IMO 1978 · Problem 2
\(P\) is a given point inside a given sphere. Three mutually perpendicular rays from \(P\) intersect the sphere at points \(U\), \(V\), and \(W\); \(Q\) denotes the vertex diagonally opposite to \(P\) in the parallelepiped determined by \(PU\), \(PV\), and \(PW\). Find the locus of \(Q\) for all such triads of rays from \(P\)
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
The locus is the entire sphere with center \(O\) and radius \[ \boxed{\sqrt{3R^2-2OP^2}}, \] where \(O\) and \(R\) are the center and radius of the given sphere.
Solution
Take \(O\) as the origin, and let \(\mathbf p,\mathbf q\) be the position vectors of \(P,Q\). Put \[ d=|\mathbf p|<R,\qquad c=R^2-d^2>0. \]
Let \(\mathbf e_1,\mathbf e_2,\mathbf e_3\) be unit vectors along the three rays. They form an orthonormal basis. Write \[ a_i=\mathbf p\cdot\mathbf e_i, \] and let \(t_i>0\) be the distance from \(P\) to the sphere along the \(i\)-th ray. The equation \[ |\mathbf p+t_i\mathbf e_i|^2=R^2 \] gives \[ t_i^2+2a_it_i=c, \qquad t_i=-a_i+\sqrt{a_i^2+c}. \] Since \(c>0\), this is indeed the unique positive root.
The opposite vertex of the parallelepiped therefore satisfies \[ \mathbf q =\mathbf p+\sum_{i=1}^3t_i\mathbf e_i =\sum_{i=1}^3\sqrt{a_i^2+c}\,\mathbf e_i. \] Consequently, \[ |\mathbf q|^2 =\sum_{i=1}^3(a_i^2+c) =d^2+3c =3R^2-2d^2. \] Thus every possible \(Q\) lies on the claimed sphere. Denote its radius by \[ r=\sqrt{3R^2-2d^2}. \]
We must prove that every point of this sphere is attained.
If \(P=O\), rotating any admissible triad about \(O\) rotates its corresponding \(Q\) in the same way. Since \(|OQ|=r\), these rotations give every point of the claimed sphere.
Now suppose \(d>0\), and put \(\mathbf k=\mathbf p/d\). Choose an orthonormal frame satisfying \[ \mathbf e_1+\mathbf e_2+\mathbf e_3=\sqrt3\,\mathbf k. \] Such a frame exists: the sum of any orthonormal frame has length \(\sqrt3\), so a rotation can align that sum with \(\mathbf k\). Taking scalar products with each \(\mathbf e_i\) shows that \[ a_i=\frac d{\sqrt3}. \] For this triad our formula gives \[ \mathbf q =\sqrt{\frac{d^2}{3}+c}\, (\mathbf e_1+\mathbf e_2+\mathbf e_3) =r\mathbf k. \]
Rotate these three rays continuously through an angle \(\theta\), from \(0\) to \(\pi\), about a fixed line through \(P\) perpendicular to \(\mathbf k\). At each angle, intersect the rays with the given sphere anew and form the corresponding vertex \(Q_\theta\).
Let \(H_\theta\) denote the rotation of direction vectors. At \(\theta=\pi\), we have \(H_\pi\mathbf k=-\mathbf k\), so \[ \mathbf p\cdot H_\pi\mathbf e_i=-\frac d{\sqrt3}, \qquad \sum_{i=1}^3H_\pi\mathbf e_i=-\sqrt3\,\mathbf k. \] Our formula therefore gives \[ \mathbf q_0=r\mathbf k,\qquad \mathbf q_\pi=-r\mathbf k. \] That same formula shows that \(\mathbf q_\theta\) depends continuously on \(\theta\). Hence, by the intermediate value theorem, \[ \mathbf q_\theta\cdot\mathbf k \] takes every value in \([-r,r]\).
Finally, let \(X\) be any point on the claimed sphere, with position vector \(\mathbf x\). Choose \(\theta\) such that \[ \mathbf q_\theta\cdot\mathbf k=\mathbf x\cdot\mathbf k. \] Since both vectors have length \(r\), their endpoints lie on the same circle perpendicular to the axis \(OP\). A rotation about \(OP\) carries \(Q_\theta\) to \(X\); at the two poles the points already coincide. Such a rotation preserves \(P\) and the original sphere, so it carries the corresponding triad to an admissible triad whose opposite vertex is \(X\).
