IMO 1969 · Problem 4
A semicircular arc \(\gamma\) is drawn on \(AB\) as diameter. \(C\) is a point on \(\gamma\) other than \(A\) and \(B\), and \(D\) is the foot of the perpendicular from \(C\) to \(AB\). We consider three circles, \(\gamma_1,\gamma_2,\gamma_3\), all tangent to the line \(AB\). Of these, \(\gamma_1\) is inscribed in \(\Delta ABC\), while \(\gamma_2\) and \(\gamma_3\) are both tangent to \(CD\) and to \(\gamma\), one on each side of \(CD\). Prove that \(\gamma_1,\gamma_2\) and \(\gamma_3\) have a second tangent in common.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
We shall prove that the three centres are collinear. Reflection of \(AB\) across their line of centres will then give the required tangent.
By scaling and choosing coordinates, take \[ A=(0,0),\qquad B=(1,0), \] with \(\gamma\) above the \(x\)-axis. Put \(a=AC\) and \(b=BC\). Since \(\angle ACB=90^\circ\), the standard altitude relations give \[ a^2+b^2=1,\qquad C=(a^2,ab),\qquad D=(a^2,0). \] In particular, \(0<a,b<1\) and \(a+b>1\).
Let \(I_i\) and \(r_i\) denote the centre and radius of \(\gamma_i\). Comparing the area of \(ABC\) with its inradius times its semiperimeter gives \[ r_1=\frac{ab}{1+a+b}=\frac{a+b-1}{2}. \] Equal tangent lengths from the vertices show that the point where \(\gamma_1\) touches \(AB\) has distance \((1+a-b)/2\) from \(A\). Consequently, \[ I_1=\left(\frac{1+a-b}{2},\frac{a+b-1}{2}\right). \]
Relabel the auxiliary circles, if necessary, so that \(\gamma_2\) lies to the left of \(CD\). Their tangencies to \(AB\) and the segment \(CD\) imply \[ I_2=(a^2-r_2,r_2),\qquad I_3=(a^2+r_3,r_3),\qquad 0<r_2,r_3\le ab. \]
Let \(\Gamma\) be the full circle containing \(\gamma\); its centre is \(O=(1/2,0)\) and its radius is \(1/2\). We first check that its tangencies with the auxiliary circles are internal. External tangency with \(\gamma_2\) would give \[ \left(a^2-r_2-\frac12\right)^2+r_2^2 =\left(\frac12+r_2\right)^2. \] This simplifies to \[ (r_2-a^2)^2=a^2. \] Its only positive solution is \(r_2=a^2+a>ab\), a contradiction. Similarly, external tangency with \(\gamma_3\) would force \(r_3=b^2+b>ab\). Thus both tangencies are internal.
It follows that \[ \left(a^2-r_2-\frac12\right)^2+r_2^2 =\left(\frac12-r_2\right)^2, \] which, using \(a^2+b^2=1\), simplifies to \[ (r_2+b^2)^2=b^2. \] Hence \(r_2=b-b^2\). Interchanging \(A\) and \(B\) gives \(r_3=a-a^2\). Therefore \[ I_2=(1-b,b-b^2),\qquad I_3=(a,a-a^2). \] Their midpoint is \[ \frac{I_2+I_3}{2} = \left(\frac{1+a-b}{2}, \frac{a+b-(a^2+b^2)}{2}\right) =I_1. \] Thus all three centres lie on the line \(\ell=I_2I_3\).
Reflection across \(\ell\) fixes each of the three circles, so it sends their common tangent \(AB\) to another common tangent. This reflected line is distinct from \(AB\): the line \(\ell\) is not \(AB\), since the centres have positive heights, and it is not perpendicular to \(AB\), since \[ x(I_3)-x(I_2)=a+b-1>0. \] These are the only two possibilities for a reflection axis that leaves \(AB\) invariant.
