IMO 1967 · Problem 1
Let \(ABCD\) be a parallelogram with side lengths \(AB = a, AD = 1\), and with \(\angle BAD = \alpha\). If \(\triangle ABD\) is acute, prove that the four circles of radius \(1\) with centers \(A, B, C, D\) cover the parallelogram if and only if \[ a \le \cos \alpha + \sqrt{3}\sin \alpha. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
We interpret coverage by a circle as coverage by its closed disk. Let \(O\) and \(R\) be the circumcenter and circumradius of \(\triangle ABD\). We will prove that the parallelogram is covered exactly when \(R\le 1\).
First, any triangle is covered by the three closed disks of radius equal to its circumradius centered at its vertices. Indeed, let its vertices be \(X_1,X_2,X_3\), its circumcenter be \(Q\), and its circumradius be \(r\). Every point \(P\) in the triangle can be written \[ P=\lambda_1X_1+\lambda_2X_2+\lambda_3X_3, \qquad \lambda_i\ge0,\qquad \lambda_1+\lambda_2+\lambda_3=1. \] Expanding squared distances gives \[ \sum_{i=1}^3\lambda_i PX_i^2 =\sum_{i=1}^3\lambda_i QX_i^2-QP^2 =r^2-QP^2\le r^2. \] Consequently, at least one of the distances \(PX_i\) is at most \(r\).
Thus, if \(R\le1\), the unit disks centered at \(A,B,D\) cover \(\triangle ABD\). The congruent triangle \(BCD\) has the same circumradius, so it is covered by the unit disks centered at \(B,C,D\). Together these triangles constitute the parallelogram, proving sufficiency.
Conversely, suppose that \(R>1\). Since \(\triangle ABD\) is acute, its circumcenter \(O\) lies inside it, hence inside the parallelogram. We have \[ OA=OB=OD=R>1. \] We also show that \(OC>R\). Take \(A\) as the origin and write \[ B=\mathbf b,\qquad D=\mathbf d,\qquad C=\mathbf b+\mathbf d, \qquad O=\mathbf o. \] The equalities \(OA=OB=OD\) imply \[ 2\mathbf o\cdot\mathbf b=|\mathbf b|^2, \qquad 2\mathbf o\cdot\mathbf d=|\mathbf d|^2. \] Therefore \[ \begin{aligned} OC^2 &=|\mathbf o-\mathbf b-\mathbf d|^2\\ &=|\mathbf o|^2+2\mathbf b\cdot\mathbf d\\ &=R^2+2a\cos\alpha >R^2, \end{aligned} \] because \(\alpha\) is acute. Hence none of the four unit disks contains \(O\), so they do not cover the parallelogram. This proves the claimed equivalence with \(R\le1\).
It remains to express that condition in terms of \(a\) and \(\alpha\). By the cosine rule and the extended sine rule, \[ BD^2=a^2+1-2a\cos\alpha, \qquad R=\frac{BD}{2\sin\alpha}. \] Since \(\sin\alpha>0\), \[ \begin{aligned} R\le1 &\iff a^2+1-2a\cos\alpha\le4\sin^2\alpha\\ &\iff (a-\cos\alpha)^2\le3\sin^2\alpha. \end{aligned} \] Moreover, the acute angle at \(B\) gives \[ a-\cos\alpha=BD\cos\angle ABD>0. \] We may therefore take square roots to obtain \[ R\le1 \iff a-\cos\alpha\le\sqrt3\sin\alpha \iff \boxed{a\le\cos\alpha+\sqrt3\sin\alpha}. \] The disks are closed, so the equality case is included.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1967 · Aufgabe 1
Es sei \(ABCD\) ein Parallelogramm mit den Seitenlängen \(AB = a, AD = 1\) und mit \(\angle BAD = \alpha\). Ist \(\triangle ABD\) spitzwinklig, so beweise, dass die vier Kreise mit Radius \(1\) und den Mittelpunkten \(A, B, C, D\) das Parallelogramm genau dann überdecken, wenn \[ a \le \cos \alpha + \sqrt{3}\sin \alpha. \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Unter der Überdeckung durch einen Kreis verstehen wir die Überdeckung durch seine abgeschlossene Kreisscheibe. Es seien \(O\) und \(R\) der Umkreismittelpunkt und der Umkreisradius von \(\triangle ABD\). Wir werden beweisen, dass das Parallelogramm genau dann überdeckt wird, wenn \(R\le 1\).
