in[0,1]\), что \[ (1-t)F_B(P)+tF_C(P)=0: \] если одно из двух значений равно нулю, выберем соответствующий конец отрезка; в противном случае они имеют противоположные знаки, и положим \[ t=\frac{F_B(P)}{F_B(P)-F_C(P)}\in(0,1). \] Тогда для \(X=(1-t)B+tC\) имеем \[ (P-A)\cdot(P-X)=0. \]
Если \(P\ne A\) и \(P\ne X\), то лучи \(PA\) и \(PX\) образуют требуемый прямой угол. В остальных случаях также можно построить настоящие прямые углы:
- Если \(P=A\ne X\), возьмём луч \(PX\) и любой перпендикулярный ему луч с началом в \(P\).
- Если \(P=X\ne A\), возьмём луч \(PA\) и любой перпендикулярный ему луч с началом в \(P\).
- Если \(P=A=X\), возьмём любые два перпендикулярных луча с началом в \(P\).
Таким образом, условие (1) необходимо и достаточно. Наконец, (1) равносильно условию \[ \bigl(F_B(P)\leq0,\ F_C(P)\geq0\bigr) \quad\text{или}\quad \bigl(F_C(P)\leq0,\ F_B(P)\geq0\bigr), \] которое и даёт указанное геометрическое место.
Никаких предположений о взаимном расположении \(A,B,C\) не использовалось. В частности, рассмотрение охватывает и случай, когда точки лежат на одной прямой. Если \(B=C\), условие (1) принимает вид \(F_B(P)=0\), что даёт сферу с диаметром \(AB\); если \(A=B=C\), оно даёт лишь \(\{A\}\).
Для полноты рассмотрим соглашение, согласно которому обе точки прохождения и пересечения должны находиться вне вершины угла: тогда из указанного геометрического места нужно удалить \(A\) и весь отрезок \(BC\), с одним возможным исключением. При \(B\ne C\) пусть \(H\) — ортогональная проекция \(A\) на прямую \(BC\); точку \(H\) следует оставить, если \(H\in BC\) и \(H\ne A\). Действительно, для различных \(P,X\in BC\) условие \(PA\perp PX\) выполнено тогда и только тогда, когда \(P=H\). Обратно, такая точка \(H\) подходит: достаточно выбрать любую \(X\in BC\setminus\{H\}\). Вне \(\{A\}\cup BC\) в приведённом выше построении обе точки прохождения и пересечения уже отличны от вершины.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1963 · المسألة 2
أُعطيت نقطة \(A\) وقطعة مستقيمة \(BC\). عيّن المحل الهندسي للنقاط في الفضاء التي تكون رؤوسًا لزوايا قائمة يمر أحد ضلعيها بالنقطة \(A\)، ويقطع الضلع الآخر القطعة \(BC\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
لتكن \(K_B\) و\(K_C\) الكرتين المغلقتين اللتين قطراهما \(AB\) و\(AC\)، على الترتيب. المحل الهندسي هو \[ \boxed{\bigl(K_B\setminus\operatorname{int}K_C\bigr) \;\cup\; \bigl(K_C\setminus\operatorname{int}K_B\bigr).} \] إذن يجب أن تقع النقطة في إحدى الكرتين المغلقتين وخارج داخل الأخرى. وتُدرج جميع النقاط الواقعة على أيٍّ من السطحين الكرويين.
نعدّ ضلعي الزاوية هنا شعاعين يحتويان رأسيهما، ولذلك يجوز أن يكون المرور أو التقاطع عند الرأس. ويرد أدناه التعديل اللازم عندما يُشترط أن يكون كلٌّ من المرور والتقاطع بعيدًا عن الرأس.
الحل
لأي نقطتين \(P,D\)، نعرّف \[ F_D(P)=(P-A)\cdot(P-D). \] وبوضع \(O_D=(A+D)/2\)، نحصل على \[ F_D(P)=|P-O_D|^2-\frac{|A-D|^2}{4}. \] وبالتالي، فإن \(F_D(P)\leq0\) تعني أن \(P\) تنتمي إلى الكرة المغلقة التي قطرها \(AD\)، بينما تعني \(F_D(P)\geq0\) أن \(P\) تقع خارج داخلها. وتظل هاتان العبارتان صحيحتين عندما \(A=D\)، وفي هذه الحالة تكون الكرة المجموعة الأحادية \(\{A\}\).
