IMO 1964 · Problem 5
Suppose five points in a plane are situated so that no two of the straight lines joining them are parallel, perpendicular, or coincident. From each point perpendiculars are drawn to all the lines joining the other four points. Determine the maximum number of intersections that these perpendiculars can have.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{315} \]
Solution
Write the five points as \(P_1,\ldots,P_5\). For distinct indices \(i,j,k\), let \(\ell_{i;jk}\) be the line through \(P_i\) perpendicular to \(P_jP_k\).
Each point gives \(\binom42=6\) perpendiculars, so there are \(30\) constructed lines. No constructed line contains an original point other than its defining point: otherwise a line joining two original points would be perpendicular to another such joining line, contrary to the hypothesis.
For each of the ten joining lines \(P_jP_k\), the perpendiculars from the other three points are parallel and distinct. Perpendiculars associated with different joining lines are not parallel. Thus all \(30\) constructed lines are distinct, and the number of their intersecting pairs is \[ \binom{30}{2}-10\binom32=435-30=405. \]
At each original point, six constructed lines meet. Counting that intersection once instead of \(\binom62=15\) times reduces the count by \(14\).
Furthermore, every triangle formed by three original points has its three altitudes among the constructed lines. Hence its orthocenter is an intersection of at least three constructed lines, requiring a further reduction of at least \(2\).
These ten orthocenters are distinct from the original points and from one another. The first assertion follows from the observation that no constructed line contains another original point. For the second, any two of the ten triangles share a vertex. Their altitudes from that vertex are distinct, since their opposite sides are not parallel. Consequently they cannot also meet at a common orthocenter different from that vertex.
An intersection of \(r\) lines contributes \(\binom r2\) intersecting pairs but only one intersection point. Therefore the number of distinct intersections is at most \[ 405-5(15-1)-10(3-1)=315. \]
We must prove that this bound can be attained, with no additional concurrences.
Choose the original points on a parabola: \[ P_i=(t_i,t_i^2),\qquad t_i>0. \] We will choose the parameters so that they are distinct and the ten sums \(t_j+t_k\), with \(j<k\), are pairwise distinct. The joining lines then have positive, distinct slopes, so none are parallel, perpendicular, or coincident.
A perpendicular through the point with parameter \(a\), whose base joins points with parameter sum \(u\), has equation \[ x+uy=a+ua^2. \] Consider three constructed lines with distinct defining-point parameters \(a,b,c\) and distinct bases, whose parameter sums are \(u,v,w\), respectively. Their concurrence is equivalent to \[ F=(v-w)(a+ua^2)+(w-u)(b+vb^2)+(u-v)(c+wc^2)=0. \] We claim that, unless these are the three altitudes of the triangle with parameters \(a,b,c\), \(F\) is a nonzero polynomial in the five parameters.
Its homogeneous part of degree two is \[ Q=a(v-w)+b(w-u)+c(u-v) =u(c-b)+v(a-c)+w(b-a). \] Suppose that \(Q\) were identically zero. For either parameter \(d\) outside \(\{a,b,c\}\), let \(\varepsilon_u,\varepsilon_v,\varepsilon_w\) indicate whether \(d\) occurs in the corresponding base sum. The coefficient of \(d\) in \(Q\) is \[ \varepsilon_u(c-b)+\varepsilon_v(a-c)+\varepsilon_w(b-a). \] This vanishes identically only when \[ \varepsilon_u=\varepsilon_v=\varepsilon_w. \] Thus each outside parameter must occur in all three base sums or in none.
There are now three possibilities:
- If both outside parameters occur, all three bases are identical, contrary to our assumption.
- If exactly one outside parameter \(d\) occurs, each base consists of \(d\) and one of \(a,b,c\). Since the bases are distinct and no base contains its own defining point, the sums must be \[ (u,v,w)=(d+b,d+c,d+a) \quad\text{or}\quad (d+c,d+a,d+b). \] Substitution gives \[ Q=\pm\bigl(a^2+b^2+c^2-ab-bc-ca\bigr), \] which is not the zero polynomial.
- If neither outside parameter occurs, necessarily \[ u=b+c,\qquad v=a+c,\qquad w=a+b, \] so the three lines are precisely the triangle’s altitudes.
This proves the claim: for every other triple under consideration, \(Q\), and hence \(F\), is a nonzero polynomial.
We can now choose positive parameters avoiding all unwanted concurrences simultaneously. Indeed, the required inequalities consist of finitely many nonzero polynomial conditions: distinct parameters, distinct base sums, and \(F\ne0\) for each unwanted triple. Their product is a nonzero polynomial. A nonzero real polynomial cannot vanish throughout an open box, as follows by applying the corresponding one-variable fact successively to its variables. Thus there are positive parameters satisfying every required inequality.
For this choice, a concurrence involving two lines from the same original point occurs at that point and cannot involve a line from another original point. Every other concurrence of three lines has distinct defining points and distinct bases, so our construction permits it only for the three altitudes of a triangle. In particular, no orthocenter lies on a fourth constructed line.
Consequently the only intersections involving more than two lines are the five original points, with six lines each, and the ten orthocenters, with three lines each. The remaining intersecting pairs give \[ 405-5\binom62-10\binom32=300 \] distinct intersections of exactly two lines. The total is therefore \[ 5+10+300=\boxed{315}. \]
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1964 · Aufgabe 5
Fünf Punkte in einer Ebene seien so gelegen, dass keine zwei ihrer Verbindungsgeraden parallel, senkrecht zueinander oder identisch sind. Von jedem Punkt werden die Lote auf alle Verbindungsgeraden der anderen vier Punkte gefällt. Bestimme die größtmögliche Anzahl von Schnittpunkten dieser Lotgeraden.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{315} \]
Lösung
Bezeichne die fünf Punkte mit \(P_1,\ldots,P_5\). Für verschiedene Indizes \(i,j,k\) sei \(\ell_{i;jk}\) die Gerade durch \(P_i\), die senkrecht auf \(P_jP_k\) steht.
Jeder Punkt liefert \(\binom42=6\) Lotgeraden, sodass es \(30\) konstruierte Geraden gibt. Keine konstruierte Gerade enthält außer ihrem Ausgangspunkt einen weiteren der ursprünglichen Punkte: Andernfalls stünde eine Verbindungsgerade zweier ursprünglicher Punkte senkrecht auf einer anderen solchen Verbindungsgeraden, im Widerspruch zur Voraussetzung.