Thus every point of the stated sphere is attainable, completing the proof.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1978 · Aufgabe 2
\(P\) ist ein gegebener Punkt im Inneren einer gegebenen Kugel. Drei paarweise senkrechte Strahlen mit Anfangspunkt \(P\) schneiden die Kugeloberfläche in den Punkten \(U\), \(V\) und \(W\); \(Q\) bezeichnet den \(P\) diagonal gegenüberliegenden Eckpunkt des durch \(PU\), \(PV\) und \(PW\) bestimmten Parallelepipeds. Bestimme den geometrischen Ort von \(Q\) für alle solchen Tripel von Strahlen mit Anfangspunkt \(P\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Der geometrische Ort ist die gesamte Kugeloberfläche mit Mittelpunkt \(O\) und Radius \[ \boxed{\sqrt{3R^2-2OP^2}}, \] wobei \(O\) und \(R\) der Mittelpunkt und der Radius der gegebenen Kugel sind.
Lösung
Wähle \(O\) als Ursprung, und seien \(\mathbf p,\mathbf q\) die Ortsvektoren von \(P,Q\). Setze \[ d=|\mathbf p|<R,\qquad c=R^2-d^2>0. \]
Seien \(\mathbf e_1,\mathbf e_2,\mathbf e_3\) Einheitsvektoren in Richtung der drei Strahlen. Sie bilden eine Orthonormalbasis. Schreibe \[ a_i=\mathbf p\cdot\mathbf e_i, \] und sei \(t_i>0\) der Abstand von \(P\) zur Kugeloberfläche entlang des \(i\)-ten Strahls. Die Gleichung \[ |\mathbf p+t_i\mathbf e_i|^2=R^2 \] ergibt \[ t_i^2+2a_it_i=c, \qquad t_i=-a_i+\sqrt{a_i^2+c}. \] Wegen \(c>0\) ist dies tatsächlich die einzige positive Lösung.
Für den gegenüberliegenden Eckpunkt des Parallelepipeds gilt daher \[ \mathbf q =\mathbf p+\sum_{i=1}^3t_i\mathbf e_i =\sum_{i=1}^3\sqrt{a_i^2+c}\,\mathbf e_i. \] Folglich ist \[ |\mathbf q|^2 =\sum_{i=1}^3(a_i^2+c) =d^2+3c =3R^2-2d^2. \] Somit liegt jeder mögliche Punkt \(Q\) auf der behaupteten Kugeloberfläche. Bezeichne ihren Radius mit \[ r=\sqrt{3R^2-2d^2}. \]
Wir müssen beweisen, dass jeder Punkt dieser Kugeloberfläche erreicht wird.
Falls \(P=O\) gilt, dreht jede Drehung eines zulässigen Strahlentripels um \(O\) den zugehörigen Punkt \(Q\) auf dieselbe Weise. Wegen \(|OQ|=r\) liefern diese Drehungen jeden Punkt der behaupteten Kugeloberfläche.
Nehmen wir nun \(d>0\) an und setzen \(\mathbf k=\mathbf p/d\). Wähle eine Orthonormalbasis, für die \[ \mathbf e_1+\mathbf e_2+\mathbf e_3=\sqrt3\,\mathbf k. \] Eine solche Basis existiert: Die Summe der Vektoren einer beliebigen Orthonormalbasis hat die Länge \(\sqrt3\), sodass diese Summe durch eine Drehung in Richtung von \(\mathbf k\) ausgerichtet werden kann. Durch Bildung des Skalarprodukts mit jedem \(\mathbf e_i\) erhält man \[ a_i=\frac d{\sqrt3}. \] Für dieses Tripel liefert unsere Formel \[ \mathbf q =\sqrt{\frac{d^2}{3}+c}\, (\mathbf e_1+\mathbf e_2+\mathbf e_3) =r\mathbf k. \]
Drehe diese drei Strahlen stetig um einen Winkel \(\theta\) von \(0\) bis \(\pi\) um eine feste Gerade durch \(P\), die senkrecht zu \(\mathbf k\) ist. Schneide die Strahlen bei jedem Winkel erneut mit der gegebenen Kugeloberfläche und bilde den zugehörigen Eckpunkt \(Q_\theta\).
Sei \(H_\theta\) die Drehung der Richtungsvektoren. Für \(\theta=\pi\) gilt \(H_\pi\mathbf k=-\mathbf k\), also \[ \mathbf p\cdot H_\pi\mathbf e_i=-\frac d{\sqrt3}, \qquad \sum_{i=1}^3H_\pi\mathbf e_i=-\sqrt3\,\mathbf k. \] Unsere Formel ergibt daher \[ \mathbf q_0=r\mathbf k,\qquad \mathbf q_\pi=-r\mathbf k. \] Dieselbe Formel zeigt, dass \(\mathbf q_\theta\) stetig von \(\theta\) abhängt. Nach dem Zwischenwertsatz nimmt somit \[ \mathbf q_\theta\cdot\mathbf k \] jeden Wert in \([-r,r]\) an.
