IMO 1964 · Problem 6
In tetrahedron \(ABCD\), vertex \(D\) is connected with \(D_0\) the centroid of \(\Delta ABC\). Lines parallel to \(DD_0\) are drawn through \(A, B\) and \(C\). These lines intersect the planes \(BCD, CAD\) and \(ABD\) in points \(A_1, B_1\) and \(C_1\), respectively. Prove that the volume of \(ABCD\) is one third the volume of \(A_1B_1C_1D_0\). Is the result true if point \(D_0\) is selected anywhere within \(\Delta ABC\)?
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
We prove that the equality holds for every interior point \(D_0\) of \(\triangle ABC\).
Take \(D\) as the origin, and write the position vectors of \(A,B,C,D_0\) as \(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf c,\mathbf p\), respectively. Since the tetrahedron is nondegenerate, \(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf c\) are linearly independent. Since \(D_0\) is inside \(\triangle ABC\), its barycentric coordinates satisfy \[ \mathbf p=\alpha\mathbf a+\beta\mathbf b+\gamma\mathbf c, \qquad \alpha,\beta,\gamma>0, \qquad \alpha+\beta+\gamma=1. \]
The line through \(A\) parallel to \(DD_0\) consists of the points with position vectors \[ \mathbf a+t\mathbf p =(1+t\alpha)\mathbf a+t\beta\mathbf b+t\gamma\mathbf c. \] The plane \(BCD\) is the span of \(\mathbf b,\mathbf c\). Consequently, the line meets this plane precisely when \(t=-1/\alpha\). Thus the position vectors of the three intersections are \[ \mathbf a_1=\mathbf a-\frac{\mathbf p}{\alpha}, \qquad \mathbf b_1=\mathbf b-\frac{\mathbf p}{\beta}, \qquad \mathbf c_1=\mathbf c-\frac{\mathbf p}{\gamma}. \]
Put \(K=\det(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf c)\ne0\). The original tetrahedron has volume \(|K|/6\). For the new tetrahedron, use the three edge vectors from \(D_0\): \[ \mathbf u=\mathbf a-\left(1+\frac1\alpha\right)\mathbf p,\quad \mathbf v=\mathbf b-\left(1+\frac1\beta\right)\mathbf p,\quad \mathbf w=\mathbf c-\left(1+\frac1\gamma\right)\mathbf p. \] By multilinearity, all determinant terms containing \(\mathbf p\) twice vanish. Also, \[ \det(\mathbf p,\mathbf b,\mathbf c)=\alpha K,\qquad \det(\mathbf a,\mathbf p,\mathbf c)=\beta K,\qquad \det(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf p)=\gamma K. \] Therefore \[ \begin{aligned} \det(\mathbf u,\mathbf v,\mathbf w) &=K-\left(1+\frac1\alpha\right)\alpha K -\left(1+\frac1\beta\right)\beta K -\left(1+\frac1\gamma\right)\gamma K\\ &=\bigl(1-(\alpha+\beta+\gamma)-3\bigr)K\\ &=-3K. \end{aligned} \] It follows that \[ \operatorname{Vol}(A_1B_1C_1D_0) =\frac{|-3K|}{6} =3\operatorname{Vol}(ABCD). \] In particular, this proves the required assertion for the centroid, where \(\alpha=\beta=\gamma=1/3\), and answers the final question affirmatively for every interior choice.
If “within” includes the boundary, the construction is undefined there. Indeed, if \(D_0\in BC\), then \(DD_0\) lies in the plane \(BCD\); its parallel through \(A\), which is outside that plane, never meets \(BCD\). The same argument applies to the other sides, including their endpoints. Thus the asserted equality holds for every interior point, while boundary points do not yield all three required intersections.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1964 · Aufgabe 6
Im Tetraeder \(ABCD\) wird der Eckpunkt \(D\) mit dem Schwerpunkt \(D_0\) von \(\Delta ABC\) verbunden. Durch \(A, B\) und \(C\) werden Geraden parallel zu \(DD_0\) gezogen. Diese Geraden schneiden die Ebenen \(BCD, CAD\) und \(ABD\) in den Punkten \(A_1, B_1\) bzw. \(C_1\). Beweise, dass das Volumen von \(ABCD\) ein Drittel des Volumens von \(A_1B_1C_1D_0\) beträgt. Gilt das Ergebnis auch, wenn der Punkt \(D_0\) beliebig innerhalb von \(\Delta ABC\) gewählt wird?