Für jede der zehn Verbindungsgeraden \(P_jP_k\) sind die Lotgeraden von den anderen drei Punkten parallel und verschieden. Lotgeraden zu verschiedenen Verbindungsgeraden sind nicht parallel. Somit sind alle \(30\) konstruierten Geraden verschieden, und die Anzahl der sich schneidenden Geradenpaare ist \[ \binom{30}{2}-10\binom32=435-30=405. \]
In jedem ursprünglichen Punkt treffen sechs konstruierte Geraden zusammen. Zählt man diesen Schnittpunkt einmal statt \(\binom62=15\)-mal, so verringert sich die Anzahl um \(14\).
Außerdem gehören die drei Höhengeraden jedes Dreiecks aus drei ursprünglichen Punkten zu den konstruierten Geraden. Sein Höhenschnittpunkt ist daher ein Schnittpunkt von mindestens drei konstruierten Geraden, was eine weitere Verringerung um mindestens \(2\) erfordert.
Diese zehn Höhenschnittpunkte sind von den ursprünglichen Punkten und voneinander verschieden. Die erste Behauptung folgt aus der Beobachtung, dass keine konstruierte Gerade einen weiteren ursprünglichen Punkt enthält. Für die zweite bemerken wir, dass je zwei der zehn Dreiecke einen Eckpunkt gemeinsam haben. Ihre Höhengeraden durch diesen Eckpunkt sind verschieden, da die gegenüberliegenden Seiten nicht parallel sind. Folglich können sie sich nicht auch noch in einem gemeinsamen Höhenschnittpunkt treffen, der von diesem Eckpunkt verschieden ist.
Ein Schnittpunkt von \(r\) Geraden trägt \(\binom r2\) sich schneidende Geradenpaare, aber nur einen Schnittpunkt bei. Daher beträgt die Anzahl der verschiedenen Schnittpunkte höchstens \[ 405-5(15-1)-10(3-1)=315. \]
Wir müssen beweisen, dass diese Schranke erreicht werden kann, ohne dass weitere Geraden in einem Punkt zusammentreffen.
Wähle die ursprünglichen Punkte auf einer Parabel: \[ P_i=(t_i,t_i^2),\qquad t_i>0. \] Wir werden die Parameter so wählen, dass sie verschieden sind und die zehn Summen \(t_j+t_k\) mit \(j<k\) paarweise verschieden sind. Die Verbindungsgeraden haben dann positive, verschiedene Steigungen, sodass keine zwei parallel, senkrecht zueinander oder identisch sind.
Eine Lotgerade durch den Punkt mit Parameter \(a\), deren zugehörige Verbindungsgerade Punkte mit der Parametersumme \(u\) verbindet, hat die Gleichung \[ x+uy=a+ua^2. \] Betrachte drei konstruierte Geraden mit verschiedenen Ausgangspunktparametern \(a,b,c\) und verschiedenen zugehörigen Verbindungsgeraden, deren Parametersummen \(u,v,w\) sind. Dass sie durch einen gemeinsamen Punkt gehen, ist äquivalent zu \[ F=(v-w)(a+ua^2)+(w-u)(b+vb^2)+(u-v)(c+wc^2)=0. \] Wir behaupten, dass \(F\) ein von null verschiedenes Polynom in den fünf Parametern ist, es sei denn, diese Geraden sind die drei Höhengeraden des Dreiecks mit den Parametern \(a,b,c\).
Sein homogener Anteil vom Grad zwei ist \[ Q=a(v-w)+b(w-u)+c(u-v) =u(c-b)+v(a-c)+w(b-a). \] Angenommen, \(Q\) wäre identisch null. Für jeden der beiden Parameter \(d\) außerhalb von \(\{a,b,c\}\) geben \(\varepsilon_u,\varepsilon_v,\varepsilon_w\) an, ob \(d\) in der jeweiligen Parametersumme der zugehörigen Verbindungsgerade vorkommt. Der Koeffizient von \(d\) in \(Q\) ist \[ \varepsilon_u(c-b)+\varepsilon_v(a-c)+\varepsilon_w(b-a). \] Dieser verschwindet nur dann identisch, wenn \[ \varepsilon_u=\varepsilon_v=\varepsilon_w. \] Somit muss jeder Parameter außerhalb dieser Menge in allen drei Parametersummen der zugehörigen Verbindungsgeraden oder in keiner vorkommen.
Es gibt nun drei Möglichkeiten:
- Kommen beide Parameter außerhalb dieser Menge vor, so sind alle drei zugehörigen Verbindungsgeraden identisch, im Widerspruch zu unserer Annahme.
- Kommt genau ein Parameter \(d\) außerhalb dieser Menge vor, so verbindet jede zugehörige Verbindungsgerade den Punkt mit Parameter \(d\) mit einem der Punkte mit Parametern \(a,b,c\). Da die Verbindungsgeraden verschieden sind und keine ihren eigenen Ausgangspunkt enthält, müssen die Summen die folgende Form haben: \[ (u,v,w)=(d+b,d+c,d+a) \quad\text{oder}\quad (d+c,d+a,d+b). \] Einsetzen ergibt \[ Q=\pm\bigl(a^2+b^2+c^2-ab-bc-ca\bigr), \] was nicht das Nullpolynom ist.
- Kommt keiner der Parameter außerhalb dieser Menge vor, so gilt notwendigerweise \[ u=b+c,\qquad v=a+c,\qquad w=a+b, \] sodass die drei Geraden genau die Höhengeraden des Dreiecks sind.
Damit ist die Behauptung bewiesen: Für jedes andere betrachtete Tripel ist \(Q\) und damit auch \(F\) ein von null verschiedenes Polynom.
Wir können nun positive Parameter wählen, die alle unerwünschten gemeinsamen Schnittpunkte zugleich vermeiden. Tatsächlich bestehen die erforderlichen Ungleichheitsbedingungen aus endlich vielen Bedingungen, die das Nichtverschwinden von Polynomen fordern: verschiedene Parameter, verschiedene Parametersummen der zugehörigen Verbindungsgeraden und \(F\ne0\) für jedes unerwünschte Tripel. Ihr Produkt ist ein von null verschiedenes Polynom. Ein von null verschiedenes reelles Polynom kann nicht auf einem ganzen offenen Quader verschwinden, wie man durch sukzessive Anwendung der entsprechenden Tatsache für eine Variable auf seine Variablen erkennt. Somit gibt es positive Parameter, die jede erforderliche Ungleichheitsbedingung erfüllen.
