IMO 1973 · Problem 4
A soldier needs to check on the presence of mines in a region having the shape of an equilateral triangle. The radius of action of his detector is equal to half the altitude of the triangle. The soldier leaves from one vertex of the triangle. What path should he follow in order to travel the least possible distance and still accomplish his mission?
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
Let the triangle be \(ABC\), with side length \(a\), and let \(A\) be the starting vertex. Put \(r=\sqrt3a/4\).
Let \(D\) be the midpoint of \(AC\), let \(X\) be the midpoint of \(BD\), and choose \(Y\) on \(XC\) so that \(CY=r\). Follow the broken line \[ \boxed{A\longrightarrow X\longrightarrow Y}. \] Its reflection interchanging \(B\) and \(C\) is equally good. The minimum distance is \[ \boxed{\frac a4\left(2\sqrt7-\sqrt3\right)}. \]
Solution
Write \(h=\sqrt3a/2\) for the altitude, so that the detector radius is \(r=h/2\).
We first show that the proposed route checks the entire triangle. Since \(BD=h\) and \(X\) is its midpoint, \[ XB=XD=r. \] Also, the right triangles \(ADX\) and \(CDX\) give \[ AX=CX=\sqrt{\left(\frac a2\right)^2+\left(\frac h2\right)^2} =\frac{\sqrt7\,a}{4}>r. \] Thus \(Y\) exists strictly between \(X\) and \(C\), and the route has length \[ AX+XY=AX+XC-r =\frac a4(2\sqrt7-\sqrt3). \]
The region checked while traversing any straight segment is convex. Indeed, if points \(Z_1,Z_2\) are detected from positions \(W_1,W_2\) on that segment, then the corresponding intermediate position also lies on the segment, and \[ \begin{aligned} &\left|(1-t)Z_1+tZ_2-\bigl((1-t)W_1+tW_2\bigr)\right|\\ &\qquad\le (1-t)|Z_1-W_1|+t|Z_2-W_2| \le r \end{aligned} \] for every \(0\le t\le1\).
While traversing \(AX\), the soldier detects \(A\), and from \(X\) he detects both \(B\) and \(D\). By this convexity, he checks all of triangle \(ABD\). While traversing \(XY\), he detects \(B,D\) from \(X\) and \(C\) from \(Y\), so he checks all of triangle \(BCD\). These two triangles form \(ABC\), proving that the route succeeds.
It remains to prove optimality. Consider any successful route of finite length \(L\). It must enter the closed disks of radius \(r\) centred at \(B\) and \(C\). These disks are disjoint because \[ BC=a>2r=\frac{\sqrt3\,a}{2}. \] After interchanging \(B,C\) if necessary, choose positions \(P,Q\), visited in that order, such that \[ PB\le r,\qquad QC\le r. \] The lengths of the corresponding portions of the route are at least their endpoint distances. Consequently, \[ L\ge AP+PQ\ge AP+PC-QC\ge AP+PC-r. \]
Define \(D,X\) as above for this labelling. Let \(\ell\) be the line through \(X\) parallel to \(AC\), and let \(C'\) be the reflection of \(C\) across \(\ell\).
The disk centred at \(B\) with radius \(r=BX\) is tangent to \(\ell\) at \(X\), and lies entirely on the same side of \(\ell\) as \(C'\). Since \(\ell\) is the perpendicular bisector of \(CC'\), every point \(P\) of that disk satisfies \[ PC\ge PC'. \] Moreover, the midpoint theorem in triangle \(ACC'\) shows that \(X\) is the midpoint of \(AC'\): \(D\) is the midpoint of \(AC\), while \(DX\parallel CC'\) and \(DX=CC'/2\). Therefore \[ AC'=2AX. \] Applying the triangle inequality now gives \[ L\ge AP+PC-r \ge AP+PC'-r \ge AC'-r =2AX-r =\frac a4(2\sqrt7-\sqrt3). \]
The proposed route attains this bound, so it is shortest possible.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1973 · Aufgabe 4
Ein Soldat muss ein Gebiet in Form eines gleichseitigen Dreiecks auf das Vorhandensein von Minen überprüfen. Der Wirkungsradius seines Detektors ist gleich der Hälfte der Höhe des Dreiecks. Der Soldat startet an einem Eckpunkt des Dreiecks. Welchen Weg soll er nehmen, um eine möglichst kurze Strecke zurückzulegen und dennoch seinen Auftrag zu erfüllen?