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir beweisen, dass die Gleichheit für jeden inneren Punkt \(D_0\) von \(\triangle ABC\) gilt.
Wähle \(D\) als Ursprung und bezeichne die Ortsvektoren von \(A,B,C,D_0\) mit \(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf c,\mathbf p\). Da das Tetraeder nicht entartet ist, sind \(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf c\) linear unabhängig. Da \(D_0\) im Inneren von \(\triangle ABC\) liegt, erfüllen seine baryzentrischen Koordinaten \[ \mathbf p=\alpha\mathbf a+\beta\mathbf b+\gamma\mathbf c, \qquad \alpha,\beta,\gamma>0, \qquad \alpha+\beta+\gamma=1. \]
Die Gerade durch \(A\) parallel zu \(DD_0\) besteht aus den Punkten mit den Ortsvektoren \[ \mathbf a+t\mathbf p =(1+t\alpha)\mathbf a+t\beta\mathbf b+t\gamma\mathbf c. \] Die Ebene \(BCD\) ist der von \(\mathbf b,\mathbf c\) aufgespannte Raum. Folglich trifft die Gerade diese Ebene genau für \(t=-1/\alpha\). Die Ortsvektoren der drei Schnittpunkte sind somit \[ \mathbf a_1=\mathbf a-\frac{\mathbf p}{\alpha}, \qquad \mathbf b_1=\mathbf b-\frac{\mathbf p}{\beta}, \qquad \mathbf c_1=\mathbf c-\frac{\mathbf p}{\gamma}. \]
Setze \(K=\det(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf c)\ne0\). Das ursprüngliche Tetraeder hat das Volumen \(|K|/6\). Für das neue Tetraeder verwenden wir die drei von \(D_0\) ausgehenden Kantenvektoren: \[ \mathbf u=\mathbf a-\left(1+\frac1\alpha\right)\mathbf p,\quad \mathbf v=\mathbf b-\left(1+\frac1\beta\right)\mathbf p,\quad \mathbf w=\mathbf c-\left(1+\frac1\gamma\right)\mathbf p. \] Bei der multilinearen Entwicklung verschwinden alle Determinantenterme, die \(\mathbf p\) zweimal enthalten. Außerdem gilt \[ \det(\mathbf p,\mathbf b,\mathbf c)=\alpha K,\qquad \det(\mathbf a,\mathbf p,\mathbf c)=\beta K,\qquad \det(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf p)=\gamma K. \] Daher gilt \[ \begin{aligned} \det(\mathbf u,\mathbf v,\mathbf w) &=K-\left(1+\frac1\alpha\right)\alpha K -\left(1+\frac1\beta\right)\beta K -\left(1+\frac1\gamma\right)\gamma K\\ &=\bigl(1-(\alpha+\beta+\gamma)-3\bigr)K\\ &=-3K. \end{aligned} \] Daraus folgt \[ \operatorname{Vol}(A_1B_1C_1D_0) =\frac{|-3K|}{6} =3\operatorname{Vol}(ABCD). \] Insbesondere beweist dies die geforderte Behauptung für den Schwerpunkt, für den \(\alpha=\beta=\gamma=1/3\) gilt, und beantwortet die letzte Frage für jede Wahl im Inneren bejahend.
Falls „innerhalb“ den Rand einschließt, ist die Konstruktion dort nicht definiert. Ist nämlich \(D_0\in BC\), so liegt \(DD_0\) in der Ebene \(BCD\); die Parallele dazu durch \(A\), das außerhalb dieser Ebene liegt, trifft \(BCD\) niemals. Dasselbe Argument gilt für die anderen Seiten einschließlich ihrer Endpunkte. Somit gilt die behauptete Gleichheit für jeden inneren Punkt, während Randpunkte nicht alle drei erforderlichen Schnittpunkte liefern.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1964 · Soru 6
\(ABCD\) dörtyüzlüsünde \(D\) köşesi, \(\Delta ABC\)'nin ağırlık merkezi \(D_0\) ile birleştiriliyor. \(A, B\) ve \(C\) noktalarından \(DD_0\)'a paralel doğrular çiziliyor. Bu doğrular \(BCD, CAD\) ve \(ABD\) düzlemlerini sırasıyla \(A_1, B_1\) ve \(C_1\) noktalarında kesiyor. \(ABCD\)'nin hacminin \(A_1B_1C_1D_0\)'ın hacminin üçte biri olduğunu kanıtlayınız. \(D_0\) noktası \(\Delta ABC\)'nin içinde herhangi bir yerde seçilirse sonuç doğru olur mu?
