IMO 1975 · Problem 5
Determine, with proof, whether or not one can find 1975 points on the circumference of a circle with unit radius such that the distance between any two of them is a rational number.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
Yes, such 1975 distinct points exist.
Solution
For each integer \(k=1,\ldots,1975\), put \[ a_k=\frac{k^2-1}{k^2+1}, \qquad b_k=\frac{2k}{k^2+1}, \] and define \[ P_k=(a_k^2-b_k^2,\;2a_kb_k). \] We shall prove that these points have the required properties.
First, \[ a_k^2+b_k^2 =\frac{(k^2-1)^2+4k^2}{(k^2+1)^2}=1. \] Consequently, \[ (a_k^2-b_k^2)^2+(2a_kb_k)^2 =(a_k^2+b_k^2)^2=1, \] so every \(P_k\) lies on the unit circle.
For any \(i,j\), expanding the squared distance and using \(a_i^2+b_i^2=a_j^2+b_j^2=1\), we obtain \[ \begin{aligned} |P_iP_j|^2 &=2-2\bigl((a_i^2-b_i^2)(a_j^2-b_j^2) +4a_ib_ia_jb_j\bigr)\\ &=4(a_ib_j-a_jb_i)^2. \end{aligned} \] Moreover, \[ a_ib_j-a_jb_i =\frac{2j(i^2-1)-2i(j^2-1)} {(i^2+1)(j^2+1)} =\frac{2(i-j)(ij+1)} {(i^2+1)(j^2+1)}. \] It follows that \[ |P_iP_j| =\frac{4|i-j|(ij+1)} {(i^2+1)(j^2+1)}. \] This is rational for every pair \(i,j\), and it is strictly positive whenever \(i\ne j\). Thus the points are distinct and all their pairwise distances are rational, as required.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1975 · Aufgabe 5
Man entscheide mit Beweis, ob sich auf einem Kreis mit Radius eins 1975 Punkte so wählen lassen, dass der Abstand zwischen je zwei dieser Punkte eine rationale Zahl ist.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Ja, es gibt 1975 solche paarweise verschiedenen Punkte.
Lösung
Für jede ganze Zahl \(k=1,\ldots,1975\) setzen wir \[ a_k=\frac{k^2-1}{k^2+1}, \qquad b_k=\frac{2k}{k^2+1}, \] und definieren \[ P_k=(a_k^2-b_k^2,\;2a_kb_k). \] Wir werden beweisen, dass diese Punkte die geforderten Eigenschaften besitzen.
Zunächst gilt \[ a_k^2+b_k^2 =\frac{(k^2-1)^2+4k^2}{(k^2+1)^2}=1. \] Folglich ist \[ (a_k^2-b_k^2)^2+(2a_kb_k)^2 =(a_k^2+b_k^2)^2=1, \] also liegt jeder Punkt \(P_k\) auf dem Einheitskreis.
Für beliebige \(i,j\) erhalten wir durch Ausmultiplizieren des quadrierten Abstands unter Verwendung von \(a_i^2+b_i^2=a_j^2+b_j^2=1\): \[ \begin{aligned} |P_iP_j|^2 &=2-2\bigl((a_i^2-b_i^2)(a_j^2-b_j^2) +4a_ib_ia_jb_j\bigr)\\ &=4(a_ib_j-a_jb_i)^2. \end{aligned} \] Außerdem gilt \[ a_ib_j-a_jb_i =\frac{2j(i^2-1)-2i(j^2-1)} {(i^2+1)(j^2+1)} =\frac{2(i-j)(ij+1)} {(i^2+1)(j^2+1)}. \] Daraus folgt \[ |P_iP_j| =\frac{4|i-j|(ij+1)} {(i^2+1)(j^2+1)}. \] Dieser Ausdruck ist für jedes Paar \(i,j\) rational und für \(i\ne j\) stets streng positiv. Somit sind die Punkte paarweise verschieden, und alle ihre paarweisen Abstände sind wie gefordert rational.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1975 · Soru 5
Birim yarıçaplı bir çember üzerinde, herhangi ikisi arasındaki uzaklık bir rasyonel sayı olacak şekilde 1975 nokta bulunup bulunamayacağını kanıtlayarak belirleyiniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Evet, bu koşulu sağlayan 1975 farklı nokta vardır.
Çözüm
Her \(k=1,\ldots,1975\) tam sayısı için \[ a_k=\frac{k^2-1}{k^2+1}, \qquad b_k=\frac{2k}{k^2+1} \] olsun ve \[ P_k=(a_k^2-b_k^2,\;2a_kb_k) \] olarak tanımlayalım. Bu noktaların istenen özelliklere sahip olduğunu kanıtlayacağız.