The reflected line is therefore the required second common tangent. The argument also includes \(a=b\), when \(\ell\) is horizontal. \(\square\)
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1969 · Aufgabe 4
Über \(AB\) als Durchmesser wird ein Halbkreisbogen \(\gamma\) gezeichnet. \(C\) ist ein von \(A\) und \(B\) verschiedener Punkt auf \(\gamma\), und \(D\) ist der Fußpunkt des Lotes von \(C\) auf \(AB\). Wir betrachten drei Kreise \(\gamma_1,\gamma_2,\gamma_3\), die alle die Gerade \(AB\) berühren. Dabei ist \(\gamma_1\) der Inkreis von \(\Delta ABC\), während \(\gamma_2\) und \(\gamma_3\) beide \(CD\) und \(\gamma\) berühren und auf verschiedenen Seiten von \(CD\) liegen. Man beweise, dass \(\gamma_1,\gamma_2\) und \(\gamma_3\) eine zweite gemeinsame Tangente haben.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir werden beweisen, dass die drei Mittelpunkte auf einer Geraden liegen. Die Spiegelung von \(AB\) an dieser Mittelpunktgeraden liefert dann die gesuchte Tangente.
Durch Skalierung und Wahl der Koordinaten können wir setzen \[ A=(0,0),\qquad B=(1,0), \] wobei \(\gamma\) oberhalb der \(x\)-Achse liegt. Wir setzen \(a=AC\) und \(b=BC\). Wegen \(\angle ACB=90^\circ\) ergeben der Kathetensatz und der Höhensatz \[ a^2+b^2=1,\qquad C=(a^2,ab),\qquad D=(a^2,0). \] Insbesondere gelten \(0<a,b<1\) und \(a+b>1\).
Es seien \(I_i\) und \(r_i\) der Mittelpunkt bzw. der Radius von \(\gamma_i\). Vergleicht man den Flächeninhalt von \(ABC\) mit dem Produkt aus seinem Inkreisradius und seinem halben Umfang, so erhält man \[ r_1=\frac{ab}{1+a+b}=\frac{a+b-1}{2}. \] Aus der Gleichheit der Tangentenabschnitte von den Eckpunkten aus folgt, dass der Berührpunkt von \(\gamma_1\) mit \(AB\) den Abstand \((1+a-b)/2\) von \(A\) hat. Folglich gilt \[ I_1=\left(\frac{1+a-b}{2},\frac{a+b-1}{2}\right). \]
Falls nötig, vertauschen wir die Bezeichnungen der Hilfskreise so, dass \(\gamma_2\) links von \(CD\) liegt. Aus ihren Berührungen mit \(AB\) und der Strecke \(CD\) folgt \[ I_2=(a^2-r_2,r_2),\qquad I_3=(a^2+r_3,r_3),\qquad 0<r_2,r_3\le ab. \]
Es sei \(\Gamma\) der Vollkreis, der \(\gamma\) enthält; sein Mittelpunkt ist \(O=(1/2,0)\), und sein Radius beträgt \(1/2\). Wir prüfen zunächst, dass die Berührungen mit den Hilfskreisen innere Berührungen sind. Eine äußere Berührung mit \(\gamma_2\) würde ergeben \[ \left(a^2-r_2-\frac12\right)^2+r_2^2 =\left(\frac12+r_2\right)^2. \] Dies vereinfacht sich zu \[ (r_2-a^2)^2=a^2. \] Die einzige positive Lösung ist \(r_2=a^2+a>ab\), ein Widerspruch. Ebenso würde eine äußere Berührung mit \(\gamma_3\) die Gleichung \(r_3=b^2+b>ab\) erzwingen. Somit sind beide Berührungen innere Berührungen.
Es folgt \[ \left(a^2-r_2-\frac12\right)^2+r_2^2 =\left(\frac12-r_2\right)^2, \] was sich unter Verwendung von \(a^2+b^2=1\) vereinfacht zu \[ (r_2+b^2)^2=b^2. \] Daher ist \(r_2=b-b^2\). Durch Vertauschen von \(A\) und \(B\) erhält man \(r_3=a-a^2\). Also gilt \[ I_2=(1-b,b-b^2),\qquad I_3=(a,a-a^2). \] Ihr Mittelpunkt ist \[ \frac{I_2+I_3}{2} = \left(\frac{1+a-b}{2}, \frac{a+b-(a^2+b^2)}{2}\right) =I_1. \] Somit liegen alle drei Mittelpunkte auf der Geraden \(\ell=I_2I_3\).
