IMO 1981 · Problem 1
\(P\) is a point inside a given triangle \(ABC\). \(D, E, F\) are the feet of the perpendiculars from \(P\) to the lines \(BC, CA, AB\) respectively. Find all \(P\) for which \[ \frac{BC}{PD}+\frac{CA}{PE}+\frac{AB}{PF} \] is least.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
The unique such point is the incenter of \(ABC\). The minimum value is \[ \boxed{\frac{(AB+BC+CA)^2}{2[ABC]}}. \]
Solution
Write \[ a=BC,\qquad b=CA,\qquad c=AB,\qquad x=PD,\qquad y=PE,\qquad z=PF, \] and let \(\Delta=[ABC]\). Since \(P\) is strictly inside the triangle, \(x,y,z>0\), and the three triangles \(PBC,PCA,PAB\) partition \(ABC\). Thus \[ ax+by+cz=2\Delta. \] These area formulas remain valid when a perpendicular foot lies on an extension of a side.
By the Cauchy–Schwarz inequality, \[ \begin{aligned} \left(\frac ax+\frac by+\frac cz\right)(ax+by+cz) &\ge \left( \sqrt{\frac ax}\sqrt{ax} +\sqrt{\frac by}\sqrt{by} +\sqrt{\frac cz}\sqrt{cz} \right)^2\\ &=(a+b+c)^2. \end{aligned} \] Consequently, \[ \frac ax+\frac by+\frac cz \ge \frac{(a+b+c)^2}{2\Delta}. \] Equality holds precisely when \[ \frac{\sqrt{a/x}}{\sqrt{ax}} =\frac{\sqrt{b/y}}{\sqrt{by}} =\frac{\sqrt{c/z}}{\sqrt{cz}}, \] which is equivalent to \(x=y=z\).
The incenter has equal distances from the three side lines, so it attains this bound. To verify uniqueness, suppose an interior point \(P\) satisfies \(x=y=z\). Put \[ \alpha=\angle BAP,\qquad \beta=\angle PAC. \] Then \[ z=AP\sin\alpha,\qquad y=AP\sin\beta. \] Hence \(\sin\alpha=\sin\beta\). Because \(\alpha,\beta>0\) and \(\alpha+\beta=\angle BAC<\pi\), this forces \(\alpha=\beta\). Thus \(P\) lies on the internal bisector of angle \(A\). The same argument at \(B\) shows that \(P\) lies on its internal bisector as well. Their unique intersection is the incenter.
Therefore the incenter is the unique minimizing point.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1981 · Aufgabe 1
\(P\) ist ein Punkt im Inneren eines gegebenen Dreiecks \(ABC\). \(D, E, F\) sind die Lotfußpunkte von \(P\) auf die Geraden \(BC, CA, AB\) in dieser Reihenfolge. Bestimme alle Punkte \(P\), für die \[ \frac{BC}{PD}+\frac{CA}{PE}+\frac{AB}{PF} \] minimal ist.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Der einzige solche Punkt ist der Inkreismittelpunkt von \(ABC\). Der Minimalwert ist \[ \boxed{\frac{(AB+BC+CA)^2}{2[ABC]}}. \]
Lösung
Wir setzen \[ a=BC,\qquad b=CA,\qquad c=AB,\qquad x=PD,\qquad y=PE,\qquad z=PF, \] und es sei \(\Delta=[ABC]\). Da \(P\) im Inneren des Dreiecks liegt, gilt \(x,y,z>0\), und die drei Dreiecke \(PBC,PCA,PAB\) zerlegen \(ABC\). Daher gilt \[ ax+by+cz=2\Delta. \] Diese Flächenformeln gelten auch dann, wenn ein Lotfußpunkt auf der Verlängerung einer Seite liegt.