Sei schließlich \(X\) ein beliebiger Punkt auf der behaupteten Kugeloberfläche mit Ortsvektor \(\mathbf x\). Wähle \(\theta\) so, dass \[ \mathbf q_\theta\cdot\mathbf k=\mathbf x\cdot\mathbf k. \] Da beide Vektoren die Länge \(r\) haben, liegen ihre Endpunkte auf demselben Kreis senkrecht zur Achse \(OP\). Eine Drehung um \(OP\) überführt \(Q_\theta\) in \(X\); an den beiden Polen stimmen die Punkte bereits überein. Eine solche Drehung lässt \(P\) und die ursprüngliche Kugel unverändert, überführt also das zugehörige Tripel in ein zulässiges Tripel, dessen gegenüberliegender Eckpunkt \(X\) ist.
Somit ist jeder Punkt der angegebenen Kugeloberfläche erreichbar, womit der Beweis abgeschlossen ist.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1978 · Soru 2
\(P\), verilen bir kürenin içinde verilen bir noktadır. \(P\)'den çıkan ve birbirine dik olan üç ışın, küreyi \(U\), \(V\) ve \(W\) noktalarında kesmektedir; \(Q\), \(PU\), \(PV\) ve \(PW\)'nin belirlediği paralelyüzde \(P\)'nin cisim köşegeni üzerindeki karşı köşesini göstermektedir. \(P\)'den çıkan bu tür tüm ışın üçlüleri için \(Q\)'nun geometrik yerini bulunuz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Geometrik yer, merkezi \(O\) ve yarıçapı \[ \boxed{\sqrt{3R^2-2OP^2}}, \] olan kürenin tamamıdır; burada \(O\) ve \(R\), verilen kürenin merkezi ve yarıçapıdır.
Çözüm
\(O\)'yu başlangıç noktası olarak alalım ve \(P,Q\)'nun konum vektörleri \(\mathbf p,\mathbf q\) olsun. \[ d=|\mathbf p|<R,\qquad c=R^2-d^2>0 \] olarak tanımlayalım.
Üç ışının doğrultusundaki birim vektörler \(\mathbf e_1,\mathbf e_2,\mathbf e_3\) olsun. Bu vektörler bir ortonormal baz oluşturur. \[ a_i=\mathbf p\cdot\mathbf e_i, \] yazalım ve \(t_i>0\), \(P\)'den küreye \(i\). ışın boyunca olan uzaklık olsun. \[ |\mathbf p+t_i\mathbf e_i|^2=R^2 \] denklemi \[ t_i^2+2a_it_i=c, \qquad t_i=-a_i+\sqrt{a_i^2+c} \] sonucunu verir. \(c>0\) olduğundan, bu gerçekten de tek pozitif köktür.
Dolayısıyla paralelyüzün karşı köşesi \[ \mathbf q =\mathbf p+\sum_{i=1}^3t_i\mathbf e_i =\sum_{i=1}^3\sqrt{a_i^2+c}\,\mathbf e_i \] eşitliğini sağlar. Buna göre \[ |\mathbf q|^2 =\sum_{i=1}^3(a_i^2+c) =d^2+3c =3R^2-2d^2. \] Böylece olası her \(Q\) noktası, belirtilen küre üzerinde bulunur. Bu kürenin yarıçapını \[ r=\sqrt{3R^2-2d^2} \] ile gösterelim.
Bu kürenin her noktasının elde edilebildiğini kanıtlamalıyız.
\(P=O\) ise koşulları sağlayan herhangi bir ışın üçlüsünü \(O\) etrafında döndürmek, buna karşılık gelen \(Q\)'yu da aynı biçimde döndürür. \(|OQ|=r\) olduğundan, bu dönmeler belirtilen kürenin her noktasını verir.
Şimdi \(d>0\) olduğunu varsayalım ve \(\mathbf k=\mathbf p/d\) olsun. \[ \mathbf e_1+\mathbf e_2+\mathbf e_3=\sqrt3\,\mathbf k \] eşitliğini sağlayan bir ortonormal baz seçelim. Böyle bir baz vardır: herhangi bir ortonormal bazın vektörlerinin toplamının uzunluğu \(\sqrt3\) olduğundan, bir dönme ile bu toplamın yönü \(\mathbf k\) ile aynı yapılabilir. Her bir \(\mathbf e_i\) ile skaler çarpım alınırsa \[ a_i=\frac d{\sqrt3} \] olduğu görülür. Bu üçlü için formülümüz \[ \mathbf q =\sqrt{\frac{d^2}{3}+c}\, (\mathbf e_1+\mathbf e_2+\mathbf e_3) =r\mathbf k \] sonucunu verir.
