IMO 1972 · Problem 2
Prove that if \(n \geq 4\), every quadrilateral that can be inscribed in a circle can be dissected into \(n\) quadrilaterals each of which is inscribable in a circle.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
We shall prove that every cyclic quadrilateral can be dissected into four cyclic quadrilaterals, one of which is a rectangle. Dividing that rectangle into \(n-3\) smaller rectangles then gives exactly \(n\) cyclic quadrilaterals.
Let \(ABCD\) be the given quadrilateral, with its vertices in cyclic order. Its opposite angles are supplementary.
Suppose first that one angle, say \(\angle A\), is a right angle. Then \(BD\) is a diameter of the circumcircle, so its center \(O\) lies inside the quadrilateral. Join \(O\) to the midpoints of all four sides. Each resulting quadrilateral has two opposite right angles, because the line from a circle’s center to a chord’s midpoint is perpendicular to the chord. Thus all four pieces are cyclic. The piece containing \(A\) has three right angles and therefore is a rectangle.
Now suppose that no angle is right. Exactly two angles are acute, and they are adjacent. Relabel the vertices so that \(\angle A,\angle B\) are acute and \(\angle C,\angle D\) are obtuse. Place \(AB\) horizontally, with \(A\) to the left of \(B\) and the quadrilateral above \(AB\).
From \(D\), draw the ray perpendicular to \(AD\) that enters the quadrilateral; it points downwards and to the right. From \(C\), draw the ray perpendicular to \(BC\) that enters the quadrilateral; it points downwards and to the left. These rays enter the quadrilateral because the angles at \(D\) and \(C\) are obtuse.
We claim that a horizontal line below both \(C\) and \(D\) can meet these rays at interior points \(P,Q\), respectively, with \(P\) to the left of \(Q\).
To justify this, interchange the labels \(A,B\) and \(D,C\), if necessary, so that \(C\) is no higher than \(D\). The ray from \(D\) lies strictly inside \(\angle ADC\), so it meets \(AC\) at a point \(S\) strictly between \(A\) and \(C\). In particular, \(S\) is lower than \(C\). At the height of \(C\), this ray meets the horizontal section of triangle \(ADC\) at a point \(R\) strictly to the left of \(C\); if \(C,D\) have the same height, then \(R=D\). Consequently, a horizontal line sufficiently slightly below \(C\) meets the two rays at interior points \(P,Q\) close to \(R,C\), respectively, and still has \(P\) to the left of \(Q\). This proves the claim.
Let \(E,F\) be the perpendicular projections of \(P,Q\) onto \(AB\). Since \(\angle A,\angle B\) are acute, \(D\) is to the right of \(A\), and \(C\) is to the left of \(B\). The directions of the two rays therefore give the strict horizontal order \[ A,\ E,\ F,\ B. \] The segments \(DP,PE,PQ,QF,QC\) dissect the quadrilateral into \[ AEPD,\qquad EFQP,\qquad FBCQ,\qquad PQCD. \] All four pieces are nondegenerate: \(P,Q\) are interior points at the same positive height, strictly below \(C,D\), and \(E,F\) are distinct interior points of \(AB\).
The piece \(EFQP\) is a rectangle. Moreover, \[ \angle ADP=\angle AEP=90^\circ, \qquad \angle BCQ=\angle BFQ=90^\circ, \] so \(AEPD\) and \(FBCQ\) are cyclic.
Finally, put \(\beta=\angle ABC\). Since the original quadrilateral is cyclic, \[ \angle CDP=\angle CDA-90^\circ =(180^\circ-\beta)-90^\circ =90^\circ-\beta. \] Also, \(CQ\perp BC\) and \(QP\parallel BA\), with the directions specified above, give \[ \angle CQP=90^\circ+\beta. \] These opposite angles sum to \(180^\circ\), so \(PQCD\) is cyclic as well.
Thus the required four-piece dissection always exists, and subdividing its rectangle as described proves the result for every integer \(n\geq4\).
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1972 · Aufgabe 2
Beweise, dass für \(n \geq 4\) jedes Viereck, das einem Kreis einbeschrieben werden kann, in \(n\) Vierecke zerlegt werden kann, von denen jedes einem Kreis einbeschrieben werden kann.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir beweisen, dass jedes Sehnenviereck in vier Sehnenvierecke zerlegt werden kann, von denen eines ein Rechteck ist. Unterteilt man dieses Rechteck in \(n-3\) kleinere Rechtecke, so erhält man genau \(n\) Sehnenvierecke.