Die Spiegelung an \(\ell\) bildet jeden der drei Kreise auf sich selbst ab und führt daher ihre gemeinsame Tangente \(AB\) in eine weitere gemeinsame Tangente über. Diese gespiegelte Gerade ist von \(AB\) verschieden: Die Gerade \(\ell\) ist nicht \(AB\), da die Mittelpunkte positive Höhen haben, und sie steht nicht senkrecht auf \(AB\), denn \[ x(I_3)-x(I_2)=a+b-1>0. \] Dies sind die einzigen beiden Möglichkeiten für eine Spiegelachse, bei deren Spiegelung \(AB\) auf sich selbst abgebildet wird.
Die gespiegelte Gerade ist daher die gesuchte zweite gemeinsame Tangente. Der Beweis umfasst auch den Fall \(a=b\), in dem \(\ell\) waagerecht ist. \(\square\)
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1969 · Soru 4
Çapı \(AB\) olan bir \(\gamma\) yarım çember yayı çiziliyor. \(C\), \(\gamma\) üzerinde \(A\) ve \(B\)'den farklı bir nokta, \(D\) ise \(C\)'den \(AB\)'ye indirilen dikmenin ayağıdır. Her biri \(AB\) doğrusuna teğet olan \(\gamma_1,\gamma_2,\gamma_3\) çemberlerini ele alalım. Bunlardan \(\gamma_1\), \(\Delta ABC\)'nin iç teğet çemberidir; \(\gamma_2\) ve \(\gamma_3\) ise \(CD\)'nin iki yanında birer tane olmak üzere hem \(CD\)'ye hem de \(\gamma\)'ya teğettir. \(\gamma_1,\gamma_2\) ve \(\gamma_3\)'ün ikinci bir ortak teğeti olduğunu kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Üç merkezin doğrusal olduğunu kanıtlayacağız. Ardından \(AB\)'nin merkezler doğrusuna göre yansıması istenen teğeti verecektir.
Ölçeklendirme yapıp koordinatları seçerek \[ A=(0,0),\qquad B=(1,0), \] ve \(\gamma\)'yı \(x\) ekseninin üstünde alalım. \(a=AC\) ve \(b=BC\) olsun. \(\angle ACB=90^\circ\) olduğundan, bilinen yükseklik bağıntıları \[ a^2+b^2=1,\qquad C=(a^2,ab),\qquad D=(a^2,0) \] sonucunu verir. Özellikle, \(0<a,b<1\) ve \(a+b>1\) olur.
\(\gamma_i\)'nin merkezini ve yarıçapını sırasıyla \(I_i\) ve \(r_i\) ile gösterelim. \(ABC\)'nin alanını, iç teğet çemberinin yarıçapı ile yarı çevresinin çarpımına eşitleyerek \[ r_1=\frac{ab}{1+a+b}=\frac{a+b-1}{2} \] elde ederiz. Köşelerden çizilen teğet parçalarının uzunluklarının eşitliği, \(\gamma_1\)'in \(AB\)'ye değdiği noktanın \(A\)'ya uzaklığının \((1+a-b)/2\) olduğunu gösterir. Dolayısıyla, \[ I_1=\left(\frac{1+a-b}{2},\frac{a+b-1}{2}\right). \]
Gerekirse yardımcı çemberleri yeniden adlandırarak \(\gamma_2\)'nin \(CD\)'nin solunda olmasını sağlayalım. Bu çemberlerin \(AB\)'ye ve \(CD\) doğru parçasına teğet olmalarından \[ I_2=(a^2-r_2,r_2),\qquad I_3=(a^2+r_3,r_3),\qquad 0<r_2,r_3\le ab \] elde edilir.
\(\Gamma\), \(\gamma\)'yı içeren tam çember olsun; merkezi \(O=(1/2,0)\), yarıçapı ise \(1/2\)'dir. Önce bu çember ile yardımcı çemberler arasındaki teğetliklerin içten olduğunu kontrol edelim. \(\gamma_2\) ile dıştan teğetlik \[ \left(a^2-r_2-\frac12\right)^2+r_2^2 =\left(\frac12+r_2\right)^2 \] eşitliğini verirdi. Bu eşitlik sadeleştirilirse \[ (r_2-a^2)^2=a^2 \] olur. Bunun tek pozitif çözümü \(r_2=a^2+a>ab\) olup bu bir çelişkidir. Benzer biçimde, \(\gamma_3\) ile dıştan teğetlik \(r_3=b^2+b>ab\) olmasını gerektirirdi. Dolayısıyla her iki teğetlik de içtendir.