Bu üç ışını, \(P\)'den geçen ve \(\mathbf k\)'ya dik olan sabit bir doğru etrafında, \(\theta\) açısı \(0\)'dan \(\pi\)'ye kadar değişecek biçimde sürekli olarak döndürelim. Her açıda ışınları verilen küreyle yeniden kesiştirip bunlara karşılık gelen \(Q_\theta\) köşesini oluşturalım.
Yön vektörlerinin dönmesini \(H_\theta\) ile gösterelim. \(\theta=\pi\) için \(H_\pi\mathbf k=-\mathbf k\) olduğundan \[ \mathbf p\cdot H_\pi\mathbf e_i=-\frac d{\sqrt3}, \qquad \sum_{i=1}^3H_\pi\mathbf e_i=-\sqrt3\,\mathbf k \] olur. Dolayısıyla formülümüz \[ \mathbf q_0=r\mathbf k,\qquad \mathbf q_\pi=-r\mathbf k \] sonucunu verir. Aynı formül, \(\mathbf q_\theta\)'nın \(\theta\)'ya sürekli olarak bağlı olduğunu gösterir. O hâlde ara değer teoremine göre \[ \mathbf q_\theta\cdot\mathbf k \] ifadesi \([-r,r]\) aralığındaki her değeri alır.
Son olarak, \(X\), belirtilen küre üzerinde herhangi bir nokta ve konum vektörü \(\mathbf x\) olsun. \[ \mathbf q_\theta\cdot\mathbf k=\mathbf x\cdot\mathbf k \] olacak şekilde \(\theta\) seçelim. Her iki vektörün de uzunluğu \(r\) olduğundan, uç noktaları \(OP\) eksenine dik aynı çember üzerinde bulunur. \(OP\) etrafında bir dönme, \(Q_\theta\)'yı \(X\)'e götürür; iki kutupta ise noktalar zaten çakışır. Böyle bir dönme \(P\)'yi ve başlangıçtaki küreyi koruduğundan, karşılık gelen üçlüyü, karşı köşesi \(X\) olan ve koşulları sağlayan bir üçlüye götürür.
Böylece belirtilen kürenin her noktası elde edilebilir ve kanıt tamamlanır.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1978 · Problema 2
\(P\) es un punto dado en el interior de una esfera dada. Tres semirrectas mutuamente perpendiculares con origen en \(P\) cortan la esfera en los puntos \(U\), \(V\) y \(W\); \(Q\) denota el vértice diagonalmente opuesto a \(P\) en el paralelepípedo determinado por \(PU\), \(PV\) y \(PW\). Hallar el lugar geométrico de \(Q\) para todas esas ternas de semirrectas con origen en \(P\)
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
El lugar geométrico es toda la esfera de centro \(O\) y radio \[ \boxed{\sqrt{3R^2-2OP^2}}, \] donde \(O\) y \(R\) son el centro y el radio de la esfera dada.
Solución
Tomemos \(O\) como origen y sean \(\mathbf p,\mathbf q\) los vectores de posición de \(P,Q\). Pongamos \[ d=|\mathbf p|<R,\qquad c=R^2-d^2>0. \]
Sean \(\mathbf e_1,\mathbf e_2,\mathbf e_3\) vectores unitarios en las direcciones y sentidos de las tres semirrectas. Forman una base ortonormal. Escribamos \[ a_i=\mathbf p\cdot\mathbf e_i, \] y sea \(t_i>0\) la distancia de \(P\) a la esfera a lo largo de la \(i\)-ésima semirrecta. La ecuación \[ |\mathbf p+t_i\mathbf e_i|^2=R^2 \] da \[ t_i^2+2a_it_i=c, \qquad t_i=-a_i+\sqrt{a_i^2+c}. \] Como \(c>0\), esta es, en efecto, la única raíz positiva.
Por tanto, el vértice opuesto del paralelepípedo satisface \[ \mathbf q =\mathbf p+\sum_{i=1}^3t_i\mathbf e_i =\sum_{i=1}^3\sqrt{a_i^2+c}\,\mathbf e_i. \] En consecuencia, \[ |\mathbf q|^2 =\sum_{i=1}^3(a_i^2+c) =d^2+3c =3R^2-2d^2. \] Así pues, todo punto \(Q\) posible pertenece a la esfera indicada. Denotemos su radio por \[ r=\sqrt{3R^2-2d^2}. \]
Debemos demostrar que se obtiene cada punto de esta esfera.
Si \(P=O\), al girar cualquier terna admisible alrededor de \(O\), su punto \(Q\) correspondiente gira de la misma manera. Como \(|OQ|=r\), estos giros permiten obtener todos los puntos de la esfera indicada.