Bei dieser Wahl liegt ein gemeinsamer Schnittpunkt, an dem zwei Geraden durch denselben ursprünglichen Punkt beteiligt sind, in diesem Punkt und kann auf keiner Geraden durch einen anderen ursprünglichen Punkt liegen. Jeder andere gemeinsame Schnittpunkt dreier Geraden gehört zu Geraden mit verschiedenen Ausgangspunkten und verschiedenen zugehörigen Verbindungsgeraden, sodass unsere Konstruktion ihn nur für die drei Höhengeraden eines Dreiecks zulässt. Insbesondere liegt kein Höhenschnittpunkt auf einer vierten konstruierten Geraden.
Folglich sind die einzigen Schnittpunkte, an denen mehr als zwei Geraden beteiligt sind, die fünf ursprünglichen Punkte mit jeweils sechs Geraden und die zehn Höhenschnittpunkte mit jeweils drei Geraden. Die übrigen sich schneidenden Geradenpaare liefern \[ 405-5\binom62-10\binom32=300 \] verschiedene Schnittpunkte von genau zwei Geraden. Die Gesamtzahl ist daher \[ 5+10+300=\boxed{315}. \]
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1964 · Soru 5
Düzlemde beş nokta, bunları birleştiren doğrulardan hiçbir ikisi paralel, dik veya çakışık olmayacak şekilde yerleştirilmiştir. Her noktadan, diğer dört noktayı birleştiren doğruların tümüne dik doğrular çiziliyor. Bu dik doğruların oluşturabileceği kesişim noktalarının sayısının en büyük değerini belirleyiniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{315} \]
Çözüm
Beş noktayı \(P_1,\ldots,P_5\) ile gösterelim. Birbirinden farklı \(i,j,k\) indisleri için \(\ell_{i;jk}\), \(P_i\)'den geçen ve \(P_jP_k\)'ye dik olan doğru olsun.
Her noktadan \(\binom42=6\) dik doğru çizildiği için toplam \(30\) doğru elde edilir. Çizilen hiçbir doğru, kendisini tanımlayan nokta dışında başlangıçtaki noktalardan birini içermez: aksi hâlde başlangıçtaki iki noktayı birleştiren bir doğru, bu tür başka bir birleştirme doğrusuna dik olur ve bu da varsayımla çelişirdi.
On birleştirme doğrusu \(P_jP_k\)'nin her biri için diğer üç noktadan çizilen dik doğrular paralel ve birbirinden farklıdır. Farklı birleştirme doğrularına karşılık gelen dik doğrular paralel değildir. Dolayısıyla çizilen \(30\) doğrunun tümü birbirinden farklıdır ve kesişen doğru çiftlerinin sayısı \[ \binom{30}{2}-10\binom32=435-30=405. \]
Başlangıçtaki her noktada çizilen altı doğru kesişir. Bu kesişimi \(\binom62=15\) kez saymak yerine bir kez saymak, sayıyı \(14\) azaltır.
Ayrıca, başlangıçtaki üç noktanın oluşturduğu her üçgenin üç yükseklik doğrusu da çizilen doğrular arasındadır. Dolayısıyla bu üçgenin diklik merkezi, çizilen doğrulardan en az üçünün kesişimidir ve bu da sayının en az \(2\) daha azaltılmasını gerektirir.
Bu on diklik merkezi, başlangıçtaki noktalardan ve birbirlerinden farklıdır. İlk iddia, çizilen hiçbir doğrunun başlangıçtaki başka bir noktayı içermediği gözleminden çıkar. İkinci iddia için, bu on üçgenden herhangi ikisinin ortak bir köşesi vardır. Bu köşeden geçen yükseklik doğruları, karşılarındaki kenarlar paralel olmadığından birbirinden farklıdır. Bu nedenle bu doğrular, o köşeden farklı ortak bir diklik merkezinde de kesişemez.
\(r\) doğrunun kesiştiği bir nokta, \(\binom r2\) kesişen doğru çifti verir, ancak yalnızca bir kesişim noktası oluşturur. Bu nedenle farklı kesişim noktalarının sayısı en fazla \[ 405-5(15-1)-10(3-1)=315. \]
Başka ortak noktalı doğru grupları oluşmadan bu sınıra ulaşılabileceğini kanıtlamalıyız.
Başlangıçtaki noktaları bir parabol üzerinde seçelim: \[ P_i=(t_i,t_i^2),\qquad t_i>0. \] Parametreleri, birbirinden farklı olacakları ve \(j<k\) olmak üzere on \(t_j+t_k\) toplamı da ikişer ikişer farklı olacak şekilde seçeceğiz. Bu durumda birleştirme doğrularının eğimleri pozitif ve birbirinden farklı olur; dolayısıyla bunlardan hiçbir ikisi paralel, dik veya çakışık olmaz.
Parametresi \(a\) olan noktadan geçen ve parametreleri toplamı \(u\) olan iki noktayı birleştiren taban doğrusuna dik olan doğrunun denklemi \[ x+uy=a+ua^2. \] Kendilerini tanımlayan noktaların parametreleri birbirinden farklı \(a,b,c\) olan ve farklı taban doğrularının parametre toplamları sırasıyla \(u,v,w\) olan üç dik doğruyu ele alalım. Bu doğruların bir noktada kesişmesi \[ F=(v-w)(a+ua^2)+(w-u)(b+vb^2)+(u-v)(c+wc^2)=0 \] eşitliğine denktir. Bu doğrular, parametreleri \(a,b,c\) olan üçgenin üç yükseklik doğrusu olmadıkça, \(F\)'nin beş parametreye bağlı sıfırdan farklı bir polinom olduğunu iddia ediyoruz.
Bu polinomun ikinci dereceden homojen kısmı \[ Q=a(v-w)+b(w-u)+c(u-v) =u(c-b)+v(a-c)+w(b-a). \] \(Q\)'nun özdeş olarak sıfır olduğunu varsayalım. \(\{a,b,c\}\) dışındaki iki parametreden herhangi biri olan \(d\) için \(\varepsilon_u,\varepsilon_v,\varepsilon_w\), \(d\)'nin ilgili taban toplamında yer alıp almadığını göstersin. \(Q\)'da \(d\)'nin katsayısı \[ \varepsilon_u(c-b)+\varepsilon_v(a-c)+\varepsilon_w(b-a). \] Bu ifade ancak \[ \varepsilon_u=\varepsilon_v=\varepsilon_w \] olduğunda özdeş olarak sıfırdır. Dolayısıyla dışarıdaki her parametre ya üç taban toplamının tümünde yer almalı ya da hiçbirinde yer almamalıdır.