Sei \(ABCD\) das gegebene Viereck, dessen Eckpunkte in dieser Reihenfolge auf dem Umkreis liegen. Seine gegenüberliegenden Winkel ergänzen sich zu einem gestreckten Winkel.
Nehmen wir zunächst an, dass ein Winkel, etwa \(\angle A\), ein rechter Winkel ist. Dann ist \(BD\) ein Durchmesser des Umkreises, sodass dessen Mittelpunkt \(O\) im Inneren des Vierecks liegt. Verbinde \(O\) mit den Mittelpunkten aller vier Seiten. Jedes der entstehenden Vierecke hat zwei gegenüberliegende rechte Winkel, da die Gerade durch den Mittelpunkt eines Kreises und den Mittelpunkt einer Sehne senkrecht auf der Sehne steht. Somit sind alle vier Teilstücke Sehnenvierecke. Das Teilstück, das \(A\) enthält, hat drei rechte Winkel und ist daher ein Rechteck.
Nehmen wir nun an, dass kein Winkel ein rechter Winkel ist. Genau zwei Winkel sind spitz, und diese sind benachbart. Bezeichne die Eckpunkte so um, dass \(\angle A,\angle B\) spitz und \(\angle C,\angle D\) stumpf sind. Lege \(AB\) waagerecht, wobei \(A\) links von \(B\) und das Viereck oberhalb von \(AB\) liegt.
Zeichne von \(D\) aus den zu \(AD\) senkrechten Strahl, der in das Innere des Vierecks verläuft; er zeigt nach rechts unten. Zeichne von \(C\) aus den zu \(BC\) senkrechten Strahl, der in das Innere des Vierecks verläuft; er zeigt nach links unten. Diese Strahlen verlaufen in das Innere des Vierecks, weil die Winkel bei \(D\) und \(C\) stumpf sind.
Wir behaupten, dass eine waagerechte Gerade, die sowohl unterhalb von \(C\) als auch unterhalb von \(D\) liegt, diese Strahlen in Punkten \(P,Q\) im Inneren des Vierecks schneiden kann, wobei \(P\) links von \(Q\) liegt.
Um dies zu begründen, vertausche nötigenfalls die Bezeichnungen \(A,B\) und \(D,C\), sodass \(C\) nicht höher als \(D\) liegt. Der Strahl von \(D\) aus liegt echt im Inneren von \(\angle ADC\), also schneidet er \(AC\) in einem Punkt \(S\), der echt zwischen \(A\) und \(C\) liegt. Insbesondere liegt \(S\) tiefer als \(C\). Auf der Höhe von \(C\) schneidet dieser Strahl den waagerechten Schnitt des Dreiecks \(ADC\) in einem Punkt \(R\), der echt links von \(C\) liegt; liegen \(C,D\) auf gleicher Höhe, so ist \(R=D\). Folglich schneidet eine waagerechte Gerade, die hinreichend wenig unterhalb von \(C\) liegt, die beiden Strahlen in Punkten \(P,Q\) im Inneren des Vierecks, die nahe bei \(R\) beziehungsweise \(C\) liegen, wobei \(P\) weiterhin links von \(Q\) liegt. Damit ist die Behauptung bewiesen.
Seien \(E,F\) die orthogonalen Projektionen von \(P,Q\) auf \(AB\). Da \(\angle A,\angle B\) spitz sind, liegt \(D\) rechts von \(A\) und \(C\) links von \(B\). Aus den Richtungen der beiden Strahlen ergibt sich daher die strenge waagerechte Reihenfolge \[ A,\ E,\ F,\ B. \] Die Strecken \(DP,PE,PQ,QF,QC\) zerlegen das Viereck in \[ AEPD,\qquad EFQP,\qquad FBCQ,\qquad PQCD. \] Alle vier Teilstücke sind nicht entartet: \(P,Q\) sind innere Punkte auf derselben positiven Höhe, echt unterhalb von \(C,D\), und \(E,F\) sind verschiedene innere Punkte von \(AB\).
Das Teilstück \(EFQP\) ist ein Rechteck. Außerdem gilt \[ \angle ADP=\angle AEP=90^\circ, \qquad \angle BCQ=\angle BFQ=90^\circ, \] also sind \(AEPD\) und \(FBCQ\) Sehnenvierecke.