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Eşitliğin \(\triangle ABC\)'nin her iç noktası \(D_0\) için sağlandığını kanıtlayacağız.
\(D\)'yi başlangıç noktası alalım ve \(A,B,C,D_0\)'ın konum vektörlerini sırasıyla \(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf c,\mathbf p\) ile gösterelim. Dörtyüzlü dejenere olmadığından \(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf c\) doğrusal bağımsızdır. \(D_0\), \(\triangle ABC\)'nin içinde olduğundan barisentrik koordinatları \[ \mathbf p=\alpha\mathbf a+\beta\mathbf b+\gamma\mathbf c, \qquad \alpha,\beta,\gamma>0, \qquad \alpha+\beta+\gamma=1 \] koşullarını sağlar.
\(A\)'dan geçen ve \(DD_0\)'a paralel olan doğru, konum vektörleri \[ \mathbf a+t\mathbf p =(1+t\alpha)\mathbf a+t\beta\mathbf b+t\gamma\mathbf c \] olan noktalardan oluşur. \(BCD\) düzlemi, \(\mathbf b,\mathbf c\)'nin gerdiği düzlemdir. Dolayısıyla doğru bu düzlemi tam olarak \(t=-1/\alpha\) olduğunda keser. Böylece üç kesişim noktasının konum vektörleri \[ \mathbf a_1=\mathbf a-\frac{\mathbf p}{\alpha}, \qquad \mathbf b_1=\mathbf b-\frac{\mathbf p}{\beta}, \qquad \mathbf c_1=\mathbf c-\frac{\mathbf p}{\gamma}. \]
\(K=\det(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf c)\ne0\) olsun. Başlangıçtaki dörtyüzlünün hacmi \(|K|/6\)'dır. Yeni dörtyüzlü için \(D_0\)'dan çıkan üç ayrıt vektörünü kullanalım: \[ \mathbf u=\mathbf a-\left(1+\frac1\alpha\right)\mathbf p,\quad \mathbf v=\mathbf b-\left(1+\frac1\beta\right)\mathbf p,\quad \mathbf w=\mathbf c-\left(1+\frac1\gamma\right)\mathbf p. \] Çoklu doğrusallık gereği, \(\mathbf p\)'yi iki kez içeren tüm determinant terimleri sıfır olur. Ayrıca, \[ \det(\mathbf p,\mathbf b,\mathbf c)=\alpha K,\qquad \det(\mathbf a,\mathbf p,\mathbf c)=\beta K,\qquad \det(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf p)=\gamma K. \] Dolayısıyla \[ \begin{aligned} \det(\mathbf u,\mathbf v,\mathbf w) &=K-\left(1+\frac1\alpha\right)\alpha K -\left(1+\frac1\beta\right)\beta K -\left(1+\frac1\gamma\right)\gamma K\\ &=\bigl(1-(\alpha+\beta+\gamma)-3\bigr)K\\ &=-3K. \end{aligned} \] Buradan \[ \operatorname{Vol}(A_1B_1C_1D_0) =\frac{|-3K|}{6} =3\operatorname{Vol}(ABCD) \] elde edilir. Özellikle bu, \(\alpha=\beta=\gamma=1/3\) olan ağırlık merkezi için istenen iddiayı kanıtlar ve son soruyu her iç nokta seçimi için olumlu yanıtlar.