Öncelikle, \[ a_k^2+b_k^2 =\frac{(k^2-1)^2+4k^2}{(k^2+1)^2}=1. \] Dolayısıyla, \[ (a_k^2-b_k^2)^2+(2a_kb_k)^2 =(a_k^2+b_k^2)^2=1 \] olduğundan her \(P_k\) birim çember üzerindedir.
Herhangi \(i,j\) için, uzaklığın karesini açıp \(a_i^2+b_i^2=a_j^2+b_j^2=1\) eşitliğini kullanarak \[ \begin{aligned} |P_iP_j|^2 &=2-2\bigl((a_i^2-b_i^2)(a_j^2-b_j^2) +4a_ib_ia_jb_j\bigr)\\ &=4(a_ib_j-a_jb_i)^2 \end{aligned} \] elde ederiz. Ayrıca, \[ a_ib_j-a_jb_i =\frac{2j(i^2-1)-2i(j^2-1)} {(i^2+1)(j^2+1)} =\frac{2(i-j)(ij+1)} {(i^2+1)(j^2+1)}. \] Buradan \[ |P_iP_j| =\frac{4|i-j|(ij+1)} {(i^2+1)(j^2+1)} \] sonucu çıkar. Bu sayı her \(i,j\) çifti için rasyoneldir ve \(i\ne j\) olduğunda kesinlikle pozitiftir. Böylece noktalar birbirinden farklıdır ve aralarındaki tüm uzaklıklar, istendiği gibi, rasyoneldir.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1975 · Problema 5
Determinar, con demostración, si es posible encontrar 1975 puntos sobre una circunferencia de radio unidad tales que la distancia entre dos cualesquiera de ellos sea un número racional.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Sí, existen 1975 puntos distintos con esa propiedad.
Solución
Para cada entero \(k=1,\ldots,1975\), ponemos \[ a_k=\frac{k^2-1}{k^2+1}, \qquad b_k=\frac{2k}{k^2+1}, \] y definimos \[ P_k=(a_k^2-b_k^2,\;2a_kb_k). \] Demostraremos que estos puntos tienen las propiedades requeridas.
En primer lugar, \[ a_k^2+b_k^2 =\frac{(k^2-1)^2+4k^2}{(k^2+1)^2}=1. \] En consecuencia, \[ (a_k^2-b_k^2)^2+(2a_kb_k)^2 =(a_k^2+b_k^2)^2=1, \] por lo que cada \(P_k\) pertenece a la circunferencia unidad.
Para cualesquiera \(i,j\), desarrollando el cuadrado de la distancia y usando \(a_i^2+b_i^2=a_j^2+b_j^2=1\), obtenemos \[ \begin{aligned} |P_iP_j|^2 &=2-2\bigl((a_i^2-b_i^2)(a_j^2-b_j^2) +4a_ib_ia_jb_j\bigr)\\ &=4(a_ib_j-a_jb_i)^2. \end{aligned} \] Además, \[ a_ib_j-a_jb_i =\frac{2j(i^2-1)-2i(j^2-1)} {(i^2+1)(j^2+1)} =\frac{2(i-j)(ij+1)} {(i^2+1)(j^2+1)}. \] Se sigue que \[ |P_iP_j| =\frac{4|i-j|(ij+1)} {(i^2+1)(j^2+1)}. \] Este valor es racional para todo par \(i,j\), y es estrictamente positivo siempre que \(i\ne j\). Por tanto, los puntos son distintos y todas las distancias entre pares de ellos son racionales, como se requería.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1975 · 问题 5
判断能否在半径为一的圆的圆周上找到 1975 个点,使得其中任意两点之间的距离都是有理数,并给出证明。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
能,存在这样的 1975 个互不相同的点。
解答
对每个整数 \(k=1,\ldots,1975\),令 \[ a_k=\frac{k^2-1}{k^2+1}, \qquad b_k=\frac{2k}{k^2+1}, \] 并定义 \[ P_k=(a_k^2-b_k^2,\;2a_kb_k). \] 下面证明这些点具有所要求的性质。
首先, \[ a_k^2+b_k^2 =\frac{(k^2-1)^2+4k^2}{(k^2+1)^2}=1. \] 从而, \[ (a_k^2-b_k^2)^2+(2a_kb_k)^2 =(a_k^2+b_k^2)^2=1, \] 所以每个 \(P_k\) 都在单位圆上。
对任意 \(i,j\),将距离的平方展开,并利用 \(a_i^2+b_i^2=a_j^2+b_j^2=1\),得到 \[ \begin{aligned} |P_iP_j|^2 &=2-2\bigl((a_i^2-b_i^2)(a_j^2-b_j^2) +4a_ib_ia_jb_j\bigr)\\ &=4(a_ib_j-a_jb_i)^2. \end{aligned} \] 此外, \[ a_ib_j-a_jb_i =\frac{2j(i^2-1)-2i(j^2-1)} {(i^2+1)(j^2+1)} =\frac{2(i-j)(ij+1)} {(i^2+1)(j^2+1)}. \] 由此可得 \[ |P_iP_j| =\frac{4|i-j|(ij+1)} {(i^2+1)(j^2+1)}. \] 对每一对 \(i,j\),这个数都是有理数,且当 \(i\ne j\) 时严格为正。因此,这些点互不相同,且任意两点之间的距离都是有理数,符合要求。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1975 · Задача 5
Выясните, можно ли найти на окружности единичного радиуса 1975 точек так, чтобы расстояние между любыми двумя из них было рациональным числом. Ответ обоснуйте.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Да, такие 1975 различных точек существуют.