Supongamos ahora que \(d>0\) y pongamos \(\mathbf k=\mathbf p/d\). Elijamos una base ortonormal que satisfaga \[ \mathbf e_1+\mathbf e_2+\mathbf e_3=\sqrt3\,\mathbf k. \] Tal base existe: la suma de los vectores de cualquier base ortonormal tiene longitud \(\sqrt3\), por lo que un giro puede hacer que esa suma tenga la dirección y el sentido de \(\mathbf k\). Tomando productos escalares con cada \(\mathbf e_i\), se obtiene que \[ a_i=\frac d{\sqrt3}. \] Para esta terna, nuestra fórmula da \[ \mathbf q =\sqrt{\frac{d^2}{3}+c}\, (\mathbf e_1+\mathbf e_2+\mathbf e_3) =r\mathbf k. \]
Giremos estas tres semirrectas de manera continua un ángulo \(\theta\), desde \(0\) hasta \(\pi\), alrededor de una recta fija que pase por \(P\) y sea perpendicular a \(\mathbf k\). Para cada ángulo, volvamos a intersectar las semirrectas con la esfera dada y construyamos el vértice correspondiente \(Q_\theta\).
Sea \(H_\theta\) el giro de los vectores de dirección. Para \(\theta=\pi\), tenemos \(H_\pi\mathbf k=-\mathbf k\), por lo que \[ \mathbf p\cdot H_\pi\mathbf e_i=-\frac d{\sqrt3}, \qquad \sum_{i=1}^3H_\pi\mathbf e_i=-\sqrt3\,\mathbf k. \] Por tanto, nuestra fórmula da \[ \mathbf q_0=r\mathbf k,\qquad \mathbf q_\pi=-r\mathbf k. \] Esa misma fórmula muestra que \(\mathbf q_\theta\) depende continuamente de \(\theta\). Por consiguiente, por el teorema del valor intermedio, \[ \mathbf q_\theta\cdot\mathbf k \] toma todos los valores de \([-r,r]\).
Finalmente, sea \(X\) un punto cualquiera de la esfera indicada, con vector de posición \(\mathbf x\). Elijamos \(\theta\) tal que \[ \mathbf q_\theta\cdot\mathbf k=\mathbf x\cdot\mathbf k. \] Como ambos vectores tienen longitud \(r\), sus extremos pertenecen a una misma circunferencia perpendicular al eje \(OP\). Un giro alrededor de \(OP\) lleva \(Q_\theta\) a \(X\); en los dos polos, los puntos ya coinciden. Tal giro deja fijos \(P\) y la esfera original, por lo que transforma la terna correspondiente en una terna admisible cuyo vértice opuesto es \(X\).
Así pues, se puede obtener cada punto de la esfera indicada, lo que completa la demostración.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1978 · 问题 2
\(P\) 是给定球面内部的一个给定点。从 \(P\) 出发的三条两两垂直的射线与球面分别交于点 \(U\)、\(V\)、\(W\);以 \(PU\)、\(PV\)、\(PW\) 为棱确定的平行六面体中,与 \(P\) 相对的顶点记为 \(Q\)。当从 \(P\) 出发的这组三条射线取遍所有可能的位置时,求 \(Q\) 的轨迹。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
轨迹是以 \(O\) 为球心、半径为 \[ \boxed{\sqrt{3R^2-2OP^2}}, \] 的整个球面,其中 \(O\) 和 \(R\) 分别为给定球面的球心和半径。
解答
以 \(O\) 为原点,设 \(\mathbf p,\mathbf q\) 分别为 \(P,Q\) 的位置向量。令 \[ d=|\mathbf p|<R,\qquad c=R^2-d^2>0. \]
设 \(\mathbf e_1,\mathbf e_2,\mathbf e_3\) 是沿三条射线方向的单位向量。它们构成一组标准正交基。记 \[ a_i=\mathbf p\cdot\mathbf e_i, \] 并设 \(t_i>0\) 为从 \(P\) 沿第 \(i\) 条射线到球面的距离。由方程 \[ |\mathbf p+t_i\mathbf e_i|^2=R^2 \] 可得 \[ t_i^2+2a_it_i=c, \qquad t_i=-a_i+\sqrt{a_i^2+c}. \] 由于 \(c>0\),这确实是唯一的正根。