Zunächst wird jedes Dreieck von den drei abgeschlossenen Kreisscheiben überdeckt, deren Mittelpunkte seine Eckpunkte sind und deren Radien gleich seinem Umkreisradius sind. In der Tat seien seine Eckpunkte \(X_1,X_2,X_3\), sein Umkreismittelpunkt \(Q\) und sein Umkreisradius \(r\). Jeder Punkt \(P\) im Dreieck lässt sich darstellen als \[ P=\lambda_1X_1+\lambda_2X_2+\lambda_3X_3, \qquad \lambda_i\ge0,\qquad \lambda_1+\lambda_2+\lambda_3=1. \] Durch Ausmultiplizieren der quadrierten Abstände erhält man \[ \sum_{i=1}^3\lambda_i PX_i^2 =\sum_{i=1}^3\lambda_i QX_i^2-QP^2 =r^2-QP^2\le r^2. \] Folglich ist mindestens einer der Abstände \(PX_i\) höchstens \(r\).
Ist also \(R\le1\), so überdecken die Einheitskreisscheiben mit den Mittelpunkten \(A,B,D\) das Dreieck \(\triangle ABD\). Das kongruente Dreieck \(BCD\) hat denselben Umkreisradius und wird daher von den Einheitskreisscheiben mit den Mittelpunkten \(B,C,D\) überdeckt. Zusammen bilden diese Dreiecke das Parallelogramm, womit die Hinlänglichkeit bewiesen ist.
Nehmen wir umgekehrt an, dass \(R>1\) gilt. Da \(\triangle ABD\) spitzwinklig ist, liegt sein Umkreismittelpunkt \(O\) in seinem Inneren und somit im Inneren des Parallelogramms. Es gilt \[ OA=OB=OD=R>1. \] Wir zeigen außerdem, dass \(OC>R\) gilt. Wir wählen \(A\) als Ursprung und schreiben \[ B=\mathbf b,\qquad D=\mathbf d,\qquad C=\mathbf b+\mathbf d, \qquad O=\mathbf o. \] Aus den Gleichheiten \(OA=OB=OD\) folgt \[ 2\mathbf o\cdot\mathbf b=|\mathbf b|^2, \qquad 2\mathbf o\cdot\mathbf d=|\mathbf d|^2. \] Daher ist \[ \begin{aligned} OC^2 &=|\mathbf o-\mathbf b-\mathbf d|^2\\ &=|\mathbf o|^2+2\mathbf b\cdot\mathbf d\\ &=R^2+2a\cos\alpha >R^2, \end{aligned} \] weil \(\alpha\) spitz ist. Somit enthält keine der vier Einheitskreisscheiben den Punkt \(O\), sodass sie das Parallelogramm nicht überdecken. Damit ist die behauptete Äquivalenz mit \(R\le1\) bewiesen.
Es bleibt, diese Bedingung durch \(a\) und \(\alpha\) auszudrücken. Nach dem Kosinussatz und dem erweiterten Sinussatz gilt \[ BD^2=a^2+1-2a\cos\alpha, \qquad R=\frac{BD}{2\sin\alpha}. \] Wegen \(\sin\alpha>0\) gilt \[ \begin{aligned} R\le1 &\iff a^2+1-2a\cos\alpha\le4\sin^2\alpha\\ &\iff (a-\cos\alpha)^2\le3\sin^2\alpha. \end{aligned} \] Außerdem folgt aus dem spitzen Winkel bei \(B\), dass \[ a-\cos\alpha=BD\cos\angle ABD>0. \] Wir dürfen daher die Quadratwurzeln ziehen und erhalten \[ R\le1 \iff a-\cos\alpha\le\sqrt3\sin\alpha \iff \boxed{a\le\cos\alpha+\sqrt3\sin\alpha}. \] Die Kreisscheiben sind abgeschlossen, sodass der Gleichheitsfall eingeschlossen ist.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1967 · Soru 1
Kenar uzunlukları \(AB = a, AD = 1\) ve \(\angle BAD = \alpha\) olan bir \(ABCD\) paralelkenarı verilsin. \(\triangle ABD\) dar açılı ise, merkezleri \(A, B, C, D\) noktaları olan \(1\) yarıçaplı dört çemberin paralelkenarı örtmesi için gerek ve yeter koşulun \[ a \le \cos \alpha + \sqrt{3}\sin \alpha \] olduğunu kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Bir çemberin örtmesi ile, çemberin sınırladığı kapalı dairenin örtmesini kastediyoruz. \(\triangle ABD\) üçgeninin çevrel çemberinin merkezi \(O\), yarıçapı ise \(R\) olsun. Paralelkenarın örtülmesi için gerek ve yeter koşulun \(R\le 1\) olduğunu kanıtlayacağız.
