IMO 1971 · Problem 4
All the faces of tetrahedron \(ABCD\) are acute-angled triangles. We consider all closed polygonal paths of the form \(XYZTX\) defined as follows: \(X\) is a point on edge \(AB\) distinct from \(A\) and \(B\); similarly, \(Y,Z,T\) are interior points of edges \(BCCD,DA\), respectively. Prove:
(a) If \(\angle DAB+\angle BCD\ne\angle CDA+\angle ABC\), then among the polygonal paths, there is none of minimal length.
(b) If \(\angle DAB+\angle BCD=\angle CDA+\angle ABC\), then there are infinitely many shortest polygonal paths, their common length being \(2AC\sin(\alpha/2)\), where \[ \alpha=\angle BAC+\angle CAD+\angle DAB. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
The successive edges containing \(X,Y,Z,T\) are \(AB,BC,CD,DA\). Write \[ a=\angle DAB,\qquad b=\angle ABC,\qquad c=\angle BCD,\qquad d=\angle CDA. \] All angles of every face lie strictly between \(0\) and \(\pi/2\).
(a) Suppose that a shortest admissible path exists. Each of its vertices can be moved slightly in either direction along its edge.
Keeping \(Y,Z,T\) fixed and differentiating the length with respect to \(AX\), we obtain \[ 0=\frac{d}{d(AX)}(XY+XT) =-\cos\angle BXY+\cos\angle AXT. \] Thus \(\angle BXY=\angle AXT\). Applying the same argument at the other three vertices gives \[ \begin{aligned} \angle BXY&=\angle AXT=u,\\ \angle BYX&=\angle CYZ=v,\\ \angle CZY&=\angle DZT=w,\\ \angle DTZ&=\angle ATX=s. \end{aligned} \] The angle sums in the four triangles \(BXY,CYZ,DZT,ATX\) now give \[ u+v+b=\pi,\quad v+w+c=\pi,\quad w+s+d=\pi,\quad s+u+a=\pi. \] Adding the first and third equations and comparing with the sum of the other two yields \[ b+d=a+c. \] Consequently, if the stated angle sums are unequal, no admissible path can have minimum length.
(b) Assume henceforth that \[ a+c=b+d. \]
Unfold the faces successively into a plane as \[ ABC,\qquad BCD,\qquad CDA',\qquad DA'B', \] placing consecutive triangles on opposite sides of their common edge. Here \(A'\) and \(B'\) are copies of \(A\) and \(B\). Append one further triangle \(A'B'C'\), a copy of \(ABC\), across \(A'B'\).
Choose the orientation so that the first triangle \(ABC\) is clockwise. The successive signed turns between the directed vectors \[ \overrightarrow{AB},\quad \overrightarrow{CB},\quad \overrightarrow{CD},\quad \overrightarrow{A'D},\quad \overrightarrow{A'B'} \] are \(b,-c,d,-a\). Their sum is zero. Therefore \(AB\) and \(A'B'\) have the same direction, and their lengths are equal, so \[ \overrightarrow{A'B'}=\overrightarrow{AB}. \] Both copies of \(ABC\) have the same orientation. Hence the second is a translate of the first: for some vector \(\mathbf v\), \[ A'=A+\mathbf v,\qquad B'=B+\mathbf v,\qquad C'=C+\mathbf v. \]
Put \[ \omega=\angle ACB+\angle BCD+\angle DCA. \] In the unfolding, the rays \(CA,CB,CD,CA'\) turn successively clockwise through a total angle \(\omega\). Moreover, \[ \begin{aligned} \alpha+\omega &=(\angle BAC+\angle ACB) +(\angle CAD+\angle DCA)+a+c\\ &=(\pi-b)+(\pi-d)+a+c\\ &=2\pi. \end{aligned} \] Since \(CA=CA'=AC\) and \(0<\omega<3\pi/2\), the chord formula gives \[ |\mathbf v|=AA' =2AC\sin(\omega/2) =2AC\sin(\alpha/2)>0. \]
Any admissible path unfolds into a polygonal line \(XYZTX'\), where \(X'\) is the corresponding point on \(A'B'\). In particular, \(X'=X+\mathbf v\). Unfolding preserves lengths, so the triangle inequality gives the universal lower bound \[ XY+YZ+ZT+TX \ge XX' =|\mathbf v| =2AC\sin(\alpha/2). \]
It remains to prove that infinitely many admissible paths attain this bound.
We use an elementary planar observation. Suppose the rays \[ OP,\ OQ,\ OR,\ OS \] occur successively clockwise, with the three intervening angles \(p,q,r\) all acute, and suppose \(OP=OS\). Orient the plane so that \(\overrightarrow{PS}\) points horizontally to the right. Then \(Q\) and \(R\) lie strictly above \(O\).
Indeed, because \(OP=OS\), the directions of \(OQ\) and \(OR\), measured counterclockwise from the positive horizontal direction, are \[ \frac{\pi-p+q+r}{2}, \qquad \frac{\pi-p-q+r}{2}. \] Both belong to \((0,\pi)\), since \(p,q,r\) are acute. This proves the observation, including the case \(p+q+r=\pi\).
Now orient our unfolding so that \(\mathbf v\) points horizontally to the right. Apply the observation:
- At \(C\), to the rays \(CA,CB,CD,CA'\). It shows that \(B\) and \(D\) lie strictly above \(C\).
- At \(A'\), to the rays \(A'C,A'D,A'B',A'C'\). It shows that \(D\) and \(B'\) lie strictly above \(A'\).
The required equalities of lengths are \(CA=CA'=AC\) and \(A'C=A'C'=AC\); all intervening angles are face angles and hence acute.
Translation by \(\mathbf v\) preserves height. Thus \(A,A'\) have the same height, as do \(B,B'\). Consequently, every point in \[ \{A,C,A'\} \] lies strictly below every point in \[ \{B,D,B'\}. \] There is therefore a nonempty open horizontal strip between these two sets of vertices.
Every horizontal line in this strip intersects \[ AB,\quad BC,\quad CD,\quad DA',\quad A'B' \] at interior points \(X,Y,Z,T,X'\), respectively. Its intersection with each of the four developed triangles is the segment joining the corresponding two points. Since consecutive triangles lie on opposite sides of their common edge, these four segments concatenate without reversal. They form the straight segment \(XX'\).
Folding the triangles back gives an admissible closed path \(XYZTX\), whose length is \[ XX'=|\mathbf v|=2AC\sin(\alpha/2). \] It therefore attains the lower bound and is shortest.
Finally, the strip contains infinitely many horizontal lines, and distinct lines give distinct points \(X\) on \(AB\), hence distinct paths. This proves (b).
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1971 · Aufgabe 4
Alle Seitenflächen des Tetraeders \(ABCD\) sind spitzwinklige Dreiecke. Wir betrachten alle geschlossenen Streckenzüge der Form \(XYZTX\), die wie folgt definiert sind: \(X\) ist ein von \(A\) und \(B\) verschiedener Punkt auf der Kante \(AB\); entsprechend sind \(Y,Z,T\) innere Punkte der Kanten \(BCCD,DA\) in dieser Reihenfolge. Beweise:
(a) Ist \(\angle DAB+\angle BCD\ne\angle CDA+\angle ABC\), so gibt es unter diesen Streckenzügen keinen von minimaler Länge.