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Sei \(ABC\) das Dreieck mit Seitenlänge \(a\), und sei \(A\) der Ausgangspunkt. Setze \(r=\sqrt3a/4\).
Sei \(D\) der Mittelpunkt von \(AC\), sei \(X\) der Mittelpunkt von \(BD\), und wähle \(Y\) auf \(XC\) so, dass \(CY=r\). Folge dem Streckenzug \[ \boxed{A\longrightarrow X\longrightarrow Y}. \] Sein Spiegelbild bei der Spiegelung, die \(B\) und \(C\) vertauscht, ist ebenso gut. Die kürzeste Weglänge beträgt \[ \boxed{\frac a4\left(2\sqrt7-\sqrt3\right)}. \]
Lösung
Bezeichne die Höhe mit \(h=\sqrt3a/2\), sodass der Detektorradius \(r=h/2\) beträgt.
Wir zeigen zunächst, dass auf dem vorgeschlagenen Weg das gesamte Dreieck überprüft wird. Da \(BD=h\) gilt und \(X\) der Mittelpunkt dieser Strecke ist, gilt \[ XB=XD=r. \] Außerdem ergibt sich aus den rechtwinkligen Dreiecken \(ADX\) und \(CDX\) \[ AX=CX=\sqrt{\left(\frac a2\right)^2+\left(\frac h2\right)^2} =\frac{\sqrt7\,a}{4}>r. \] Somit existiert \(Y\) und liegt echt zwischen \(X\) und \(C\), und der Weg hat die Länge \[ AX+XY=AX+XC-r =\frac a4(2\sqrt7-\sqrt3). \]
Das beim Durchlaufen einer beliebigen geraden Strecke überprüfte Gebiet ist konvex. Werden nämlich die Punkte \(Z_1,Z_2\) von den Positionen \(W_1,W_2\) auf dieser Strecke aus erfasst, so liegt auch die entsprechende Zwischenposition auf der Strecke, und es gilt \[ \begin{aligned} &\left|(1-t)Z_1+tZ_2-\bigl((1-t)W_1+tW_2\bigr)\right|\\ &\qquad\le (1-t)|Z_1-W_1|+t|Z_2-W_2| \le r \end{aligned} \] für jedes \(0\le t\le1\).
Beim Durchlaufen von \(AX\) erfasst der Soldat \(A\), und von \(X\) aus erfasst er sowohl \(B\) als auch \(D\). Aufgrund dieser Konvexität überprüft er das gesamte Dreieck \(ABD\). Beim Durchlaufen von \(XY\) erfasst er \(B,D\) von \(X\) aus und \(C\) von \(Y\) aus, sodass er das gesamte Dreieck \(BCD\) überprüft. Diese beiden Dreiecke bilden \(ABC\), womit gezeigt ist, dass der Weg den Auftrag erfüllt.
Es bleibt, die Optimalität zu beweisen. Betrachte einen beliebigen Weg endlicher Länge \(L\), auf dem der Auftrag erfüllt wird. Er muss die abgeschlossenen Kreisscheiben mit Radius \(r\) um \(B\) und \(C\) betreten. Diese Kreisscheiben sind disjunkt, denn \[ BC=a>2r=\frac{\sqrt3\,a}{2}. \] Nach eventuellem Vertauschen von \(B,C\) wähle Positionen \(P,Q\), die in dieser Reihenfolge besucht werden, sodass \[ PB\le r,\qquad QC\le r. \] Die Längen der entsprechenden Wegabschnitte sind mindestens so groß wie die Abstände ihrer Endpunkte. Folglich gilt \[ L\ge AP+PQ\ge AP+PC-QC\ge AP+PC-r. \]
Definiere \(D,X\) für diese Bezeichnung wie oben. Sei \(\ell\) die Gerade durch \(X\), die parallel zu \(AC\) verläuft, und sei \(C'\) das Spiegelbild von \(C\) an \(\ell\).
