IMO 1979 · Problem 3
Two circles in a plane intersect. Let \(A\) be one of the points of intersection. Starting simultaneously from \(A\) two points move with constant speeds, each point travelling along its own circle in the same sense. The two points return to \(A\) simultaneously after one revolution. Prove that there is a fixed point \(P\) in the plane such that, at any time, the distances from \(P\) to the moving points are equal.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let the circles have centres \(O_1,O_2\), and let \(T\) be the common time for one revolution. Because the speeds are constant and the senses of motion agree, at any time \(t\) both moving points have turned through the same signed angle \(\theta\) about their respective centres.
If \(O_1=O_2\), the circles coincide because both contain \(A\). Their moving points therefore coincide at every time, and any fixed point \(P\) works.
Suppose now that \(O_1\ne O_2\). Let \(s\) be reflection in the perpendicular bisector of \(O_1O_2\), and define \[ P=s(A). \] We prove that this fixed point has the required property.
At an arbitrary time, denote the moving points by \(X\) and \(Y\), and put \(X'=s(X)\). Reflection sends \(O_1\) to \(O_2\), sends \(A\) to \(P\), and reverses directed angles. Thus, since \(X\) is obtained from \(A\) by rotation through \(\theta\) about \(O_1\), the point \(X'\) is obtained from \(P\) by rotation through \(-\theta\) about \(O_2\).
Consequently, rotation through \(\theta\) about \(O_2\) sends \(X'\) to \(P\). The same rotation sends \(A\) to \(Y\). Since rotations preserve distances, \[ AX'=YP. \] Also, reflection sends \(P\) to \(A\) and \(X\) to \(X'\), so \[ PX=AX'. \] Combining these equalities gives \[ \boxed{PX=PY}. \]
The time was arbitrary, so the equality holds throughout the motion. The construction and proof also apply when the circles are tangent or when \(P=A\).
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1979 · Aufgabe 3
Zwei Kreise in einer Ebene schneiden sich. Es sei \(A\) einer ihrer Schnittpunkte. Zwei Punkte starten gleichzeitig in \(A\) und bewegen sich mit konstanten Geschwindigkeiten, jeder auf seinem eigenen Kreis und beide im gleichen Umlaufsinn. Nach einem Umlauf kehren die beiden Punkte gleichzeitig nach \(A\) zurück. Beweise, dass es einen festen Punkt \(P\) in der Ebene gibt, dessen Abstände zu den beiden bewegten Punkten zu jedem Zeitpunkt gleich sind.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Die Kreise haben die Mittelpunkte \(O_1,O_2\), und \(T\) sei die gemeinsame Umlaufzeit. Da die Geschwindigkeiten konstant sind und die Umlaufsinne übereinstimmen, haben sich die beiden bewegten Punkte zu jedem Zeitpunkt \(t\) um denselben orientierten Winkel \(\theta\) um ihre jeweiligen Mittelpunkte gedreht.
Ist \(O_1=O_2\), so fallen die Kreise zusammen, da beide durch \(A\) gehen. Ihre bewegten Punkte fallen daher zu jedem Zeitpunkt zusammen, und jeder feste Punkt \(P\) erfüllt die Bedingung.
Nehmen wir nun an, dass \(O_1\ne O_2\). Es sei \(s\) die Spiegelung an der Mittelsenkrechten von \(O_1O_2\), und wir definieren \[ P=s(A). \] Wir beweisen, dass dieser feste Punkt die geforderte Eigenschaft hat.
Zu einem beliebigen Zeitpunkt bezeichnen wir die bewegten Punkte mit \(X\) und \(Y\) und setzen \(X'=s(X)\). Die Spiegelung bildet \(O_1\) auf \(O_2\) und \(A\) auf \(P\) ab und kehrt orientierte Winkel um. Da \(X\) aus \(A\) durch eine Drehung um \(\theta\) um \(O_1\) entsteht, entsteht der Punkt \(X'\) somit aus \(P\) durch eine Drehung um \(-\theta\) um \(O_2\).