Setze schließlich \(\beta=\angle ABC\). Da das ursprüngliche Viereck ein Sehnenviereck ist, gilt \[ \angle CDP=\angle CDA-90^\circ =(180^\circ-\beta)-90^\circ =90^\circ-\beta. \] Außerdem ergeben \(CQ\perp BC\) und \(QP\parallel BA\) mit den oben angegebenen Richtungen \[ \angle CQP=90^\circ+\beta. \] Diese gegenüberliegenden Winkel haben die Summe \(180^\circ\), also ist auch \(PQCD\) ein Sehnenviereck.
Somit existiert die gesuchte Zerlegung in vier Teilstücke stets, und die beschriebene Unterteilung ihres Rechtecks beweist die Aussage für jede ganze Zahl \(n\geq4\).
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1972 · Soru 2
\(n \geq 4\) ise, bir çember içine çizilebilen her dörtgenin, her biri bir çember içine çizilebilen \(n\) dörtgene ayrılabileceğini kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Her kirişler dörtgeninin, biri dikdörtgen olmak üzere dört kirişler dörtgenine ayrılabileceğini kanıtlayacağız. Ardından bu dikdörtgeni \(n-3\) küçük dikdörtgene bölmek, tam olarak \(n\) kirişler dörtgeni verir.
Verilen dörtgen \(ABCD\) olsun ve köşeleri çember üzerinde bu sırayla yer alsın. Karşılıklı açıları bütünlerdir.
Önce açılardan birinin, örneğin \(\angle A\) açısının, dik açı olduğunu varsayalım. O zaman \(BD\), çevrel çemberin bir çapıdır; dolayısıyla çemberin merkezi \(O\), dörtgenin içindedir. \(O\) noktasını dört kenarın da orta noktalarıyla birleştirelim. Bir çemberin merkezinden bir kirişin orta noktasına çizilen doğru kirişe dik olduğundan, oluşan her dörtgenin karşılıklı iki açısı diktir. Böylece dört parçanın hepsi kirişler dörtgenidir. \(A\) köşesini içeren parçanın üç açısı diktir ve dolayısıyla bu parça bir dikdörtgendir.
Şimdi hiçbir açının dik olmadığını varsayalım. Tam olarak iki açı dardır ve bunlar komşudur. Köşeleri, \(\angle A,\angle B\) dar ve \(\angle C,\angle D\) geniş açı olacak şekilde yeniden adlandıralım. \(AB\) kenarını yatay olarak, \(A\) noktası \(B\) noktasının solunda ve dörtgen \(AB\) kenarının üstünde kalacak şekilde yerleştirelim.
\(D\) noktasından \(AD\) doğrusuna dik olan ve dörtgenin içine yönelen ışını çizelim; bu ışın aşağıya ve sağa yönelir. \(C\) noktasından \(BC\) doğrusuna dik olan ve dörtgenin içine yönelen ışını çizelim; bu ışın aşağıya ve sola yönelir. \(D\) ve \(C\) köşelerindeki açılar geniş olduğundan bu ışınlar dörtgenin içine girer.
Hem \(C\) hem de \(D\) noktasının altında kalan yatay bir doğrunun, bu ışınları sırasıyla dörtgenin içindeki \(P,Q\) noktalarında, \(P\) noktası \(Q\) noktasının solunda olacak şekilde kesebileceğini iddia ediyoruz.
Bunu gerekçelendirmek için, gerekirse \(A,B\) ve \(D,C\) adlarını kendi aralarında değiştirerek \(C\) noktasının \(D\) noktasından daha yüksekte olmamasını sağlayalım. \(D\) noktasından çıkan ışın \(\angle ADC\) açısının kesin olarak içinde kaldığından, \(AC\) doğru parçasını \(A\) ile \(C\) arasında bir \(S\) noktasında keser. Özellikle, \(S\) noktası \(C\) noktasından daha aşağıdadır. \(C\) noktasının yüksekliğinde bu ışın, \(ADC\) üçgeninin yatay kesitini \(C\) noktasının kesin olarak solunda kalan bir \(R\) noktasında keser; \(C,D\) aynı yükseklikteyse \(R=D\) olur. Dolayısıyla \(C\) noktasının yeterince az altında kalan yatay bir doğru, iki ışını sırasıyla \(R,C\) noktalarına yakın, dörtgenin içindeki \(P,Q\) noktalarında keser ve \(P\) yine \(Q\) noktasının solunda kalır. Bu, iddiayı kanıtlar.
