IMO 1974 · Problem 2
In the triangle \(ABC\), prove that there is a point \(D\) on side \(AB\) such that \(CD\) is the geometric mean of \(AD\) and \(DB\) if and only if \[ \sin A\sin B\leq \sin^2\frac C2. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
The endpoints \(A,B\) cannot serve as \(D\): there \(AD\cdot DB=0\), whereas \(CD>0\).
For an interior point \(D\) of \(AB\), put \[ \alpha=\angle ACD,\qquad \beta=\angle DCB. \] Then \(\alpha,\beta>0\) and \(\alpha+\beta=C\). Applying the sine rule in triangles \(ACD\) and \(BCD\) gives \[ \frac{AD}{CD}=\frac{\sin\alpha}{\sin A}, \qquad \frac{DB}{CD}=\frac{\sin\beta}{\sin B}. \] Consequently, \[ CD^2=AD\cdot DB \quad\Longleftrightarrow\quad \sin\alpha\sin\beta=\sin A\sin B. \tag{1} \]
For necessity, suppose such a point \(D\) exists. Since \(\beta=C-\alpha\), \[ \sin A\sin B =\sin\alpha\sin(C-\alpha) =\sin^2\frac C2-\sin^2\left(\alpha-\frac C2\right) \leq\sin^2\frac C2. \]
For sufficiency, suppose \[ \sin A\sin B\leq\sin^2\frac C2. \] The function \[ f(t)=\sin t\sin(C-t) \] is continuous on \([0,C/2]\), with \[ f(0)=0,\qquad f(C/2)=\sin^2\frac C2. \] Because \(\sin A\sin B>0\), the intermediate value theorem supplies an \(\alpha\in(0,C/2]\) such that \[ f(\alpha)=\sin A\sin B. \]
Draw the ray from \(C\) inside \(\angle ACB\) making angle \(\alpha\) with \(CA\). Since \(0<\alpha<C\), it intersects \(AB\) at an interior point \(D\). For this point, \(\beta=C-\alpha\), so (1) yields \[ CD^2=AD\cdot DB, \] and hence \(CD=\sqrt{AD\cdot DB}\), as required.
In the equality case, \(\alpha=C/2\) works, so \(D\) is the intersection of the internal angle bisector from \(C\) with \(AB\). \(\square\)
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1974 · Aufgabe 2
Beweise, dass es im Dreieck \(ABC\) genau dann einen Punkt \(D\) auf der Seite \(AB\) gibt, für den \(CD\) das geometrische Mittel von \(AD\) und \(DB\) ist, wenn \[ \sin A\sin B\leq \sin^2\frac C2. \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Die Endpunkte \(A,B\) kommen als \(D\) nicht infrage: Dort gilt \(AD\cdot DB=0\), während \(CD>0\) ist.
Für einen inneren Punkt \(D\) der Strecke \(AB\) setzen wir \[ \alpha=\angle ACD,\qquad \beta=\angle DCB. \] Dann gelten \(\alpha,\beta>0\) und \(\alpha+\beta=C\). Die Anwendung des Sinussatzes in den Dreiecken \(ACD\) und \(BCD\) ergibt \[ \frac{AD}{CD}=\frac{\sin\alpha}{\sin A}, \qquad \frac{DB}{CD}=\frac{\sin\beta}{\sin B}. \] Folglich gilt \[ CD^2=AD\cdot DB \quad\Longleftrightarrow\quad \sin\alpha\sin\beta=\sin A\sin B. \tag{1} \]
Zum Beweis der Notwendigkeit nehmen wir an, dass ein solcher Punkt \(D\) existiert. Wegen \(\beta=C-\alpha\) gilt \[ \sin A\sin B =\sin\alpha\sin(C-\alpha) =\sin^2\frac C2-\sin^2\left(\alpha-\frac C2\right) \leq\sin^2\frac C2. \]
Zum Beweis der hinreichenden Bedingung nehmen wir an, dass \[ \sin A\sin B\leq\sin^2\frac C2. \] Die Funktion \[ f(t)=\sin t\sin(C-t) \] ist auf \([0,C/2]\) stetig, und es gilt \[ f(0)=0,\qquad f(C/2)=\sin^2\frac C2. \] Da \(\sin A\sin B>0\) ist, liefert der Zwischenwertsatz ein \(\alpha\in(0,C/2]\) mit \[ f(\alpha)=\sin A\sin B. \]
Wir zeichnen den Strahl von \(C\) im Inneren von \(\angle ACB\), der mit \(CA\) den Winkel \(\alpha\) bildet. Wegen \(0<\alpha<C\) schneidet er \(AB\) in einem inneren Punkt \(D\). Für diesen Punkt gilt \(\beta=C-\alpha\), also liefert (1) \[ CD^2=AD\cdot DB, \] und damit \(CD=\sqrt{AD\cdot DB}\), wie gefordert.