因此,平行六面体的相对顶点满足 \[ \mathbf q =\mathbf p+\sum_{i=1}^3t_i\mathbf e_i =\sum_{i=1}^3\sqrt{a_i^2+c}\,\mathbf e_i. \] 所以, \[ |\mathbf q|^2 =\sum_{i=1}^3(a_i^2+c) =d^2+3c =3R^2-2d^2. \] 于是,每个可能的 \(Q\) 都在所述球面上。将其半径记为 \[ r=\sqrt{3R^2-2d^2}. \]
我们还须证明,这个球面上的每一点都能取到。
若 \(P=O\),将任意一组符合条件的三条射线绕 \(O\) 旋转,其对应的 \(Q\) 也随之作同样的旋转。由于 \(|OQ|=r\),通过这些旋转可以得到所述球面上的每一点。
现在设 \(d>0\),并令 \(\mathbf k=\mathbf p/d\)。选取一组满足 \[ \mathbf e_1+\mathbf e_2+\mathbf e_3=\sqrt3\,\mathbf k \] 的标准正交标架。这样的标架是存在的:任意标准正交标架中三个向量之和的长度均为 \(\sqrt3\),故可通过旋转使这个和向量与 \(\mathbf k\) 同向。分别与各个 \(\mathbf e_i\) 作数量积可得 \[ a_i=\frac d{\sqrt3}. \] 对于这组三条射线,由上述公式得 \[ \mathbf q =\sqrt{\frac{d^2}{3}+c}\, (\mathbf e_1+\mathbf e_2+\mathbf e_3) =r\mathbf k. \]
将这三条射线绕一条过 \(P\) 且垂直于 \(\mathbf k\) 的固定直线连续旋转,旋转角 \(\theta\) 从 \(0\) 变化到 \(\pi\)。在每个角度下,重新取射线与给定球面的交点,并构造相应的顶点 \(Q_\theta\)。
用 \(H_\theta\) 表示方向向量的旋转变换。当 \(\theta=\pi\) 时,有 \(H_\pi\mathbf k=-\mathbf k\),所以 \[ \mathbf p\cdot H_\pi\mathbf e_i=-\frac d{\sqrt3}, \qquad \sum_{i=1}^3H_\pi\mathbf e_i=-\sqrt3\,\mathbf k. \] 因此,由上述公式得 \[ \mathbf q_0=r\mathbf k,\qquad \mathbf q_\pi=-r\mathbf k. \] 同一公式还表明,\(\mathbf q_\theta\) 随 \(\theta\) 连续变化。因此,由介值定理, \[ \mathbf q_\theta\cdot\mathbf k \] 取遍 \([-r,r]\) 中的所有值。
最后,任取所述球面上的一点 \(X\),其位置向量记为 \(\mathbf x\)。选取 \(\theta\),使得 \[ \mathbf q_\theta\cdot\mathbf k=\mathbf x\cdot\mathbf k. \] 由于这两个向量的长度均为 \(r\),它们的终点位于同一个垂直于轴 \(OP\) 的圆上。绕 \(OP\) 作一次旋转即可将 \(Q_\theta\) 移到 \(X\);在两极处,这两点本就重合。这样的旋转保持 \(P\) 和原球面不变,因此将对应的三条射线变为另一组符合条件的三条射线,而其相对顶点就是 \(X\)。
因此,所述球面上的每一点都能取到,证明完毕。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1978 · Задача 2
Внутри данной сферы дана точка \(P\). Три попарно перпендикулярных луча с началом в \(P\) пересекают сферу в точках \(U\), \(V\) и \(W\); через \(Q\) обозначена вершина, противоположная \(P\) по пространственной диагонали параллелепипеда, построенного на рёбрах \(PU\), \(PV\) и \(PW\). Найдите геометрическое место точек \(Q\) для всех таких троек лучей с началом в \(P\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Искомое геометрическое место — вся сфера с центром \(O\) и радиусом \[ \boxed{\sqrt{3R^2-2OP^2}}, \] где \(O\) и \(R\) — центр и радиус данной сферы.
Решение
Выберем \(O\) за начало отсчёта и обозначим через \(\mathbf p,\mathbf q\) радиус-векторы точек \(P,Q\). Положим \[ d=|\mathbf p|<R,\qquad c=R^2-d^2>0. \]
Пусть \(\mathbf e_1,\mathbf e_2,\mathbf e_3\) — единичные векторы, направленные вдоль трёх лучей. Они образуют ортонормированный базис. Обозначим \[ a_i=\mathbf p\cdot\mathbf e_i, \] и пусть \(t_i>0\) — расстояние от \(P\) до сферы вдоль \(i\)-го луча. Из уравнения \[ |\mathbf p+t_i\mathbf e_i|^2=R^2 \] получаем \[ t_i^2+2a_it_i=c, \qquad t_i=-a_i+\sqrt{a_i^2+c}. \] Поскольку \(c>0\), это действительно единственный положительный корень.