Öncelikle, her üçgen, merkezleri köşelerinde bulunan ve yarıçapları çevrel çemberinin yarıçapına eşit olan üç kapalı daire tarafından örtülür. Gerçekten, üçgenin köşeleri \(X_1,X_2,X_3\), çevrel çemberinin merkezi \(Q\) ve yarıçapı \(r\) olsun. Üçgenin içindeki veya üzerindeki her \(P\) noktası \[ P=\lambda_1X_1+\lambda_2X_2+\lambda_3X_3, \qquad \lambda_i\ge0,\qquad \lambda_1+\lambda_2+\lambda_3=1 \] biçiminde yazılabilir. Uzaklıkların karelerini açarsak \[ \sum_{i=1}^3\lambda_i PX_i^2 =\sum_{i=1}^3\lambda_i QX_i^2-QP^2 =r^2-QP^2\le r^2 \] elde ederiz. Dolayısıyla \(PX_i\) uzaklıklarından en az biri en çok \(r\) olur.
Böylece, \(R\le1\) ise, merkezleri \(A,B,D\) olan birim daireler \(\triangle ABD\) üçgenini örter. Buna eş olan \(BCD\) üçgeninin çevrel çemberinin yarıçapı da aynıdır; dolayısıyla bu üçgen de merkezleri \(B,C,D\) olan birim daireler tarafından örtülür. Bu iki üçgen birlikte paralelkenarı oluşturduğundan yeterlilik kanıtlanmış olur.
Tersine, \(R>1\) olduğunu varsayalım. \(\triangle ABD\) dar açılı olduğundan, çevrel çemberinin merkezi \(O\) üçgenin içinde, dolayısıyla paralelkenarın içinde bulunur. \[ OA=OB=OD=R>1. \] Ayrıca \(OC>R\) olduğunu göstereceğiz. \(A\) noktasını başlangıç noktası alıp \[ B=\mathbf b,\qquad D=\mathbf d,\qquad C=\mathbf b+\mathbf d, \qquad O=\mathbf o \] yazalım. \(OA=OB=OD\) eşitliklerinden \[ 2\mathbf o\cdot\mathbf b=|\mathbf b|^2, \qquad 2\mathbf o\cdot\mathbf d=|\mathbf d|^2 \] elde edilir. Bu nedenle \[ \begin{aligned} OC^2 &=|\mathbf o-\mathbf b-\mathbf d|^2\\ &=|\mathbf o|^2+2\mathbf b\cdot\mathbf d\\ &=R^2+2a\cos\alpha >R^2, \end{aligned} \] çünkü \(\alpha\) dar açıdır. Böylece dört birim dairenin hiçbiri \(O\) noktasını içermez; dolayısıyla paralelkenarı örtmezler. Bu, öne sürülen \(R\le1\) koşuluna denkliği kanıtlar.
