IMO 1972 · Problem 6
Given four distinct parallel planes, prove that there exists a regular tetrahedron with a vertex on each plane.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Choose Cartesian coordinates so that the given planes have equations \[ z=h_1,\qquad z=h_2,\qquad z=h_3,\qquad z=h_4, \] where the \(h_i\) are pairwise distinct. Put \[ m=\frac{h_1+h_2+h_3+h_4}{4}, \qquad t_i=h_i-m. \] Thus \(\sum_{i=1}^4t_i=0\).
Consider the four vectors \[ v_1=(1,1,1),\quad v_2=(1,-1,-1),\quad v_3=(-1,1,-1),\quad v_4=(-1,-1,1). \] Their endpoints form a regular tetrahedron: every pair is at distance \(2\sqrt2\), and they are not coplanar because \[ \det(v_2-v_1,\ v_3-v_1,\ v_4-v_1)=-16\ne0. \] Moreover, \[ v_i\cdot v_i=3,\qquad v_i\cdot v_j=-1\quad(i\ne j). \]
Define \[ w=\frac14\sum_{j=1}^4t_jv_j. \] For each \(i\), the preceding identities give \[ w\cdot v_i =\frac14\left(3t_i-\sum_{j\ne i}t_j\right) =t_i. \] Since the \(h_i\) are distinct, the \(t_i\) are not all zero; hence \(w\ne0\). Write \(r=\lVert w\rVert>0\).
Choose a rotation \(R\) taking the unit vector \(w/r\) to the vertical unit vector \(e_3=(0,0,1)\). Rotations preserve scalar products, so \[ e_3\cdot Rv_i =R(w/r)\cdot Rv_i =\frac{w\cdot v_i}{r} =\frac{t_i}{r}. \] Now define four points by their position vectors \[ p_i=rRv_i+me_3\qquad(i=1,2,3,4). \] The vertical coordinate of \(p_i\) is \[ e_3\cdot p_i=t_i+m=h_i, \] so \(p_i\) lies on the \(i\)-th prescribed plane.
Finally, these four points are obtained from the original nondegenerate regular tetrahedron by a rotation, a dilation of positive factor \(r\), and a translation. They therefore form a nondegenerate regular tetrahedron, with one vertex on each given plane. \(\square\)
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1972 · Aufgabe 6
Gegeben sind vier verschiedene parallele Ebenen. Beweise, dass es ein regelmäßiges Tetraeder gibt, von dem auf jeder Ebene ein Eckpunkt liegt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wähle kartesische Koordinaten so, dass die gegebenen Ebenen die Gleichungen \[ z=h_1,\qquad z=h_2,\qquad z=h_3,\qquad z=h_4, \] haben, wobei die \(h_i\) paarweise verschieden sind. Setze \[ m=\frac{h_1+h_2+h_3+h_4}{4}, \qquad t_i=h_i-m. \] Somit gilt \(\sum_{i=1}^4t_i=0\).
Betrachte die vier Vektoren \[ v_1=(1,1,1),\quad v_2=(1,-1,-1),\quad v_3=(-1,1,-1),\quad v_4=(-1,-1,1). \] Ihre Endpunkte bilden ein regelmäßiges Tetraeder: Je zwei haben den Abstand \(2\sqrt2\), und sie liegen nicht in einer Ebene, denn \[ \det(v_2-v_1,\ v_3-v_1,\ v_4-v_1)=-16\ne0. \] Außerdem gilt \[ v_i\cdot v_i=3,\qquad v_i\cdot v_j=-1\quad(i\ne j). \]
Definiere \[ w=\frac14\sum_{j=1}^4t_jv_j. \] Für jedes \(i\) ergeben die vorstehenden Identitäten \[ w\cdot v_i =\frac14\left(3t_i-\sum_{j\ne i}t_j\right) =t_i. \] Da die \(h_i\) verschieden sind, sind die \(t_i\) nicht alle null; daher ist \(w\ne0\). Schreibe \(r=\lVert w\rVert>0\).
Wähle eine Drehung \(R\), die den Einheitsvektor \(w/r\) auf den vertikalen Einheitsvektor \(e_3=(0,0,1)\) abbildet. Drehungen erhalten Skalarprodukte, also gilt \[ e_3\cdot Rv_i =R(w/r)\cdot Rv_i =\frac{w\cdot v_i}{r} =\frac{t_i}{r}. \] Definiere nun vier Punkte durch ihre Ortsvektoren \[ p_i=rRv_i+me_3\qquad(i=1,2,3,4). \] Die vertikale Koordinate von \(p_i\) ist \[ e_3\cdot p_i=t_i+m=h_i, \] also liegt \(p_i\) auf der \(i\)-ten vorgegebenen Ebene.