“İçinde” sözcüğü sınırı da kapsıyorsa, bu yapı sınırda tanımsızdır. Gerçekten de \(D_0\in BC\) ise \(DD_0\), \(BCD\) düzleminde yer alır; bu düzlemin dışında bulunan \(A\)'dan geçen paraleli ise \(BCD\)'yi hiçbir zaman kesmez. Aynı gerekçe, uç noktaları da dâhil olmak üzere diğer kenarlar için de geçerlidir. Dolayısıyla öne sürülen eşitlik her iç nokta için sağlanırken, sınır noktaları gerekli üç kesişim noktasının tümünü vermez.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1964 · Problema 6
En un tetraedro \(ABCD\), se une el vértice \(D\) con \(D_0\), el baricentro de \(\Delta ABC\). Por \(A, B\) y \(C\) se trazan rectas paralelas a \(DD_0\). Estas rectas cortan los planos \(BCD, CAD\) y \(ABD\) en los puntos \(A_1, B_1\) y \(C_1\), respectivamente. Demostrar que el volumen de \(ABCD\) es un tercio del volumen de \(A_1B_1C_1D_0\). ¿Sigue siendo cierto el resultado si el punto \(D_0\) se elige en cualquier lugar dentro de \(\Delta ABC\)?
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Demostraremos que la igualdad se cumple para todo punto interior \(D_0\) de \(\triangle ABC\).
Tomemos \(D\) como origen y denotemos los vectores de posición de \(A,B,C,D_0\) por \(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf c,\mathbf p\), respectivamente. Como el tetraedro no es degenerado, \(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf c\) son linealmente independientes. Como \(D_0\) está en el interior de \(\triangle ABC\), sus coordenadas baricéntricas satisfacen \[ \mathbf p=\alpha\mathbf a+\beta\mathbf b+\gamma\mathbf c, \qquad \alpha,\beta,\gamma>0, \qquad \alpha+\beta+\gamma=1. \]
La recta que pasa por \(A\) y es paralela a \(DD_0\) consta de los puntos cuyos vectores de posición son \[ \mathbf a+t\mathbf p =(1+t\alpha)\mathbf a+t\beta\mathbf b+t\gamma\mathbf c. \] El plano \(BCD\) es el subespacio generado por \(\mathbf b,\mathbf c\). En consecuencia, la recta corta este plano exactamente cuando \(t=-1/\alpha\). Así pues, los vectores de posición de las tres intersecciones son \[ \mathbf a_1=\mathbf a-\frac{\mathbf p}{\alpha}, \qquad \mathbf b_1=\mathbf b-\frac{\mathbf p}{\beta}, \qquad \mathbf c_1=\mathbf c-\frac{\mathbf p}{\gamma}. \]
Sea \(K=\det(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf c)\ne0\). El tetraedro original tiene volumen \(|K|/6\). Para el nuevo tetraedro, utilicemos los tres vectores de las aristas que parten de \(D_0\): \[ \mathbf u=\mathbf a-\left(1+\frac1\alpha\right)\mathbf p,\quad \mathbf v=\mathbf b-\left(1+\frac1\beta\right)\mathbf p,\quad \mathbf w=\mathbf c-\left(1+\frac1\gamma\right)\mathbf p. \] Por multilinealidad, todos los términos del desarrollo del determinante que contienen \(\mathbf p\) dos veces se anulan. Además, \[ \det(\mathbf p,\mathbf b,\mathbf c)=\alpha K,\qquad \det(\mathbf a,\mathbf p,\mathbf c)=\beta K,\qquad \det(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf p)=\gamma K. \] Por lo tanto, \[ \begin{aligned} \det(\mathbf u,\mathbf v,\mathbf w) &=K-\left(1+\frac1\alpha\right)\alpha K -\left(1+\frac1\beta\right)\beta K -\left(1+\frac1\gamma\right)\gamma K\\ &=\bigl(1-(\alpha+\beta+\gamma)-3\bigr)K\\ &=-3K. \end{aligned} \] Se deduce que \[ \operatorname{Vol}(A_1B_1C_1D_0) =\frac{|-3K|}{6} =3\operatorname{Vol}(ABCD). \] En particular, esto demuestra la afirmación requerida para el baricentro, donde \(\alpha=\beta=\gamma=1/3\), y responde afirmativamente a la pregunta final para cualquier elección en el interior.
Si «dentro» incluye la frontera, la construcción no está definida en ella. En efecto, si \(D_0\in BC\), entonces \(DD_0\) está contenida en el plano \(BCD\); su paralela por \(A\), que está fuera de ese plano, nunca corta \(BCD\). El mismo argumento se aplica a los otros lados, incluidos sus extremos. Por tanto, la igualdad afirmada se cumple para todo punto interior, mientras que los puntos de la frontera no dan lugar a las tres intersecciones requeridas.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1964 · 问题 6
在四面体 \(ABCD\) 中,连接顶点 \(D\) 与 \(\Delta ABC\) 的重心 \(D_0\)。分别过 \(A, B\) 和 \(C\) 作平行于 \(DD_0\) 的直线。这些直线分别与平面 \(BCD, CAD\) 和 \(ABD\) 交于点 \(A_1, B_1\) 和 \(C_1\)。证明:\(ABCD\) 的体积是 \(A_1B_1C_1D_0\) 的体积的三分之一。如果点 \(D_0\) 选在 \(\Delta ABC\) 内的任意位置,这一结论是否仍然成立?