Şimdi üç olasılık vardır:
- Dışarıdaki iki parametre de yer alıyorsa, üç taban doğrusu da aynıdır; bu ise varsayımımıza aykırıdır.
- Dışarıdaki parametrelerden yalnızca biri, \(d\), yer alıyorsa, her taban \(d\) ile \(a,b,c\)'den birinden oluşur. Tabanlar birbirinden farklı olduğundan ve hiçbir taban kendi doğrusunu tanımlayan noktayı içermediğinden, toplamlar \[ (u,v,w)=(d+b,d+c,d+a) \quad\text{veya}\quad (d+c,d+a,d+b) \] olmalıdır. Yerine koyarak \[ Q=\pm\bigl(a^2+b^2+c^2-ab-bc-ca\bigr), \] elde edilir; bu da sıfır polinomu değildir.
- Dışarıdaki parametrelerin hiçbiri yer almıyorsa, zorunlu olarak \[ u=b+c,\qquad v=a+c,\qquad w=a+b, \] olur; dolayısıyla üç doğru tam olarak üçgenin yükseklik doğrularıdır.
Böylece iddia kanıtlanmıştır: ele alınan diğer her üçlü için \(Q\) ve dolayısıyla \(F\), sıfırdan farklı bir polinomdur.
Artık istenmeyen tüm ortak kesişimleri aynı anda önleyecek pozitif parametreler seçebiliriz. Gerçekten de gerekli eşitsizlikler, sonlu sayıda sıfırdan farklı polinomun sıfır olmaması koşullarından oluşur: parametrelerin farklı olması, taban toplamlarının farklı olması ve istenmeyen her üçlü için \(F\ne0\) olması. Bu polinomların çarpımı sıfırdan farklı bir polinomdur. Tek değişkenli polinomlar için geçerli olan karşılık gelen sonuç değişkenlere sırayla uygulanırsa, sıfırdan farklı bir gerçel polinomun bir açık kutunun tamamında sıfır olamayacağı görülür. Dolayısıyla gerekli eşitsizliklerin tümünü sağlayan pozitif parametreler vardır.
Bu seçimde, başlangıçtaki aynı noktadan geçen iki doğrunun yer aldığı bir ortak kesişim o noktada gerçekleşir ve başlangıçtaki başka bir noktadan geçen bir doğruyu içeremez. Üç doğrunun diğer her ortak kesişiminde, doğruları tanımlayan noktalar ve taban doğruları birbirinden farklıdır; dolayısıyla kurduğumuz yapı buna yalnızca bir üçgenin üç yükseklik doğrusu için izin verir. Özellikle, hiçbir diklik merkezi çizilen dördüncü bir doğru üzerinde bulunmaz.
Sonuç olarak, ikiden fazla doğrunun kesiştiği noktalar yalnızca, her birinde altı doğrunun kesiştiği başlangıçtaki beş nokta ile her birinde üç doğrunun kesiştiği on diklik merkezidir. Geriye kalan kesişen doğru çiftleri, tam olarak iki doğrunun kesiştiği \[ 405-5\binom62-10\binom32=300 \] farklı kesişim noktası verir. Dolayısıyla toplam \[ 5+10+300=\boxed{315}. \]
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1964 · Problema 5
Supongamos que cinco puntos del plano están situados de modo que no hay dos rectas que los unan que sean paralelas, perpendiculares o coincidentes. Desde cada punto se trazan perpendiculares a todas las rectas que unen los otros cuatro puntos. Determinar el número máximo de intersecciones que pueden tener estas perpendiculares.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{315} \]
Solución
Denotemos los cinco puntos por \(P_1,\ldots,P_5\). Para índices distintos \(i,j,k\), sea \(\ell_{i;jk}\) la recta que pasa por \(P_i\) y es perpendicular a \(P_jP_k\).
Cada punto da lugar a \(\binom42=6\) perpendiculares, de modo que hay \(30\) rectas construidas. Ninguna recta construida contiene un punto original distinto del que la define: de lo contrario, una recta que une dos puntos originales sería perpendicular a otra recta de ese tipo, en contra de la hipótesis.
Para cada una de las diez rectas \(P_jP_k\) que unen los puntos, las perpendiculares trazadas desde los otros tres puntos son paralelas y distintas. Las perpendiculares asociadas a distintas rectas que unen los puntos no son paralelas. Por tanto, las \(30\) rectas construidas son todas distintas, y el número de pares de ellas que se cortan es \[ \binom{30}{2}-10\binom32=435-30=405. \]
En cada punto original concurren seis rectas construidas. Contar esa intersección una vez en lugar de \(\binom62=15\) veces reduce el recuento en \(14\).
Además, todo triángulo formado por tres puntos originales tiene sus tres alturas entre las rectas construidas. Por ello, su ortocentro es una intersección de al menos tres rectas construidas, lo que exige una reducción adicional de al menos \(2\).
Estos diez ortocentros son distintos de los puntos originales y distintos entre sí. La primera afirmación se deduce de la observación de que ninguna recta construida contiene otro punto original. Para la segunda, dos cualesquiera de los diez triángulos comparten un vértice. Sus alturas desde ese vértice son distintas, ya que sus lados opuestos no son paralelos. En consecuencia, no pueden cortarse también en un ortocentro común distinto de ese vértice.
Una intersección de \(r\) rectas aporta \(\binom r2\) pares de rectas que se cortan, pero solo un punto de intersección. Por lo tanto, el número de intersecciones distintas es a lo sumo \[ 405-5(15-1)-10(3-1)=315. \]
Debemos demostrar que esta cota se puede alcanzar, sin concurrencias adicionales.
Elijamos los puntos originales sobre una parábola: \[ P_i=(t_i,t_i^2),\qquad t_i>0. \] Elegiremos los parámetros de modo que sean distintos y que las diez sumas \(t_j+t_k\), con \(j<k\), sean distintas dos a dos. Las rectas que unen los puntos tendrán entonces pendientes positivas y distintas, de modo que no habrá dos que sean paralelas, perpendiculares o coincidentes.