(b) Ist \(\angle DAB+\angle BCD=\angle CDA+\angle ABC\), so gibt es unendlich viele kürzeste Streckenzüge; ihre gemeinsame Länge beträgt \(2AC\sin(\alpha/2)\), wobei \[ \alpha=\angle BAC+\angle CAD+\angle DAB. \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Die aufeinanderfolgenden Kanten, auf denen \(X,Y,Z,T\) liegen, sind \(AB,BC,CD,DA\). Wir schreiben \[ a=\angle DAB,\qquad b=\angle ABC,\qquad c=\angle BCD,\qquad d=\angle CDA. \] Alle Winkel jeder Seitenfläche liegen strikt zwischen \(0\) und \(\pi/2\).
(a) Angenommen, es gibt einen kürzesten zulässigen Streckenzug. Jeder seiner Eckpunkte kann entlang seiner Kante ein wenig in beide Richtungen verschoben werden.
Wir halten \(Y,Z,T\) fest und differenzieren die Länge nach \(AX\); dadurch erhalten wir \[ 0=\frac{d}{d(AX)}(XY+XT) =-\cos\angle BXY+\cos\angle AXT. \] Somit gilt \(\angle BXY=\angle AXT\). Wenden wir dasselbe Argument an den anderen drei Eckpunkten an, so erhalten wir \[ \begin{aligned} \angle BXY&=\angle AXT=u,\\ \angle BYX&=\angle CYZ=v,\\ \angle CZY&=\angle DZT=w,\\ \angle DTZ&=\angle ATX=s. \end{aligned} \] Aus den Winkelsummen in den vier Dreiecken \(BXY,CYZ,DZT,ATX\) folgt nun \[ u+v+b=\pi,\quad v+w+c=\pi,\quad w+s+d=\pi,\quad s+u+a=\pi. \] Addieren wir die erste und die dritte Gleichung und vergleichen das Ergebnis mit der Summe der beiden anderen, so ergibt sich \[ b+d=a+c. \] Sind die angegebenen Winkelsummen also ungleich, so kann kein zulässiger Streckenzug minimale Länge haben.
(b) Wir nehmen von nun an an, dass \[ a+c=b+d. \]
Wir wickeln die Seitenflächen nacheinander in eine Ebene ab als \[ ABC,\qquad BCD,\qquad CDA',\qquad DA'B', \] und legen dabei aufeinanderfolgende Dreiecke auf entgegengesetzte Seiten ihrer gemeinsamen Kante. Hierbei sind \(A'\) und \(B'\) Kopien von \(A\) und \(B\). An \(A'B'\) fügen wir auf der gegenüberliegenden Seite ein weiteres Dreieck \(A'B'C'\) an, eine Kopie von \(ABC\).
Wir wählen die Orientierung so, dass das erste Dreieck \(ABC\) im Uhrzeigersinn orientiert ist. Die aufeinanderfolgenden orientierten Drehwinkel zwischen den gerichteten Vektoren \[ \overrightarrow{AB},\quad \overrightarrow{CB},\quad \overrightarrow{CD},\quad \overrightarrow{A'D},\quad \overrightarrow{A'B'} \] sind \(b,-c,d,-a\). Ihre Summe ist null. Daher haben \(AB\) und \(A'B'\) dieselbe Richtung, und ihre Längen sind gleich, also gilt \[ \overrightarrow{A'B'}=\overrightarrow{AB}. \] Beide Kopien von \(ABC\) haben dieselbe Orientierung. Daher ist die zweite ein verschobenes Bild der ersten: Für einen Vektor \(\mathbf v\) gilt \[ A'=A+\mathbf v,\qquad B'=B+\mathbf v,\qquad C'=C+\mathbf v. \]
Wir setzen \[ \omega=\angle ACB+\angle BCD+\angle DCA. \] In der Abwicklung drehen sich die Strahlen \(CA,CB,CD,CA'\) nacheinander im Uhrzeigersinn um einen Gesamtwinkel von \(\omega\). Außerdem gilt \[ \begin{aligned} \alpha+\omega &=(\angle BAC+\angle ACB) +(\angle CAD+\angle DCA)+a+c\\ &=(\pi-b)+(\pi-d)+a+c\\ &=2\pi. \end{aligned} \] Da \(CA=CA'=AC\) und \(0<\omega<3\pi/2\) gelten, ergibt die Sehnenformel \[ |\mathbf v|=AA' =2AC\sin(\omega/2) =2AC\sin(\alpha/2)>0. \]
Jeder zulässige Streckenzug wird zu einem Streckenzug \(XYZTX'\) abgewickelt, wobei \(X'\) der entsprechende Punkt auf \(A'B'\) ist. Insbesondere gilt \(X'=X+\mathbf v\). Die Abwicklung erhält die Längen, also liefert die Dreiecksungleichung die allgemeine untere Schranke \[ XY+YZ+ZT+TX \ge XX' =|\mathbf v| =2AC\sin(\alpha/2). \]
Es bleibt zu beweisen, dass unendlich viele zulässige Streckenzüge diese Schranke erreichen.
Wir verwenden eine elementare Beobachtung in der Ebene. Angenommen, die Strahlen \[ OP,\ OQ,\ OR,\ OS \] folgen im Uhrzeigersinn aufeinander, wobei die drei dazwischenliegenden Winkel \(p,q,r\) alle spitz sind, und es gelte \(OP=OS\). Wir richten die Ebene so aus, dass \(\overrightarrow{PS}\) waagerecht nach rechts zeigt. Dann liegen \(Q\) und \(R\) strikt oberhalb von \(O\).
Wegen \(OP=OS\) sind nämlich die Richtungswinkel von \(OQ\) und \(OR\), gegen den Uhrzeigersinn von der positiven waagerechten Richtung aus gemessen, \[ \frac{\pi-p+q+r}{2}, \qquad \frac{\pi-p-q+r}{2}. \] Beide gehören zu \((0,\pi)\), da \(p,q,r\) spitz sind. Dies beweist die Beobachtung, einschließlich des Falls \(p+q+r=\pi\).
Nun richten wir unsere Abwicklung so aus, dass \(\mathbf v\) waagerecht nach rechts zeigt. Wir wenden die Beobachtung an:
- Bei \(C\) auf die Strahlen \(CA,CB,CD,CA'\). Sie zeigt, dass \(B\) und \(D\) strikt oberhalb von \(C\) liegen.
- Bei \(A'\) auf die Strahlen \(A'C,A'D,A'B',A'C'\). Sie zeigt, dass \(D\) und \(B'\) strikt oberhalb von \(A'\) liegen.
Die benötigten Längengleichheiten sind \(CA=CA'=AC\) und \(A'C=A'C'=AC\); alle dazwischenliegenden Winkel sind Winkel der Seitenflächen und daher spitz.
Die Verschiebung um \(\mathbf v\) erhält die Höhe. Somit haben \(A,A'\) dieselbe Höhe, ebenso wie \(B,B'\). Folglich liegt jeder Punkt aus \[ \{A,C,A'\} \] strikt unterhalb jedes Punktes aus \[ \{B,D,B'\}. \] Daher gibt es zwischen diesen beiden Mengen von Eckpunkten einen nichtleeren offenen waagerechten Streifen.