سنثبت أن الشرط المطلوب هو بالضبط \[ \boxed{F_B(P)F_C(P)\leq0.} \tag{1} \]
افترض أولًا أن \(P\) رأس زاوية قائمة تحقق المطلوب، ولتكن \(X\in BC\) نقطة تنتمي إلى ضلعها الآخر. يقع المتجهان \(A-P\) و\(X-P\) على امتداد شعاعين متعامدين، أو يكون أحدهما صفريًا. ومن ثم \[ F_X(P)=(P-A)\cdot(P-X)=0. \] نكتب \[ X=(1-t)B+tC,\qquad 0\leq t\leq1. \] عندئذ \[ 0=F_X(P)=(1-t)F_B(P)+tF_C(P). \] أي تركيب محدّب لعددين موجبين تمامًا يكون موجبًا، وأي تركيب محدّب لعددين سالبين تمامًا يكون سالبًا. ولذلك لا يمكن أن تكون \(F_B(P)\) و\(F_C(P)\) موجبتين معًا أو سالبتين معًا، وهذا يثبت (1).
وعكسًا، افترض تحقق (1). توجد قيمة \(t\in[0,1]\) بحيث \[ (1-t)F_B(P)+tF_C(P)=0: \] نختار أحد طرفي المجال إذا كانت إحدى القيمتين صفرًا؛ وإلا فهما مختلفتا الإشارة، ونأخذ \[ t=\frac{F_B(P)}{F_B(P)-F_C(P)}\in(0,1). \] وعليه، من أجل \(X=(1-t)B+tC\)، لدينا \[ (P-A)\cdot(P-X)=0. \]
إذا كان \(P\ne A\) و\(P\ne X\)، فإن الشعاعين \(PA\) و\(PX\) يشكّلان الزاوية القائمة المطلوبة. وتعطي الحالات المتبقية أيضًا زوايا قائمة فعلية:
- إذا كان \(P=A\ne X\)، نستخدم الشعاع \(PX\) وأي شعاع ينطلق من \(P\) ويعامده.
- إذا كان \(P=X\ne A\)، نستخدم الشعاع \(PA\) وأي شعاع ينطلق من \(P\) ويعامده.
- إذا كان \(P=A=X\)، نستخدم أي شعاعين متعامدين ينطلقان من \(P\).
إذن (1) شرط لازم وكافٍ. وأخيرًا، يكافئ (1) الشرط \[ \bigl(F_B(P)\leq0,\ F_C(P)\geq0\bigr) \quad\text{أو}\quad \bigl(F_C(P)\leq0,\ F_B(P)\geq0\bigr), \] وهو ما يعطي المحل الهندسي المذكور بالضبط.
لم نستخدم أي افتراض بشأن المواضع النسبية للنقاط \(A,B,C\). وعلى وجه الخصوص، يشمل البرهان الأوضاع التي تكون فيها هذه النقاط على استقامة واحدة. إذا كان \(B=C\)، يصبح الشرط (1) هو \(F_B(P)=0\)، فيعطي السطح الكروي الذي قطره \(AB\)؛ وإذا كان \(A=B=C\)، فإنه يعطي \(\{A\}\) فقط.
واستكمالًا للحل، إذا اعتُمد الاصطلاح الذي يشترط أن يحدث كلٌّ من المرور والتقاطع بعيدًا عن الرأس، نحذف \(A\) وجميع نقاط \(BC\) من المحل الهندسي المعروض، مع استثناء محتمل واحد. عندما \(B\ne C\)، لتكن \(H\) المسقط العمودي للنقطة \(A\) على المستقيم \(BC\)؛ نُبقي \(H\) إذا كان \(H\in BC\) و\(H\ne A\). بالفعل، لنقطتين مختلفتين \(P,X\in BC\)، يتحقق الشرط \(PA\perp PX\) إذا وفقط إذا كان \(P=H\). وعكسًا، تحقق نقطة \(H\) كهذه المطلوب باختيار أي \(X\in BC\setminus\{H\}\). أما خارج \(\{A\}\cup BC\)، فإن الإنشاء السابق يجعل كلًّا من المرور والتقاطع بعيدًا عن الرأس بالفعل.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).