Geriye bu koşulu \(a\) ve \(\alpha\) cinsinden ifade etmek kalıyor. Kosinüs teoremi ve genişletilmiş sinüs teoremine göre \[ BD^2=a^2+1-2a\cos\alpha, \qquad R=\frac{BD}{2\sin\alpha}. \] \(\sin\alpha>0\) olduğundan, \[ \begin{aligned} R\le1 &\iff a^2+1-2a\cos\alpha\le4\sin^2\alpha\\ &\iff (a-\cos\alpha)^2\le3\sin^2\alpha. \end{aligned} \] Ayrıca, \(B\) köşesindeki açının dar olması \[ a-\cos\alpha=BD\cos\angle ABD>0 \] sonucunu verir. Bu nedenle karekök alarak \[ R\le1 \iff a-\cos\alpha\le\sqrt3\sin\alpha \iff \boxed{a\le\cos\alpha+\sqrt3\sin\alpha} \] elde ederiz. Daireler kapalı olduğundan eşitlik durumu da dahildir.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1967 · Problema 1
Sea \(ABCD\) un paralelogramo cuyos lados tienen longitudes \(AB = a, AD = 1\), y tal que \(\angle BAD = \alpha\). Si \(\triangle ABD\) es acutángulo, demuestre que los cuatro círculos de radio \(1\) con centros en \(A, B, C, D\) cubren el paralelogramo si y solo si \[ a \le \cos \alpha + \sqrt{3}\sin \alpha. \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Interpretamos que un círculo cubre una región cuando su disco cerrado la cubre. Sean \(O\) y \(R\) el circuncentro y el circunradio de \(\triangle ABD\). Demostraremos que el paralelogramo queda cubierto exactamente cuando \(R\le 1\).
En primer lugar, todo triángulo queda cubierto por los tres discos cerrados de radio igual a su circunradio y con centros en sus vértices. En efecto, sean \(X_1,X_2,X_3\) sus vértices, \(Q\) su circuncentro y \(r\) su circunradio. Todo punto \(P\) del triángulo se puede escribir como \[ P=\lambda_1X_1+\lambda_2X_2+\lambda_3X_3, \qquad \lambda_i\ge0,\qquad \lambda_1+\lambda_2+\lambda_3=1. \] Al desarrollar los cuadrados de las distancias se obtiene \[ \sum_{i=1}^3\lambda_i PX_i^2 =\sum_{i=1}^3\lambda_i QX_i^2-QP^2 =r^2-QP^2\le r^2. \] Por consiguiente, al menos una de las distancias \(PX_i\) es menor o igual que \(r\).
Así, si \(R\le1\), los discos de radio uno con centros en \(A,B,D\) cubren \(\triangle ABD\). El triángulo congruente \(BCD\) tiene el mismo circunradio, por lo que queda cubierto por los discos de radio uno con centros en \(B,C,D\). Estos dos triángulos forman el paralelogramo, lo que demuestra la suficiencia.
Recíprocamente, supongamos que \(R>1\). Como \(\triangle ABD\) es acutángulo, su circuncentro \(O\) se encuentra en su interior y, por tanto, en el interior del paralelogramo. Tenemos \[ OA=OB=OD=R>1. \] Demostraremos también que \(OC>R\). Tomemos \(A\) como origen y escribamos \[ B=\mathbf b,\qquad D=\mathbf d,\qquad C=\mathbf b+\mathbf d, \qquad O=\mathbf o. \] Las igualdades \(OA=OB=OD\) implican \[ 2\mathbf o\cdot\mathbf b=|\mathbf b|^2, \qquad 2\mathbf o\cdot\mathbf d=|\mathbf d|^2. \] Por tanto, \[ \begin{aligned} OC^2 &=|\mathbf o-\mathbf b-\mathbf d|^2\\ &=|\mathbf o|^2+2\mathbf b\cdot\mathbf d\\ &=R^2+2a\cos\alpha >R^2, \end{aligned} \] porque \(\alpha\) es agudo. Por ello, ninguno de los cuatro discos de radio uno contiene a \(O\), de modo que no cubren el paralelogramo. Esto demuestra la equivalencia afirmada con \(R\le1\).