Folglich bildet die Drehung um \(\theta\) um \(O_2\) den Punkt \(X'\) auf \(P\) ab. Dieselbe Drehung bildet \(A\) auf \(Y\) ab. Da Drehungen Abstände erhalten, gilt \[ AX'=YP. \] Außerdem bildet die Spiegelung \(P\) auf \(A\) und \(X\) auf \(X'\) ab, also gilt \[ PX=AX'. \] Durch Verknüpfen dieser Gleichheiten erhalten wir \[ \boxed{PX=PY}. \]
Der Zeitpunkt war beliebig, also gilt die Gleichheit während der gesamten Bewegung. Die Konstruktion und der Beweis gelten auch dann, wenn sich die Kreise berühren oder wenn \(P=A\) ist.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1979 · Soru 3
Bir düzlemdeki iki çember kesişmektedir. Kesişim noktalarından biri \(A\) olsun. İki nokta, \(A\)'dan aynı anda başlayarak, her biri kendi çemberi üzerinde aynı yönde sabit hızlarla hareket etmektedir. İki nokta bir tam tur sonunda aynı anda \(A\)'ya dönmektedir. Düzlemde, her an hareketli noktalara olan uzaklıkları eşit olan sabit bir \(P\) noktası bulunduğunu kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Çemberlerin merkezleri \(O_1,O_2\), bir tam tur için geçen ortak süre de \(T\) olsun. Hızlar sabit ve hareket yönleri aynı olduğundan, herhangi bir \(t\) anında iki hareketli nokta kendi merkezleri etrafında aynı yönlü \(\theta\) açısı kadar dönmüş olur.
Eğer \(O_1=O_2\) ise her iki çember de \(A\)'yı içerdiğinden çemberler çakışıktır. Dolayısıyla hareketli noktalar her an çakışır ve herhangi bir sabit \(P\) noktası istenen koşulu sağlar.
Şimdi \(O_1\ne O_2\) olduğunu varsayalım. \(s\), \(O_1O_2\)'nin orta dikmesine göre yansıma olsun ve \[ P=s(A) \] olarak tanımlayalım. Bu sabit noktanın istenen özelliğe sahip olduğunu kanıtlayacağız.
Keyfî bir anda hareketli noktaları \(X\) ve \(Y\) ile gösterelim ve \(X'=s(X)\) alalım. Yansıma, \(O_1\)'i \(O_2\)'ye, \(A\)'yı \(P\)'ye götürür ve yönlü açıların yönünü tersine çevirir. Dolayısıyla \(X\), \(A\)'nın \(O_1\) etrafında \(\theta\) kadar döndürülmesiyle elde edildiğinden, \(X'\) noktası da \(P\)'nin \(O_2\) etrafında \(-\theta\) kadar döndürülmesiyle elde edilir.
Buna göre, \(O_2\) etrafında \(\theta\) kadar dönme \(X'\)'i \(P\)'ye götürür. Aynı dönme \(A\)'yı \(Y\)'ye götürür. Dönmeler uzaklıkları koruduğundan, \[ AX'=YP. \] Ayrıca yansıma \(P\)'yi \(A\)'ya, \(X\)'i de \(X'\)'e götürdüğünden, \[ PX=AX'. \] Bu eşitlikleri birleştirerek \[ \boxed{PX=PY} \] elde ederiz.
Zaman keyfî seçildiği için eşitlik hareket boyunca geçerlidir. Bu inşa ve kanıt, çemberler teğet olduğunda veya \(P=A\) olduğunda da geçerlidir.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1979 · Problema 3
Dos circunferencias de un plano se cortan. Sea \(A\) uno de los puntos de intersección. Dos puntos parten simultáneamente de \(A\) y se mueven con velocidades constantes, cada uno sobre su propia circunferencia y en el mismo sentido. Los dos puntos regresan a \(A\) simultáneamente tras una vuelta. Demostrar que existe un punto fijo \(P\) del plano tal que, en cualquier instante, las distancias de \(P\) a los puntos móviles son iguales.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sean \(O_1,O_2\) los centros de las circunferencias, y sea \(T\) el tiempo común que tardan en dar una vuelta. Como las velocidades son constantes y los sentidos de movimiento coinciden, en cualquier instante \(t\) ambos puntos móviles han girado un mismo ángulo orientado \(\theta\) alrededor de sus respectivos centros.
Si \(O_1=O_2\), las circunferencias coinciden porque ambas contienen a \(A\). Por tanto, sus puntos móviles coinciden en todo instante, y cualquier punto fijo \(P\) cumple lo pedido.