\(P,Q\) noktalarının \(AB\) üzerindeki dik izdüşümleri \(E,F\) olsun. \(\angle A,\angle B\) dar açı olduğundan, \(D\) noktası \(A\) noktasının sağında ve \(C\) noktası \(B\) noktasının solundadır. Dolayısıyla iki ışının yönleri, yatay doğrultuda soldan sağa kesin olarak \[ A,\ E,\ F,\ B \] sıralamasını verir. \(DP,PE,PQ,QF,QC\) doğru parçaları dörtgeni \[ AEPD,\qquad EFQP,\qquad FBCQ,\qquad PQCD \] parçalarına ayırır. Dört parçanın da alanı pozitiftir: \(P,Q\), aynı pozitif yükseklikte, \(C,D\) noktalarının kesin olarak altında kalan iç noktalardır ve \(E,F\), \(AB\) doğru parçasının uç noktalarından farklı, birbirinden farklı iki noktasıdır.
\(EFQP\) parçası bir dikdörtgendir. Ayrıca, \[ \angle ADP=\angle AEP=90^\circ, \qquad \angle BCQ=\angle BFQ=90^\circ, \] olduğundan \(AEPD\) ve \(FBCQ\) birer kirişler dörtgenidir.
Son olarak, \(\beta=\angle ABC\) olsun. Başlangıçtaki dörtgen bir kirişler dörtgeni olduğundan, \[ \angle CDP=\angle CDA-90^\circ =(180^\circ-\beta)-90^\circ =90^\circ-\beta. \] Ayrıca \(CQ\perp BC\) ve \(QP\parallel BA\) bağıntıları, yukarıda belirtilen yönlerle birlikte, \[ \angle CQP=90^\circ+\beta \] eşitliğini verir. Bu karşılıklı açıların toplamı \(180^\circ\) olduğundan, \(PQCD\) de bir kirişler dörtgenidir.
Böylece istenen dört parçaya ayırma her zaman mümkündür ve dikdörtgeni belirtildiği gibi daha küçük dikdörtgenlere bölmek, sonucu her \(n\geq4\) tam sayısı için kanıtlar.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1972 · Problema 2
Demostrar que, si \(n \geq 4\), todo cuadrilátero que puede inscribirse en una circunferencia puede dividirse en \(n\) cuadriláteros, cada uno de los cuales puede inscribirse en una circunferencia.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Demostraremos que todo cuadrilátero cíclico puede dividirse en cuatro cuadriláteros cíclicos, uno de los cuales es un rectángulo. Al dividir ese rectángulo en \(n-3\) rectángulos más pequeños, se obtienen entonces exactamente \(n\) cuadriláteros cíclicos.
Sea \(ABCD\) el cuadrilátero dado, con sus vértices en orden cíclico. Sus ángulos opuestos son suplementarios.
Supongamos primero que uno de los ángulos, por ejemplo \(\angle A\), es recto. Entonces \(BD\) es un diámetro de la circunferencia circunscrita, por lo que su centro \(O\) está en el interior del cuadrilátero. Unamos \(O\) con los puntos medios de los cuatro lados. Cada cuadrilátero resultante tiene dos ángulos opuestos rectos, porque la recta que une el centro de una circunferencia con el punto medio de una cuerda es perpendicular a la cuerda. Así, las cuatro piezas son cíclicas. La pieza que contiene a \(A\) tiene tres ángulos rectos y, por tanto, es un rectángulo.
Supongamos ahora que ningún ángulo es recto. Exactamente dos ángulos son agudos, y son adyacentes. Renombremos los vértices de modo que \(\angle A,\angle B\) sean agudos y \(\angle C,\angle D\) sean obtusos. Coloquemos \(AB\) horizontalmente, con \(A\) a la izquierda de \(B\) y el cuadrilátero por encima de \(AB\).
Desde \(D\), tracemos la semirrecta perpendicular a \(AD\) que se dirige hacia el interior del cuadrilátero; apunta hacia abajo y hacia la derecha. Desde \(C\), tracemos la semirrecta perpendicular a \(BC\) que se dirige hacia el interior del cuadrilátero; apunta hacia abajo y hacia la izquierda. Estas semirrectas penetran en el cuadrilátero porque los ángulos en \(D\) y \(C\) son obtusos.
Afirmamos que una recta horizontal situada por debajo tanto de \(C\) como de \(D\) puede cortar estas semirrectas en puntos interiores \(P,Q\), respectivamente, con \(P\) a la izquierda de \(Q\).