Böylece \[ \left(a^2-r_2-\frac12\right)^2+r_2^2 =\left(\frac12-r_2\right)^2, \] olur; bu eşitlik \(a^2+b^2=1\) kullanılarak sadeleştirilirse \[ (r_2+b^2)^2=b^2 \] elde edilir. Buradan \(r_2=b-b^2\) bulunur. \(A\) ve \(B\)'nin yerlerini değiştirmek \(r_3=a-a^2\) sonucunu verir. Dolayısıyla \[ I_2=(1-b,b-b^2),\qquad I_3=(a,a-a^2). \] Bu noktaların orta noktası \[ \frac{I_2+I_3}{2} = \left(\frac{1+a-b}{2}, \frac{a+b-(a^2+b^2)}{2}\right) =I_1 \] olur. Böylece üç merkez de \(\ell=I_2I_3\) doğrusu üzerindedir.
\(\ell\)'ye göre yansıma, üç çemberin her birini kendisine götürür; dolayısıyla ortak teğetleri \(AB\)'yi başka bir ortak teğete götürür. Yansıma sonucu elde edilen bu doğru \(AB\)'den farklıdır: merkezlerin yükseklikleri pozitif olduğundan \(\ell\) doğrusu \(AB\) değildir; ayrıca \[ x(I_3)-x(I_2)=a+b-1>0 \] olduğundan \(AB\)'ye dik de değildir. \(AB\)'yi kendisine götüren bir yansımanın ekseni için yalnızca bu iki olasılık vardır.
Dolayısıyla yansıma sonucu elde edilen doğru, istenen ikinci ortak teğettir. Bu akıl yürütme, \(\ell\)'nin yatay olduğu \(a=b\) durumunu da kapsar. \(\square\)
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1969 · Problema 4
Se traza un arco de semicircunferencia \(\gamma\) de diámetro \(AB\). Sea \(C\) un punto de \(\gamma\) distinto de \(A\) y \(B\), y sea \(D\) el pie de la perpendicular trazada desde \(C\) a \(AB\). Consideramos tres circunferencias, \(\gamma_1,\gamma_2,\gamma_3\), todas tangentes a la recta \(AB\). De ellas, \(\gamma_1\) está inscrita en \(\Delta ABC\), mientras que \(\gamma_2\) y \(\gamma_3\) son ambas tangentes a \(CD\) y a \(\gamma\), una a cada lado de \(CD\). Demuestre que \(\gamma_1,\gamma_2\) y \(\gamma_3\) tienen una segunda tangente común.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Demostraremos que los tres centros están alineados. La reflexión de \(AB\) respecto de la recta que contiene sus centros dará entonces la tangente requerida.
Mediante un cambio de escala y una elección de coordenadas, tomamos \[ A=(0,0),\qquad B=(1,0), \] con \(\gamma\) por encima del eje \(x\). Sean \(a=AC\) y \(b=BC\). Como \(\angle ACB=90^\circ\), las relaciones métricas habituales relativas a la altura dan \[ a^2+b^2=1,\qquad C=(a^2,ab),\qquad D=(a^2,0). \] En particular, \(0<a,b<1\) y \(a+b>1\).