Una perpendicular que pasa por el punto de parámetro \(a\), cuya base une puntos con suma de parámetros \(u\), tiene ecuación \[ x+uy=a+ua^2. \] Consideremos tres rectas construidas con parámetros distintos \(a,b,c\) de los puntos que las definen y con bases distintas, cuyas sumas de parámetros son \(u,v,w\), respectivamente. Su concurrencia equivale a \[ F=(v-w)(a+ua^2)+(w-u)(b+vb^2)+(u-v)(c+wc^2)=0. \] Afirmamos que, salvo que estas sean las tres alturas del triángulo de parámetros \(a,b,c\), \(F\) es un polinomio no nulo en los cinco parámetros.
Su parte homogénea de grado dos es \[ Q=a(v-w)+b(w-u)+c(u-v) =u(c-b)+v(a-c)+w(b-a). \] Supongamos que \(Q\) fuera idénticamente nulo. Para cualquiera de los dos parámetros \(d\) que no pertenecen a \(\{a,b,c\}\), sean \(\varepsilon_u,\varepsilon_v,\varepsilon_w\) los indicadores de si \(d\) aparece en la suma de parámetros de la base correspondiente. El coeficiente de \(d\) en \(Q\) es \[ \varepsilon_u(c-b)+\varepsilon_v(a-c)+\varepsilon_w(b-a). \] Este se anula idénticamente solo cuando \[ \varepsilon_u=\varepsilon_v=\varepsilon_w. \] Por tanto, cada parámetro exterior debe aparecer en las tres sumas de parámetros de las bases o en ninguna.
Hay ahora tres posibilidades:
- Si aparecen ambos parámetros exteriores, las tres bases son idénticas, en contra de nuestra suposición.
- Si aparece exactamente un parámetro exterior \(d\), cada base consta de \(d\) y uno de \(a,b,c\). Como las bases son distintas y ninguna base contiene el punto que define su propia perpendicular, las sumas deben ser \[ (u,v,w)=(d+b,d+c,d+a) \quad\text{o}\quad (d+c,d+a,d+b). \] Sustituyendo, obtenemos \[ Q=\pm\bigl(a^2+b^2+c^2-ab-bc-ca\bigr), \] que no es el polinomio nulo.
- Si no aparece ninguno de los parámetros exteriores, necesariamente \[ u=b+c,\qquad v=a+c,\qquad w=a+b, \] por lo que las tres rectas son precisamente las alturas del triángulo.
Esto demuestra la afirmación: para cualquier otra terna considerada, \(Q\), y por tanto \(F\), es un polinomio no nulo.
Ahora podemos elegir parámetros positivos que eviten simultáneamente todas las concurrencias no deseadas. En efecto, las desigualdades requeridas consisten en un número finito de condiciones de no anulación de polinomios no nulos: parámetros distintos, sumas de parámetros de las bases distintas y \(F\ne0\) para cada terna no deseada. Su producto es un polinomio no nulo. Un polinomio real no nulo no puede anularse en todo un producto de intervalos abiertos, como se deduce al aplicar sucesivamente a sus variables el hecho correspondiente para una sola variable. Por tanto, existen parámetros positivos que satisfacen todas las desigualdades requeridas.
Para esta elección, una concurrencia que incluya dos rectas trazadas desde el mismo punto original ocurre en ese punto y no puede incluir una recta trazada desde otro punto original. Cualquier otra concurrencia de tres rectas tiene puntos definitorios distintos y bases distintas, por lo que nuestra construcción solo la permite para las tres alturas de un triángulo. En particular, ningún ortocentro pertenece a una cuarta recta construida.
En consecuencia, las únicas intersecciones en las que intervienen más de dos rectas son los cinco puntos originales, con seis rectas cada uno, y los diez ortocentros, con tres rectas cada uno. Los pares restantes de rectas que se cortan dan lugar a \[ 405-5\binom62-10\binom32=300 \] intersecciones distintas de exactamente dos rectas. Por lo tanto, el total es \[ 5+10+300=\boxed{315}. \]
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1964 · 问题 5
平面上有五个点,连接这些点所得到的直线中,任意两条都不平行、不垂直且不重合。从每个点向连接其余四个点的所有直线作垂线。求这些垂线最多能有多少个交点。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{315} \]
解答
将这五个点记为 \(P_1,\ldots,P_5\)。对于互不相同的下标 \(i,j,k\),记 \(\ell_{i;jk}\) 为过 \(P_i\) 且垂直于 \(P_jP_k\) 的直线。
每个点可作出 \(\binom42=6\) 条垂线,因此共作出 \(30\) 条直线。任何一条所作直线都不经过作为其作线起点以外的原有点:否则,连接两个原有点的直线就会垂直于另一条这样的连线,与假设矛盾。
对于十条连线 \(P_jP_k\) 中的每一条,从其余三个点作出的垂线彼此平行且互不重合。对应于不同连线的垂线不平行。因此,所作的 \(30\) 条直线互不相同,其中相交的直线对数为 \[ \binom{30}{2}-10\binom32=435-30=405. \]
在每个原有点处,有六条所作直线相交。将该交点只计一次,而不是计 \(\binom62=15\) 次,会使计数减少 \(14\)。
此外,任意三个原有点组成的三角形的三条高线都属于所作直线。因此,其垂心是至少三条所作直线的交点,需要进一步将计数减少至少 \(2\)。
这十个垂心既不与原有点重合,彼此也互不相同。第一个结论来自前面的观察:任何所作直线都不经过另一个原有点。对于第二个结论,这十个三角形中的任意两个都有一个公共顶点。它们从该顶点引出的高线互不相同,因为对应的对边不平行。因此,这两条高线不可能还相交于一个不同于该顶点的公共垂心。
一个有 \(r\) 条直线通过的交点对应 \(\binom r2\) 对相交直线,却只算一个交点。因此,不同交点的个数至多为 \[ 405-5(15-1)-10(3-1)=315. \]
我们必须证明这个上界可以达到,且没有额外的共点情形。