Para justificarlo, intercambiemos las etiquetas \(A,B\) y \(D,C\), si es necesario, de modo que \(C\) no esté más alto que \(D\). La semirrecta que parte de \(D\) está estrictamente en el interior de \(\angle ADC\), por lo que corta \(AC\) en un punto \(S\) estrictamente entre \(A\) y \(C\). En particular, \(S\) está más bajo que \(C\). A la altura de \(C\), esta semirrecta corta la sección horizontal del triángulo \(ADC\) en un punto \(R\) estrictamente a la izquierda de \(C\); si \(C,D\) están a la misma altura, entonces \(R=D\). En consecuencia, una recta horizontal situada un poco por debajo de \(C\), suficientemente cerca de él, corta las dos semirrectas en puntos interiores \(P,Q\) próximos a \(R,C\), respectivamente, y \(P\) sigue estando a la izquierda de \(Q\). Esto demuestra la afirmación.
Sean \(E,F\) las proyecciones perpendiculares de \(P,Q\) sobre \(AB\). Como \(\angle A,\angle B\) son agudos, \(D\) está a la derecha de \(A\), y \(C\) está a la izquierda de \(B\). Por tanto, las direcciones de las dos semirrectas dan el siguiente orden horizontal estricto: \[ A,\ E,\ F,\ B. \] Los segmentos \(DP,PE,PQ,QF,QC\) dividen el cuadrilátero en \[ AEPD,\qquad EFQP,\qquad FBCQ,\qquad PQCD. \] Las cuatro piezas son no degeneradas: \(P,Q\) son puntos interiores a la misma altura positiva, estrictamente por debajo de \(C,D\), y \(E,F\) son puntos interiores distintos de \(AB\).
La pieza \(EFQP\) es un rectángulo. Además, \[ \angle ADP=\angle AEP=90^\circ, \qquad \angle BCQ=\angle BFQ=90^\circ, \] por lo que \(AEPD\) y \(FBCQ\) son cíclicos.
Finalmente, sea \(\beta=\angle ABC\). Como el cuadrilátero original es cíclico, \[ \angle CDP=\angle CDA-90^\circ =(180^\circ-\beta)-90^\circ =90^\circ-\beta. \] Asimismo, \(CQ\perp BC\) y \(QP\parallel BA\), con las direcciones especificadas anteriormente, dan \[ \angle CQP=90^\circ+\beta. \] Estos ángulos opuestos suman \(180^\circ\), por lo que \(PQCD\) también es cíclico.
Así, siempre existe la división requerida en cuatro piezas, y subdividir su rectángulo como se ha descrito demuestra el resultado para todo entero \(n\geq4\).
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1972 · 问题 2
证明:若 \(n \geq 4\),则每个圆内接四边形都可以分割成 \(n\) 个四边形,且每个四边形都可以内接于一个圆。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
我们将证明,每个圆内接四边形都可以分割成四个圆内接四边形,其中一个是矩形。再将这个矩形分成 \(n-3\) 个小矩形,就恰好得到 \(n\) 个圆内接四边形。
设给定的四边形为 \(ABCD\),其顶点按圆周上的顺序排列。它的对角互补。
先假设其中一个角,例如 \(\angle A\),是直角。此时 \(BD\) 是外接圆的一条直径,故圆心 \(O\) 位于四边形内部。连接 \(O\) 与四条边各自的中点。所得的每个四边形都有一对对角为直角,因为圆心与弦中点的连线垂直于该弦。因此,这四个四边形都是圆内接四边形。含有顶点 \(A\) 的四边形有三个直角,因而是矩形。
现在假设没有一个角是直角。此时恰有两个角为锐角,且它们相邻。重新标记各顶点,使 \(\angle A,\angle B\) 为锐角,\(\angle C,\angle D\) 为钝角。将 \(AB\) 水平放置,使 \(A\) 位于 \(B\) 的左侧,且四边形位于 \(AB\) 的上方。
从 \(D\) 作垂直于 \(AD\) 且进入四边形内部的射线;它指向右下方。从 \(C\) 作垂直于 \(BC\) 且进入四边形内部的射线;它指向左下方。由于 \(D\) 处和 \(C\) 处的角均为钝角,这两条射线都进入四边形内部。
我们断言:存在一条同时位于 \(C\) 和 \(D\) 下方的水平直线,与这两条射线分别相交于四边形内部的点 \(P,Q\),且 \(P\) 位于 \(Q\) 的左侧。