Im Gleichheitsfall eignet sich \(\alpha=C/2\), sodass \(D\) der Schnittpunkt der inneren Winkelhalbierenden von \(C\) mit \(AB\) ist. \(\square\)
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1974 · Soru 2
\(ABC\) üçgeninde, \(AB\) kenarı üzerinde \(CD\)'nin \(AD\) ile \(DB\)'nin geometrik ortalaması olduğu bir \(D\) noktasının bulunması için gerek ve yeter koşulun \[ \sin A\sin B\leq \sin^2\frac C2 \] olduğunu kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(A,B\) uç noktaları \(D\) olarak alınamaz: bu noktalarda \(AD\cdot DB=0\) iken \(CD>0\) olur.
\(AB\)'nin bir iç noktası \(D\) için \[ \alpha=\angle ACD,\qquad \beta=\angle DCB \] olsun. O hâlde \(\alpha,\beta>0\) ve \(\alpha+\beta=C\) olur. \(ACD\) ve \(BCD\) üçgenlerinde sinüs teoremini uygulayarak \[ \frac{AD}{CD}=\frac{\sin\alpha}{\sin A}, \qquad \frac{DB}{CD}=\frac{\sin\beta}{\sin B} \] elde ederiz. Dolayısıyla \[ CD^2=AD\cdot DB \quad\Longleftrightarrow\quad \sin\alpha\sin\beta=\sin A\sin B. \tag{1} \]
Gereklilik için böyle bir \(D\) noktasının var olduğunu varsayalım. \(\beta=C-\alpha\) olduğundan \[ \sin A\sin B =\sin\alpha\sin(C-\alpha) =\sin^2\frac C2-\sin^2\left(\alpha-\frac C2\right) \leq\sin^2\frac C2. \]
Yeterlilik için \[ \sin A\sin B\leq\sin^2\frac C2 \] olduğunu varsayalım. \[ f(t)=\sin t\sin(C-t) \] fonksiyonu \([0,C/2]\) aralığında süreklidir ve \[ f(0)=0,\qquad f(C/2)=\sin^2\frac C2 \] eşitliklerini sağlar. \(\sin A\sin B>0\) olduğundan ara değer teoremi, bir \(\alpha\in(0,C/2]\) için \[ f(\alpha)=\sin A\sin B \] eşitliğinin sağlandığını gösterir.
\(C\)'den çıkan, \(\angle ACB\)'nin içinde kalan ve \(CA\) ile \(\alpha\) açısı yapan ışını çizelim. \(0<\alpha<C\) olduğundan bu ışın \(AB\)'yi bir iç nokta olan \(D\)'de keser. Bu nokta için \(\beta=C-\alpha\) olduğundan (1) eşitliği \[ CD^2=AD\cdot DB, \] sonucunu verir ve böylece istendiği gibi \(CD=\sqrt{AD\cdot DB}\) olur.
Eşitlik durumunda \(\alpha=C/2\) seçimi uygundur; dolayısıyla \(D\), \(C\)'den çizilen iç açıortayın \(AB\) ile kesişim noktasıdır. \(\square\)
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1974 · Problema 2
En el triángulo \(ABC\), demostrar que existe un punto \(D\) en el lado \(AB\) tal que \(CD\) es la media geométrica de \(AD\) y \(DB\) si y solo si \[ \sin A\sin B\leq \sin^2\frac C2. \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Los extremos \(A,B\) no pueden ser el punto \(D\): en ellos \(AD\cdot DB=0\), mientras que \(CD>0\).