Die Kreisscheibe um \(B\) mit Radius \(r=BX\) berührt \(\ell\) in \(X\) und liegt vollständig auf derselben Seite von \(\ell\) wie \(C'\). Da \(\ell\) die Mittelsenkrechte von \(CC'\) ist, gilt für jeden Punkt \(P\) dieser Kreisscheibe \[ PC\ge PC'. \] Außerdem zeigt der Mittelliniensatz im Dreieck \(ACC'\), dass \(X\) der Mittelpunkt von \(AC'\) ist: \(D\) ist der Mittelpunkt von \(AC\), und es gelten \(DX\parallel CC'\) und \(DX=CC'/2\). Daher ist \[ AC'=2AX. \] Die Dreiecksungleichung liefert nun \[ L\ge AP+PC-r \ge AP+PC'-r \ge AC'-r =2AX-r =\frac a4(2\sqrt7-\sqrt3). \]
Der vorgeschlagene Weg erreicht diese Schranke und ist daher ein kürzestmöglicher Weg.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1973 · Soru 4
Bir askerin eşkenar üçgen biçimindeki bir bölgede mayın bulunup bulunmadığını kontrol etmesi gerekmektedir. Dedektörünün etki yarıçapı, üçgenin yüksekliğinin yarısına eşittir. Asker, üçgenin bir köşesinden yola çıkmaktadır. Görevini yerine getirirken mümkün olan en kısa mesafeyi katetmek için hangi yolu izlemelidir?
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Üçgen \(ABC\), kenar uzunluğu \(a\) ve başlangıç köşesi \(A\) olsun. \(r=\sqrt3a/4\) koyalım.
\(D\), \(AC\) kenarının orta noktası, \(X\) ise \(BD\) doğru parçasının orta noktası olsun ve \(XC\) üzerinde \(CY=r\) olacak şekilde \(Y\) noktasını seçelim. \[ \boxed{A\longrightarrow X\longrightarrow Y} \] kırık çizgisini izleyelim. Bu yolun \(B\) ve \(C\) noktalarını birbiriyle değiştiren yansıması da aynı derecede uygundur. En kısa mesafe \[ \boxed{\frac a4\left(2\sqrt7-\sqrt3\right)} \] olur.
Çözüm
Yükseklik için \(h=\sqrt3a/2\) yazalım; böylece dedektörün yarıçapı \(r=h/2\) olur.
Önce önerilen yolun üçgenin tamamını kontrol ettiğini gösterelim. \(BD=h\) ve \(X\) bunun orta noktası olduğundan, \[ XB=XD=r. \] Ayrıca, \(ADX\) ve \(CDX\) dik üçgenlerinden \[ AX=CX=\sqrt{\left(\frac a2\right)^2+\left(\frac h2\right)^2} =\frac{\sqrt7\,a}{4}>r \] elde edilir. Dolayısıyla \(Y\) noktası \(X\) ile \(C\) arasında, uç noktalardan farklı olarak vardır ve yolun uzunluğu \[ AX+XY=AX+XC-r =\frac a4(2\sqrt7-\sqrt3) \] olur.
Herhangi bir doğru parçası boyunca ilerlerken kontrol edilen bölge dışbükeydir. Gerçekten de \(Z_1,Z_2\) noktaları bu doğru parçası üzerindeki \(W_1,W_2\) konumlarından algılanıyorsa, bunlara karşılık gelen ara konum da doğru parçası üzerinde bulunur ve \[ \begin{aligned} &\left|(1-t)Z_1+tZ_2-\bigl((1-t)W_1+tW_2\bigr)\right|\\ &\qquad\le (1-t)|Z_1-W_1|+t|Z_2-W_2| \le r \end{aligned} \] eşitsizliği her \(0\le t\le1\) için sağlanır.
Asker, \(AX\) boyunca ilerlerken \(A\) noktasını, \(X\) konumundan da hem \(B\) hem de \(D\) noktalarını algılar. Bu dışbükeylik sayesinde \(ABD\) üçgeninin tamamını kontrol eder. \(XY\) boyunca ilerlerken \(X\) konumundan \(B,D\) noktalarını, \(Y\) konumundan ise \(C\) noktasını algılar; dolayısıyla \(BCD\) üçgeninin tamamını kontrol eder. Bu iki üçgen \(ABC\) üçgenini oluşturduğundan, yolun görevi yerine getirdiği kanıtlanmış olur.