Jede waagerechte Gerade in diesem Streifen schneidet \[ AB,\quad BC,\quad CD,\quad DA',\quad A'B' \] in den inneren Punkten \(X,Y,Z,T,X'\) in dieser Reihenfolge. Ihr Schnitt mit jedem der vier abgewickelten Dreiecke ist die Strecke, die die beiden entsprechenden Punkte verbindet. Da aufeinanderfolgende Dreiecke auf entgegengesetzten Seiten ihrer gemeinsamen Kante liegen, schließen diese vier Strecken ohne Richtungsumkehr aneinander an. Sie bilden die gerade Strecke \(XX'\).
Durch Zurückfalten der Dreiecke erhalten wir einen zulässigen geschlossenen Streckenzug \(XYZTX\), dessen Länge \[ XX'=|\mathbf v|=2AC\sin(\alpha/2) \] beträgt. Er erreicht daher die untere Schranke und ist ein kürzester Streckenzug.
Schließlich enthält der Streifen unendlich viele waagerechte Geraden, und verschiedene Geraden liefern verschiedene Punkte \(X\) auf \(AB\), also verschiedene Streckenzüge. Damit ist (b) bewiesen.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1971 · Soru 4
\(ABCD\) dörtyüzlüsünün bütün yüzleri dar açılı üçgenlerdir. Aşağıdaki gibi tanımlanan \(XYZTX\) biçimindeki bütün kapalı kırık çizgileri ele alalım: \(X\), \(AB\) ayrıtı üzerinde \(A\) ve \(B\)'den farklı bir noktadır; benzer biçimde \(Y,Z,T\), sırasıyla \(BCCD,DA\) ayrıtlarının iç noktalarıdır. Aşağıdakileri kanıtlayınız:
(a) \(\angle DAB+\angle BCD\ne\angle CDA+\angle ABC\) ise bu kırık çizgiler arasında en küçük uzunluğa sahip olan yoktur.
(b) \(\angle DAB+\angle BCD=\angle CDA+\angle ABC\) ise en kısa uzunluğa sahip sonsuz sayıda kırık çizgi vardır ve bunların ortak uzunluğu \(2AC\sin(\alpha/2)\)'dir; burada \[ \alpha=\angle BAC+\angle CAD+\angle DAB. \]
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(X,Y,Z,T\) noktalarını sırasıyla içeren ayrıtlar \(AB,BC,CD,DA\)'dır. \[ a=\angle DAB,\qquad b=\angle ABC,\qquad c=\angle BCD,\qquad d=\angle CDA \] olarak tanımlayalım. Her yüzün bütün açıları kesin olarak \(0\) ile \(\pi/2\) arasındadır.
(a) Koşulları sağlayan en kısa kırık çizginin var olduğunu varsayalım. Bu çizginin her köşesi, üzerinde bulunduğu ayrıt boyunca her iki yönde de biraz hareket ettirilebilir.
\(Y,Z,T\)'yi sabit tutup uzunluğun \(AX\)'e göre türevini alırsak \[ 0=\frac{d}{d(AX)}(XY+XT) =-\cos\angle BXY+\cos\angle AXT \] elde ederiz. Dolayısıyla \(\angle BXY=\angle AXT\) olur. Aynı akıl yürütmeyi diğer üç köşede de uygulayarak \[ \begin{aligned} \angle BXY&=\angle AXT=u,\\ \angle BYX&=\angle CYZ=v,\\ \angle CZY&=\angle DZT=w,\\ \angle DTZ&=\angle ATX=s \end{aligned} \] elde ederiz. Şimdi \(BXY,CYZ,DZT,ATX\) üçgenlerinin açı toplamlarından \[ u+v+b=\pi,\quad v+w+c=\pi,\quad w+s+d=\pi,\quad s+u+a=\pi \] elde edilir. Birinci ve üçüncü eşitlikleri toplayıp diğer ikisinin toplamıyla karşılaştırırsak \[ b+d=a+c \] buluruz. Bu nedenle, belirtilen açı toplamları eşit değilse koşulları sağlayan hiçbir kırık çizgi en küçük uzunluğa sahip olamaz.
(b) Bundan sonra \[ a+c=b+d \] olduğunu varsayalım.
Yüzleri sırasıyla \[ ABC,\qquad BCD,\qquad CDA',\qquad DA'B', \] olacak biçimde, ardışık üçgenleri ortak kenarlarının karşı taraflarına yerleştirerek bir düzleme açalım. Burada \(A'\) ve \(B'\), \(A\) ve \(B\)'nin kopyalarıdır. \(A'B'\) kenarının öteki tarafına, \(ABC\)'nin bir kopyası olan \(A'B'C'\) üçgenini de ekleyelim.
Yönlendirmeyi, ilk \(ABC\) üçgeni saat yönünde olacak şekilde seçelim. \[ \overrightarrow{AB},\quad \overrightarrow{CB},\quad \overrightarrow{CD},\quad \overrightarrow{A'D},\quad \overrightarrow{A'B'} \] yönlü vektörleri arasındaki ardışık işaretli dönme açıları \(b,-c,d,-a\)'dır. Bunların toplamı sıfırdır. Dolayısıyla \(AB\) ile \(A'B'\) aynı yöndedir ve uzunlukları eşittir; yani \[ \overrightarrow{A'B'}=\overrightarrow{AB}. \] \(ABC\)'nin iki kopyası da aynı yönlendirmeye sahiptir. Dolayısıyla ikincisi, birincisinin bir ötelenmişidir: bir \(\mathbf v\) vektörü için \[ A'=A+\mathbf v,\qquad B'=B+\mathbf v,\qquad C'=C+\mathbf v. \]
\[ \omega=\angle ACB+\angle BCD+\angle DCA \] olsun. Düzleme açılmış şekilde \(CA,CB,CD,CA'\) ışınları sırasıyla saat yönünde toplam \(\omega\) açısı kadar döner. Ayrıca, \[ \begin{aligned} \alpha+\omega &=(\angle BAC+\angle ACB) +(\angle CAD+\angle DCA)+a+c\\ &=(\pi-b)+(\pi-d)+a+c\\ &=2\pi. \end{aligned} \] \(CA=CA'=AC\) ve \(0<\omega<3\pi/2\) olduğundan, kiriş uzunluğu formülünden \[ |\mathbf v|=AA' =2AC\sin(\omega/2) =2AC\sin(\alpha/2)>0 \] elde edilir.
Koşulları sağlayan her kırık çizgi düzleme açıldığında \(XYZTX'\) kırık çizgisine dönüşür; burada \(X'\), \(A'B'\) üzerinde \(X\)'e karşılık gelen noktadır. Özellikle \(X'=X+\mathbf v\) olur. Düzleme açma uzunlukları koruduğundan, üçgen eşitsizliği bütün bu çizgiler için geçerli olan \[ XY+YZ+ZT+TX \ge XX' =|\mathbf v| =2AC\sin(\alpha/2) \] alt sınırını verir.