Schließlich entstehen diese vier Punkte aus dem ursprünglichen nicht entarteten regelmäßigen Tetraeder durch eine Drehung, eine Streckung mit dem positiven Faktor \(r\) und eine Verschiebung. Sie bilden daher ein nicht entartetes regelmäßiges Tetraeder mit je einem Eckpunkt auf jeder gegebenen Ebene. \(\square\)
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1972 · Soru 6
Birbirinden farklı dört paralel düzlem veriliyor. Her düzlem üzerinde bir köşesi bulunan bir düzgün dörtyüzlünün var olduğunu kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Kartezyen koordinatları, verilen düzlemlerin denklemleri \[ z=h_1,\qquad z=h_2,\qquad z=h_3,\qquad z=h_4, \] olacak şekilde seçelim; burada \(h_i\) değerleri ikişer ikişer farklıdır. \[ m=\frac{h_1+h_2+h_3+h_4}{4}, \qquad t_i=h_i-m \] alalım. Böylece \(\sum_{i=1}^4t_i=0\) olur.
Şu dört vektörü ele alalım: \[ v_1=(1,1,1),\quad v_2=(1,-1,-1),\quad v_3=(-1,1,-1),\quad v_4=(-1,-1,1). \] Bu vektörlerin uç noktaları bir düzgün dörtyüzlü oluşturur: her iki nokta arasındaki uzaklık \(2\sqrt2\) olur ve \[ \det(v_2-v_1,\ v_3-v_1,\ v_4-v_1)=-16\ne0 \] olduğundan bu noktalar aynı düzlemde değildir. Ayrıca, \[ v_i\cdot v_i=3,\qquad v_i\cdot v_j=-1\quad(i\ne j). \]
\[ w=\frac14\sum_{j=1}^4t_jv_j \] olarak tanımlayalım. Her \(i\) için, yukarıdaki özdeşlikler \[ w\cdot v_i =\frac14\left(3t_i-\sum_{j\ne i}t_j\right) =t_i \] sonucunu verir. \(h_i\) değerleri birbirinden farklı olduğundan, \(t_i\) değerlerinin hepsi sıfır değildir; dolayısıyla \(w\ne0\) olur. \(r=\lVert w\rVert>0\) yazalım.
\(w/r\) birim vektörünü düşey birim vektör \(e_3=(0,0,1)\) üzerine götüren bir \(R\) dönmesi seçelim. Dönmeler skaler çarpımları koruduğundan, \[ e_3\cdot Rv_i =R(w/r)\cdot Rv_i =\frac{w\cdot v_i}{r} =\frac{t_i}{r}. \] Şimdi konum vektörleri \[ p_i=rRv_i+me_3\qquad(i=1,2,3,4) \] olan dört nokta tanımlayalım. \(p_i\) noktasının düşey koordinatı \[ e_3\cdot p_i=t_i+m=h_i, \] olduğundan, \(p_i\) verilen düzlemlerden \(i\). düzlem üzerinde bulunur.
Son olarak, bu dört nokta, başlangıçtaki dejenere olmayan düzgün dörtyüzlüden bir dönme, pozitif \(r\) oranlı bir homoteti ve bir öteleme ile elde edilir. Dolayısıyla her bir verilen düzlem üzerinde bir köşesi bulunan, dejenere olmayan bir düzgün dörtyüzlü oluştururlar. \(\square\)
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1972 · Problema 6
Dados cuatro planos paralelos distintos, demostrar que existe un tetraedro regular con un vértice en cada plano.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Elijamos coordenadas cartesianas de modo que los planos dados tengan ecuaciones \[ z=h_1,\qquad z=h_2,\qquad z=h_3,\qquad z=h_4, \] donde los \(h_i\) son distintos dos a dos. Sean \[ m=\frac{h_1+h_2+h_3+h_4}{4}, \qquad t_i=h_i-m. \] Así, \(\sum_{i=1}^4t_i=0\).
Consideremos los cuatro vectores \[ v_1=(1,1,1),\quad v_2=(1,-1,-1),\quad v_3=(-1,1,-1),\quad v_4=(-1,-1,1). \] Sus extremos forman un tetraedro regular: cada par está a distancia \(2\sqrt2\), y no son coplanarios porque \[ \det(v_2-v_1,\ v_3-v_1,\ v_4-v_1)=-16\ne0. \] Además, \[ v_i\cdot v_i=3,\qquad v_i\cdot v_j=-1\quad(i\ne j). \]
Definamos \[ w=\frac14\sum_{j=1}^4t_jv_j. \] Para cada \(i\), las identidades anteriores dan \[ w\cdot v_i =\frac14\left(3t_i-\sum_{j\ne i}t_j\right) =t_i. \] Como los \(h_i\) son distintos, los \(t_i\) no son todos cero; por tanto, \(w\ne0\). Escribamos \(r=\lVert w\rVert>0\).