Решение
Для каждого целого \(k=1,\ldots,1975\) положим \[ a_k=\frac{k^2-1}{k^2+1}, \qquad b_k=\frac{2k}{k^2+1}, \] и определим \[ P_k=(a_k^2-b_k^2,\;2a_kb_k). \] Докажем, что эти точки обладают требуемыми свойствами.
Прежде всего, \[ a_k^2+b_k^2 =\frac{(k^2-1)^2+4k^2}{(k^2+1)^2}=1. \] Следовательно, \[ (a_k^2-b_k^2)^2+(2a_kb_k)^2 =(a_k^2+b_k^2)^2=1, \] поэтому каждая точка \(P_k\) лежит на единичной окружности.
Для любых \(i,j\), раскрывая выражение для квадрата расстояния и используя \(a_i^2+b_i^2=a_j^2+b_j^2=1\), получаем \[ \begin{aligned} |P_iP_j|^2 &=2-2\bigl((a_i^2-b_i^2)(a_j^2-b_j^2) +4a_ib_ia_jb_j\bigr)\\ &=4(a_ib_j-a_jb_i)^2. \end{aligned} \] Кроме того, \[ a_ib_j-a_jb_i =\frac{2j(i^2-1)-2i(j^2-1)} {(i^2+1)(j^2+1)} =\frac{2(i-j)(ij+1)} {(i^2+1)(j^2+1)}. \] Отсюда следует, что \[ |P_iP_j| =\frac{4|i-j|(ij+1)} {(i^2+1)(j^2+1)}. \] Это число рационально для каждой пары \(i,j\) и строго положительно при \(i\ne j\). Таким образом, все точки различны и все попарные расстояния между ними рациональны, что и требовалось доказать.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1975 · المسألة 5
حدّد، مع البرهان، ما إذا كان يمكن إيجاد 1975 نقطة على محيط دائرة نصف قطرها واحد، بحيث تكون المسافة بين أي نقطتين منها عددًا نسبيًا.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
نعم، توجد 1975 نقطة متمايزة تحقق ذلك.
الحل
لكل عدد صحيح \(k=1,\ldots,1975\)، نضع \[ a_k=\frac{k^2-1}{k^2+1}, \qquad b_k=\frac{2k}{k^2+1}, \] ونعرّف \[ P_k=(a_k^2-b_k^2,\;2a_kb_k). \] سنثبت أن هذه النقاط تحقق الخواص المطلوبة.
أولًا، \[ a_k^2+b_k^2 =\frac{(k^2-1)^2+4k^2}{(k^2+1)^2}=1. \] وبالتالي، \[ (a_k^2-b_k^2)^2+(2a_kb_k)^2 =(a_k^2+b_k^2)^2=1, \] فتقع كل نقطة \(P_k\) على دائرة الوحدة.
لأي \(i,j\)، بنشر مربع المسافة واستخدام \(a_i^2+b_i^2=a_j^2+b_j^2=1\)، نحصل على \[ \begin{aligned} |P_iP_j|^2 &=2-2\bigl((a_i^2-b_i^2)(a_j^2-b_j^2) +4a_ib_ia_jb_j\bigr)\\ &=4(a_ib_j-a_jb_i)^2. \end{aligned} \] وفضلًا عن ذلك، \[ a_ib_j-a_jb_i =\frac{2j(i^2-1)-2i(j^2-1)} {(i^2+1)(j^2+1)} =\frac{2(i-j)(ij+1)} {(i^2+1)(j^2+1)}. \] وينتج أن \[ |P_iP_j| =\frac{4|i-j|(ij+1)} {(i^2+1)(j^2+1)}. \] وهذا عدد نسبي لكل زوج \(i,j\)، وهو موجب تمامًا كلما كان \(i\ne j\). إذن النقاط متمايزة، وجميع المسافات بين أزواجها أعداد نسبية، كما هو مطلوب.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).