Geriye yolun en kısa olduğunu kanıtlamak kalıyor. Görevi yerine getiren, sonlu \(L\) uzunluğuna sahip herhangi bir yol ele alalım. Bu yol, merkezleri \(B\) ve \(C\) olan \(r\) yarıçaplı kapalı dairelere girmelidir. Bu daireler ayrıktır, çünkü \[ BC=a>2r=\frac{\sqrt3\,a}{2}. \] Gerekirse \(B,C\) adlarını birbiriyle değiştirdikten sonra, bu sırayla uğranan ve \[ PB\le r,\qquad QC\le r \] koşullarını sağlayan \(P,Q\) konumlarını seçelim. Yolun ilgili kısımlarının uzunlukları, uç noktaları arasındaki uzaklıklardan az değildir. Dolayısıyla, \[ L\ge AP+PQ\ge AP+PC-QC\ge AP+PC-r. \]
Bu adlandırmaya göre \(D,X\) noktalarını yukarıdaki gibi tanımlayalım. \(\ell\), \(X\) noktasından geçen ve \(AC\) doğrusuna paralel olan doğru, \(C'\) ise \(C\) noktasının \(\ell\) doğrusuna göre yansıması olsun.
Merkezi \(B\) ve yarıçapı \(r=BX\) olan daire, \(\ell\) doğrusuna \(X\) noktasında teğettir ve bütünüyle \(\ell\) doğrusunun \(C'\) ile aynı tarafında bulunur. \(\ell\), \(CC'\) doğru parçasının orta dikmesi olduğundan, bu dairenin her \(P\) noktası için \[ PC\ge PC' \] sağlanır. Ayrıca, \(ACC'\) üçgeninde orta taban teoremi \(X\) noktasının \(AC'\) doğru parçasının orta noktası olduğunu gösterir: \(D\), \(AC\) doğru parçasının orta noktasıdır; ayrıca \(DX\parallel CC'\) ve \(DX=CC'/2\) olur. Bu nedenle \[ AC'=2AX. \] Şimdi üçgen eşitsizliğini uygularsak \[ L\ge AP+PC-r \ge AP+PC'-r \ge AC'-r =2AX-r =\frac a4(2\sqrt7-\sqrt3) \] elde ederiz.
Önerilen yol bu sınıra ulaştığından, mümkün olan en kısa yoldur.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1973 · Problema 4
Un soldado debe comprobar la presencia de minas en una región con forma de triángulo equilátero. El radio de acción de su detector es igual a la mitad de la altura del triángulo. El soldado parte de uno de los vértices del triángulo. ¿Qué camino debe seguir para recorrer la menor distancia posible y cumplir su misión?
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Sea \(ABC\) el triángulo, de lado \(a\), y sea \(A\) el vértice de partida. Pongamos \(r=\sqrt3a/4\).
Sea \(D\) el punto medio de \(AC\), sea \(X\) el punto medio de \(BD\), y elijamos \(Y\) sobre \(XC\) de modo que \(CY=r\). Se debe seguir la línea poligonal \[ \boxed{A\longrightarrow X\longrightarrow Y}. \] Su imagen por la reflexión que intercambia \(B\) y \(C\) es igualmente válida. La distancia mínima es \[ \boxed{\frac a4\left(2\sqrt7-\sqrt3\right)}. \]
Solución
Denotemos por \(h=\sqrt3a/2\) la altura, de modo que el radio del detector es \(r=h/2\).
Primero demostraremos que el recorrido propuesto permite inspeccionar todo el triángulo. Como \(BD=h\) y \(X\) es su punto medio, \[ XB=XD=r. \] Además, los triángulos rectángulos \(ADX\) y \(CDX\) dan \[ AX=CX=\sqrt{\left(\frac a2\right)^2+\left(\frac h2\right)^2} =\frac{\sqrt7\,a}{4}>r. \] Por tanto, \(Y\) existe y está estrictamente entre \(X\) y \(C\), y el recorrido tiene longitud \[ AX+XY=AX+XC-r =\frac a4(2\sqrt7-\sqrt3). \]
La región inspeccionada al recorrer cualquier segmento rectilíneo es convexa. En efecto, si los puntos \(Z_1,Z_2\) se detectan desde las posiciones \(W_1,W_2\) de dicho segmento, entonces la posición intermedia correspondiente también pertenece al segmento, y \[ \begin{aligned} &\left|(1-t)Z_1+tZ_2-\bigl((1-t)W_1+tW_2\bigr)\right|\\ &\qquad\le (1-t)|Z_1-W_1|+t|Z_2-W_2| \le r \end{aligned} \] para todo \(0\le t\le1\).