Para un punto interior \(D\) de \(AB\), sean \[ \alpha=\angle ACD,\qquad \beta=\angle DCB. \] Entonces \(\alpha,\beta>0\) y \(\alpha+\beta=C\). Aplicando el teorema del seno en los triángulos \(ACD\) y \(BCD\), se obtiene \[ \frac{AD}{CD}=\frac{\sin\alpha}{\sin A}, \qquad \frac{DB}{CD}=\frac{\sin\beta}{\sin B}. \] En consecuencia, \[ CD^2=AD\cdot DB \quad\Longleftrightarrow\quad \sin\alpha\sin\beta=\sin A\sin B. \tag{1} \]
Para demostrar la necesidad, supongamos que existe tal punto \(D\). Como \(\beta=C-\alpha\), \[ \sin A\sin B =\sin\alpha\sin(C-\alpha) =\sin^2\frac C2-\sin^2\left(\alpha-\frac C2\right) \leq\sin^2\frac C2. \]
Para demostrar la suficiencia, supongamos que \[ \sin A\sin B\leq\sin^2\frac C2. \] La función \[ f(t)=\sin t\sin(C-t) \] es continua en \([0,C/2]\), con \[ f(0)=0,\qquad f(C/2)=\sin^2\frac C2. \] Como \(\sin A\sin B>0\), el teorema del valor intermedio garantiza la existencia de un \(\alpha\in(0,C/2]\) tal que \[ f(\alpha)=\sin A\sin B. \]
Tracemos la semirrecta de origen \(C\), interior a \(\angle ACB\), que forma un ángulo \(\alpha\) con \(CA\). Como \(0<\alpha<C\), corta a \(AB\) en un punto interior \(D\). Para este punto, \(\beta=C-\alpha\), por lo que (1) da \[ CD^2=AD\cdot DB, \] y, por tanto, \(CD=\sqrt{AD\cdot DB}\), como se quería demostrar.
En el caso de igualdad, sirve \(\alpha=C/2\), de modo que \(D\) es la intersección de la bisectriz interior trazada desde \(C\) con \(AB\). \(\square\)
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1974 · 问题 2
在三角形 \(ABC\) 中,证明:边 \(AB\) 上存在一点 \(D\),使得 \(CD\) 是 \(AD\) 与 \(DB\) 的几何平均数,当且仅当 \[ \sin A\sin B\leq \sin^2\frac C2. \]
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
端点 \(A,B\) 均不能作为 \(D\):在这两点处,\(AD\cdot DB=0\),而 \(CD>0\)。
对于 \(AB\) 的一个内点 \(D\),令 \[ \alpha=\angle ACD,\qquad \beta=\angle DCB. \] 则 \(\alpha,\beta>0\),且 \(\alpha+\beta=C\)。在三角形 \(ACD\) 和 \(BCD\) 中应用正弦定理,得 \[ \frac{AD}{CD}=\frac{\sin\alpha}{\sin A}, \qquad \frac{DB}{CD}=\frac{\sin\beta}{\sin B}. \] 因此, \[ CD^2=AD\cdot DB \quad\Longleftrightarrow\quad \sin\alpha\sin\beta=\sin A\sin B. \tag{1} \]
先证必要性,假设存在这样的点 \(D\)。由于 \(\beta=C-\alpha\), \[ \sin A\sin B =\sin\alpha\sin(C-\alpha) =\sin^2\frac C2-\sin^2\left(\alpha-\frac C2\right) \leq\sin^2\frac C2. \]
再证充分性,假设 \[ \sin A\sin B\leq\sin^2\frac C2. \] 函数 \[ f(t)=\sin t\sin(C-t) \] 在 \([0,C/2]\) 上连续,且 \[ f(0)=0,\qquad f(C/2)=\sin^2\frac C2. \] 由于 \(\sin A\sin B>0\),由介值定理可知,存在 \(\alpha\in(0,C/2]\),使得 \[ f(\alpha)=\sin A\sin B. \]
在 \(\angle ACB\) 内部从 \(C\) 引一条射线,使其与 \(CA\) 的夹角为 \(\alpha\)。由于 \(0<\alpha<C\),这条射线与 \(AB\) 交于一个内点 \(D\)。对于此点,\(\beta=C-\alpha\),所以由 (1) 得 \[ CD^2=AD\cdot DB, \] 从而 \(CD=\sqrt{AD\cdot DB}\),即得所证。
在等号成立的情形下,取 \(\alpha=C/2\) 即可,所以 \(D\) 是从 \(C\) 引出的内角平分线与 \(AB\) 的交点。\(\square\)
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1974 · Задача 2
Докажите, что в треугольнике \(ABC\) на стороне \(AB\) существует точка \(D\), для которой \(CD\) является средним геометрическим \(AD\) и \(DB\), тогда и только тогда, когда \[ \sin A\sin B\leq \sin^2\frac C2. \]
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Концы \(A,B\) отрезка не могут служить точкой \(D\): в них \(AD\cdot DB=0\), тогда как \(CD>0\).