Geriye, koşulları sağlayan sonsuz sayıda kırık çizginin bu sınıra ulaştığını kanıtlamak kalır.
Düzlemde basit bir gözlemden yararlanacağız. \[ OP,\ OQ,\ OR,\ OS \] ışınlarının sırasıyla saat yönünde yer aldığını, aralarındaki üç \(p,q,r\) açısının da dar olduğunu ve \(OP=OS\) eşitliğinin sağlandığını varsayalım. Düzlemi, \(\overrightarrow{PS}\) yatay olarak sağa yönelecek biçimde yerleştirelim. O hâlde \(Q\) ve \(R\), \(O\)'nun kesin olarak yukarısındadır.
Gerçekten de \(OP=OS\) olduğundan, \(OQ\) ve \(OR\) ışınlarının pozitif yatay yönden saat yönünün tersine ölçülen yön açıları \[ \frac{\pi-p+q+r}{2}, \qquad \frac{\pi-p-q+r}{2} \] olur. \(p,q,r\) dar açılar olduğundan, bu iki açı da \((0,\pi)\) aralığındadır. Böylece gözlem, \(p+q+r=\pi\) durumu da dâhil olmak üzere kanıtlanmış olur.
Şimdi düzleme açılmış şeklimizi, \(\mathbf v\) yatay olarak sağa yönelecek biçimde yerleştirelim. Gözlemi uygulayalım:
- \(C\)'de, \(CA,CB,CD,CA'\) ışınlarına. Bu, \(B\) ve \(D\)'nin \(C\)'nin kesin olarak yukarısında olduğunu gösterir.
- \(A'\)'de, \(A'C,A'D,A'B',A'C'\) ışınlarına. Bu, \(D\) ve \(B'\)'nin \(A'\)'nün kesin olarak yukarısında olduğunu gösterir.
Gerekli uzunluk eşitlikleri \(CA=CA'=AC\) ve \(A'C=A'C'=AC\)'dir; aradaki bütün açılar yüz açılarıdır ve dolayısıyla dardır.
\(\mathbf v\) ile öteleme yüksekliği korur. Bu nedenle \(A,A'\) aynı yüksekliktedir; \(B,B'\) için de aynı şey geçerlidir. Dolayısıyla \[ \{A,C,A'\} \] kümesindeki her nokta, \[ \{B,D,B'\} \] kümesindeki her noktanın kesin olarak aşağısındadır. Bu nedenle bu iki köşe kümesi arasında boş olmayan açık bir yatay şerit vardır.
Bu şeritteki her yatay doğru, \[ AB,\quad BC,\quad CD,\quad DA',\quad A'B' \] kenarlarını sırasıyla \(X,Y,Z,T,X'\) iç noktalarında keser. Düzleme açılmış dört üçgenin her biriyle kesişimi, karşılık gelen iki noktayı birleştiren doğru parçasıdır. Ardışık üçgenler ortak kenarlarının karşı taraflarında yer aldığından, bu dört doğru parçası yön değiştirmeden uç uca eklenir. Bunlar \(XX'\) doğru parçasını oluşturur.
Üçgenleri geri katladığımızda, koşulları sağlayan ve uzunluğu \[ XX'=|\mathbf v|=2AC\sin(\alpha/2) \] olan bir \(XYZTX\) kapalı kırık çizgisi elde ederiz. Dolayısıyla bu çizgi alt sınıra ulaşır ve en kısadır.
Son olarak, şerit sonsuz sayıda yatay doğru içerir ve farklı doğrular \(AB\) üzerinde farklı \(X\) noktaları, dolayısıyla farklı kırık çizgiler verir. Böylece (b) kanıtlanmış olur.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1971 · Problema 4
Todas las caras del tetraedro \(ABCD\) son triángulos acutángulos. Consideramos todos los caminos poligonales cerrados de la forma \(XYZTX\) definidos del siguiente modo: \(X\) es un punto de la arista \(AB\) distinto de \(A\) y \(B\); análogamente, \(Y,Z,T\) son puntos interiores de las aristas \(BCCD,DA\), respectivamente. Demuestre:
(a) Si \(\angle DAB+\angle BCD\ne\angle CDA+\angle ABC\), entonces entre los caminos poligonales no hay ninguno de longitud mínima.
(b) Si \(\angle DAB+\angle BCD=\angle CDA+\angle ABC\), entonces hay infinitos caminos poligonales de longitud mínima, y su longitud común es \(2AC\sin(\alpha/2)\), donde \[ \alpha=\angle BAC+\angle CAD+\angle DAB. \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Las aristas que contienen sucesivamente a \(X,Y,Z,T\) son \(AB,BC,CD,DA\). Escribamos \[ a=\angle DAB,\qquad b=\angle ABC,\qquad c=\angle BCD,\qquad d=\angle CDA. \] Todos los ángulos de cada cara están estrictamente entre \(0\) y \(\pi/2\).
(a) Supongamos que existe un camino admisible de longitud mínima. Cada uno de sus vértices puede desplazarse ligeramente en cualquiera de los dos sentidos a lo largo de su arista.
Manteniendo fijos \(Y,Z,T\) y derivando la longitud con respecto a \(AX\), obtenemos \[ 0=\frac{d}{d(AX)}(XY+XT) =-\cos\angle BXY+\cos\angle AXT. \] Así pues, \(\angle BXY=\angle AXT\). Aplicando el mismo argumento en los otros tres vértices se obtiene \[ \begin{aligned} \angle BXY&=\angle AXT=u,\\ \angle BYX&=\angle CYZ=v,\\ \angle CZY&=\angle DZT=w,\\ \angle DTZ&=\angle ATX=s. \end{aligned} \] Las sumas de los ángulos de los cuatro triángulos \(BXY,CYZ,DZT,ATX\) dan ahora \[ u+v+b=\pi,\quad v+w+c=\pi,\quad w+s+d=\pi,\quad s+u+a=\pi. \] Sumando la primera y la tercera ecuación y comparando con la suma de las otras dos se obtiene \[ b+d=a+c. \] En consecuencia, si las sumas de ángulos indicadas son distintas, ningún camino admisible puede tener longitud mínima.
(b) Supongamos de aquí en adelante que \[ a+c=b+d. \]
Despleguemos las caras sucesivamente en un plano como \[ ABC,\qquad BCD,\qquad CDA',\qquad DA'B', \] colocando los triángulos consecutivos en lados opuestos de su arista común. Aquí \(A'\) y \(B'\) son copias de \(A\) y \(B\). Añadamos un triángulo más, \(A'B'C'\), copia de \(ABC\), al otro lado de \(A'B'\).