在一条抛物线上选取原有点: \[ P_i=(t_i,t_i^2),\qquad t_i>0. \] 我们将选取参数,使它们互不相同,并使 \(j<k\) 时的十个和 \(t_j+t_k\) 两两不同。这样,各条连线的斜率均为正数且互不相同,所以任意两条都不平行、不垂直且不重合。
过参数为 \(a\) 的点,向所连两点的参数和为 \(u\) 的基线所作的垂线,其方程为 \[ x+uy=a+ua^2. \] 考虑三条所作直线,其作线起点的参数 \(a,b,c\) 互不相同,对应的基线也互不相同,基线两端点的参数和分别为 \(u,v,w\)。这三条直线共点等价于 \[ F=(v-w)(a+ua^2)+(w-u)(b+vb^2)+(u-v)(c+wc^2)=0. \] 我们断言,除非这三条直线是参数为 \(a,b,c\) 的三个点组成的三角形的三条高线,否则 \(F\) 是这五个参数的非零多项式。
它的二次齐次部分为 \[ Q=a(v-w)+b(w-u)+c(u-v) =u(c-b)+v(a-c)+w(b-a). \] 假设 \(Q\) 恒等于零。对于 \(\{a,b,c\}\) 之外的任一参数 \(d\),用 \(\varepsilon_u,\varepsilon_v,\varepsilon_w\) 分别表示 \(d\) 是否出现在相应的基线参数和中。\(Q\) 中 \(d\) 的系数为 \[ \varepsilon_u(c-b)+\varepsilon_v(a-c)+\varepsilon_w(b-a). \] 这个式子恒等于零,只有在 \[ \varepsilon_u=\varepsilon_v=\varepsilon_w. \] 时才成立。因此,每个外部参数要么在三个基线参数和中都出现,要么在其中都不出现。
现在有三种可能:
- 如果两个外部参数都出现,则三条基线完全相同,与我们的假设矛盾。
- 如果恰有一个外部参数 \(d\) 出现,则每条基线的两端点参数分别为 \(d\) 和 \(a,b,c\) 中的一个。由于各基线互不相同,且每条基线都不包含其对应的作线起点,这些和必为 \[ (u,v,w)=(d+b,d+c,d+a) \quad\text{或}\quad (d+c,d+a,d+b). \] 代入可得 \[ Q=\pm\bigl(a^2+b^2+c^2-ab-bc-ca\bigr), \] 这不是零多项式。
- 如果两个外部参数都不出现,则必有 \[ u=b+c,\qquad v=a+c,\qquad w=a+b, \] 所以这三条直线恰为该三角形的三条高线。
这就证明了上述断言:对于所考虑的其他每组三条直线,\(Q\) 都是非零多项式,从而 \(F\) 也是非零多项式。
现在,我们可以选取正参数,同时避开所有不希望出现的共点情形。事实上,所需的不等条件由有限个非零多项式条件组成:参数互不相同、基线参数和互不相同,以及对于每组不希望共点的三条直线都有 \(F\ne0\)。这些多项式的乘积是非零多项式。非零实多项式不可能在一个开长方体区域上处处为零,这可以通过依次对各个变量应用相应的一元多项式事实得到。因此,存在满足所有所需不等条件的正参数。
对于这样选取的参数,若一个共点情形涉及从同一个原有点作出的两条直线,则交点就是该原有点,且不可能有从其他原有点作出的直线通过此点。其他任何三线共点情形,其作线起点和基线都分别互不相同,所以我们的构造只允许它们是一个三角形的三条高线。特别地,没有任何垂心位于第四条所作直线上。
因此,涉及两条以上直线的交点只有五个原有点和十个垂心,前者每个有六条直线通过,后者每个有三条直线通过。剩余的相交直线对给出 \[ 405-5\binom62-10\binom32=300 \] 个恰有两条直线通过的不同交点。因此,交点总数为 \[ 5+10+300=\boxed{315}. \]
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1964 · Задача 5
Пять точек на плоскости расположены так, что никакие две из соединяющих их прямых не параллельны, не перпендикулярны и не совпадают. Из каждой точки проведены перпендикуляры ко всем прямым, соединяющим остальные четыре точки. Определите наибольшее число точек пересечения этих перпендикуляров.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{315} \]
Решение
Обозначим пять точек через \(P_1,\ldots,P_5\). Для различных индексов \(i,j,k\) обозначим через \(\ell_{i;jk}\) прямую, проходящую через \(P_i\) перпендикулярно \(P_jP_k\).
Из каждой точки проводится \(\binom42=6\) перпендикуляров, так что всего построено \(30\) прямых. Ни одна построенная прямая не содержит исходной точки, кроме той, через которую она проведена: иначе прямая, соединяющая две исходные точки, была бы перпендикулярна другой такой прямой, вопреки условию.
Для каждой из десяти соединяющих прямых \(P_jP_k\) перпендикуляры из остальных трёх точек параллельны и различны. Перпендикуляры, соответствующие различным соединяющим прямым, не параллельны. Следовательно, все \(30\) построенных прямых различны, а число пар пересекающихся прямых равно \[ \binom{30}{2}-10\binom32=435-30=405. \]
В каждой исходной точке пересекаются шесть построенных прямых. Если считать эту точку пересечения один раз вместо \(\binom62=15\) раз, то полученное число уменьшается на \(14\).
Кроме того, для каждого треугольника с вершинами в трёх исходных точках прямые, содержащие его три высоты, входят в число построенных прямых. Поэтому его ортоцентр является точкой пересечения по крайней мере трёх построенных прямых, что требует дальнейшего уменьшения числа по крайней мере на \(2\).
Эти десять ортоцентров отличны от исходных точек и друг от друга. Первое утверждение следует из того, что ни одна построенная прямая не содержит другой исходной точки. Для доказательства второго заметим, что любые два из десяти треугольников имеют общую вершину. Прямые, содержащие их высоты из этой вершины, различны, поскольку противолежащие стороны не параллельны. Следовательно, эти прямые не могут пересекаться ещё и в общем ортоцентре, отличном от этой вершины.
Точка пересечения \(r\) прямых даёт \(\binom r2\) пар пересекающихся прямых, но лишь одну точку пересечения. Поэтому число различных точек пересечения не превосходит \[ 405-5(15-1)-10(3-1)=315. \]
Нужно доказать, что эта оценка достижима и дополнительных случаев пересечения трёх или более прямых в одной точке не возникает.
Выберем исходные точки на параболе: \[ P_i=(t_i,t_i^2),\qquad t_i>0. \] Мы выберем параметры так, чтобы они были различны и десять сумм \(t_j+t_k\), где \(j<k\), были попарно различны. Тогда соединяющие прямые имеют положительные и различные угловые коэффициенты, поэтому никакие две из них не параллельны, не перпендикулярны и не совпадают.