Al recorrer \(AX\), el soldado detecta \(A\), y desde \(X\) detecta tanto \(B\) como \(D\). Por esta convexidad, inspecciona todo el triángulo \(ABD\). Al recorrer \(XY\), detecta \(B,D\) desde \(X\) y \(C\) desde \(Y\), por lo que inspecciona todo el triángulo \(BCD\). Estos dos triángulos forman \(ABC\), lo que demuestra que el recorrido cumple la misión.
Queda por demostrar que el recorrido es óptimo. Consideremos cualquier recorrido que cumpla la misión y tenga longitud finita \(L\). Debe entrar en los discos cerrados de radio \(r\) con centros en \(B\) y \(C\). Estos discos son disjuntos porque \[ BC=a>2r=\frac{\sqrt3\,a}{2}. \] Tras intercambiar \(B,C\) si es necesario, elijamos posiciones \(P,Q\), visitadas en ese orden, tales que \[ PB\le r,\qquad QC\le r. \] Las longitudes de los tramos correspondientes del recorrido son al menos las distancias entre sus extremos. Por consiguiente, \[ L\ge AP+PQ\ge AP+PC-QC\ge AP+PC-r. \]
Definamos \(D,X\) como antes para esta denominación de los vértices. Sea \(\ell\) la recta que pasa por \(X\) y es paralela a \(AC\), y sea \(C'\) el simétrico de \(C\) respecto de \(\ell\).
El disco con centro en \(B\) y radio \(r=BX\) es tangente a \(\ell\) en \(X\), y está contenido por completo en el mismo lado de \(\ell\) que \(C'\). Como \(\ell\) es la mediatriz de \(CC'\), todo punto \(P\) de ese disco satisface \[ PC\ge PC'. \] Además, el teorema del segmento medio en el triángulo \(ACC'\) muestra que \(X\) es el punto medio de \(AC'\): \(D\) es el punto medio de \(AC\), mientras que \(DX\parallel CC'\) y \(DX=CC'/2\). Por tanto, \[ AC'=2AX. \] Aplicando ahora la desigualdad triangular, obtenemos \[ L\ge AP+PC-r \ge AP+PC'-r \ge AC'-r =2AX-r =\frac a4(2\sqrt7-\sqrt3). \]
El recorrido propuesto alcanza esta cota, por lo que es el más corto posible.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1973 · 问题 4
一名士兵需要检查一个正三角形区域内是否有地雷。他的探雷器的探测半径等于该三角形高的一半。士兵从三角形的一个顶点出发。他应沿怎样的路线行进,才能在完成任务的同时使行进距离尽可能短?