Sean \(I_i\) y \(r_i\) el centro y el radio de \(\gamma_i\). Al comparar el área de \(ABC\) con el producto de su inradio por su semiperímetro, obtenemos \[ r_1=\frac{ab}{1+a+b}=\frac{a+b-1}{2}. \] La igualdad de las longitudes de los segmentos tangentes trazados desde los vértices muestra que el punto donde \(\gamma_1\) toca \(AB\) se encuentra a distancia \((1+a-b)/2\) de \(A\). En consecuencia, \[ I_1=\left(\frac{1+a-b}{2},\frac{a+b-1}{2}\right). \]
Si es necesario, intercambiamos las denominaciones de las circunferencias auxiliares para que \(\gamma_2\) quede a la izquierda de \(CD\). Sus tangencias con \(AB\) y con el segmento \(CD\) implican \[ I_2=(a^2-r_2,r_2),\qquad I_3=(a^2+r_3,r_3),\qquad 0<r_2,r_3\le ab. \]
Sea \(\Gamma\) la circunferencia completa que contiene a \(\gamma\); su centro es \(O=(1/2,0)\) y su radio es \(1/2\). Primero comprobamos que sus tangencias con las circunferencias auxiliares son interiores. Una tangencia exterior con \(\gamma_2\) daría \[ \left(a^2-r_2-\frac12\right)^2+r_2^2 =\left(\frac12+r_2\right)^2. \] Esto se simplifica a \[ (r_2-a^2)^2=a^2. \] Su única solución positiva es \(r_2=a^2+a>ab\), lo cual es una contradicción. Análogamente, una tangencia exterior con \(\gamma_3\) obligaría a que \(r_3=b^2+b>ab\). Por tanto, ambas tangencias son interiores.
Se deduce que \[ \left(a^2-r_2-\frac12\right)^2+r_2^2 =\left(\frac12-r_2\right)^2, \] lo cual, utilizando \(a^2+b^2=1\), se simplifica a \[ (r_2+b^2)^2=b^2. \] Así, \(r_2=b-b^2\). Intercambiando \(A\) y \(B\), se obtiene \(r_3=a-a^2\). Por tanto, \[ I_2=(1-b,b-b^2),\qquad I_3=(a,a-a^2). \] Su punto medio es \[ \frac{I_2+I_3}{2} = \left(\frac{1+a-b}{2}, \frac{a+b-(a^2+b^2)}{2}\right) =I_1. \] Por tanto, los tres centros están en la recta \(\ell=I_2I_3\).
La reflexión respecto de \(\ell\) deja invariante cada una de las tres circunferencias, por lo que transforma su tangente común \(AB\) en otra tangente común. Esta recta reflejada es distinta de \(AB\): la recta \(\ell\) no es \(AB\), pues los centros tienen alturas positivas, y tampoco es perpendicular a \(AB\), ya que \[ x(I_3)-x(I_2)=a+b-1>0. \] Estas son las dos únicas posibilidades para un eje de reflexión que deje invariante \(AB\).
La recta reflejada es, por tanto, la segunda tangente común requerida. El argumento también incluye \(a=b\), caso en el que \(\ell\) es horizontal. \(\square\)
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1969 · 问题 4
以 \(AB\) 为直径作半圆弧 \(\gamma\)。\(C\) 是 \(\gamma\) 上异于 \(A\) 和 \(B\) 的一点,\(D\) 是从 \(C\) 向 \(AB\) 所作垂线的垂足。考虑三个均与直线 \(AB\) 相切的圆 \(\gamma_1,\gamma_2,\gamma_3\)。其中,\(\gamma_1\) 是 \(\Delta ABC\) 的内切圆,而 \(\gamma_2\) 和 \(\gamma_3\) 都与 \(CD\) 及 \(\gamma\) 相切,且分别位于 \(CD\) 的两侧。证明:\(\gamma_1,\gamma_2\) 和 \(\gamma_3\) 还有第二条公切线。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