Elijamos la orientación de modo que el primer triángulo \(ABC\) esté orientado en sentido horario. Los giros sucesivos con signo entre los vectores dirigidos \[ \overrightarrow{AB},\quad \overrightarrow{CB},\quad \overrightarrow{CD},\quad \overrightarrow{A'D},\quad \overrightarrow{A'B'} \] son \(b,-c,d,-a\). Su suma es cero. Por lo tanto, \(AB\) y \(A'B'\) tienen la misma dirección y el mismo sentido, y sus longitudes son iguales, de modo que \[ \overrightarrow{A'B'}=\overrightarrow{AB}. \] Ambas copias de \(ABC\) tienen la misma orientación. Por ello, la segunda es una imagen de la primera por traslación: para cierto vector \(\mathbf v\), \[ A'=A+\mathbf v,\qquad B'=B+\mathbf v,\qquad C'=C+\mathbf v. \]
Pongamos \[ \omega=\angle ACB+\angle BCD+\angle DCA. \] En el desarrollo, las semirrectas \(CA,CB,CD,CA'\) giran sucesivamente en sentido horario un ángulo total de \(\omega\). Además, \[ \begin{aligned} \alpha+\omega &=(\angle BAC+\angle ACB) +(\angle CAD+\angle DCA)+a+c\\ &=(\pi-b)+(\pi-d)+a+c\\ &=2\pi. \end{aligned} \] Como \(CA=CA'=AC\) y \(0<\omega<3\pi/2\), la fórmula de la longitud de una cuerda da \[ |\mathbf v|=AA' =2AC\sin(\omega/2) =2AC\sin(\alpha/2)>0. \]
Todo camino admisible se despliega en una línea poligonal \(XYZTX'\), donde \(X'\) es el punto correspondiente de \(A'B'\). En particular, \(X'=X+\mathbf v\). El desarrollo conserva las longitudes, por lo que la desigualdad triangular da la cota inferior universal \[ XY+YZ+ZT+TX \ge XX' =|\mathbf v| =2AC\sin(\alpha/2). \]
Queda por demostrar que infinitos caminos admisibles alcanzan esta cota.
Utilizamos una observación elemental de geometría plana. Supongamos que las semirrectas \[ OP,\ OQ,\ OR,\ OS \] aparecen sucesivamente en sentido horario, que los tres ángulos intermedios \(p,q,r\) son agudos y que \(OP=OS\). Orientemos el plano de modo que \(\overrightarrow{PS}\) apunte horizontalmente hacia la derecha. Entonces \(Q\) y \(R\) están estrictamente por encima de \(O\).
En efecto, como \(OP=OS\), las direcciones de \(OQ\) y \(OR\), medidas en sentido antihorario desde la dirección horizontal positiva, son \[ \frac{\pi-p+q+r}{2}, \qquad \frac{\pi-p-q+r}{2}. \] Ambas pertenecen a \((0,\pi)\), pues \(p,q,r\) son agudos. Esto demuestra la observación, incluido el caso \(p+q+r=\pi\).
Orientemos ahora nuestro desarrollo de modo que \(\mathbf v\) apunte horizontalmente hacia la derecha. Apliquemos la observación:
- En \(C\), a las semirrectas \(CA,CB,CD,CA'\). Muestra que \(B\) y \(D\) están estrictamente por encima de \(C\).
- En \(A'\), a las semirrectas \(A'C,A'D,A'B',A'C'\). Muestra que \(D\) y \(B'\) están estrictamente por encima de \(A'\).
Las igualdades de longitudes requeridas son \(CA=CA'=AC\) y \(A'C=A'C'=AC\); todos los ángulos intermedios son ángulos de las caras y, por tanto, agudos.
La traslación de vector \(\mathbf v\) conserva la altura. Así pues, \(A,A'\) están a la misma altura, al igual que \(B,B'\). En consecuencia, todo punto de \[ \{A,C,A'\} \] está estrictamente por debajo de todo punto de \[ \{B,D,B'\}. \] Por lo tanto, existe una franja horizontal abierta no vacía entre estos dos conjuntos de vértices.
Toda recta horizontal de esta franja corta a \[ AB,\quad BC,\quad CD,\quad DA',\quad A'B' \] en puntos interiores \(X,Y,Z,T,X'\), respectivamente. Su intersección con cada uno de los cuatro triángulos del desarrollo es el segmento que une los dos puntos correspondientes. Como los triángulos consecutivos están en lados opuestos de su arista común, estos cuatro segmentos se concatenan sin invertir el sentido. Forman el segmento rectilíneo \(XX'\).
Al plegar de nuevo los triángulos se obtiene un camino cerrado admisible \(XYZTX\), cuya longitud es \[ XX'=|\mathbf v|=2AC\sin(\alpha/2). \] Por tanto, alcanza la cota inferior y tiene longitud mínima.
Por último, la franja contiene infinitas rectas horizontales, y rectas distintas dan puntos \(X\) distintos en \(AB\), y por ello caminos distintos. Esto demuestra (b).
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1971 · 问题 4
四面体 \(ABCD\) 的所有面都是锐角三角形。考虑所有形如 \(XYZTX\) 的闭折线,其定义如下:\(X\) 是棱 \(AB\) 上异于 \(A\) 和 \(B\) 的一点;类似地,\(Y,Z,T\) 分别是棱 \(BCCD,DA\) 的内部点。证明:
(a) 若 \(\angle DAB+\angle BCD\ne\angle CDA+\angle ABC\),则这些折线中不存在长度最小者。
(b) 若 \(\angle DAB+\angle BCD=\angle CDA+\angle ABC\),则存在无穷多条最短折线,其共同长度为 \(2AC\sin(\alpha/2)\),其中 \[ \alpha=\angle BAC+\angle CAD+\angle DAB. \]
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
依次包含 \(X,Y,Z,T\) 的棱为 \(AB,BC,CD,DA\)。记 \[ a=\angle DAB,\qquad b=\angle ABC,\qquad c=\angle BCD,\qquad d=\angle CDA. \] 每个面的所有内角都严格介于 \(0\) 与 \(\pi/2\) 之间。
(a) 假设存在一条满足条件的最短折线。它的每个顶点都可以沿所在的棱向两个方向作微小移动。