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
设三角形为 \(ABC\),边长为 \(a\),起点为顶点 \(A\)。令 \(r=\sqrt3a/4\)。
设 \(D\) 为 \(AC\) 的中点,\(X\) 为 \(BD\) 的中点,并在 \(XC\) 上取点 \(Y\),使 \(CY=r\)。沿折线 \[ \boxed{A\longrightarrow X\longrightarrow Y}. \] 行进。将这条路线作交换 \(B\) 与 \(C\) 的轴对称,所得路线同样最优。最短距离为 \[ \boxed{\frac a4\left(2\sqrt7-\sqrt3\right)}. \]
解答
记三角形的高为 \(h=\sqrt3a/2\),则探测半径为 \(r=h/2\)。
首先证明所给路线能够检查整个三角形。由于 \(BD=h\),且 \(X\) 是其中点, \[ XB=XD=r. \] 此外,由直角三角形 \(ADX\) 和 \(CDX\) 可得 \[ AX=CX=\sqrt{\left(\frac a2\right)^2+\left(\frac h2\right)^2} =\frac{\sqrt7\,a}{4}>r. \] 因此,\(Y\) 存在且严格位于 \(X\) 与 \(C\) 之间,路线长度为 \[ AX+XY=AX+XC-r =\frac a4(2\sqrt7-\sqrt3). \]
沿任意线段行进时所检查的区域是凸集。事实上,若在线段上的位置 \(W_1,W_2\) 分别能探测到点 \(Z_1,Z_2\),则相应的中间位置也在线段上,并且对每个 \(0\le t\le1\),都有 \[ \begin{aligned} &\left|(1-t)Z_1+tZ_2-\bigl((1-t)W_1+tW_2\bigr)\right|\\ &\qquad\le (1-t)|Z_1-W_1|+t|Z_2-W_2| \le r \end{aligned} \] 成立。
沿 \(AX\) 行进时,士兵能探测到 \(A\),并且在 \(X\) 处能同时探测到 \(B\) 和 \(D\)。由上述凸性,他能检查整个三角形 \(ABD\)。沿 \(XY\) 行进时,他在 \(X\) 处能探测到 \(B,D\),在 \(Y\) 处能探测到 \(C\),所以能检查整个三角形 \(BCD\)。这两个三角形组成 \(ABC\),从而证明该路线能够完成任务。
下面证明其最优性。考虑任意一条能完成任务、长度为有限值 \(L\) 的路线。它必须进入分别以 \(B\) 和 \(C\) 为圆心、半径为 \(r\) 的两个闭圆盘。这两个圆盘互不相交,因为 \[ BC=a>2r=\frac{\sqrt3\,a}{2}. \] 必要时交换 \(B,C\) 的标记,可选取依次经过的位置 \(P,Q\),使得 \[ PB\le r,\qquad QC\le r. \] 路线中相应各段的长度至少等于其端点间的距离。因此, \[ L\ge AP+PQ\ge AP+PC-QC\ge AP+PC-r. \]
按上述标记方式,如前定义 \(D,X\)。设 \(\ell\) 为过 \(X\) 且平行于 \(AC\) 的直线,\(C'\) 为 \(C\) 关于 \(\ell\) 的对称点。
以 \(B\) 为圆心、\(r=BX\) 为半径的圆盘在 \(X\) 处与 \(\ell\) 相切,并且完全位于 \(\ell\) 的 \(C'\) 所在一侧。由于 \(\ell\) 是 \(CC'\) 的垂直平分线,该圆盘内的每个点 \(P\) 都满足 \[ PC\ge PC'. \] 此外,在三角形 \(ACC'\) 中,由中位线定理可知 \(X\) 是 \(AC'\) 的中点:\(D\) 是 \(AC\) 的中点,且 \(DX\parallel CC'\)、\(DX=CC'/2\)。因此, \[ AC'=2AX. \] 现在应用三角不等式,得 \[ L\ge AP+PC-r \ge AP+PC'-r \ge AC'-r =2AX-r =\frac a4(2\sqrt7-\sqrt3). \]
所给路线达到这一下界,因此是最短路线。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1973 · Задача 4
Солдат должен проверить наличие мин на участке, имеющем форму равностороннего треугольника. Радиус действия его миноискателя равен половине высоты треугольника. Солдат начинает движение из одной из вершин треугольника. По какому пути ему следует идти, чтобы пройти наименьшее возможное расстояние и при этом выполнить свою задачу?
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Пусть дан треугольник \(ABC\) со стороной \(a\), а \(A\) — начальная вершина. Положим \(r=\sqrt3a/4\).
Пусть \(D\) — середина \(AC\), \(X\) — середина \(BD\); выберем на \(XC\) точку \(Y\) так, чтобы \(CY=r\). Следует двигаться по ломаной \[ \boxed{A\longrightarrow X\longrightarrow Y}. \] Её отражение, меняющее местами \(B\) и \(C\), подходит в равной мере. Наименьшее расстояние равно \[ \boxed{\frac a4\left(2\sqrt7-\sqrt3\right)}. \]
Решение
Обозначим высоту через \(h=\sqrt3a/2\), так что радиус действия миноискателя равен \(r=h/2\).