为说明这一点,必要时将标号 \(A,B\) 以及 \(D,C\) 分别互换,使 \(C\) 不高于 \(D\)。从 \(D\) 出发的射线严格位于 \(\angle ADC\) 的内部,因此它与 \(AC\) 相交于严格位于 \(A\) 与 \(C\) 之间的点 \(S\)。特别地,\(S\) 低于 \(C\)。在 \(C\) 所在的高度,这条射线与三角形 \(ADC\) 的水平截线相交于点 \(R\),且 \(R\) 严格位于 \(C\) 的左侧;若 \(C,D\) 的高度相同,则 \(R=D\)。因此,一条位于 \(C\) 下方且与之足够接近的水平直线,与这两条射线相交于四边形内部的点 \(P,Q\),它们分别接近 \(R,C\),且 \(P\) 仍位于 \(Q\) 的左侧。这就证明了上述断言。
设 \(E,F\) 分别为 \(P,Q\) 在 \(AB\) 上的垂足。由于 \(\angle A,\angle B\) 为锐角,\(D\) 位于 \(A\) 的右侧,\(C\) 位于 \(B\) 的左侧。因此,由两条射线的方向可知,以下各点在水平方向上从左到右严格依次排列: \[ A,\ E,\ F,\ B. \] 线段 \(DP,PE,PQ,QF,QC\) 将原四边形分割成 \[ AEPD,\qquad EFQP,\qquad FBCQ,\qquad PQCD. \] 这四个四边形均非退化:\(P,Q\) 是四边形内部的点,位于同一正高度处,且严格低于 \(C,D\),而 \(E,F\) 是 \(AB\) 内部的两个不同的点。
四边形 \(EFQP\) 是矩形。此外, \[ \angle ADP=\angle AEP=90^\circ, \qquad \angle BCQ=\angle BFQ=90^\circ, \] 因此 \(AEPD\) 和 \(FBCQ\) 都是圆内接四边形。
最后,令 \(\beta=\angle ABC\)。由于原四边形是圆内接四边形, \[ \angle CDP=\angle CDA-90^\circ =(180^\circ-\beta)-90^\circ =90^\circ-\beta. \] 又由 \(CQ\perp BC\) 和 \(QP\parallel BA\),结合上述方向可得 \[ \angle CQP=90^\circ+\beta. \] 这两个对角之和为 \(180^\circ\),因此 \(PQCD\) 也是圆内接四边形。
因此,所需的四块分割总是存在的,再按上述方法细分其中的矩形,就证明了结论对每个整数 \(n\geq4\) 都成立。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1972 · Задача 2
Докажите, что при \(n \geq 4\) любой четырёхугольник, который можно вписать в окружность, можно разрезать на \(n\) четырёхугольников, каждый из которых можно вписать в окружность.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Докажем, что любой вписанный четырёхугольник можно разрезать на четыре вписанных четырёхугольника, один из которых является прямоугольником. Разделив затем этот прямоугольник на \(n-3\) меньших прямоугольников, получим ровно \(n\) вписанных четырёхугольников.
Пусть \(ABCD\) — данный четырёхугольник, вершины которого перечислены в порядке обхода. Сумма его противоположных углов равна развёрнутому углу.
Предположим сначала, что один из углов, например \(\angle A\), прямой. Тогда \(BD\) — диаметр описанной окружности, поэтому её центр \(O\) лежит внутри четырёхугольника. Соединим \(O\) с серединами всех четырёх сторон. У каждого из полученных четырёхугольников два противоположных угла прямые, поскольку прямая, проходящая через центр окружности и середину хорды, перпендикулярна этой хорде. Следовательно, все четыре части являются вписанными четырёхугольниками. Часть, содержащая \(A\), имеет три прямых угла и потому является прямоугольником.
Теперь предположим, что ни один угол не является прямым. Ровно два угла острые, причём они соседние. Переобозначим вершины так, чтобы \(\angle A,\angle B\) были острыми, а \(\angle C,\angle D\) — тупыми. Расположим \(AB\) горизонтально так, чтобы \(A\) находилась левее \(B\), а четырёхугольник — выше \(AB\).
Из \(D\) проведём перпендикулярный \(AD\) луч, направленный внутрь четырёхугольника; он направлен вниз и вправо. Из \(C\) проведём перпендикулярный \(BC\) луч, направленный внутрь четырёхугольника; он направлен вниз и влево. Эти лучи направлены внутрь четырёхугольника, поскольку углы при \(D\) и \(C\) тупые.
