IMO 1966 · Problem 3
Prove: The sum of the distances of the vertices of a regular tetrahedron from the center of its circumscribed sphere is less than the sum of the distances of these vertices from any other point in space.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let the vertices be \(A_1,A_2,A_3,A_4\), the circumcenter be \(O\), the circumradius be \(R>0\), and the common edge length be \(a\). Take \(O\) as the origin and put \[ \mathbf v_i=\overrightarrow{OA_i}. \]
First we show that \[ \mathbf v_1+\mathbf v_2+\mathbf v_3+\mathbf v_4=\mathbf0. \] Indeed, \(\|\mathbf v_i\|=R\), and for \(i\ne j\), \[ a^2=\|\mathbf v_i-\mathbf v_j\|^2 =2R^2-2\mathbf v_i\cdot\mathbf v_j, \] so \(\mathbf v_i\cdot\mathbf v_j=R^2-a^2/2\). Therefore, writing \(\mathbf s=\sum_{i=1}^4\mathbf v_i\), we have \[ \mathbf s\cdot\mathbf v_i =R^2+3\left(R^2-\frac{a^2}{2}\right) \] for every \(i\). Thus \(\mathbf s\) is perpendicular to each of \(\mathbf v_1-\mathbf v_4,\mathbf v_2-\mathbf v_4,\mathbf v_3-\mathbf v_4\). These vectors span space because the tetrahedron’s vertices are not coplanar. Hence \(\mathbf s=\mathbf0\).
Now let \(P\) be any point in space, with position vector \(\mathbf p\). By the Cauchy–Schwarz inequality, \[ R\,PA_i =\|\mathbf v_i\|\,\|\mathbf v_i-\mathbf p\| \ge \mathbf v_i\cdot(\mathbf v_i-\mathbf p) =R^2-\mathbf v_i\cdot\mathbf p. \] Summing and using \(\sum_i\mathbf v_i=\mathbf0\), we obtain \[ R\sum_{i=1}^4 PA_i\ge 4R^2, \qquad\text{so}\qquad \sum_{i=1}^4 PA_i\ge 4R=\sum_{i=1}^4 OA_i. \]
It remains to establish strictness when \(P\ne O\). Equality in the sum requires equality in each Cauchy–Schwarz inequality, so \[ \mathbf v_i-\mathbf p=\lambda_i\mathbf v_i \quad\text{for some }\lambda_i\ge0 \] for every \(i\). Consequently, \(\mathbf p\) is a scalar multiple of every \(\mathbf v_i\). If \(\mathbf p\ne\mathbf0\), all four vertices would lie on the line through \(O\) in direction \(\mathbf p\), which is impossible. Thus equality requires \(P=O\).
Therefore every other point \(P\) satisfies \[ \boxed{\sum_{i=1}^4 PA_i>\sum_{i=1}^4 OA_i}. \]
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1966 · Aufgabe 3
Man beweise: Die Summe der Abstände der Eckpunkte eines regelmäßigen Tetraeders vom Mittelpunkt seiner Umkugel ist kleiner als die Summe der Abstände dieser Eckpunkte von jedem anderen Punkt im Raum.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Es seien \(A_1,A_2,A_3,A_4\) die Eckpunkte, \(O\) der Umkugelmittelpunkt, \(R>0\) der Umkugelradius und \(a\) die gemeinsame Kantenlänge. Wir wählen \(O\) als Ursprung und setzen \[ \mathbf v_i=\overrightarrow{OA_i}. \]
Zunächst zeigen wir, dass \[ \mathbf v_1+\mathbf v_2+\mathbf v_3+\mathbf v_4=\mathbf0. \] Es gilt nämlich \(\|\mathbf v_i\|=R\), und für \(i\ne j\) gilt \[ a^2=\|\mathbf v_i-\mathbf v_j\|^2 =2R^2-2\mathbf v_i\cdot\mathbf v_j, \] also \(\mathbf v_i\cdot\mathbf v_j=R^2-a^2/2\). Mit der Bezeichnung \(\mathbf s=\sum_{i=1}^4\mathbf v_i\) erhalten wir daher \[ \mathbf s\cdot\mathbf v_i =R^2+3\left(R^2-\frac{a^2}{2}\right) \] für jedes \(i\). Somit steht \(\mathbf s\) senkrecht auf jedem der Vektoren \(\mathbf v_1-\mathbf v_4,\mathbf v_2-\mathbf v_4,\mathbf v_3-\mathbf v_4\). Diese Vektoren spannen den Raum auf, da die Eckpunkte des Tetraeders nicht in einer Ebene liegen. Folglich ist \(\mathbf s=\mathbf0\).