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
我们证明,该等式对 \(\triangle ABC\) 的每一个内部点 \(D_0\) 都成立。
取 \(D\) 为原点,将 \(A,B,C,D_0\) 的位置向量分别记为 \(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf c,\mathbf p\)。由于四面体非退化,\(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf c\) 线性无关。由于 \(D_0\) 位于 \(\triangle ABC\) 的内部,其重心坐标满足 \[ \mathbf p=\alpha\mathbf a+\beta\mathbf b+\gamma\mathbf c, \qquad \alpha,\beta,\gamma>0, \qquad \alpha+\beta+\gamma=1. \]
过 \(A\) 且平行于 \(DD_0\) 的直线由位置向量为下式的点组成: \[ \mathbf a+t\mathbf p =(1+t\alpha)\mathbf a+t\beta\mathbf b+t\gamma\mathbf c. \] 平面 \(BCD\) 是由 \(\mathbf b,\mathbf c\) 张成的平面。因此,这条直线恰在 \(t=-1/\alpha\) 时与该平面相交。于是,三个交点的位置向量为 \[ \mathbf a_1=\mathbf a-\frac{\mathbf p}{\alpha}, \qquad \mathbf b_1=\mathbf b-\frac{\mathbf p}{\beta}, \qquad \mathbf c_1=\mathbf c-\frac{\mathbf p}{\gamma}. \]
令 \(K=\det(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf c)\ne0\)。原四面体的体积为 \(|K|/6\)。对于新四面体,使用从 \(D_0\) 出发的三条棱的向量: \[ \mathbf u=\mathbf a-\left(1+\frac1\alpha\right)\mathbf p,\quad \mathbf v=\mathbf b-\left(1+\frac1\beta\right)\mathbf p,\quad \mathbf w=\mathbf c-\left(1+\frac1\gamma\right)\mathbf p. \] 由多重线性展开,所有含有两次 \(\mathbf p\) 的行列式项都为零。此外, \[ \det(\mathbf p,\mathbf b,\mathbf c)=\alpha K,\qquad \det(\mathbf a,\mathbf p,\mathbf c)=\beta K,\qquad \det(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf p)=\gamma K. \] 因此 \[ \begin{aligned} \det(\mathbf u,\mathbf v,\mathbf w) &=K-\left(1+\frac1\alpha\right)\alpha K -\left(1+\frac1\beta\right)\beta K -\left(1+\frac1\gamma\right)\gamma K\\ &=\bigl(1-(\alpha+\beta+\gamma)-3\bigr)K\\ &=-3K. \end{aligned} \] 由此可得 \[ \operatorname{Vol}(A_1B_1C_1D_0) =\frac{|-3K|}{6} =3\operatorname{Vol}(ABCD). \] 特别地,这证明了重心情形下所要求的结论,此时 \(\alpha=\beta=\gamma=1/3\);同时,对最后的问题,当所选点为任意内部点时,答案都是肯定的。
如果“内”包括边界,则在边界上这一构造没有定义。事实上,若 \(D_0\in BC\),则 \(DD_0\) 位于平面 \(BCD\) 内;过平面外的点 \(A\) 所作的平行线永远不会与 \(BCD\) 相交。同样的论证适用于其他各边,包括它们的端点。因此,所述等式对每一个内部点都成立,而边界上的点无法给出全部三个所需的交点。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1964 · Задача 6
В тетраэдре \(ABCD\) вершина \(D\) соединена с точкой \(D_0\) — центром тяжести \(\Delta ABC\). Через \(A, B\) и \(C\) проведены прямые, параллельные \(DD_0\). Эти прямые пересекают плоскости \(BCD, CAD\) и \(ABD\) в точках \(A_1, B_1\) и \(C_1\) соответственно. Докажите, что объём \(ABCD\) равен одной трети объёма \(A_1B_1C_1D_0\). Останется ли результат верным, если точку \(D_0\) выбрать произвольно внутри \(\Delta ABC\)?