Утверждаем, что можно провести горизонтальную прямую ниже обеих точек \(C\) и \(D\), пересекающую эти лучи соответственно в точках \(P,Q\), лежащих внутри четырёхугольника, причём \(P\) находится левее \(Q\).
Чтобы это обосновать, при необходимости поменяем местами обозначения \(A,B\) и \(D,C\) так, чтобы \(C\) находилась не выше \(D\). Луч из \(D\) проходит строго внутри \(\angle ADC\), поэтому он пересекает \(AC\) в точке \(S\), лежащей строго между \(A\) и \(C\). В частности, \(S\) находится ниже \(C\). На высоте точки \(C\) этот луч пересекает горизонтальное сечение треугольника \(ADC\) в точке \(R\), лежащей строго левее \(C\); если \(C,D\) находятся на одной высоте, то \(R=D\). Следовательно, горизонтальная прямая, проведённая достаточно близко к \(C\) и ниже неё, пересекает два луча в точках \(P,Q\), лежащих внутри четырёхугольника и близких соответственно к \(R,C\), причём \(P\) по-прежнему находится левее \(Q\). Утверждение доказано.
Пусть \(E,F\) — основания перпендикуляров, опущенных из \(P,Q\) на \(AB\). Поскольку \(\angle A,\angle B\) острые, \(D\) находится правее \(A\), а \(C\) — левее \(B\). Поэтому из направлений двух лучей следует, что точки расположены по горизонтали строго в следующем порядке: \[ A,\ E,\ F,\ B. \] Отрезки \(DP,PE,PQ,QF,QC\) разрезают четырёхугольник на \[ AEPD,\qquad EFQP,\qquad FBCQ,\qquad PQCD. \] Все четыре части невырожденны: \(P,Q\) — внутренние точки на одной и той же положительной высоте, строго ниже \(C,D\), а \(E,F\) — различные внутренние точки отрезка \(AB\).
Часть \(EFQP\) является прямоугольником. Кроме того, \[ \angle ADP=\angle AEP=90^\circ, \qquad \angle BCQ=\angle BFQ=90^\circ, \] поэтому \(AEPD\) и \(FBCQ\) — вписанные четырёхугольники.
Наконец, положим \(\beta=\angle ABC\). Поскольку исходный четырёхугольник вписанный, \[ \angle CDP=\angle CDA-90^\circ =(180^\circ-\beta)-90^\circ =90^\circ-\beta. \] Кроме того, из \(CQ\perp BC\) и \(QP\parallel BA\), с учётом указанных выше направлений, получаем \[ \angle CQP=90^\circ+\beta. \] Сумма этих противоположных углов равна \(180^\circ\), поэтому \(PQCD\) также является вписанным четырёхугольником.
Таким образом, требуемое разрезание на четыре части всегда существует, а разделение входящего в него прямоугольника описанным способом доказывает утверждение для каждого целого \(n\geq4\).
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1972 · المسألة 2
أثبت أنه إذا كان \(n \geq 4\)، فإن كل رباعي يمكن رسم دائرة تمر برؤوسه يمكن تقسيمه إلى \(n\) رباعيات يمكن رسم دائرة تمر برؤوس كل منها.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
سنثبت أن كل رباعي دائري يمكن تقسيمه إلى أربعة رباعيات دائرية، أحدها مستطيل. وعند تقسيم ذلك المستطيل إلى \(n-3\) مستطيلات أصغر، نحصل على \(n\) رباعيات دائرية بالضبط.
ليكن \(ABCD\) الرباعي المعطى، ولتكن رؤوسه مرتبة حسب ورودها على الدائرة. مجموع كل زاويتين متقابلتين فيه يساوي زاوية مستقيمة.
لنفترض أولًا أن إحدى زواياه، ولتكن \(\angle A\)، قائمة. عندئذ يكون \(BD\) قطرًا للدائرة المحيطة، ولذلك يقع مركزها \(O\) داخل الرباعي. نصل \(O\) بمنتصفات الأضلاع الأربعة. لكل رباعي ناتج زاويتان متقابلتان قائمتان، لأن المستقيم الواصل بين مركز دائرة ومنتصف وتر فيها عمودي على ذلك الوتر. ومن ثم فإن الأجزاء الأربعة جميعها رباعيات دائرية. أما الجزء الذي يحتوي على \(A\)، فله ثلاث زوايا قائمة، ولذلك فهو مستطيل.