固定 \(Y,Z,T\),将长度对 \(AX\) 求导,得到 \[ 0=\frac{d}{d(AX)}(XY+XT) =-\cos\angle BXY+\cos\angle AXT. \] 因此 \(\angle BXY=\angle AXT\)。在另外三个顶点处应用同样的论证,得到 \[ \begin{aligned} \angle BXY&=\angle AXT=u,\\ \angle BYX&=\angle CYZ=v,\\ \angle CZY&=\angle DZT=w,\\ \angle DTZ&=\angle ATX=s. \end{aligned} \] 由四个三角形 \(BXY,CYZ,DZT,ATX\) 的内角和,得到 \[ u+v+b=\pi,\quad v+w+c=\pi,\quad w+s+d=\pi,\quad s+u+a=\pi. \] 将第一个和第三个等式相加,并与另外两个等式之和比较,得到 \[ b+d=a+c. \] 因此,若题述的两个角之和不相等,就不存在满足条件的最短折线。
(b) 以下假设 \[ a+c=b+d. \]
将各面依次展开到同一平面内,得到 \[ ABC,\qquad BCD,\qquad CDA',\qquad DA'B', \] 使相邻的三角形位于其公共边的两侧。这里,\(A'\) 和 \(B'\) 分别是 \(A\) 和 \(B\) 的副本。在 \(A'B'\) 的另一侧再添上一个三角形 \(A'B'C'\),它是 \(ABC\) 的副本。
选取定向,使第一个三角形 \(ABC\) 按顺时针方向排列。有向向量 \[ \overrightarrow{AB},\quad \overrightarrow{CB},\quad \overrightarrow{CD},\quad \overrightarrow{A'D},\quad \overrightarrow{A'B'} \] 之间依次的有向转角为 \(b,-c,d,-a\)。它们的和为零。因此,\(AB\) 与 \(A'B'\) 方向相同,且长度相等,故 \[ \overrightarrow{A'B'}=\overrightarrow{AB}. \] 两个 \(ABC\) 的副本具有相同的定向。因此,第二个可由第一个平移得到:存在向量 \(\mathbf v\),使得 \[ A'=A+\mathbf v,\qquad B'=B+\mathbf v,\qquad C'=C+\mathbf v. \]
令 \[ \omega=\angle ACB+\angle BCD+\angle DCA. \] 在展开图中,射线 \(CA,CB,CD,CA'\) 依次沿顺时针方向转过的总角度为 \(\omega\)。此外, \[ \begin{aligned} \alpha+\omega &=(\angle BAC+\angle ACB) +(\angle CAD+\angle DCA)+a+c\\ &=(\pi-b)+(\pi-d)+a+c\\ &=2\pi. \end{aligned} \] 由于 \(CA=CA'=AC\) 且 \(0<\omega<3\pi/2\),由弦长公式可得 \[ |\mathbf v|=AA' =2AC\sin(\omega/2) =2AC\sin(\alpha/2)>0. \]
任意一条满足条件的折线都展开为折线 \(XYZTX'\),其中 \(X'\) 是 \(A'B'\) 上与 \(X\) 对应的点。特别地,\(X'=X+\mathbf v\)。展开不改变长度,因此由三角不等式得到一个对所有这些折线都成立的下界 \[ XY+YZ+ZT+TX \ge XX' =|\mathbf v| =2AC\sin(\alpha/2). \]
还需证明有无穷多条满足条件的折线达到这个下界。
我们使用一个初等的平面几何结论。设射线 \[ OP,\ OQ,\ OR,\ OS \] 依次按顺时针方向排列,相邻射线间的三个角 \(p,q,r\) 均为锐角,且 \(OP=OS\)。调整平面的方向,使 \(\overrightarrow{PS}\) 水平向右。则 \(Q\) 和 \(R\) 都严格位于 \(O\) 的上方。
事实上,由于 \(OP=OS\),从水平向右的方向起逆时针量取,\(OQ\) 和 \(OR\) 的方向角分别为 \[ \frac{\pi-p+q+r}{2}, \qquad \frac{\pi-p-q+r}{2}. \] 由于 \(p,q,r\) 均为锐角,这两个角都属于 \((0,\pi)\)。这就证明了上述结论,也包括 \(p+q+r=\pi\) 的情形。
现在调整展开图的方向,使 \(\mathbf v\) 水平向右。应用上述结论:
- 在 \(C\) 点,对射线 \(CA,CB,CD,CA'\) 应用该结论。这表明 \(B\) 和 \(D\) 都严格位于 \(C\) 的上方。
- 在 \(A'\) 点,对射线 \(A'C,A'D,A'B',A'C'\) 应用该结论。这表明 \(D\) 和 \(B'\) 都严格位于 \(A'\) 的上方。
所需的长度相等关系为 \(CA=CA'=AC\) 和 \(A'C=A'C'=AC\);相邻射线间的所有角都是四面体各面的内角,因而均为锐角。
沿 \(\mathbf v\) 平移不改变高度。因此,\(A,A'\) 的高度相同,\(B,B'\) 的高度也相同。所以, \[ \{A,C,A'\} \] 中的每一点都严格低于 \[ \{B,D,B'\} \] 中的每一点。因此,这两组顶点之间存在一个非空的水平开带状区域。
该带状区域内的每一条水平直线都分别与 \[ AB,\quad BC,\quad CD,\quad DA',\quad A'B' \] 相交于各边的内部点 \(X,Y,Z,T,X'\)。它与四个展开后的三角形中的每一个的交集,都是连接相应两点的线段。由于相邻的三角形位于其公共边的两侧,这四条线段依次相接而不折返。它们构成直线段 \(XX'\)。
将这些三角形折回原位,就得到一条满足条件的闭折线 \(XYZTX\),其长度为 \[ XX'=|\mathbf v|=2AC\sin(\alpha/2). \] 因此,它达到了上述下界,是一条最短折线。
最后,该带状区域包含无穷多条水平直线,不同的直线在 \(AB\) 上给出不同的点 \(X\),从而给出不同的折线。这就证明了 (b)。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1971 · Задача 4
Все грани тетраэдра \(ABCD\) — остроугольные треугольники. Рассмотрим все замкнутые ломаные вида \(XYZTX\), заданные следующим образом: \(X\) — точка ребра \(AB\), отличная от \(A\) и \(B\); аналогично, \(Y,Z,T\) — внутренние точки рёбер \(BCCD,DA\) соответственно. Докажите:
(a) Если \(\angle DAB+\angle BCD\ne\angle CDA+\angle ABC\), то среди этих ломаных нет ломаной наименьшей длины.
(b) Если \(\angle DAB+\angle BCD=\angle CDA+\angle ABC\), то существует бесконечно много кратчайших ломаных, и их общая длина равна \(2AC\sin(\alpha/2)\), где \[ \alpha=\angle BAC+\angle CAD+\angle DAB. \]
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Последовательные рёбра, содержащие \(X,Y,Z,T\), — это \(AB,BC,CD,DA\). Обозначим \[ a=\angle DAB,\qquad b=\angle ABC,\qquad c=\angle BCD,\qquad d=\angle CDA. \] Все углы каждой грани лежат строго между \(0\) и \(\pi/2\).
(a) Предположим, что существует кратчайшая допустимая ломаная. Каждую её вершину можно немного сдвинуть вдоль соответствующего ребра в любую из двух сторон.
Зафиксировав \(Y,Z,T\) и дифференцируя длину по \(AX\), получаем \[ 0=\frac{d}{d(AX)}(XY+XT) =-\cos\angle BXY+\cos\angle AXT. \] Значит, \(\angle BXY=\angle AXT\). Применяя то же рассуждение к остальным трём вершинам, получаем \[ \begin{aligned} \angle BXY&=\angle AXT=u,\\ \angle BYX&=\angle CYZ=v,\\ \angle CZY&=\angle DZT=w,\\ \angle DTZ&=\angle ATX=s. \end{aligned} \] Из равенств для сумм углов четырёх треугольников \(BXY,CYZ,DZT,ATX\) теперь следует \[ u+v+b=\pi,\quad v+w+c=\pi,\quad w+s+d=\pi,\quad s+u+a=\pi. \] Складывая первое и третье равенства и сравнивая результат с суммой двух остальных, получаем \[ b+d=a+c. \] Следовательно, если указанные суммы углов не равны, ни одна допустимая ломаная не может иметь наименьшую длину.
(b) Далее будем считать, что \[ a+c=b+d. \]
Последовательно развернём грани на плоскость в виде \[ ABC,\qquad BCD,\qquad CDA',\qquad DA'B', \] располагая последовательные треугольники по разные стороны от их общего ребра. Здесь \(A'\) и \(B'\) — копии \(A\) и \(B\). Пристроим ещё один треугольник \(A'B'C'\), являющийся копией \(ABC\), по другую сторону от \(A'B'\).