Queda expresar esa condición en términos de \(a\) y \(\alpha\). Por el teorema del coseno y el teorema de los senos en su forma ampliada, \[ BD^2=a^2+1-2a\cos\alpha, \qquad R=\frac{BD}{2\sin\alpha}. \] Como \(\sin\alpha>0\), \[ \begin{aligned} R\le1 &\iff a^2+1-2a\cos\alpha\le4\sin^2\alpha\\ &\iff (a-\cos\alpha)^2\le3\sin^2\alpha. \end{aligned} \] Además, el ángulo agudo en \(B\) da \[ a-\cos\alpha=BD\cos\angle ABD>0. \] Por tanto, podemos extraer raíces cuadradas y obtener \[ R\le1 \iff a-\cos\alpha\le\sqrt3\sin\alpha \iff \boxed{a\le\cos\alpha+\sqrt3\sin\alpha}. \] Los discos son cerrados, por lo que se incluye el caso de igualdad.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1967 · 问题 1
设 \(ABCD\) 是一个平行四边形,其边长为 \(AB = a, AD = 1\),且 \(\angle BAD = \alpha\)。若 \(\triangle ABD\) 是锐角三角形,证明:以 \(A, B, C, D\) 为圆心、半径为 \(1\) 的四个圆覆盖该平行四边形,当且仅当 \[ a \le \cos \alpha + \sqrt{3}\sin \alpha. \]
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
这里,圆的覆盖是指其闭圆盘的覆盖。设 \(O\) 和 \(R\) 分别为 \(\triangle ABD\) 的外心和外接圆半径。我们将证明,该平行四边形被覆盖当且仅当 \(R\le 1\)。
首先,任意三角形都能被以其三个顶点为圆心、以其外接圆半径为半径的三个闭圆盘覆盖。事实上,设其顶点为 \(X_1,X_2,X_3\),外心为 \(Q\),外接圆半径为 \(r\)。三角形内的任意一点 \(P\) 均可表示为 \[ P=\lambda_1X_1+\lambda_2X_2+\lambda_3X_3, \qquad \lambda_i\ge0,\qquad \lambda_1+\lambda_2+\lambda_3=1. \] 将距离的平方展开,得 \[ \sum_{i=1}^3\lambda_i PX_i^2 =\sum_{i=1}^3\lambda_i QX_i^2-QP^2 =r^2-QP^2\le r^2. \] 因此,距离 \(PX_i\) 中至少有一个不超过 \(r\)。
于是,若 \(R\le1\),则以 \(A,B,D\) 为圆心的单位圆盘覆盖 \(\triangle ABD\)。与之全等的三角形 \(BCD\) 具有相同的外接圆半径,因此它被以 \(B,C,D\) 为圆心的单位圆盘覆盖。这两个三角形合起来构成该平行四边形,从而证明了充分性。
反之,假设 \(R>1\)。由于 \(\triangle ABD\) 是锐角三角形,其外心 \(O\) 位于三角形内部,因而也位于平行四边形内部。我们有 \[ OA=OB=OD=R>1. \] 我们还要证明 \(OC>R\)。以 \(A\) 为原点,记 \[ B=\mathbf b,\qquad D=\mathbf d,\qquad C=\mathbf b+\mathbf d, \qquad O=\mathbf o. \] 由等式 \(OA=OB=OD\) 可得 \[ 2\mathbf o\cdot\mathbf b=|\mathbf b|^2, \qquad 2\mathbf o\cdot\mathbf d=|\mathbf d|^2. \] 因此 \[ \begin{aligned} OC^2 &=|\mathbf o-\mathbf b-\mathbf d|^2\\ &=|\mathbf o|^2+2\mathbf b\cdot\mathbf d\\ &=R^2+2a\cos\alpha >R^2, \end{aligned} \] 因为 \(\alpha\) 是锐角。因此,这四个单位圆盘都不包含 \(O\),所以它们不能覆盖该平行四边形。这就证明了所述覆盖条件与 \(R\le1\) 等价。
下面只需用 \(a\) 和 \(\alpha\) 表示这一条件。由余弦定理和正弦定理的外接圆形式, \[ BD^2=a^2+1-2a\cos\alpha, \qquad R=\frac{BD}{2\sin\alpha}. \] 由于 \(\sin\alpha>0\), \[ \begin{aligned} R\le1 &\iff a^2+1-2a\cos\alpha\le4\sin^2\alpha\\ &\iff (a-\cos\alpha)^2\le3\sin^2\alpha. \end{aligned} \] 此外,由顶点 \(B\) 处的角为锐角可得 \[ a-\cos\alpha=BD\cos\angle ABD>0. \] 因此可以开平方,得到 \[ R\le1 \iff a-\cos\alpha\le\sqrt3\sin\alpha \iff \boxed{a\le\cos\alpha+\sqrt3\sin\alpha}. \] 这些圆盘都是闭圆盘,因此包含等号成立的情形。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1967 · Задача 1
Пусть \(ABCD\) — параллелограмм со сторонами \(AB = a, AD = 1\) и углом \(\angle BAD = \alpha\). Если \(\triangle ABD\) остроугольный, докажите, что четыре круга радиуса \(1\) с центрами \(A, B, C, D\) покрывают параллелограмм тогда и только тогда, когда \[ a \le \cos \alpha + \sqrt{3}\sin \alpha. \]
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Под покрытием окружностью будем понимать покрытие ограниченным ею замкнутым кругом. Пусть \(O\) и \(R\) — центр и радиус описанной окружности \(\triangle ABD\). Докажем, что параллелограмм покрыт тогда и только тогда, когда \(R\le 1\).