Для внутренней точки \(D\) отрезка \(AB\) положим \[ \alpha=\angle ACD,\qquad \beta=\angle DCB. \] Тогда \(\alpha,\beta>0\) и \(\alpha+\beta=C\). Применяя теорему синусов к треугольникам \(ACD\) и \(BCD\), получаем \[ \frac{AD}{CD}=\frac{\sin\alpha}{\sin A}, \qquad \frac{DB}{CD}=\frac{\sin\beta}{\sin B}. \] Следовательно, \[ CD^2=AD\cdot DB \quad\Longleftrightarrow\quad \sin\alpha\sin\beta=\sin A\sin B. \tag{1} \]
Для доказательства необходимости предположим, что такая точка \(D\) существует. Поскольку \(\beta=C-\alpha\), \[ \sin A\sin B =\sin\alpha\sin(C-\alpha) =\sin^2\frac C2-\sin^2\left(\alpha-\frac C2\right) \leq\sin^2\frac C2. \]
Для доказательства достаточности предположим, что \[ \sin A\sin B\leq\sin^2\frac C2. \] Функция \[ f(t)=\sin t\sin(C-t) \] непрерывна на \([0,C/2]\), причём \[ f(0)=0,\qquad f(C/2)=\sin^2\frac C2. \] Поскольку \(\sin A\sin B>0\), по теореме о промежуточном значении существует \(\alpha\in(0,C/2]\), для которого \[ f(\alpha)=\sin A\sin B. \]
Проведём из \(C\) внутри \(\angle ACB\) луч, образующий с \(CA\) угол \(\alpha\). Поскольку \(0<\alpha<C\), он пересекает \(AB\) во внутренней точке \(D\). Для этой точки \(\beta=C-\alpha\), поэтому из (1) следует \[ CD^2=AD\cdot DB, \] а значит, \(CD=\sqrt{AD\cdot DB}\), что и требовалось доказать.
В случае равенства подходит \(\alpha=C/2\), поэтому \(D\) — точка пересечения биссектрисы внутреннего угла при вершине \(C\) с \(AB\). \(\square\)
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1974 · المسألة 2
في المثلث \(ABC\)، أثبت أنه توجد نقطة \(D\) على الضلع \(AB\) بحيث يكون \(CD\) الوسط الهندسي للطولين \(AD\) و\(DB\) إذا وفقط إذا \[ \sin A\sin B\leq \sin^2\frac C2. \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لا يمكن أن تكون أي من النقطتين الطرفيتين \(A,B\) هي \(D\): إذ يكون عندئذ \(AD\cdot DB=0\)، في حين أن \(CD>0\).
لنقطة \(D\) في داخل القطعة \(AB\)، نضع \[ \alpha=\angle ACD,\qquad \beta=\angle DCB. \] عندئذ \(\alpha,\beta>0\) و\(\alpha+\beta=C\). وبتطبيق قانون الجيوب في المثلثين \(ACD\) و\(BCD\) نحصل على \[ \frac{AD}{CD}=\frac{\sin\alpha}{\sin A}, \qquad \frac{DB}{CD}=\frac{\sin\beta}{\sin B}. \] وبناءً عليه، \[ CD^2=AD\cdot DB \quad\Longleftrightarrow\quad \sin\alpha\sin\beta=\sin A\sin B. \tag{1} \]
لإثبات الضرورة، نفترض وجود نقطة \(D\) بهذه الصفة. وبما أن \(\beta=C-\alpha\)، فإن \[ \sin A\sin B =\sin\alpha\sin(C-\alpha) =\sin^2\frac C2-\sin^2\left(\alpha-\frac C2\right) \leq\sin^2\frac C2. \]
لإثبات الكفاية، نفترض أن \[ \sin A\sin B\leq\sin^2\frac C2. \] الدالة \[ f(t)=\sin t\sin(C-t) \] متصلة على \([0,C/2]\)، وتحقق \[ f(0)=0,\qquad f(C/2)=\sin^2\frac C2. \] وبما أن \(\sin A\sin B>0\)، فإن مبرهنة القيمة المتوسطة تضمن وجود \(\alpha\in(0,C/2]\) بحيث \[ f(\alpha)=\sin A\sin B. \]
نرسم الشعاع المنطلق من \(C\) داخل \(\angle ACB\) والذي يصنع زاوية \(\alpha\) مع \(CA\). وبما أن \(0<\alpha<C\)، فإنه يقطع \(AB\) في نقطة داخلية \(D\). لهذه النقطة، لدينا \(\beta=C-\alpha\)، ومن ثم تعطي (1) \[ CD^2=AD\cdot DB, \] وبالتالي \(CD=\sqrt{AD\cdot DB}\)، كما هو مطلوب.
في حالة المساواة، تصلح القيمة \(\alpha=C/2\)، فتكون \(D\) نقطة تقاطع منصف الزاوية الداخلية عند \(C\) مع \(AB\). \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).