我们将证明三个圆心共线。将 \(AB\) 关于圆心所在的直线作轴对称,所得直线便是所要求的切线。
通过缩放并选取坐标,可设 \[ A=(0,0),\qquad B=(1,0), \] 且 \(\gamma\) 位于 \(x\) 轴上方。令 \(a=AC\)、\(b=BC\)。由于 \(\angle ACB=90^\circ\),由直角三角形的射影定理可得 \[ a^2+b^2=1,\qquad C=(a^2,ab),\qquad D=(a^2,0). \] 特别地,\(0<a,b<1\) 且 \(a+b>1\)。
用 \(I_i\) 和 \(r_i\) 分别表示 \(\gamma_i\) 的圆心和半径。将 \(ABC\) 的面积与其内切圆半径和半周长的乘积相比较,得 \[ r_1=\frac{ab}{1+a+b}=\frac{a+b-1}{2}. \] 由同一顶点引出的两条切线段等长可知,\(\gamma_1\) 与 \(AB\) 的切点到 \(A\) 的距离为 \((1+a-b)/2\)。因此, \[ I_1=\left(\frac{1+a-b}{2},\frac{a+b-1}{2}\right). \]
必要时交换两个辅助圆的标号,使 \(\gamma_2\) 位于 \(CD\) 左侧。由它们与 \(AB\) 及线段 \(CD\) 相切可知 \[ I_2=(a^2-r_2,r_2),\qquad I_3=(a^2+r_3,r_3),\qquad 0<r_2,r_3\le ab. \]
设 \(\Gamma\) 为包含 \(\gamma\) 的整圆;其圆心为 \(O=(1/2,0)\),半径为 \(1/2\)。先验证它与两个辅助圆均为内切。若它与 \(\gamma_2\) 外切,则有 \[ \left(a^2-r_2-\frac12\right)^2+r_2^2 =\left(\frac12+r_2\right)^2. \] 化简得 \[ (r_2-a^2)^2=a^2. \] 其唯一的正解为 \(r_2=a^2+a>ab\),矛盾。同样,若它与 \(\gamma_3\) 外切,则必有 \(r_3=b^2+b>ab\)。因此,两处相切均为内切。
于是 \[ \left(a^2-r_2-\frac12\right)^2+r_2^2 =\left(\frac12-r_2\right)^2, \] 利用 \(a^2+b^2=1\),化简得 \[ (r_2+b^2)^2=b^2. \] 故 \(r_2=b-b^2\)。交换 \(A\) 和 \(B\),可得 \(r_3=a-a^2\)。因此 \[ I_2=(1-b,b-b^2),\qquad I_3=(a,a-a^2). \] 它们的中点为 \[ \frac{I_2+I_3}{2} = \left(\frac{1+a-b}{2}, \frac{a+b-(a^2+b^2)}{2}\right) =I_1. \] 因此,三个圆心都在直线 \(\ell=I_2I_3\) 上。
关于 \(\ell\) 的轴对称变换使这三个圆各自保持不变,因此将它们的公切线 \(AB\) 映为另一条公切线。所得直线与 \(AB\) 不同:由于圆心的纵坐标均为正,直线 \(\ell\) 不是 \(AB\);它也不垂直于 \(AB\),因为 \[ x(I_3)-x(I_2)=a+b-1>0. \] 而这正是使 \(AB\) 在轴对称变换下保持不变的对称轴仅有的两种可能。
因此,对称所得的直线就是所要求的第二条公切线。上述论证也包括 \(a=b\) 的情形,此时 \(\ell\) 是水平直线。\(\square\)
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1969 · Задача 4
На \(AB\) как на диаметре построена полуокружность \(\gamma\). Точка \(C\) лежит на \(\gamma\) и отлична от \(A\) и \(B\), а \(D\) — основание перпендикуляра, опущенного из \(C\) на \(AB\). Рассмотрим три окружности \(\gamma_1,\gamma_2,\gamma_3\), каждая из которых касается прямой \(AB\). При этом \(\gamma_1\) вписана в \(\Delta ABC\), а \(\gamma_2\) и \(\gamma_3\) касаются \(CD\) и \(\gamma\) и лежат по разные стороны от \(CD\). Докажите, что \(\gamma_1,\gamma_2\) и \(\gamma_3\) имеют вторую общую касательную.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Докажем, что центры трёх окружностей лежат на одной прямой. Тогда отражение \(AB\) относительно прямой центров даст требуемую касательную.
Выбрав масштаб и систему координат, положим \[ A=(0,0),\qquad B=(1,0), \] причём \(\gamma\) расположена выше оси \(x\). Положим \(a=AC\) и \(b=BC\). Поскольку \(\angle ACB=90^\circ\), стандартные соотношения для высоты прямоугольного треугольника дают \[ a^2+b^2=1,\qquad C=(a^2,ab),\qquad D=(a^2,0). \] В частности, \(0<a,b<1\) и \(a+b>1\).