Elijamos una rotación \(R\) que lleve el vector unitario \(w/r\) al vector unitario vertical \(e_3=(0,0,1)\). Las rotaciones conservan los productos escalares, por lo que \[ e_3\cdot Rv_i =R(w/r)\cdot Rv_i =\frac{w\cdot v_i}{r} =\frac{t_i}{r}. \] Definamos ahora cuatro puntos mediante sus vectores de posición \[ p_i=rRv_i+me_3\qquad(i=1,2,3,4). \] La coordenada vertical de \(p_i\) es \[ e_3\cdot p_i=t_i+m=h_i, \] por lo que \(p_i\) pertenece al \(i\)-ésimo plano dado.
Finalmente, estos cuatro puntos se obtienen del tetraedro regular no degenerado original mediante una rotación, una homotecia de razón positiva \(r\) y una traslación. Por tanto, forman un tetraedro regular no degenerado, con un vértice en cada plano dado. \(\square\)
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1972 · 问题 6
给定四个互不相同的平行平面,证明存在一个正四面体,使每个平面上都有它的一个顶点。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
选取直角坐标系,使给定平面的方程为 \[ z=h_1,\qquad z=h_2,\qquad z=h_3,\qquad z=h_4, \] 其中各 \(h_i\) 两两不同。令 \[ m=\frac{h_1+h_2+h_3+h_4}{4}, \qquad t_i=h_i-m. \] 于是 \(\sum_{i=1}^4t_i=0\)。
考虑四个向量 \[ v_1=(1,1,1),\quad v_2=(1,-1,-1),\quad v_3=(-1,1,-1),\quad v_4=(-1,-1,1). \] 它们的终点构成一个正四面体:任意两点之间的距离都是 \(2\sqrt2\),且这四点不共面,因为 \[ \det(v_2-v_1,\ v_3-v_1,\ v_4-v_1)=-16\ne0. \] 此外, \[ v_i\cdot v_i=3,\qquad v_i\cdot v_j=-1\quad(i\ne j). \]
定义 \[ w=\frac14\sum_{j=1}^4t_jv_j. \] 对每个 \(i\),由前面的恒等式可得 \[ w\cdot v_i =\frac14\left(3t_i-\sum_{j\ne i}t_j\right) =t_i. \] 由于各 \(h_i\) 互不相同,各 \(t_i\) 不全为零;因此 \(w\ne0\)。记 \(r=\lVert w\rVert>0\)。
选取一个旋转变换 \(R\),使单位向量 \(w/r\) 变为竖直单位向量 \(e_3=(0,0,1)\)。旋转保持数量积不变,故 \[ e_3\cdot Rv_i =R(w/r)\cdot Rv_i =\frac{w\cdot v_i}{r} =\frac{t_i}{r}. \] 现在用位置向量定义四个点: \[ p_i=rRv_i+me_3\qquad(i=1,2,3,4). \] \(p_i\) 的竖直坐标为 \[ e_3\cdot p_i=t_i+m=h_i, \] 因此 \(p_i\) 位于第 \(i\) 个给定平面上。
最后,这四个点是由原来的非退化正四面体经过旋转、比例因子为正数 \(r\) 的伸缩以及平移得到的。因此,它们构成一个非退化的正四面体,且每个给定平面上都有它的一个顶点。\(\square\)
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1972 · Задача 6
Даны четыре различные параллельные плоскости. Докажите, что существует правильный тетраэдр, у которого на каждой из этих плоскостей лежит по одной вершине.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Выберем декартову систему координат так, чтобы данные плоскости имели уравнения \[ z=h_1,\qquad z=h_2,\qquad z=h_3,\qquad z=h_4, \] где \(h_i\) попарно различны. Положим \[ m=\frac{h_1+h_2+h_3+h_4}{4}, \qquad t_i=h_i-m. \] Тогда \(\sum_{i=1}^4t_i=0\).