Таким образом, для противоположной вершины параллелепипеда имеем \[ \mathbf q =\mathbf p+\sum_{i=1}^3t_i\mathbf e_i =\sum_{i=1}^3\sqrt{a_i^2+c}\,\mathbf e_i. \] Следовательно, \[ |\mathbf q|^2 =\sum_{i=1}^3(a_i^2+c) =d^2+3c =3R^2-2d^2. \] Итак, любая возможная точка \(Q\) лежит на указанной сфере. Обозначим её радиус через \[ r=\sqrt{3R^2-2d^2}. \]
Необходимо доказать, что каждая точка этой сферы может быть получена.
Если \(P=O\), то при любом вращении вокруг \(O\) допустимой тройки лучей соответствующая ей точка \(Q\) поворачивается тем же образом. Поскольку \(|OQ|=r\), такие вращения позволяют получить каждую точку указанной сферы.
Теперь предположим, что \(d>0\), и положим \(\mathbf k=\mathbf p/d\). Выберем ортонормированный базис, удовлетворяющий равенству \[ \mathbf e_1+\mathbf e_2+\mathbf e_3=\sqrt3\,\mathbf k. \] Такой базис существует: сумма векторов любого ортонормированного базиса имеет длину \(\sqrt3\), поэтому вращением можно направить эту сумму вдоль \(\mathbf k\). Скалярно умножая на каждый \(\mathbf e_i\), получаем \[ a_i=\frac d{\sqrt3}. \] Для этой тройки наша формула даёт \[ \mathbf q =\sqrt{\frac{d^2}{3}+c}\, (\mathbf e_1+\mathbf e_2+\mathbf e_3) =r\mathbf k. \]
Будем непрерывно поворачивать эти три луча на угол \(\theta\), от \(0\) до \(\pi\), вокруг фиксированной прямой, проходящей через \(P\) перпендикулярно \(\mathbf k\). При каждом значении угла заново найдём точки пересечения лучей с данной сферой и построим соответствующую вершину \(Q_\theta\).
Обозначим через \(H_\theta\) поворот направляющих векторов. При \(\theta=\pi\) имеем \(H_\pi\mathbf k=-\mathbf k\), поэтому \[ \mathbf p\cdot H_\pi\mathbf e_i=-\frac d{\sqrt3}, \qquad \sum_{i=1}^3H_\pi\mathbf e_i=-\sqrt3\,\mathbf k. \] Следовательно, наша формула даёт \[ \mathbf q_0=r\mathbf k,\qquad \mathbf q_\pi=-r\mathbf k. \] Та же формула показывает, что \(\mathbf q_\theta\) непрерывно зависит от \(\theta\). Поэтому по теореме о промежуточных значениях выражение \[ \mathbf q_\theta\cdot\mathbf k \] принимает все значения из \([-r,r]\).
Наконец, пусть \(X\) — произвольная точка указанной сферы с радиус-вектором \(\mathbf x\). Выберем \(\theta\) так, чтобы \[ \mathbf q_\theta\cdot\mathbf k=\mathbf x\cdot\mathbf k. \] Поскольку оба вектора имеют длину \(r\), их концы лежат на одной окружности в плоскости, перпендикулярной оси \(OP\). Поворот вокруг \(OP\) переводит \(Q_\theta\) в \(X\); в двух полюсах эти точки уже совпадают. Такой поворот сохраняет \(P\) и исходную сферу, поэтому он переводит соответствующую тройку лучей в допустимую тройку, для которой противоположная вершина есть \(X\).
Таким образом, каждая точка указанной сферы может быть получена, что завершает доказательство.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1978 · المسألة 2
لتكن \(P\) نقطة معطاة داخل كرة معطاة. تتقاطع ثلاثة أنصاف مستقيمات متعامدة مثنى مثنى تنطلق من \(P\) مع سطح الكرة في النقاط \(U\) و\(V\) و\(W\)؛ ولتكن \(Q\) الرأس المقابل قطريًا للرأس \(P\) في متوازي السطوح الذي تحدده \(PU\) و\(PV\) و\(PW\). أوجد المحل الهندسي للنقطة \(Q\) لجميع هذه الثلاثيات من أنصاف المستقيمات المنطلقة من \(P\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
المحل الهندسي هو سطح الكرة كاملًا التي مركزها \(O\) ونصف قطرها \[ \boxed{\sqrt{3R^2-2OP^2}}, \] حيث \(O\) و\(R\) هما مركز الكرة المعطاة ونصف قطرها.
الحل
نتخذ \(O\) مبدأً للإحداثيات، ولتكن \(\mathbf p,\mathbf q\) متجهي موضع \(P,Q\). نضع \[ d=|\mathbf p|<R,\qquad c=R^2-d^2>0. \]
لتكن \(\mathbf e_1,\mathbf e_2,\mathbf e_3\) متجهات وحدة في اتجاهات أنصاف المستقيمات الثلاثة. وهي تشكل أساسًا متعامدًا معياريًا. نكتب \[ a_i=\mathbf p\cdot\mathbf e_i, \] ولتكن \(t_i>0\) المسافة من \(P\) إلى سطح الكرة على نصف المستقيم ذي الفهرس \(i\). تعطينا المعادلة \[ |\mathbf p+t_i\mathbf e_i|^2=R^2 \] أن \[ t_i^2+2a_it_i=c, \qquad t_i=-a_i+\sqrt{a_i^2+c}. \] وبما أن \(c>0\)، فهذا بالفعل هو الجذر الموجب الوحيد.