Обозначим через \(I_i\) и \(r_i\) центр и радиус \(\gamma_i\). Приравнивая площадь \(ABC\) произведению радиуса вписанной окружности на полупериметр, получаем \[ r_1=\frac{ab}{1+a+b}=\frac{a+b-1}{2}. \] Из равенства отрезков касательных, проведённых из вершин, следует, что точка касания \(\gamma_1\) с \(AB\) находится на расстоянии \((1+a-b)/2\) от \(A\). Следовательно, \[ I_1=\left(\frac{1+a-b}{2},\frac{a+b-1}{2}\right). \]
При необходимости поменяем обозначения вспомогательных окружностей так, чтобы \(\gamma_2\) лежала слева от \(CD\). Из их касания с \(AB\) и отрезком \(CD\) следует \[ I_2=(a^2-r_2,r_2),\qquad I_3=(a^2+r_3,r_3),\qquad 0<r_2,r_3\le ab. \]
Пусть \(\Gamma\) — полная окружность, содержащая \(\gamma\); её центр — \(O=(1/2,0)\), а радиус равен \(1/2\). Сначала проверим, что её касания со вспомогательными окружностями внутренние. Внешнее касание с \(\gamma_2\) дало бы \[ \left(a^2-r_2-\frac12\right)^2+r_2^2 =\left(\frac12+r_2\right)^2. \] После упрощения получаем \[ (r_2-a^2)^2=a^2. \] Единственное положительное решение этого уравнения — \(r_2=a^2+a>ab\), что приводит к противоречию. Аналогично, из внешнего касания с \(\gamma_3\) следовало бы \(r_3=b^2+b>ab\). Таким образом, оба касания внутренние.
Отсюда следует, что \[ \left(a^2-r_2-\frac12\right)^2+r_2^2 =\left(\frac12-r_2\right)^2, \] что с учётом \(a^2+b^2=1\) упрощается до \[ (r_2+b^2)^2=b^2. \] Следовательно, \(r_2=b-b^2\). Меняя местами \(A\) и \(B\), получаем \(r_3=a-a^2\). Поэтому \[ I_2=(1-b,b-b^2),\qquad I_3=(a,a-a^2). \] Середина соединяющего их отрезка есть \[ \frac{I_2+I_3}{2} = \left(\frac{1+a-b}{2}, \frac{a+b-(a^2+b^2)}{2}\right) =I_1. \] Таким образом, все три центра лежат на прямой \(\ell=I_2I_3\).
Отражение относительно \(\ell\) переводит каждую из трёх окружностей в себя, поэтому оно переводит их общую касательную \(AB\) в другую общую касательную. Полученная прямая отлична от \(AB\): прямая \(\ell\) не совпадает с \(AB\), поскольку ординаты центров положительны, и не перпендикулярна \(AB\), поскольку \[ x(I_3)-x(I_2)=a+b-1>0. \] Это единственные два возможных положения оси отражения, при котором \(AB\) переходит в себя.
Следовательно, отражённая прямая и есть требуемая вторая общая касательная. Рассуждение охватывает и случай \(a=b\), когда \(\ell\) горизонтальна. \(\square\)
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1969 · المسألة 4
رُسم قوس نصف دائري \(\gamma\) قطره \(AB\). ولتكن \(C\) نقطة على \(\gamma\) غير \(A\) و\(B\)، ولتكن \(D\) قدم العمود النازل من \(C\) على \(AB\). نعتبر ثلاث دوائر \(\gamma_1,\gamma_2,\gamma_3\)، كلها مماسة للمستقيم \(AB\). من بينها، الدائرة \(\gamma_1\) هي الدائرة الداخلية للمثلث \(\Delta ABC\)، أما \(\gamma_2\) و\(\gamma_3\) فكلتاهما مماسة لـ\(CD\) وللقوس \(\gamma\)، وتقعان على جانبي \(CD\)، واحدة على كل جانب. أثبت أن للدوائر \(\gamma_1,\gamma_2\) و\(\gamma_3\) مماسًا مشتركًا ثانيًا.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
سنثبت أن المراكز الثلاثة تقع على استقامة واحدة. وعندئذ يعطي انعكاس \(AB\) حول مستقيم مراكزها المماس المطلوب.