لنفترض الآن أنه لا توجد زاوية قائمة. توجد زاويتان حادتان بالضبط، وهما متجاورتان. نعيد تسمية الرؤوس بحيث تكون \(\angle A,\angle B\) حادتين و\(\angle C,\angle D\) منفرجتين. نضع \(AB\) أفقيًا، بحيث تكون \(A\) إلى يسار \(B\) ويقع الرباعي فوق \(AB\).
نرسم من \(D\) الشعاع العمودي على \(AD\) والمتجه إلى داخل الرباعي؛ وهو يتجه إلى الأسفل وإلى اليمين. ونرسم من \(C\) الشعاع العمودي على \(BC\) والمتجه إلى داخل الرباعي؛ وهو يتجه إلى الأسفل وإلى اليسار. يدخل هذان الشعاعان الرباعي لأن الزاويتين عند \(D\) و\(C\) منفرجتان.
ندّعي أنه يمكن لمستقيم أفقي يقع أسفل كل من \(C\) و\(D\) أن يلتقي هذين الشعاعين في نقطتين داخليتين \(P,Q\)، على الترتيب، بحيث تكون \(P\) إلى يسار \(Q\).
لتبرير ذلك، نبادل التسميتين \(A,B\) والتسميتين \(D,C\)، عند الحاجة، بحيث لا تكون \(C\) أعلى من \(D\). يقع الشعاع المنطلق من \(D\) داخل \(\angle ADC\) تمامًا، ولذلك يلتقي \(AC\) في نقطة \(S\) تقع بين \(A\) و\(C\) تمامًا. وعلى وجه الخصوص، تقع \(S\) أسفل \(C\). وعند ارتفاع \(C\)، يلتقي هذا الشعاع المقطع الأفقي للمثلث \(ADC\) في نقطة \(R\) تقع إلى يسار \(C\) تمامًا؛ وإذا كانت \(C,D\) على الارتفاع نفسه، فإن \(R=D\). وبناءً عليه، فإن مستقيمًا أفقيًا يقع أسفل \(C\) بمقدار صغير بما يكفي يلتقي الشعاعين في نقطتين داخليتين \(P,Q\) قريبتين من \(R,C\)، على الترتيب، وتظل \(P\) إلى يسار \(Q\). وهذا يثبت الادعاء.
لتكن \(E,F\) مسقطي \(P,Q\) العموديين على \(AB\). بما أن \(\angle A,\angle B\) حادتان، فإن \(D\) تقع إلى يمين \(A\)، وتقع \(C\) إلى يسار \(B\). ومن ثم فإن اتجاهي الشعاعين يعطيان الترتيب الأفقي الصارم \[ A,\ E,\ F,\ B. \] تقسم القطع المستقيمة \(DP,PE,PQ,QF,QC\) الرباعي إلى \[ AEPD,\qquad EFQP,\qquad FBCQ,\qquad PQCD. \] الأجزاء الأربعة كلها غير منعدمة المساحة: فالنقطتان \(P,Q\) داخليتان وتقعان على الارتفاع الموجب نفسه، أسفل \(C,D\) تمامًا، والنقطتان \(E,F\) مختلفتان وتقعان داخل القطعة \(AB\).
الجزء \(EFQP\) مستطيل. وفضلًا عن ذلك، \[ \angle ADP=\angle AEP=90^\circ, \qquad \angle BCQ=\angle BFQ=90^\circ, \] ولذلك فإن \(AEPD\) و\(FBCQ\) رباعيان دائريان.
وأخيرًا، نضع \(\beta=\angle ABC\). بما أن الرباعي الأصلي دائري، فإن \[ \angle CDP=\angle CDA-90^\circ =(180^\circ-\beta)-90^\circ =90^\circ-\beta. \] كذلك، فإن \(CQ\perp BC\) و\(QP\parallel BA\)، مع الاتجاهات المحددة أعلاه، يعطيان \[ \angle CQP=90^\circ+\beta. \] مجموع هاتين الزاويتين المتقابلتين يساوي \(180^\circ\)، ولذلك فإن \(PQCD\) رباعي دائري أيضًا.
إذن يوجد دائمًا التقسيم المطلوب إلى أربعة أجزاء، وبتقسيم المستطيل فيه كما وصفنا نثبت النتيجة لكل عدد صحيح \(n\geq4\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).