Supongamos ahora que \(O_1\ne O_2\). Sea \(s\) la simetría axial respecto de la mediatriz de \(O_1O_2\), y definamos \[ P=s(A). \] Demostraremos que este punto fijo tiene la propiedad requerida.
En un instante arbitrario, denotemos los puntos móviles por \(X\) e \(Y\), y pongamos \(X'=s(X)\). La simetría transforma \(O_1\) en \(O_2\), transforma \(A\) en \(P\) e invierte los ángulos orientados. Así, como \(X\) se obtiene de \(A\) mediante un giro de ángulo \(\theta\) alrededor de \(O_1\), el punto \(X'\) se obtiene de \(P\) mediante un giro de ángulo \(-\theta\) alrededor de \(O_2\).
Por consiguiente, el giro de ángulo \(\theta\) alrededor de \(O_2\) transforma \(X'\) en \(P\). El mismo giro transforma \(A\) en \(Y\). Como los giros conservan las distancias, \[ AX'=YP. \] Además, la simetría transforma \(P\) en \(A\) y \(X\) en \(X'\), por lo que \[ PX=AX'. \] Combinando estas igualdades, obtenemos \[ \boxed{PX=PY}. \]
El instante era arbitrario, por lo que la igualdad se cumple durante todo el movimiento. La construcción y la demostración también son válidas cuando las circunferencias son tangentes o cuando \(P=A\).
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1979 · 问题 3
平面上两个圆相交。设 \(A\) 为其中一个交点。两个点同时从 \(A\) 出发,各自沿所在的圆以恒定的速率、按相同的绕行方向运动。这两个点各绕行一周后同时回到 \(A\)。证明平面上存在一个定点 \(P\),使得在任意时刻,\(P\) 到这两个动点的距离相等。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
设两圆的圆心分别为 \(O_1,O_2\),绕行一周所需的共同时间为 \(T\)。由于速率恒定且绕行方向相同,在任意时刻 \(t\),两个动点绕各自圆心转过的有向角相同,记为 \(\theta\)。
如果 \(O_1=O_2\),由于两圆都经过 \(A\),它们重合。因此,两个动点在每个时刻都重合,任意定点 \(P\) 都满足要求。
现在设 \(O_1\ne O_2\)。设 \(s\) 为关于 \(O_1O_2\) 的垂直平分线的轴反射,并定义 \[ P=s(A). \] 我们证明这个定点具有所要求的性质。
在任意时刻,将两个动点记为 \(X\) 和 \(Y\),并令 \(X'=s(X)\)。轴反射将 \(O_1\) 映到 \(O_2\),将 \(A\) 映到 \(P\),并使有向角反向。因此,由于 \(X\) 是将 \(A\) 绕 \(O_1\) 旋转 \(\theta\) 得到的点,\(X'\) 就是将 \(P\) 绕 \(O_2\) 旋转 \(-\theta\) 得到的点。
因此,绕 \(O_2\) 旋转 \(\theta\) 将 \(X'\) 映到 \(P\)。同一个旋转将 \(A\) 映到 \(Y\)。由于旋转保持距离不变, \[ AX'=YP. \] 此外,轴反射将 \(P\) 映到 \(A\),将 \(X\) 映到 \(X'\),所以 \[ PX=AX'. \] 结合这些等式,得到 \[ \boxed{PX=PY}. \]
由于所取时刻是任意的,这个等式在整个运动过程中始终成立。当两圆相切或 \(P=A\) 时,这一构造与证明同样适用。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1979 · Задача 3
Две окружности на плоскости пересекаются. Пусть \(A\) — одна из точек их пересечения. Две точки одновременно начинают движение из \(A\) с постоянными скоростями, каждая по своей окружности в одном и том же направлении обхода. Совершив один полный оборот, обе точки одновременно возвращаются в \(A\). Докажите, что на плоскости существует неподвижная точка \(P\), расстояния от которой до движущихся точек равны в любой момент времени.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Пусть центры окружностей — \(O_1,O_2\), а \(T\) — общее время одного полного оборота. Поскольку скорости постоянны и направления обхода совпадают, в любой момент времени \(t\) обе движущиеся точки повернулись вокруг соответствующих центров на один и тот же ориентированный угол \(\theta\).
Если \(O_1=O_2\), то окружности совпадают, поскольку обе проходят через \(A\). Поэтому движущиеся по ним точки совпадают в каждый момент времени, и подходит любая неподвижная точка \(P\).