Выберем ориентацию так, чтобы вершины первого треугольника \(ABC\) шли по часовой стрелке. Последовательные углы поворота с учётом знака между направленными векторами \[ \overrightarrow{AB},\quad \overrightarrow{CB},\quad \overrightarrow{CD},\quad \overrightarrow{A'D},\quad \overrightarrow{A'B'} \] равны \(b,-c,d,-a\). Их сумма равна нулю. Поэтому \(AB\) и \(A'B'\) одинаково направлены, а их длины равны, так что \[ \overrightarrow{A'B'}=\overrightarrow{AB}. \] Обе копии \(ABC\) имеют одинаковую ориентацию. Значит, вторая получается из первой параллельным переносом: для некоторого вектора \(\mathbf v\) \[ A'=A+\mathbf v,\qquad B'=B+\mathbf v,\qquad C'=C+\mathbf v. \]
Положим \[ \omega=\angle ACB+\angle BCD+\angle DCA. \] На развёртке лучи \(CA,CB,CD,CA'\) последовательно поворачиваются по часовой стрелке на суммарный угол \(\omega\). Кроме того, \[ \begin{aligned} \alpha+\omega &=(\angle BAC+\angle ACB) +(\angle CAD+\angle DCA)+a+c\\ &=(\pi-b)+(\pi-d)+a+c\\ &=2\pi. \end{aligned} \] Поскольку \(CA=CA'=AC\) и \(0<\omega<3\pi/2\), по формуле длины хорды получаем \[ |\mathbf v|=AA' =2AC\sin(\omega/2) =2AC\sin(\alpha/2)>0. \]
Любая допустимая ломаная разворачивается в ломаную \(XYZTX'\), где \(X'\) — соответствующая точка на \(A'B'\). В частности, \(X'=X+\mathbf v\). Развёртывание сохраняет длины, поэтому неравенство треугольника даёт общую нижнюю оценку \[ XY+YZ+ZT+TX \ge XX' =|\mathbf v| =2AC\sin(\alpha/2). \]
Остаётся доказать, что эта оценка достигается для бесконечного множества допустимых ломаных.
Воспользуемся элементарным наблюдением из планиметрии. Пусть лучи \[ OP,\ OQ,\ OR,\ OS \] идут последовательно по часовой стрелке, три угла \(p,q,r\) между соседними лучами острые и \(OP=OS\). Расположим плоскость так, чтобы \(\overrightarrow{PS}\) был направлен горизонтально вправо. Тогда \(Q\) и \(R\) лежат строго выше \(O\).
Действительно, поскольку \(OP=OS\), углы, задающие направления \(OQ\) и \(OR\) и отсчитываемые против часовой стрелки от положительного горизонтального направления, равны \[ \frac{\pi-p+q+r}{2}, \qquad \frac{\pi-p-q+r}{2}. \] Оба принадлежат \((0,\pi)\), поскольку \(p,q,r\) — острые углы. Это доказывает наблюдение, в том числе в случае \(p+q+r=\pi\).
Теперь расположим нашу развёртку так, чтобы \(\mathbf v\) был направлен горизонтально вправо. Применим наблюдение:
- В точке \(C\), к лучам \(CA,CB,CD,CA'\). Оно показывает, что \(B\) и \(D\) лежат строго выше \(C\).
- В точке \(A'\), к лучам \(A'C,A'D,A'B',A'C'\). Оно показывает, что \(D\) и \(B'\) лежат строго выше \(A'\).
Необходимые равенства длин имеют вид \(CA=CA'=AC\) и \(A'C=A'C'=AC\); все углы между соседними лучами являются углами граней и потому острые.
Параллельный перенос на вектор \(\mathbf v\) сохраняет высоту. Поэтому \(A,A'\) находятся на одной высоте, как и \(B,B'\). Следовательно, каждая точка множества \[ \{A,C,A'\} \] лежит строго ниже каждой точки множества \[ \{B,D,B'\}. \] Таким образом, между этими двумя множествами вершин существует непустая открытая горизонтальная полоса.
Каждая горизонтальная прямая в этой полосе пересекает \[ AB,\quad BC,\quad CD,\quad DA',\quad A'B' \] во внутренних точках \(X,Y,Z,T,X'\) соответственно. Её пересечение с каждым из четырёх треугольников развёртки — это отрезок, соединяющий соответствующие две точки. Поскольку последовательные треугольники лежат по разные стороны от общего ребра, эти четыре отрезка соединяются без изменения направления движения. Они образуют отрезок прямой \(XX'\).
Складывая треугольники обратно, получаем допустимую замкнутую ломаную \(XYZTX\), длина которой равна \[ XX'=|\mathbf v|=2AC\sin(\alpha/2). \] Таким образом, её длина достигает нижней оценки, и эта ломаная является кратчайшей.
Наконец, полоса содержит бесконечно много горизонтальных прямых, причём различные прямые дают различные точки \(X\) на \(AB\), а значит, и различные ломаные. Это доказывает (b).
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1971 · المسألة 4
جميع أوجه رباعي الوجوه \(ABCD\) مثلثات حادة الزوايا. ننظر في جميع المسارات المضَلَّعة المغلقة من الشكل \(XYZTX\) المعرفة كما يأتي: \(X\) نقطة على الحافة \(AB\) تختلف عن \(A\) و\(B\)؛ وبالمثل، فإن \(Y,Z,T\) نقاط داخلية للحواف \(BCCD,DA\)، على الترتيب. أثبت ما يأتي:
(أ) إذا كان \(\angle DAB+\angle BCD\ne\angle CDA+\angle ABC\)، فلا يوجد بين هذه المسارات المضَلَّعة مسار ذو طول أصغر.
(ب) إذا كان \(\angle DAB+\angle BCD=\angle CDA+\angle ABC\)، فإن هناك عددًا غير منتهٍ من أقصر المسارات المضَلَّعة، وطولها المشترك هو \(2AC\sin(\alpha/2)\)، حيث \[ \alpha=\angle BAC+\angle CAD+\angle DAB. \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
الحواف المتتالية التي تحتوي على \(X,Y,Z,T\) هي \(AB,BC,CD,DA\). لنكتب \[ a=\angle DAB,\qquad b=\angle ABC,\qquad c=\angle BCD,\qquad d=\angle CDA. \] جميع زوايا كل وجه تقع بين \(0\) و\(\pi/2\) حصرًا.
(أ) لنفترض وجود أقصر مسار مستوفٍ للشروط. يمكن تحريك كل رأس من رؤوسه قليلًا في أي من الاتجاهين على حافته.