Es sei nun \(P\) ein beliebiger Punkt im Raum mit Ortsvektor \(\mathbf p\). Nach der Cauchy-Schwarz-Ungleichung gilt \[ R\,PA_i =\|\mathbf v_i\|\,\|\mathbf v_i-\mathbf p\| \ge \mathbf v_i\cdot(\mathbf v_i-\mathbf p) =R^2-\mathbf v_i\cdot\mathbf p. \] Durch Summieren und Verwendung von \(\sum_i\mathbf v_i=\mathbf0\) erhalten wir \[ R\sum_{i=1}^4 PA_i\ge 4R^2, \qquad\text{also}\qquad \sum_{i=1}^4 PA_i\ge 4R=\sum_{i=1}^4 OA_i. \]
Es bleibt zu zeigen, dass die Ungleichung für \(P\ne O\) strikt ist. Gleichheit in der Summe setzt Gleichheit in jeder Cauchy-Schwarz-Ungleichung voraus, also gilt \[ \mathbf v_i-\mathbf p=\lambda_i\mathbf v_i \quad\text{für ein }\lambda_i\ge0 \] für jedes \(i\). Folglich ist \(\mathbf p\) ein skalares Vielfaches jedes \(\mathbf v_i\). Wäre \(\mathbf p\ne\mathbf0\), so lägen alle vier Eckpunkte auf der Geraden durch \(O\) mit Richtung \(\mathbf p\), was unmöglich ist. Gleichheit setzt somit \(P=O\) voraus.
Daher gilt für jeden anderen Punkt \(P\) \[ \boxed{\sum_{i=1}^4 PA_i>\sum_{i=1}^4 OA_i}. \]
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1966 · Soru 3
Bir düzgün dörtyüzlünün köşelerinin, çevrel küresinin merkezine olan uzaklıkları toplamının, bu köşelerin uzaydaki başka herhangi bir noktaya olan uzaklıkları toplamından küçük olduğunu kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Köşeler \(A_1,A_2,A_3,A_4\), çevrel kürenin merkezi \(O\), çevrel kürenin yarıçapı \(R>0\) ve ortak ayrıt uzunluğu \(a\) olsun. \(O\) noktasını başlangıç noktası olarak alıp \[ \mathbf v_i=\overrightarrow{OA_i} \] tanımını yapalım.
Önce \[ \mathbf v_1+\mathbf v_2+\mathbf v_3+\mathbf v_4=\mathbf0 \] olduğunu gösterelim. Gerçekten, \(\|\mathbf v_i\|=R\) ve \(i\ne j\) için \[ a^2=\|\mathbf v_i-\mathbf v_j\|^2 =2R^2-2\mathbf v_i\cdot\mathbf v_j, \] olduğundan \(\mathbf v_i\cdot\mathbf v_j=R^2-a^2/2\) olur. Bu nedenle \(\mathbf s=\sum_{i=1}^4\mathbf v_i\) yazarsak her \(i\) için \[ \mathbf s\cdot\mathbf v_i =R^2+3\left(R^2-\frac{a^2}{2}\right) \] elde edilir. Böylece \(\mathbf s\), \(\mathbf v_1-\mathbf v_4,\mathbf v_2-\mathbf v_4,\mathbf v_3-\mathbf v_4\) vektörlerinin her birine diktir. Dörtyüzlünün köşeleri aynı düzlemde bulunmadığından bu vektörler uzayı gerer. Dolayısıyla \(\mathbf s=\mathbf0\) olur.
Şimdi \(P\), uzayda konum vektörü \(\mathbf p\) olan herhangi bir nokta olsun. Cauchy–Schwarz eşitsizliğinden \[ R\,PA_i =\|\mathbf v_i\|\,\|\mathbf v_i-\mathbf p\| \ge \mathbf v_i\cdot(\mathbf v_i-\mathbf p) =R^2-\mathbf v_i\cdot\mathbf p \] elde edilir. Toplayıp \(\sum_i\mathbf v_i=\mathbf0\) eşitliğini kullanarak \[ R\sum_{i=1}^4 PA_i\ge 4R^2, \qquad\text{dolayısıyla}\qquad \sum_{i=1}^4 PA_i\ge 4R=\sum_{i=1}^4 OA_i \] buluruz.