Прежде всего, любой треугольник покрывается тремя замкнутыми кругами с центрами в его вершинах и радиусами, равными радиусу его описанной окружности. Действительно, пусть его вершины — \(X_1,X_2,X_3\), центр описанной окружности — \(Q\), а её радиус — \(r\). Любую точку \(P\) треугольника можно представить в виде \[ P=\lambda_1X_1+\lambda_2X_2+\lambda_3X_3, \qquad \lambda_i\ge0,\qquad \lambda_1+\lambda_2+\lambda_3=1. \] Раскрывая квадраты расстояний, получаем \[ \sum_{i=1}^3\lambda_i PX_i^2 =\sum_{i=1}^3\lambda_i QX_i^2-QP^2 =r^2-QP^2\le r^2. \] Следовательно, хотя бы одно из расстояний \(PX_i\) не превосходит \(r\).
Таким образом, если \(R\le1\), то единичные круги с центрами \(A,B,D\) покрывают \(\triangle ABD\). Равный ему треугольник \(BCD\) имеет такой же радиус описанной окружности, поэтому он покрывается единичными кругами с центрами \(B,C,D\). Вместе эти треугольники составляют параллелограмм, что доказывает достаточность.
Обратно, предположим, что \(R>1\). Поскольку \(\triangle ABD\) остроугольный, центр его описанной окружности \(O\) лежит внутри него, а значит, и внутри параллелограмма. Имеем \[ OA=OB=OD=R>1. \] Покажем также, что \(OC>R\). Примем \(A\) за начало координат и запишем \[ B=\mathbf b,\qquad D=\mathbf d,\qquad C=\mathbf b+\mathbf d, \qquad O=\mathbf o. \] Из равенств \(OA=OB=OD\) следует \[ 2\mathbf o\cdot\mathbf b=|\mathbf b|^2, \qquad 2\mathbf o\cdot\mathbf d=|\mathbf d|^2. \] Поэтому \[ \begin{aligned} OC^2 &=|\mathbf o-\mathbf b-\mathbf d|^2\\ &=|\mathbf o|^2+2\mathbf b\cdot\mathbf d\\ &=R^2+2a\cos\alpha >R^2, \end{aligned} \] так как угол \(\alpha\) острый. Следовательно, ни один из четырёх единичных кругов не содержит \(O\), поэтому они не покрывают параллелограмм. Тем самым доказана заявленная равносильность условию \(R\le1\).
Остаётся выразить это условие через \(a\) и \(\alpha\). По теореме косинусов и теореме синусов, \[ BD^2=a^2+1-2a\cos\alpha, \qquad R=\frac{BD}{2\sin\alpha}. \] Поскольку \(\sin\alpha>0\), \[ \begin{aligned} R\le1 &\iff a^2+1-2a\cos\alpha\le4\sin^2\alpha\\ &\iff (a-\cos\alpha)^2\le3\sin^2\alpha. \end{aligned} \] Кроме того, из того, что угол при \(B\) острый, получаем \[ a-\cos\alpha=BD\cos\angle ABD>0. \] Поэтому можно извлечь квадратные корни и получить \[ R\le1 \iff a-\cos\alpha\le\sqrt3\sin\alpha \iff \boxed{a\le\cos\alpha+\sqrt3\sin\alpha}. \] Круги замкнуты, поэтому случай равенства также включён.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1967 · المسألة 1
ليكن \(ABCD\) متوازي أضلاع طولا ضلعيه \(AB = a, AD = 1\)، وفيه \(\angle BAD = \alpha\). إذا كان \(\triangle ABD\) حاد الزوايا، فأثبت أن الدوائر الأربع التي نصف قطر كل منها \(1\) ومراكزها \(A, B, C, D\) تغطي متوازي الأضلاع إذا وفقط إذا كان \[ a \le \cos \alpha + \sqrt{3}\sin \alpha. \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نقصد بتغطية الدائرة تغطية قرصها المغلق. ليكن \(O\) مركز الدائرة المحيطة بالمثلث \(\triangle ABD\)، وليكن \(R\) نصف قطرها. سنثبت أن متوازي الأضلاع يُغطّى إذا وفقط إذا كان \(R\le 1\).