بتغيير المقياس واختيار الإحداثيات، نأخذ \[ A=(0,0),\qquad B=(1,0), \] بحيث يقع \(\gamma\) فوق محور \(x\). نضع \(a=AC\) و\(b=BC\). بما أن \(\angle ACB=90^\circ\)، فإن علاقات الارتفاع المعروفة تعطي \[ a^2+b^2=1,\qquad C=(a^2,ab),\qquad D=(a^2,0). \] وعلى وجه الخصوص، \(0<a,b<1\) و\(a+b>1\).
لنرمز بـ\(I_i\) و\(r_i\) إلى مركز \(\gamma_i\) ونصف قطرها. بمقارنة مساحة \(ABC\) بحاصل ضرب نصف قطر دائرته الداخلية في نصف محيطه، نحصل على \[ r_1=\frac{ab}{1+a+b}=\frac{a+b-1}{2}. \] من تساوي طولي المماسين المرسومين من كل رأس، نجد أن نقطة تماس \(\gamma_1\) مع \(AB\) تبعد مسافة \((1+a-b)/2\) عن \(A\). ومن ثم \[ I_1=\left(\frac{1+a-b}{2},\frac{a+b-1}{2}\right). \]
نبدّل تسميتي الدائرتين المساعدتين، عند الحاجة، بحيث تقع \(\gamma_2\) إلى يسار \(CD\). ومن تماسّهما مع \(AB\) والقطعة \(CD\) ينتج \[ I_2=(a^2-r_2,r_2),\qquad I_3=(a^2+r_3,r_3),\qquad 0<r_2,r_3\le ab. \]
لتكن \(\Gamma\) الدائرة الكاملة التي تحتوي على \(\gamma\)؛ مركزها هو \(O=(1/2,0)\) ونصف قطرها \(1/2\). نتحقق أولًا من أن تماسّها مع كل من الدائرتين المساعدتين داخلي. فلو كان التماس مع \(\gamma_2\) خارجيًا لكان \[ \left(a^2-r_2-\frac12\right)^2+r_2^2 =\left(\frac12+r_2\right)^2. \] وبالتبسيط نحصل على \[ (r_2-a^2)^2=a^2. \] حلها الموجب الوحيد هو \(r_2=a^2+a>ab\)، وهذا تناقض. وبالمثل، فإن التماس الخارجي مع \(\gamma_3\) يستلزم \(r_3=b^2+b>ab\). إذن كلا التماسين داخلي.
ويترتب على ذلك أن \[ \left(a^2-r_2-\frac12\right)^2+r_2^2 =\left(\frac12-r_2\right)^2, \] وبالتبسيط، باستخدام \(a^2+b^2=1\)، نحصل على \[ (r_2+b^2)^2=b^2. \] ومن ثم \(r_2=b-b^2\). وبتبادل \(A\) و\(B\) نحصل على \(r_3=a-a^2\). وعليه \[ I_2=(1-b,b-b^2),\qquad I_3=(a,a-a^2). \] ومنتصف القطعة الواصلة بينهما هو \[ \frac{I_2+I_3}{2} = \left(\frac{1+a-b}{2}, \frac{a+b-(a^2+b^2)}{2}\right) =I_1. \] إذن تقع المراكز الثلاثة جميعها على المستقيم \(\ell=I_2I_3\).
الانعكاس حول \(\ell\) يُبقي كلًا من الدوائر الثلاث على حالها، ولذلك يحوِّل مماسها المشترك \(AB\) إلى مماس مشترك آخر. وهذا المستقيم المنعكس مختلف عن \(AB\): فالمستقيم \(\ell\) ليس هو \(AB\)، لأن ارتفاعات المراكز موجبة، كما أنه ليس عموديًا على \(AB\)، إذ إن \[ x(I_3)-x(I_2)=a+b-1>0. \] وهذان هما الاحتمالان الوحيدان لمحور انعكاس يُبقي \(AB\) على حاله.
إذن المستقيم المنعكس هو المماس المشترك الثاني المطلوب. وتشمل الحجة أيضًا الحالة \(a=b\)، التي يكون فيها \(\ell\) أفقيًا. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).