إذن يحقق الرأس المقابل في متوازي السطوح \[ \mathbf q =\mathbf p+\sum_{i=1}^3t_i\mathbf e_i =\sum_{i=1}^3\sqrt{a_i^2+c}\,\mathbf e_i. \] وعليه، \[ |\mathbf q|^2 =\sum_{i=1}^3(a_i^2+c) =d^2+3c =3R^2-2d^2. \] إذن تقع كل نقطة ممكنة \(Q\) على سطح الكرة المذكورة. نرمز إلى نصف قطرها بـ \[ r=\sqrt{3R^2-2d^2}. \]
علينا أن نثبت أن كل نقطة على سطح هذه الكرة يمكن الحصول عليها.
إذا كانت \(P=O\)، فإن تدوير أي ثلاثية مقبولة حول \(O\) يدير النقطة \(Q\) المقابلة لها بالطريقة نفسها. وبما أن \(|OQ|=r\)، فإن هذه الدورانات تعطينا جميع نقاط سطح الكرة المذكورة.
لنفترض الآن أن \(d>0\)، ولنضع \(\mathbf k=\mathbf p/d\). نختار إطارًا متعامدًا معياريًا يحقق \[ \mathbf e_1+\mathbf e_2+\mathbf e_3=\sqrt3\,\mathbf k. \] يوجد مثل هذا الإطار: فطول مجموع متجهات أي إطار متعامد معياري هو \(\sqrt3\)، ومن ثم يمكن بدوران جعل هذا المجموع في اتجاه \(\mathbf k\). وبأخذ الجداء السلمي مع كل \(\mathbf e_i\)، يتبين أن \[ a_i=\frac d{\sqrt3}. \] لهذه الثلاثية، تعطينا صيغتنا \[ \mathbf q =\sqrt{\frac{d^2}{3}+c}\, (\mathbf e_1+\mathbf e_2+\mathbf e_3) =r\mathbf k. \]
ندير أنصاف المستقيمات الثلاثة هذه بصورة مستمرة بزاوية \(\theta\)، من \(0\) إلى \(\pi\)، حول مستقيم ثابت يمر بالنقطة \(P\) ويعامد \(\mathbf k\). وعند كل زاوية، نأخذ من جديد تقاطعات أنصاف المستقيمات مع سطح الكرة المعطاة وننشئ الرأس المقابل \(Q_\theta\).
ليكن \(H_\theta\) دوران متجهات الاتجاه. عند \(\theta=\pi\)، لدينا \(H_\pi\mathbf k=-\mathbf k\)، ومن ثم \[ \mathbf p\cdot H_\pi\mathbf e_i=-\frac d{\sqrt3}, \qquad \sum_{i=1}^3H_\pi\mathbf e_i=-\sqrt3\,\mathbf k. \] لذلك تعطينا صيغتنا \[ \mathbf q_0=r\mathbf k,\qquad \mathbf q_\pi=-r\mathbf k. \] وتبين الصيغة نفسها أن \(\mathbf q_\theta\) يعتمد بصورة مستمرة على \(\theta\). ومن ثم، بحسب مبرهنة القيمة المتوسطة، فإن \[ \mathbf q_\theta\cdot\mathbf k \] يأخذ كل قيمة في \([-r,r]\).
أخيرًا، لتكن \(X\) أي نقطة على سطح الكرة المذكورة، ومتجه موضعها \(\mathbf x\). نختار \(\theta\) بحيث \[ \mathbf q_\theta\cdot\mathbf k=\mathbf x\cdot\mathbf k. \] بما أن طول كلا المتجهين هو \(r\)، فإن نهايتيهما تقعان على الدائرة نفسها التي يقع مستواها عموديًا على المحور \(OP\). ينقل دوران حول \(OP\) النقطة \(Q_\theta\) إلى \(X\)؛ وعند القطبين تكون النقطتان متطابقتين أصلًا. يحافظ مثل هذا الدوران على \(P\) وعلى الكرة الأصلية، فينقل الثلاثية المقابلة إلى ثلاثية مقبولة رأسها المقابل هو \(X\).
وهكذا يمكن الحصول على كل نقطة على سطح الكرة المذكورة، وبذلك يكتمل البرهان.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).