أولًا، كل مثلث تغطيه الأقراص المغلقة الثلاثة التي مراكزها رؤوسه ونصف قطر كل منها يساوي نصف قطر دائرته المحيطة. بالفعل، لتكن رؤوسه \(X_1,X_2,X_3\)، ومركز دائرته المحيطة \(Q\)، ونصف قطرها \(r\). يمكن كتابة كل نقطة \(P\) في المثلث على الصورة \[ P=\lambda_1X_1+\lambda_2X_2+\lambda_3X_3, \qquad \lambda_i\ge0,\qquad \lambda_1+\lambda_2+\lambda_3=1. \] بنشر مربعات المسافات نحصل على \[ \sum_{i=1}^3\lambda_i PX_i^2 =\sum_{i=1}^3\lambda_i QX_i^2-QP^2 =r^2-QP^2\le r^2. \] ومن ثم فإن واحدة على الأقل من المسافات \(PX_i\) لا تتجاوز \(r\).
إذن، إذا كان \(R\le1\)، فإن أقراص الوحدة ذات المراكز \(A,B,D\) تغطي \(\triangle ABD\). وللمثلث \(BCD\) المطابق له نصف قطر الدائرة المحيطة نفسه، ولذلك تغطيه أقراص الوحدة ذات المراكز \(B,C,D\). ويشكّل هذان المثلثان معًا متوازي الأضلاع، وهذا يثبت كفاية الشرط.
وعكسًا، لنفترض أن \(R>1\). بما أن \(\triangle ABD\) حاد الزوايا، فإن مركز دائرته المحيطة \(O\) يقع داخله، ومن ثم داخل متوازي الأضلاع. لدينا \[ OA=OB=OD=R>1. \] ونثبت أيضًا أن \(OC>R\). نتخذ \(A\) مبدأً للإحداثيات ونكتب \[ B=\mathbf b,\qquad D=\mathbf d,\qquad C=\mathbf b+\mathbf d, \qquad O=\mathbf o. \] تستلزم المساويات \(OA=OB=OD\) أن \[ 2\mathbf o\cdot\mathbf b=|\mathbf b|^2, \qquad 2\mathbf o\cdot\mathbf d=|\mathbf d|^2. \] وعليه \[ \begin{aligned} OC^2 &=|\mathbf o-\mathbf b-\mathbf d|^2\\ &=|\mathbf o|^2+2\mathbf b\cdot\mathbf d\\ &=R^2+2a\cos\alpha >R^2, \end{aligned} \] لأن \(\alpha\) حادة. ومن ثم لا يحتوي أيٌّ من أقراص الوحدة الأربعة على \(O\)، فلا تغطي متوازي الأضلاع. وهذا يثبت التكافؤ المطلوب مع الشرط \(R\le1\).
يبقى أن نعبّر عن هذا الشرط بدلالة \(a\) و\(\alpha\). من قانون جيب التمام وقانون الجيوب الموسّع، \[ BD^2=a^2+1-2a\cos\alpha, \qquad R=\frac{BD}{2\sin\alpha}. \] وبما أن \(\sin\alpha>0\)، فإن \[ \begin{aligned} R\le1 &\iff a^2+1-2a\cos\alpha\le4\sin^2\alpha\\ &\iff (a-\cos\alpha)^2\le3\sin^2\alpha. \end{aligned} \] وفضلًا عن ذلك، فإن كون الزاوية عند \(B\) حادة يعطي \[ a-\cos\alpha=BD\cos\angle ABD>0. \] لذلك يمكننا أخذ الجذور التربيعية لنحصل على \[ R\le1 \iff a-\cos\alpha\le\sqrt3\sin\alpha \iff \boxed{a\le\cos\alpha+\sqrt3\sin\alpha}. \] والأقراص مغلقة، لذا فإن حالة المساواة مشمولة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).