Перпендикуляр, проведённый через точку с параметром \(a\) к прямой, соединяющей точки с суммой параметров \(u\), имеет уравнение \[ x+uy=a+ua^2. \] Рассмотрим три построенные прямые, проведённые через различные исходные точки с параметрами \(a,b,c\) перпендикулярно различным соединяющим прямым, для которых суммы параметров равны соответственно \(u,v,w\). Условие пересечения этих трёх прямых в одной точке равносильно \[ F=(v-w)(a+ua^2)+(w-u)(b+vb^2)+(u-v)(c+wc^2)=0. \] Утверждаем, что, если эти прямые не являются тремя высотами треугольника с параметрами вершин \(a,b,c\), то \(F\) — ненулевой многочлен от пяти параметров.
Его однородная часть второй степени равна \[ Q=a(v-w)+b(w-u)+c(u-v) =u(c-b)+v(a-c)+w(b-a). \] Предположим, что \(Q\) тождественно равен нулю. Для каждого из двух параметров \(d\), не входящих в \(\{a,b,c\}\), пусть \(\varepsilon_u,\varepsilon_v,\varepsilon_w\) указывают, входит ли \(d\) в соответствующую сумму параметров концов соединяющей прямой. Коэффициент при \(d\) в \(Q\) равен \[ \varepsilon_u(c-b)+\varepsilon_v(a-c)+\varepsilon_w(b-a). \] Это выражение тождественно равно нулю лишь при \[ \varepsilon_u=\varepsilon_v=\varepsilon_w. \] Таким образом, каждый из двух остальных параметров должен входить либо во все три суммы параметров концов соединяющих прямых, либо ни в одну из них.
Теперь возможны три случая:
- Если входят оба остальных параметра, то все три соединяющие прямые совпадают, вопреки нашему предположению.
- Если входит ровно один из остальных параметров \(d\), то каждая соединяющая прямая задаётся параметром \(d\) и одним из параметров \(a,b,c\). Поскольку соединяющие прямые различны и ни одна из них не содержит исходную точку, из которой к ней проведён перпендикуляр, суммы должны иметь вид \[ (u,v,w)=(d+b,d+c,d+a) \quad\text{или}\quad (d+c,d+a,d+b). \] Подстановка даёт \[ Q=\pm\bigl(a^2+b^2+c^2-ab-bc-ca\bigr), \] а это не нулевой многочлен.
- Если ни один из остальных параметров не входит, то необходимо \[ u=b+c,\qquad v=a+c,\qquad w=a+b, \] так что три прямые являются в точности высотами треугольника.
Утверждение доказано: для каждой другой рассматриваемой тройки \(Q\), а значит, и \(F\) является ненулевым многочленом.
Теперь можно выбрать положительные параметры, одновременно избежав всех нежелательных пересечений трёх прямых в одной точке. Действительно, требуемые неравенства задаются конечным числом условий обращения ненулевых многочленов в ненулевые значения: различие параметров, различие сумм параметров концов соединяющих прямых и \(F\ne0\) для каждой нежелательной тройки. Их произведение — ненулевой многочлен. Ненулевой многочлен с действительными коэффициентами не может обращаться в нуль во всех точках открытого прямоугольного параллелепипеда, что следует из последовательного применения соответствующего факта для многочлена одной переменной к каждой из его переменных. Поэтому существуют положительные параметры, удовлетворяющие всем требуемым неравенствам.
При таком выборе пересечение нескольких прямых, среди которых две проведены из одной исходной точки, происходит в этой точке и не может включать прямую, проведённую из другой исходной точки. Во всяком другом случае пересечения трёх прямых в одной точке они проведены из различных исходных точек и перпендикулярны различным соединяющим прямым, поэтому наша конструкция допускает такое пересечение лишь для трёх высот треугольника. В частности, ни один ортоцентр не лежит на четвёртой построенной прямой.
Следовательно, единственные точки, в которых пересекаются более двух прямых, — это пять исходных точек, через каждую из которых проходят шесть прямых, и десять ортоцентров, через каждый из которых проходят три прямые. Оставшиеся пары пересекающихся прямых дают \[ 405-5\binom62-10\binom32=300 \] различных точек пересечения ровно двух прямых. Поэтому общее число равно \[ 5+10+300=\boxed{315}. \]
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1964 · المسألة 5
لتكن خمس نقاط في مستوى موضوعة بحيث لا يكون أي مستقيمين من المستقيمات الواصلة بينها متوازيين أو متعامدين أو منطبقين. من كل نقطة تُرسم أعمدة على جميع المستقيمات الواصلة بين النقاط الأربع الأخرى. حدد أكبر عدد ممكن لنقاط تقاطع هذه الأعمدة.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{315} \]
الحل
لنرمز إلى النقاط الخمس بـ \(P_1,\ldots,P_5\). وللمؤشرات المختلفة \(i,j,k\)، ليكن \(\ell_{i;jk}\) المستقيم المار بـ \(P_i\) والعمودي على \(P_jP_k\).
تعطي كل نقطة \(\binom42=6\) أعمدة، فيكون عدد المستقيمات المنشأة \(30\). ولا يمر أي مستقيم منشأ بنقطة أصلية غير النقطة التي تعرّفه: وإلا لكان مستقيم واصل بين نقطتين أصليتين عمودياً على مستقيم واصل آخر، خلافاً للفرض.
لكل واحد من المستقيمات الواصلة العشرة \(P_jP_k\)، تكون الأعمدة المرسومة من النقاط الثلاث الأخرى متوازية ومختلفة. أما الأعمدة المرتبطة بمستقيمات واصلة مختلفة فليست متوازية. ومن ثم فإن المستقيمات المنشأة الـ \(30\) كلها مختلفة، وعدد أزواجها المتقاطعة هو \[ \binom{30}{2}-10\binom32=435-30=405. \]
عند كل نقطة أصلية، تتلاقى ستة مستقيمات منشأة. وعدُّ هذا التقاطع مرة واحدة بدلاً من \(\binom62=15\) مرة ينقص العدد بمقدار \(14\).
علاوة على ذلك، فإن كل مثلث تشكله ثلاث نقاط أصلية تكون مستقيمات ارتفاعاته الثلاثة من بين المستقيمات المنشأة. لذا فإن ملتقى ارتفاعاته هو نقطة تقاطع ثلاثة مستقيمات منشأة على الأقل، مما يقتضي إنقاص العدد بمقدار \(2\) على الأقل مرة أخرى.
ملتقيات الارتفاعات العشرة هذه مختلفة عن النقاط الأصلية ومختلفة بعضها عن بعض. ينتج التأكيد الأول من الملاحظة القائلة إن أي مستقيم منشأ لا يمر بنقطة أصلية أخرى. ولإثبات التأكيد الثاني، فإن أي مثلثين من المثلثات العشرة يشتركان في رأس. ومستقيما ارتفاعيهما من ذلك الرأس مختلفان، لأن ضلعيهما المقابلين له ليسا متوازيين. وبالتالي لا يمكن أن يلتقيا أيضاً في ملتقى ارتفاعات مشترك مختلف عن ذلك الرأس.