بتثبيت \(Y,Z,T\) واشتقاق الطول بالنسبة إلى \(AX\)، نحصل على \[ 0=\frac{d}{d(AX)}(XY+XT) =-\cos\angle BXY+\cos\angle AXT. \] إذن \(\angle BXY=\angle AXT\). وبتطبيق الحجة نفسها عند الرؤوس الثلاثة الأخرى نحصل على \[ \begin{aligned} \angle BXY&=\angle AXT=u,\\ \angle BYX&=\angle CYZ=v,\\ \angle CZY&=\angle DZT=w,\\ \angle DTZ&=\angle ATX=s. \end{aligned} \] تعطينا الآن مجاميع الزوايا في المثلثات الأربعة \(BXY,CYZ,DZT,ATX\) \[ u+v+b=\pi,\quad v+w+c=\pi,\quad w+s+d=\pi,\quad s+u+a=\pi. \] بجمع المعادلتين الأولى والثالثة ومقارنة الناتج بمجموع المعادلتين الأخريين، نحصل على \[ b+d=a+c. \] ومن ثم، إذا كان مجموعا الزوايا المذكوران غير متساويين، فلا يمكن لأي مسار مستوفٍ للشروط أن يكون ذا طول أصغر.
(ب) نفترض من الآن فصاعدًا أن \[ a+c=b+d. \]
نبسط الأوجه تباعًا في مستوى على النحو الآتي \[ ABC,\qquad BCD,\qquad CDA',\qquad DA'B', \] بحيث يقع كل مثلثين متتاليين على جهتين متقابلتين من حافتهما المشتركة. هنا \(A'\) و\(B'\) نسختان من \(A\) و\(B\). ونلحق مثلثًا آخر \(A'B'C'\)، وهو نسخة من \(ABC\)، على الجهة المقابلة عبر \(A'B'\).
نختار التوجيه بحيث يكون المثلث الأول \(ABC\) موجهًا مع عقارب الساعة. زوايا الدوران الموجهة المتتالية بين المتجهات الموجهة \[ \overrightarrow{AB},\quad \overrightarrow{CB},\quad \overrightarrow{CD},\quad \overrightarrow{A'D},\quad \overrightarrow{A'B'} \] هي \(b,-c,d,-a\). ومجموعها صفر. لذلك فإن \(AB\) و\(A'B'\) لهما الاتجاه نفسه، وطولاهما متساويان، ومن ثم \[ \overrightarrow{A'B'}=\overrightarrow{AB}. \] لنسختي \(ABC\) التوجيه نفسه. لذا فإن الثانية صورة الأولى بانسحاب: يوجد متجه \(\mathbf v\) بحيث \[ A'=A+\mathbf v,\qquad B'=B+\mathbf v,\qquad C'=C+\mathbf v. \]
لنضع \[ \omega=\angle ACB+\angle BCD+\angle DCA. \] في الشكل المبسوط، تدور الأشعة \(CA,CB,CD,CA'\) تباعًا مع عقارب الساعة بزاوية كلية \(\omega\). وعلاوة على ذلك، \[ \begin{aligned} \alpha+\omega &=(\angle BAC+\angle ACB) +(\angle CAD+\angle DCA)+a+c\\ &=(\pi-b)+(\pi-d)+a+c\\ &=2\pi. \end{aligned} \] بما أن \(CA=CA'=AC\) و\(0<\omega<3\pi/2\)، فإن صيغة طول الوتر تعطينا \[ |\mathbf v|=AA' =2AC\sin(\omega/2) =2AC\sin(\alpha/2)>0. \]
ينبسط كل مسار مستوفٍ للشروط إلى خط مضَلَّع \(XYZTX'\)، حيث \(X'\) هي النقطة المناظرة على \(A'B'\). وعلى وجه الخصوص، \(X'=X+\mathbf v\). يحفظ البسط الأطوال، لذا تعطينا متباينة المثلث الحد السفلي العام \[ XY+YZ+ZT+TX \ge XX' =|\mathbf v| =2AC\sin(\alpha/2). \]
يبقى أن نثبت أن عددًا غير منتهٍ من المسارات المستوفية للشروط يحقق هذا الحد.
نستخدم ملاحظة مستوية أولية. لنفترض أن الأشعة \[ OP,\ OQ,\ OR,\ OS \] تتوالى مع عقارب الساعة، وأن الزوايا الثلاث الواقعة بينها \(p,q,r\) كلها حادة، ولنفرض أن \(OP=OS\). نوجه المستوى بحيث يشير \(\overrightarrow{PS}\) أفقيًا إلى اليمين. عندئذ تقع \(Q\) و\(R\) أعلى من \(O\) تمامًا.
فبالفعل، بما أن \(OP=OS\)، فإن اتجاهي \(OQ\) و\(OR\)، مقيسين عكس عقارب الساعة انطلاقًا من الاتجاه الأفقي الموجب، هما \[ \frac{\pi-p+q+r}{2}, \qquad \frac{\pi-p-q+r}{2}. \] وكلاهما ينتمي إلى \((0,\pi)\)، لأن \(p,q,r\) زوايا حادة. وهذا يثبت الملاحظة، بما في ذلك الحالة \(p+q+r=\pi\).
نوجه الآن الشكل المبسوط بحيث يشير \(\mathbf v\) أفقيًا إلى اليمين. ونطبق الملاحظة:
- عند \(C\)، على الأشعة \(CA,CB,CD,CA'\). وهي تبين أن \(B\) و\(D\) تقعان أعلى من \(C\) تمامًا.
- عند \(A'\)، على الأشعة \(A'C,A'D,A'B',A'C'\). وهي تبين أن \(D\) و\(B'\) تقعان أعلى من \(A'\) تمامًا.
المساواتان المطلوبتان بين الأطوال هما \(CA=CA'=AC\) و\(A'C=A'C'=AC\)؛ وجميع الزوايا الواقعة بين الأشعة زوايا أوجه، ومن ثم فهي حادة.
يحفظ الانسحاب بالمتجه \(\mathbf v\) الارتفاع. لذا فإن \(A,A'\) لهما الارتفاع نفسه، وكذلك \(B,B'\). ومن ثم، فإن كل نقطة في \[ \{A,C,A'\} \] تقع أسفل تمامًا من كل نقطة في \[ \{B,D,B'\}. \] ولذلك يوجد شريط أفقي مفتوح غير خالٍ بين هاتين المجموعتين من الرؤوس.
كل مستقيم أفقي في هذا الشريط يقطع \[ AB,\quad BC,\quad CD,\quad DA',\quad A'B' \] في نقاط داخلية \(X,Y,Z,T,X'\)، على الترتيب. وتقاطع هذا المستقيم مع كل من المثلثات الأربعة المبسوطة هو القطعة الواصلة بين النقطتين المناظرتين. وبما أن كل مثلثين متتاليين يقعان على جهتين متقابلتين من حافتهما المشتركة، فإن هذه القطع الأربع تتصل تباعًا دون انعكاس في الاتجاه. وهي تشكل القطعة المستقيمة \(XX'\).
بطي المثلثات إلى وضعها الأصلي نحصل على مسار مغلق مستوفٍ للشروط \(XYZTX\)، طوله \[ XX'=|\mathbf v|=2AC\sin(\alpha/2). \] ومن ثم فهو يحقق الحد السفلي ويكون أقصر مسار.
وأخيرًا، يحتوي الشريط على عدد غير منتهٍ من المستقيمات الأفقية، وتعطي المستقيمات المختلفة نقاطًا مختلفة \(X\) على \(AB\)، ومن ثم مسارات مختلفة. وهذا يثبت (ب).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).