Сначала покажем, что предложенный маршрут позволяет проверить весь треугольник. Поскольку \(BD=h\) и \(X\) — середина этого отрезка, \[ XB=XD=r. \] Кроме того, из прямоугольных треугольников \(ADX\) и \(CDX\) получаем \[ AX=CX=\sqrt{\left(\frac a2\right)^2+\left(\frac h2\right)^2} =\frac{\sqrt7\,a}{4}>r. \] Таким образом, точка \(Y\) существует и лежит строго между \(X\) и \(C\), а длина маршрута равна \[ AX+XY=AX+XC-r =\frac a4(2\sqrt7-\sqrt3). \]
Область, проверенная при движении по любому прямолинейному отрезку, выпукла. Действительно, если точки \(Z_1,Z_2\) находятся в пределах действия миноискателя из положений \(W_1,W_2\) на этом отрезке, то соответствующее промежуточное положение также лежит на отрезке и \[ \begin{aligned} &\left|(1-t)Z_1+tZ_2-\bigl((1-t)W_1+tW_2\bigr)\right|\\ &\qquad\le (1-t)|Z_1-W_1|+t|Z_2-W_2| \le r \end{aligned} \] для любого \(0\le t\le1\).
При движении по \(AX\) солдат проверяет точку \(A\), а из \(X\) — обе точки \(B\) и \(D\). В силу доказанной выпуклости он проверяет весь треугольник \(ABD\). При движении по \(XY\) он проверяет \(B,D\) из \(X\) и \(C\) из \(Y\), поэтому проверяет весь треугольник \(BCD\). Эти два треугольника составляют \(ABC\), что доказывает пригодность маршрута.
Остаётся доказать оптимальность. Рассмотрим любой маршрут конечной длины \(L\), позволяющий выполнить задачу. Он должен заходить в замкнутые круги радиуса \(r\) с центрами в \(B\) и \(C\). Эти круги не пересекаются, поскольку \[ BC=a>2r=\frac{\sqrt3\,a}{2}. \] При необходимости поменяв местами \(B,C\), выберем положения \(P,Q\), посещаемые в указанном порядке, такие, что \[ PB\le r,\qquad QC\le r. \] Длины соответствующих частей маршрута не меньше расстояний между их концами. Следовательно, \[ L\ge AP+PQ\ge AP+PC-QC\ge AP+PC-r. \]
Определим \(D,X\), как выше, для этих обозначений вершин. Пусть \(\ell\) — прямая, проходящая через \(X\) параллельно \(AC\), а \(C'\) — точка, симметричная \(C\) относительно \(\ell\).
Круг с центром в \(B\) и радиусом \(r=BX\) касается \(\ell\) в точке \(X\) и целиком лежит по ту же сторону от \(\ell\), что и \(C'\). Поскольку \(\ell\) — серединный перпендикуляр к \(CC'\), для каждой точки \(P\) этого круга выполняется \[ PC\ge PC'. \] Кроме того, по теореме о средней линии треугольника \(ACC'\) точка \(X\) является серединой \(AC'\): \(D\) — середина \(AC\), причём \(DX\parallel CC'\) и \(DX=CC'/2\). Поэтому \[ AC'=2AX. \] Применяя теперь неравенство треугольника, получаем \[ L\ge AP+PC-r \ge AP+PC'-r \ge AC'-r =2AX-r =\frac a4(2\sqrt7-\sqrt3). \]
Предложенный маршрут достигает этой оценки, поэтому он является кратчайшим.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1973 · المسألة 4
يحتاج جندي إلى فحص منطقة على شكل مثلث متساوي الأضلاع للتحقق من وجود ألغام فيها. يساوي نصف قطر مدى عمل جهاز الكشف لديه نصف ارتفاع المثلث. ينطلق الجندي من أحد رؤوس المثلث. ما المسار الذي ينبغي له اتباعه ليقطع أقل مسافة ممكنة مع إنجاز مهمته؟
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
ليكن المثلث \(ABC\)، وطول ضلعه \(a\)، وليكن \(A\) رأس الانطلاق. نضع \(r=\sqrt3a/4\).
لتكن \(D\) منتصف \(AC\)، ولتكن \(X\) منتصف \(BD\)، ونختار \(Y\) على \(XC\) بحيث \(CY=r\). يتبع الجندي الخط المنكسر \[ \boxed{A\longrightarrow X\longrightarrow Y}. \] وصورته بالانعكاس الذي يبادل بين \(B\) و\(C\) مسار أمثل أيضًا. والمسافة الدنيا هي \[ \boxed{\frac a4\left(2\sqrt7-\sqrt3\right)}. \]
الحل
نرمز إلى الارتفاع بـ \(h=\sqrt3a/2\)، فيكون نصف قطر مدى جهاز الكشف هو \(r=h/2\).