تسهم نقطة تقاطع \(r\) مستقيمات بـ \(\binom r2\) زوجاً متقاطعاً، لكنها تمثل نقطة تقاطع واحدة فقط. لذلك فإن عدد نقاط التقاطع المختلفة لا يتجاوز \[ 405-5(15-1)-10(3-1)=315. \]
علينا أن نثبت إمكان بلوغ هذا الحد، دون أي تلاقٍ إضافي للمستقيمات.
نختار النقاط الأصلية على قطع مكافئ: \[ P_i=(t_i,t_i^2),\qquad t_i>0. \] سنختار المعلمات بحيث تكون مختلفة، وتكون المجاميع العشرة \(t_j+t_k\)، حيث \(j<k\)، مختلفة مثنى مثنى. عندئذ تكون ميول المستقيمات الواصلة موجبة ومختلفة، فلا يكون أي اثنين منها متوازيين أو متعامدين أو منطبقين.
معادلة العمود المار بالنقطة ذات المعلمة \(a\)، والذي يصل مستقيم قاعدته بين نقطتين مجموع معلمتيهما \(u\)، هي \[ x+uy=a+ua^2. \] لننظر إلى ثلاثة مستقيمات منشأة، معلمات نقاط تعريفها المختلفة هي \(a,b,c\)، ولها قواعد مختلفة مجاميع معلماتها هي \(u,v,w\)، على الترتيب. يكافئ تلاقيها في نقطة واحدة تحقق \[ F=(v-w)(a+ua^2)+(w-u)(b+vb^2)+(u-v)(c+wc^2)=0. \] ندعي أنه ما لم تكن هذه المستقيمات هي مستقيمات الارتفاعات الثلاثة للمثلث ذي المعلمات \(a,b,c\)، فإن \(F\) كثيرة حدود غير صفرية في المعلمات الخمس.
جزؤها المتجانس من الدرجة الثانية هو \[ Q=a(v-w)+b(w-u)+c(u-v) =u(c-b)+v(a-c)+w(b-a). \] لنفترض أن \(Q\) تنعدم تطابقياً. لكل معلمة \(d\) من المعلمتين الخارجتين عن \(\{a,b,c\}\)، لتكن \(\varepsilon_u,\varepsilon_v,\varepsilon_w\) مؤشرات تدل على ما إذا كانت \(d\) تظهر في مجموع معلمتي القاعدة الموافق. معامل \(d\) في \(Q\) هو \[ \varepsilon_u(c-b)+\varepsilon_v(a-c)+\varepsilon_w(b-a). \] ولا ينعدم هذا تطابقياً إلا عندما \[ \varepsilon_u=\varepsilon_v=\varepsilon_w. \] إذن يجب أن تظهر كل معلمة خارجية في مجاميع القواعد الثلاثة جميعها، أو ألا تظهر في أي منها.
لدينا الآن ثلاثة احتمالات:
- إذا ظهرت المعلمتان الخارجيتان كلتاهما، كانت القواعد الثلاث كلها متطابقة، خلافاً لافتراضنا.
- إذا ظهرت معلمة خارجية واحدة فقط \(d\)، فإن كل قاعدة تتكون من \(d\) وإحدى المعلمات \(a,b,c\). وبما أن القواعد مختلفة ولا تحتوي أي قاعدة على نقطة تعريف العمود الخاص بها، فلا بد أن تكون المجاميع \[ (u,v,w)=(d+b,d+c,d+a) \quad\text{أو}\quad (d+c,d+a,d+b). \] بالتعويض نحصل على \[ Q=\pm\bigl(a^2+b^2+c^2-ab-bc-ca\bigr), \] وهي ليست كثيرة الحدود الصفرية.
- إذا لم تظهر أي من المعلمتين الخارجيتين، فإننا نحصل بالضرورة على \[ u=b+c,\qquad v=a+c,\qquad w=a+b, \] فتكون المستقيمات الثلاثة هي بالضبط مستقيمات ارتفاعات المثلث.
وهذا يثبت الادعاء: لكل ثلاثي آخر من الثلاثيات قيد النظر، تكون \(Q\)، ومن ثم \(F\)، كثيرة حدود غير صفرية.
يمكننا الآن اختيار معلمات موجبة تتجنب جميع حالات التلاقي غير المرغوب فيها في آن واحد. بالفعل، تتألف المتباينات المطلوبة من عدد منتهٍ من شروط عدم انعدام كثيرات حدود غير صفرية: اختلاف المعلمات، واختلاف مجاميع القواعد، وتحقق \(F\ne0\) لكل ثلاثي غير مرغوب فيه. وحاصل ضربها كثيرة حدود غير صفرية. ولا يمكن لكثيرة حدود حقيقية غير صفرية أن تنعدم على كامل صندوق مفتوح، كما ينتج من تطبيق الحقيقة المقابلة في متغير واحد على متغيراتها تباعاً. إذن توجد معلمات موجبة تحقق كل متباينة مطلوبة.
لهذا الاختيار، فإن تلاقي مستقيمين صادرين من النقطة الأصلية نفسها يحدث عند تلك النقطة، ولا يمكن أن يشمل مستقيماً صادراً من نقطة أصلية أخرى. وكل تلاقٍ آخر لثلاثة مستقيمات تكون نقاط تعريف مستقيماته مختلفة وقواعدها مختلفة، ولذلك لا يسمح إنشاؤنا به إلا لمستقيمات الارتفاعات الثلاثة لمثلث. وعلى وجه الخصوص، لا يقع أي ملتقى ارتفاعات على مستقيم منشأ رابع.
وبالتالي فإن نقاط التقاطع الوحيدة التي يمر بها أكثر من مستقيمين هي النقاط الأصلية الخمس، ويمر بكل منها ستة مستقيمات، وملتقيات الارتفاعات العشرة، ويمر بكل منها ثلاثة مستقيمات. وتعطي الأزواج المتقاطعة المتبقية \[ 405-5\binom62-10\binom32=300 \] نقطة تقاطع مختلفة يمر بكل منها مستقيمان بالضبط. ومن ثم يكون المجموع \[ 5+10+300=\boxed{315}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).