Geriye \(P\ne O\) olduğunda eşitsizliğin kesin olduğunu göstermek kalır. Toplamda eşitlik olması, Cauchy–Schwarz eşitsizliklerinin her birinde eşitlik olmasını gerektirir; dolayısıyla her \(i\) için \[ \mathbf v_i-\mathbf p=\lambda_i\mathbf v_i \quad\text{uygun bir }\lambda_i\ge0 \] olur. Bunun sonucunda \(\mathbf p\), her \(\mathbf v_i\) vektörünün bir skaler katıdır. \(\mathbf p\ne\mathbf0\) olsaydı, dört köşenin tamamı \(O\) noktasından geçen ve \(\mathbf p\) doğrultusundaki doğru üzerinde bulunurdu; bu ise olanaksızdır. Dolayısıyla eşitlik için \(P=O\) olması gerekir.
O hâlde diğer her \(P\) noktası için \[ \boxed{\sum_{i=1}^4 PA_i>\sum_{i=1}^4 OA_i} \] eşitsizliği sağlanır.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1966 · Problema 3
Demostrar que la suma de las distancias de los vértices de un tetraedro regular al centro de su esfera circunscrita es menor que la suma de las distancias de estos vértices a cualquier otro punto del espacio.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sean \(A_1,A_2,A_3,A_4\) los vértices, \(O\) el centro de la esfera circunscrita, \(R>0\) su radio y \(a\) la longitud común de las aristas. Tomemos \(O\) como origen y pongamos \[ \mathbf v_i=\overrightarrow{OA_i}. \]
Primero demostraremos que \[ \mathbf v_1+\mathbf v_2+\mathbf v_3+\mathbf v_4=\mathbf0. \] En efecto, \(\|\mathbf v_i\|=R\) y, para \(i\ne j\), \[ a^2=\|\mathbf v_i-\mathbf v_j\|^2 =2R^2-2\mathbf v_i\cdot\mathbf v_j, \] de modo que \(\mathbf v_i\cdot\mathbf v_j=R^2-a^2/2\). Por tanto, escribiendo \(\mathbf s=\sum_{i=1}^4\mathbf v_i\), tenemos \[ \mathbf s\cdot\mathbf v_i =R^2+3\left(R^2-\frac{a^2}{2}\right) \] para todo \(i\). Así, \(\mathbf s\) es perpendicular a cada uno de los vectores \(\mathbf v_1-\mathbf v_4,\mathbf v_2-\mathbf v_4,\mathbf v_3-\mathbf v_4\). Estos vectores generan el espacio porque los vértices del tetraedro no son coplanarios. Por tanto, \(\mathbf s=\mathbf0\).
Sea ahora \(P\) un punto cualquiera del espacio, con vector de posición \(\mathbf p\). Por la desigualdad de Cauchy–Schwarz, \[ R\,PA_i =\|\mathbf v_i\|\,\|\mathbf v_i-\mathbf p\| \ge \mathbf v_i\cdot(\mathbf v_i-\mathbf p) =R^2-\mathbf v_i\cdot\mathbf p. \] Sumando y usando \(\sum_i\mathbf v_i=\mathbf0\), obtenemos \[ R\sum_{i=1}^4 PA_i\ge 4R^2, \qquad\text{por lo que}\qquad \sum_{i=1}^4 PA_i\ge 4R=\sum_{i=1}^4 OA_i. \]
Queda por demostrar que la desigualdad es estricta cuando \(P\ne O\). La igualdad en la suma exige la igualdad en cada una de las desigualdades de Cauchy–Schwarz, de modo que \[ \mathbf v_i-\mathbf p=\lambda_i\mathbf v_i \quad\text{para algún }\lambda_i\ge0 \] para todo \(i\). En consecuencia, \(\mathbf p\) es un múltiplo escalar de cada \(\mathbf v_i\). Si \(\mathbf p\ne\mathbf0\), los cuatro vértices estarían en la recta que pasa por \(O\) con dirección \(\mathbf p\), lo cual es imposible. Así, la igualdad exige que \(P=O\).