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Докажем, что равенство выполняется для любой внутренней точки \(D_0\) треугольника \(\triangle ABC\).
Примем \(D\) за начало координат и обозначим радиус-векторы точек \(A,B,C,D_0\) через \(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf c,\mathbf p\) соответственно. Поскольку тетраэдр невырожденный, векторы \(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf c\) линейно независимы. Поскольку \(D_0\) лежит внутри \(\triangle ABC\), её барицентрические координаты удовлетворяют условиям \[ \mathbf p=\alpha\mathbf a+\beta\mathbf b+\gamma\mathbf c, \qquad \alpha,\beta,\gamma>0, \qquad \alpha+\beta+\gamma=1. \]
Прямая, проходящая через \(A\) параллельно \(DD_0\), состоит из точек с радиус-векторами \[ \mathbf a+t\mathbf p =(1+t\alpha)\mathbf a+t\beta\mathbf b+t\gamma\mathbf c. \] Плоскость \(BCD\) является линейной оболочкой векторов \(\mathbf b,\mathbf c\). Следовательно, прямая пересекает эту плоскость в точности при \(t=-1/\alpha\). Таким образом, радиус-векторы трёх точек пересечения равны \[ \mathbf a_1=\mathbf a-\frac{\mathbf p}{\alpha}, \qquad \mathbf b_1=\mathbf b-\frac{\mathbf p}{\beta}, \qquad \mathbf c_1=\mathbf c-\frac{\mathbf p}{\gamma}. \]
Положим \(K=\det(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf c)\ne0\). Объём исходного тетраэдра равен \(|K|/6\). Для нового тетраэдра воспользуемся тремя векторами рёбер, выходящих из \(D_0\): \[ \mathbf u=\mathbf a-\left(1+\frac1\alpha\right)\mathbf p,\quad \mathbf v=\mathbf b-\left(1+\frac1\beta\right)\mathbf p,\quad \mathbf w=\mathbf c-\left(1+\frac1\gamma\right)\mathbf p. \] В силу полилинейности при раскрытии определителя все слагаемые, содержащие \(\mathbf p\) дважды, равны нулю. Кроме того, \[ \det(\mathbf p,\mathbf b,\mathbf c)=\alpha K,\qquad \det(\mathbf a,\mathbf p,\mathbf c)=\beta K,\qquad \det(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf p)=\gamma K. \] Поэтому \[ \begin{aligned} \det(\mathbf u,\mathbf v,\mathbf w) &=K-\left(1+\frac1\alpha\right)\alpha K -\left(1+\frac1\beta\right)\beta K -\left(1+\frac1\gamma\right)\gamma K\\ &=\bigl(1-(\alpha+\beta+\gamma)-3\bigr)K\\ &=-3K. \end{aligned} \] Отсюда следует, что \[ \operatorname{Vol}(A_1B_1C_1D_0) =\frac{|-3K|}{6} =3\operatorname{Vol}(ABCD). \] В частности, это доказывает требуемое утверждение для центра тяжести, для которого \(\alpha=\beta=\gamma=1/3\), и даёт утвердительный ответ на последний вопрос при любом выборе внутренней точки.
Если понимать слово «внутри» как включающее границу, то на границе построение не определено. Действительно, если \(D_0\in BC\), то \(DD_0\) лежит в плоскости \(BCD\); параллельная ей прямая, проходящая через \(A\), которая находится вне этой плоскости, не пересекает \(BCD\). То же рассуждение применимо к другим сторонам, включая их концы. Таким образом, утверждаемое равенство выполняется для любой внутренней точки, а при выборе точки на границе получить все три требуемые точки пересечения невозможно.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1964 · المسألة 6
في رباعي الوجوه \(ABCD\)، وُصل الرأس \(D\) بالنقطة \(D_0\)، مركز ثقل \(\Delta ABC\). رُسمت مستقيمات موازية لـ \(DD_0\) تمر بالنقاط \(A, B\) و\(C\). تقطع هذه المستقيمات المستويات \(BCD, CAD\) و\(ABD\) في النقاط \(A_1, B_1\) و\(C_1\)، على الترتيب. أثبت أن حجم \(ABCD\) يساوي ثلث حجم \(A_1B_1C_1D_0\). هل تبقى النتيجة صحيحة إذا اختيرت النقطة \(D_0\) في أي موضع داخل \(\Delta ABC\)؟
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
سنثبت أن المساواة تتحقق عند كل نقطة داخلية \(D_0\) في \(\triangle ABC\).