Предположим теперь, что \(O_1\ne O_2\). Пусть \(s\) — симметрия относительно серединного перпендикуляра к отрезку \(O_1O_2\), и положим \[ P=s(A). \] Докажем, что эта неподвижная точка обладает требуемым свойством.
В произвольный момент времени обозначим движущиеся точки через \(X\) и \(Y\) и положим \(X'=s(X)\). Симметрия переводит \(O_1\) в \(O_2\), \(A\) в \(P\) и меняет знаки ориентированных углов. Таким образом, поскольку \(X\) получается из \(A\) поворотом на угол \(\theta\) вокруг \(O_1\), точка \(X'\) получается из \(P\) поворотом на угол \(-\theta\) вокруг \(O_2\).
Следовательно, поворот на угол \(\theta\) вокруг \(O_2\) переводит \(X'\) в \(P\). Тот же поворот переводит \(A\) в \(Y\). Поскольку повороты сохраняют расстояния, \[ AX'=YP. \] Кроме того, симметрия переводит \(P\) в \(A\), а \(X\) в \(X'\), поэтому \[ PX=AX'. \] Объединяя эти равенства, получаем \[ \boxed{PX=PY}. \]
Момент времени был произвольным, поэтому равенство выполняется на протяжении всего движения. Построение и доказательство применимы также в случае касания окружностей или когда \(P=A\).
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1979 · المسألة 3
تتقاطع دائرتان في مستوى. لتكن \(A\) إحدى نقطتي التقاطع. تنطلق نقطتان في الوقت نفسه من \(A\) وتتحركان بسرعتين ثابتتين، كل منهما على دائرتها وفي الاتجاه نفسه. تعود النقطتان إلى \(A\) في الوقت نفسه بعد دورة واحدة. أثبت وجود نقطة ثابتة \(P\) في المستوى بحيث تكون المسافتان من \(P\) إلى النقطتين المتحركتين متساويتين في كل لحظة.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
ليكن مركزا الدائرتين \(O_1,O_2\)، وليكن \(T\) الزمن المشترك اللازم لإتمام دورة واحدة. بما أن السرعتين ثابتتان واتجاهي الحركة متفقان، فإن كلتا النقطتين المتحركتين تكون قد دارت، في أي لحظة \(t\)، بالزاوية الموجّهة نفسها \(\theta\) حول مركز دائرتها.
إذا كان \(O_1=O_2\)، فإن الدائرتين منطبقتان لأن كلتيهما تمرّ بـ\(A\). ومن ثم تنطبق النقطتان المتحركتان في كل لحظة، وتحقق أي نقطة ثابتة \(P\) المطلوب.
لنفترض الآن أن \(O_1\ne O_2\). ليكن \(s\) الانعكاس حول العمود المنصف للقطعة \(O_1O_2\)، ولنعرّف \[ P=s(A). \] سنثبت أن هذه النقطة الثابتة تحقق الخاصية المطلوبة.
في لحظة اختيارية، نرمز إلى النقطتين المتحركتين بـ\(X\) و\(Y\)، ونضع \(X'=s(X)\). يحوّل الانعكاس \(O_1\) إلى \(O_2\)، ويحوّل \(A\) إلى \(P\)، ويعكس اتجاه الزوايا الموجّهة. لذا، بما أن \(X\) تنتج من \(A\) بدوران زاويته \(\theta\) حول \(O_1\)، فإن النقطة \(X'\) تنتج من \(P\) بدوران زاويته \(-\theta\) حول \(O_2\).
وبالتالي، فإن الدوران بزاوية \(\theta\) حول \(O_2\) يحوّل \(X'\) إلى \(P\). ويحوّل الدوران نفسه \(A\) إلى \(Y\). وبما أن الدوران يحفظ المسافات، فإن \[ AX'=YP. \] كذلك يحوّل الانعكاس \(P\) إلى \(A\) و\(X\) إلى \(X'\)، لذا \[ PX=AX'. \] وبالجمع بين هاتين المساواتين نحصل على \[ \boxed{PX=PY}. \]
كانت اللحظة اختيارية، لذا تصح المساواة طوال الحركة. وينطبق هذا الإنشاء والبرهان أيضًا عندما تكون الدائرتان متماستين أو عندما يكون \(P=A\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).