Por tanto, cualquier otro punto \(P\) satisface \[ \boxed{\sum_{i=1}^4 PA_i>\sum_{i=1}^4 OA_i}. \]
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1966 · 问题 3
证明:正四面体各顶点到其外接球球心的距离之和,小于这些顶点到空间中任何其他一点的距离之和。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
设各顶点为 \(A_1,A_2,A_3,A_4\),外接球球心为 \(O\),外接球半径为 \(R>0\),各棱的长度为 \(a\)。以 \(O\) 为原点,令 \[ \mathbf v_i=\overrightarrow{OA_i}. \]
首先证明 \[ \mathbf v_1+\mathbf v_2+\mathbf v_3+\mathbf v_4=\mathbf0. \] 事实上,\(\|\mathbf v_i\|=R\),并且当 \(i\ne j\) 时, \[ a^2=\|\mathbf v_i-\mathbf v_j\|^2 =2R^2-2\mathbf v_i\cdot\mathbf v_j, \] 所以 \(\mathbf v_i\cdot\mathbf v_j=R^2-a^2/2\)。因此,记 \(\mathbf s=\sum_{i=1}^4\mathbf v_i\),则对每个 \(i\),都有 \[ \mathbf s\cdot\mathbf v_i =R^2+3\left(R^2-\frac{a^2}{2}\right) \] 成立。于是 \(\mathbf s\) 与 \(\mathbf v_1-\mathbf v_4,\mathbf v_2-\mathbf v_4,\mathbf v_3-\mathbf v_4\) 中的每一个向量都垂直。 由于四面体的顶点不共面,这些向量张成整个空间。因此 \(\mathbf s=\mathbf0\)。
现在设 \(P\) 为空间中任意一点,其位置向量为 \(\mathbf p\)。由柯西–施瓦茨不等式, \[ R\,PA_i =\|\mathbf v_i\|\,\|\mathbf v_i-\mathbf p\| \ge \mathbf v_i\cdot(\mathbf v_i-\mathbf p) =R^2-\mathbf v_i\cdot\mathbf p. \] 求和并利用 \(\sum_i\mathbf v_i=\mathbf0\),得到 \[ R\sum_{i=1}^4 PA_i\ge 4R^2, \qquad\text{所以}\qquad \sum_{i=1}^4 PA_i\ge 4R=\sum_{i=1}^4 OA_i. \]
还需证明当 \(P\ne O\) 时不等式严格成立。求和后的等式成立,要求每一个柯西–施瓦茨不等式都取等号,因此对每个 \(i\),都有 \[ \mathbf v_i-\mathbf p=\lambda_i\mathbf v_i \quad\text{对某个 }\lambda_i\ge0 \] 成立。从而,\(\mathbf p\) 是每个 \(\mathbf v_i\) 的数量倍。若 \(\mathbf p\ne\mathbf0\),则四个顶点都位于过 \(O\)、方向为 \(\mathbf p\) 的直线上,这是不可能的。因此,等号成立必须有 \(P=O\)。
所以,其他每一点 \(P\) 都满足 \[ \boxed{\sum_{i=1}^4 PA_i>\sum_{i=1}^4 OA_i}. \]
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1966 · Задача 3
Докажите, что сумма расстояний от вершин правильного тетраэдра до центра описанной около него сферы меньше суммы расстояний от этих вершин до любой другой точки пространства.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Обозначим вершины через \(A_1,A_2,A_3,A_4\), центр описанной сферы — через \(O\), её радиус — через \(R>0\), а общую длину рёбер — через \(a\). Примем \(O\) за начало координат и положим \[ \mathbf v_i=\overrightarrow{OA_i}. \]
Сначала покажем, что \[ \mathbf v_1+\mathbf v_2+\mathbf v_3+\mathbf v_4=\mathbf0. \] Действительно, \(\|\mathbf v_i\|=R\), а при \(i\ne j\) \[ a^2=\|\mathbf v_i-\mathbf v_j\|^2 =2R^2-2\mathbf v_i\cdot\mathbf v_j, \] откуда \(\mathbf v_i\cdot\mathbf v_j=R^2-a^2/2\). Поэтому, обозначив \(\mathbf s=\sum_{i=1}^4\mathbf v_i\), имеем \[ \mathbf s\cdot\mathbf v_i =R^2+3\left(R^2-\frac{a^2}{2}\right) \] для каждого \(i\). Таким образом, \(\mathbf s\) перпендикулярен каждому из векторов \(\mathbf v_1-\mathbf v_4,\mathbf v_2-\mathbf v_4,\mathbf v_3-\mathbf v_4\). Эти векторы порождают всё пространство, поскольку вершины тетраэдра не лежат в одной плоскости. Следовательно, \(\mathbf s=\mathbf0\).