نتخذ \(D\) مبدأً، ونرمز إلى متجهات مواضع \(A,B,C,D_0\) بـ \(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf c,\mathbf p\)، على الترتيب. بما أن رباعي الوجوه غير منعدم الحجم، فإن \(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf c\) مستقلة خطياً. وبما أن \(D_0\) تقع داخل \(\triangle ABC\)، فإن إحداثياتها المركزية الثقلية تحقق \[ \mathbf p=\alpha\mathbf a+\beta\mathbf b+\gamma\mathbf c, \qquad \alpha,\beta,\gamma>0, \qquad \alpha+\beta+\gamma=1. \]
يتكون المستقيم المار بـ \(A\) والموازي لـ \(DD_0\) من النقاط التي متجهات مواضعها هي \[ \mathbf a+t\mathbf p =(1+t\alpha)\mathbf a+t\beta\mathbf b+t\gamma\mathbf c. \] المستوى \(BCD\) هو الفضاء المولّد بالمتجهين \(\mathbf b,\mathbf c\). وبالتالي يلتقي المستقيم بهذا المستوى إذا وفقط إذا كان \(t=-1/\alpha\). إذن متجهات مواضع نقاط التقاطع الثلاث هي \[ \mathbf a_1=\mathbf a-\frac{\mathbf p}{\alpha}, \qquad \mathbf b_1=\mathbf b-\frac{\mathbf p}{\beta}, \qquad \mathbf c_1=\mathbf c-\frac{\mathbf p}{\gamma}. \]
نضع \(K=\det(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf c)\ne0\). حجم رباعي الوجوه الأصلي هو \(|K|/6\). ولرباعي الوجوه الجديد، نستخدم متجهات الأحرف الثلاثة المنطلقة من \(D_0\): \[ \mathbf u=\mathbf a-\left(1+\frac1\alpha\right)\mathbf p,\quad \mathbf v=\mathbf b-\left(1+\frac1\beta\right)\mathbf p,\quad \mathbf w=\mathbf c-\left(1+\frac1\gamma\right)\mathbf p. \] بفضل خاصية تعدد الخطية، تنعدم جميع حدود المحدد التي تحتوي على \(\mathbf p\) مرتين. كذلك، \[ \det(\mathbf p,\mathbf b,\mathbf c)=\alpha K,\qquad \det(\mathbf a,\mathbf p,\mathbf c)=\beta K,\qquad \det(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf p)=\gamma K. \] وعليه، \[ \begin{aligned} \det(\mathbf u,\mathbf v,\mathbf w) &=K-\left(1+\frac1\alpha\right)\alpha K -\left(1+\frac1\beta\right)\beta K -\left(1+\frac1\gamma\right)\gamma K\\ &=\bigl(1-(\alpha+\beta+\gamma)-3\bigr)K\\ &=-3K. \end{aligned} \] ينتج من ذلك أن \[ \operatorname{حجم}(A_1B_1C_1D_0) =\frac{|-3K|}{6} =3\operatorname{حجم}(ABCD). \] وعلى وجه الخصوص، يثبت هذا النتيجة المطلوبة لمركز الثقل، حيث \(\alpha=\beta=\gamma=1/3\)، ويجيب بالإيجاب عن السؤال الأخير لكل اختيار داخلي.
إذا كان المقصود بكلمة «داخل» يشمل الحدود، فإن الإنشاء لا يكون معرّفاً عليها. بالفعل، إذا كان \(D_0\in BC\)، فإن \(DD_0\) يقع في المستوى \(BCD\)؛ والمستقيم الموازي له والمار بـ \(A\)، التي تقع خارج ذلك المستوى، لا يلتقي أبداً بالمستوى \(BCD\). وتنطبق الحجة نفسها على الضلعين الآخرين، بما في ذلك نهاياتهما. إذن تتحقق المساواة المذكورة لكل نقطة داخلية، بينما لا تتيح النقاط الواقعة على الحدود الحصول على نقاط التقاطع الثلاث المطلوبة جميعها.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).