Рассмотрим четыре вектора \[ v_1=(1,1,1),\quad v_2=(1,-1,-1),\quad v_3=(-1,1,-1),\quad v_4=(-1,-1,1). \] Их концы образуют правильный тетраэдр: расстояние между любой парой равно \(2\sqrt2\), и они не лежат в одной плоскости, поскольку \[ \det(v_2-v_1,\ v_3-v_1,\ v_4-v_1)=-16\ne0. \] Кроме того, \[ v_i\cdot v_i=3,\qquad v_i\cdot v_j=-1\quad(i\ne j). \]
Определим \[ w=\frac14\sum_{j=1}^4t_jv_j. \] Для каждого \(i\) из предыдущих равенств получаем \[ w\cdot v_i =\frac14\left(3t_i-\sum_{j\ne i}t_j\right) =t_i. \] Поскольку \(h_i\) различны, не все \(t_i\) равны нулю; следовательно, \(w\ne0\). Обозначим \(r=\lVert w\rVert>0\).
Выберем поворот \(R\), переводящий единичный вектор \(w/r\) в вертикальный единичный вектор \(e_3=(0,0,1)\). Повороты сохраняют скалярные произведения, поэтому \[ e_3\cdot Rv_i =R(w/r)\cdot Rv_i =\frac{w\cdot v_i}{r} =\frac{t_i}{r}. \] Теперь зададим четыре точки их радиус-векторами \[ p_i=rRv_i+me_3\qquad(i=1,2,3,4). \] Вертикальная координата \(p_i\) равна \[ e_3\cdot p_i=t_i+m=h_i, \] поэтому \(p_i\) лежит на \(i\)-й заданной плоскости.
Наконец, эти четыре точки получены из исходного невырожденного правильного тетраэдра поворотом, гомотетией с положительным коэффициентом \(r\) и параллельным переносом. Следовательно, они образуют невырожденный правильный тетраэдр, у которого на каждой данной плоскости лежит по одной вершине. \(\square\)
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1972 · المسألة 6
إذا أُعطيت أربعة مستويات متوازية مختلفة، فأثبت وجود رباعي وجوه منتظم له رأس على كل مستوى.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نختار إحداثيات ديكارتية بحيث تكون معادلات المستويات المعطاة \[ z=h_1,\qquad z=h_2,\qquad z=h_3,\qquad z=h_4, \] حيث قيم \(h_i\) مختلفة مثنى مثنى. نضع \[ m=\frac{h_1+h_2+h_3+h_4}{4}, \qquad t_i=h_i-m. \] إذن \(\sum_{i=1}^4t_i=0\).
نعتبر المتجهات الأربعة \[ v_1=(1,1,1),\quad v_2=(1,-1,-1),\quad v_3=(-1,1,-1),\quad v_4=(-1,-1,1). \] تشكل نهاياتها رباعي وجوه منتظمًا: فالمسافة بين كل نقطتين منها تساوي \(2\sqrt2\)، وهي لا تقع في مستوى واحد لأن \[ \det(v_2-v_1,\ v_3-v_1,\ v_4-v_1)=-16\ne0. \] وفضلًا عن ذلك، \[ v_i\cdot v_i=3,\qquad v_i\cdot v_j=-1\quad(i\ne j). \]
نعرّف \[ w=\frac14\sum_{j=1}^4t_jv_j. \] لكل \(i\)، تعطينا المتطابقات السابقة \[ w\cdot v_i =\frac14\left(3t_i-\sum_{j\ne i}t_j\right) =t_i. \] بما أن قيم \(h_i\) مختلفة، فإن قيم \(t_i\) ليست جميعها صفرًا؛ ومن ثم \(w\ne0\). نكتب \(r=\lVert w\rVert>0\).
نختار دورانًا \(R\) يحوّل متجه الوحدة \(w/r\) إلى متجه الوحدة الرأسي \(e_3=(0,0,1)\). تحافظ الدورانات على الجداءات السلمية، ولذلك \[ e_3\cdot Rv_i =R(w/r)\cdot Rv_i =\frac{w\cdot v_i}{r} =\frac{t_i}{r}. \] نعرّف الآن أربع نقاط بواسطة متجهات مواضعها \[ p_i=rRv_i+me_3\qquad(i=1,2,3,4). \] الإحداثي الرأسي للنقطة \(p_i\) هو \[ e_3\cdot p_i=t_i+m=h_i, \] ولذلك تقع \(p_i\) على المستوى المعطى ذي الرقم \(i\).
وأخيرًا، نحصل على هذه النقاط الأربع من رباعي الوجوه المنتظم الأصلي غير المنعدم الحجم بتطبيق دوران، ثم تحاكي بمعامل موجب \(r\)، ثم انسحاب. ولذلك فهي تشكل رباعي وجوه منتظمًا غير منعدم الحجم، له رأس على كل مستوى معطى. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).