Теперь пусть \(P\) — произвольная точка пространства с радиус-вектором \(\mathbf p\). По неравенству Коши — Буняковского, \[ R\,PA_i =\|\mathbf v_i\|\,\|\mathbf v_i-\mathbf p\| \ge \mathbf v_i\cdot(\mathbf v_i-\mathbf p) =R^2-\mathbf v_i\cdot\mathbf p. \] Суммируя и используя \(\sum_i\mathbf v_i=\mathbf0\), получаем \[ R\sum_{i=1}^4 PA_i\ge 4R^2, \qquad\text{откуда}\qquad \sum_{i=1}^4 PA_i\ge 4R=\sum_{i=1}^4 OA_i. \]
Остаётся доказать, что при \(P\ne O\) неравенство строгое. Равенство в сумме возможно лишь при равенстве в каждом из неравенств Коши — Буняковского, поэтому \[ \mathbf v_i-\mathbf p=\lambda_i\mathbf v_i \quad\text{при некотором }\lambda_i\ge0 \] для каждого \(i\). Следовательно, \(\mathbf p\) является скалярным кратным каждого из векторов \(\mathbf v_i\). Если бы \(\mathbf p\ne\mathbf0\), все четыре вершины лежали бы на прямой, проходящей через \(O\) в направлении \(\mathbf p\), что невозможно. Таким образом, равенство возможно лишь при \(P=O\).
Следовательно, для любой другой точки \(P\) выполняется \[ \boxed{\sum_{i=1}^4 PA_i>\sum_{i=1}^4 OA_i}. \]
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1966 · المسألة 3
أثبت أن مجموع أبعاد رؤوس رباعي وجوه منتظم عن مركز الكرة المحيطة به أصغر من مجموع أبعاد هذه الرؤوس عن أي نقطة أخرى في الفضاء.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لتكن الرؤوس \(A_1,A_2,A_3,A_4\)، ومركز الكرة المحيطة \(O\)، ونصف قطرها \(R>0\)، والطول المشترك للأحرف \(a\). نتخذ \(O\) مبدأً ونضع \[ \mathbf v_i=\overrightarrow{OA_i}. \]
نثبت أولًا أن \[ \mathbf v_1+\mathbf v_2+\mathbf v_3+\mathbf v_4=\mathbf0. \] فبالفعل، لدينا \(\|\mathbf v_i\|=R\)، ولكل \(i\ne j\)، \[ a^2=\|\mathbf v_i-\mathbf v_j\|^2 =2R^2-2\mathbf v_i\cdot\mathbf v_j, \] ومن ثم \(\mathbf v_i\cdot\mathbf v_j=R^2-a^2/2\). لذلك، إذا كتبنا \(\mathbf s=\sum_{i=1}^4\mathbf v_i\)، فإن \[ \mathbf s\cdot\mathbf v_i =R^2+3\left(R^2-\frac{a^2}{2}\right) \] لكل \(i\). إذن \(\mathbf s\) عمودي على كلٍّ من \(\mathbf v_1-\mathbf v_4,\mathbf v_2-\mathbf v_4,\mathbf v_3-\mathbf v_4\). وهذه المتجهات تولّد الفضاء لأن رؤوس رباعي الوجوه لا تقع في مستوى واحد. لذا \(\mathbf s=\mathbf0\).
لتكن الآن \(P\) أي نقطة في الفضاء، ومتجه موضعها \(\mathbf p\). بحسب متباينة كوشي–شفارتز، \[ R\,PA_i =\|\mathbf v_i\|\,\|\mathbf v_i-\mathbf p\| \ge \mathbf v_i\cdot(\mathbf v_i-\mathbf p) =R^2-\mathbf v_i\cdot\mathbf p. \] بالجمع واستخدام \(\sum_i\mathbf v_i=\mathbf0\)، نحصل على \[ R\sum_{i=1}^4 PA_i\ge 4R^2, \qquad\text{ومن ثم}\qquad \sum_{i=1}^4 PA_i\ge 4R=\sum_{i=1}^4 OA_i. \]
يبقى أن نثبت أن المتباينة صارمة عندما \(P\ne O\). تقتضي المساواة في المجموع تحقق المساواة في كل متباينة من متباينات كوشي–شفارتز، ومن ثم \[ \mathbf v_i-\mathbf p=\lambda_i\mathbf v_i \quad\text{لبعض }\lambda_i\ge0 \] لكل \(i\). وبالتالي، فإن \(\mathbf p\) مضاعف عددي لكل \(\mathbf v_i\). ولو كان \(\mathbf p\ne\mathbf0\)، لوقعت الرؤوس الأربعة كلها على المستقيم المار بـ \(O\) ذي الاتجاه \(\mathbf p\)، وهذا مستحيل. إذن تقتضي المساواة أن يكون \(P=O\).
وعليه، فإن كل نقطة أخرى \(P\) تحقق \[ \boxed{\sum_{i=1}^4 PA_i>\sum_{i=1}^4 OA_i}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).