نبين أولًا أن المسار المقترح يتيح فحص المثلث بأكمله. بما أن \(BD=h\) و\(X\) منتصفه، فإن \[ XB=XD=r. \] كذلك، نحصل من المثلثين القائمي الزاوية \(ADX\) و\(CDX\) على \[ AX=CX=\sqrt{\left(\frac a2\right)^2+\left(\frac h2\right)^2} =\frac{\sqrt7\,a}{4}>r. \] إذن توجد \(Y\) بين \(X\) و\(C\) تمامًا، وطول المسار هو \[ AX+XY=AX+XC-r =\frac a4(2\sqrt7-\sqrt3). \]
المنطقة التي تُفحص أثناء اجتياز أي قطعة مستقيمة محدبة. فبالفعل، إذا كانت النقطتان \(Z_1,Z_2\) ضمن مدى الكشف من الموضعين \(W_1,W_2\) على تلك القطعة، فإن الموضع البيني الموافق يقع أيضًا على القطعة، و \[ \begin{aligned} &\left|(1-t)Z_1+tZ_2-\bigl((1-t)W_1+tW_2\bigr)\right|\\ &\qquad\le (1-t)|Z_1-W_1|+t|Z_2-W_2| \le r \end{aligned} \] لكل \(0\le t\le1\).
أثناء اجتياز \(AX\)، يفحص الجندي النقطة \(A\)، ومن \(X\) يفحص كلًا من \(B\) و\(D\). وبفضل خاصية التحدب هذه، يفحص المثلث \(ABD\) بأكمله. وأثناء اجتياز \(XY\)، يفحص \(B,D\) من \(X\) و\(C\) من \(Y\)، فيفحص المثلث \(BCD\) بأكمله. ويشكل هذان المثلثان المثلث \(ABC\)، مما يثبت نجاح المسار.
يبقى إثبات أمثلية المسار. لننظر في أي مسار ناجح ذي طول منتهٍ \(L\). لا بد لهذا المسار من دخول القرصين المغلقين اللذين نصف قطر كل منهما \(r\) ومركزاهما \(B\) و\(C\). هذان القرصان متباعدان لأن \[ BC=a>2r=\frac{\sqrt3\,a}{2}. \] بعد مبادلة \(B,C\) عند الحاجة، نختار موضعين \(P,Q\) يمر بهما الجندي بهذا الترتيب، بحيث \[ PB\le r,\qquad QC\le r. \] أطوال الأجزاء الموافقة من المسار لا تقل عن المسافات بين نهاياتها. ومن ثم، \[ L\ge AP+PQ\ge AP+PC-QC\ge AP+PC-r. \]
نعرف \(D,X\) كما سبق وفق هذه التسمية. ليكن \(\ell\) المستقيم المار بـ \(X\) والموازي لـ \(AC\)، ولتكن \(C'\) صورة \(C\) بالانعكاس حول \(\ell\).
القرص الذي مركزه \(B\) ونصف قطره \(r=BX\) يمس \(\ell\) عند \(X\)، ويقع بأكمله في جهة \(C'\) من \(\ell\). وبما أن \(\ell\) هو المنصف العمودي للقطعة \(CC'\)، فإن كل نقطة \(P\) من هذا القرص تحقق \[ PC\ge PC'. \] علاوة على ذلك، تبين مبرهنة المنتصف في المثلث \(ACC'\) أن \(X\) منتصف \(AC'\): فالنقطة \(D\) منتصف \(AC\)، ولدينا \(DX\parallel CC'\) و\(DX=CC'/2\). لذلك \[ AC'=2AX. \] وبتطبيق متباينة المثلث الآن نحصل على \[ L\ge AP+PC-r \ge AP+PC'-r \ge AC'-r =2AX-r =\frac a4(2\sqrt7-\sqrt3). \]
يحقق المسار المقترح هذا الحد، فهو إذن أقصر مسار ممكن.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).