Nach der Cauchy–Schwarz-Ungleichung gilt \[ \begin{aligned} \left(\frac ax+\frac by+\frac cz\right)(ax+by+cz) &\ge \left( \sqrt{\frac ax}\sqrt{ax} +\sqrt{\frac by}\sqrt{by} +\sqrt{\frac cz}\sqrt{cz} \right)^2\\ &=(a+b+c)^2. \end{aligned} \] Folglich ist \[ \frac ax+\frac by+\frac cz \ge \frac{(a+b+c)^2}{2\Delta}. \] Gleichheit gilt genau dann, wenn \[ \frac{\sqrt{a/x}}{\sqrt{ax}} =\frac{\sqrt{b/y}}{\sqrt{by}} =\frac{\sqrt{c/z}}{\sqrt{cz}}, \] was zu \(x=y=z\) äquivalent ist.
Der Inkreismittelpunkt hat von den drei Seitengeraden denselben Abstand und erreicht daher diese Schranke. Um die Eindeutigkeit nachzuweisen, nehmen wir an, dass ein innerer Punkt \(P\) die Bedingung \(x=y=z\) erfüllt. Wir setzen \[ \alpha=\angle BAP,\qquad \beta=\angle PAC. \] Dann gilt \[ z=AP\sin\alpha,\qquad y=AP\sin\beta. \] Also ist \(\sin\alpha=\sin\beta\). Wegen \(\alpha,\beta>0\) und \(\alpha+\beta=\angle BAC<\pi\) folgt daraus zwingend \(\alpha=\beta\). Somit liegt \(P\) auf der inneren Winkelhalbierenden des Winkels \(A\). Dasselbe Argument bei \(B\) zeigt, dass \(P\) auch auf dessen innerer Winkelhalbierenden liegt. Ihr einziger Schnittpunkt ist der Inkreismittelpunkt.
Damit ist der Inkreismittelpunkt der einzige Punkt, in dem das Minimum angenommen wird.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1981 · Soru 1
\(P\), verilen bir \(ABC\) üçgeninin içinde bir noktadır. \(D, E, F\), sırasıyla \(P\) noktasından \(BC, CA, AB\) doğrularına indirilen dikmelerin ayaklarıdır. \[ \frac{BC}{PD}+\frac{CA}{PE}+\frac{AB}{PF} \] ifadesinin en küçük değerini aldığı tüm \(P\) noktalarını bulunuz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Bu koşulu sağlayan tek nokta, \(ABC\) üçgeninin içteğet çemberinin merkezidir. En küçük değer \[ \boxed{\frac{(AB+BC+CA)^2}{2[ABC]}}. \]
Çözüm
\[ a=BC,\qquad b=CA,\qquad c=AB,\qquad x=PD,\qquad y=PE,\qquad z=PF, \] yazalım ve \(\Delta=[ABC]\) olsun. \(P\) üçgenin iç bölgesinde olduğundan \(x,y,z>0\) olur ve \(PBC,PCA,PAB\) üçgenleri \(ABC\) üçgenini parçalara ayırır. Dolayısıyla \[ ax+by+cz=2\Delta. \] Bu alan formülleri, bir dikme ayağı bir kenarın uzantısı üzerinde olduğunda da geçerlidir.
Cauchy–Schwarz eşitsizliğine göre, \[ \begin{aligned} \left(\frac ax+\frac by+\frac cz\right)(ax+by+cz) &\ge \left( \sqrt{\frac ax}\sqrt{ax} +\sqrt{\frac by}\sqrt{by} +\sqrt{\frac cz}\sqrt{cz} \right)^2\\ &=(a+b+c)^2. \end{aligned} \] Böylece, \[ \frac ax+\frac by+\frac cz \ge \frac{(a+b+c)^2}{2\Delta}. \] Eşitlik ancak ve ancak \[ \frac{\sqrt{a/x}}{\sqrt{ax}} =\frac{\sqrt{b/y}}{\sqrt{by}} =\frac{\sqrt{c/z}}{\sqrt{cz}}, \] olduğunda sağlanır; bu da \(x=y=z\) koşuluna denktir.
İçteğet çemberinin merkezinin üç kenar doğrusuna uzaklıkları eşit olduğundan bu noktada söz konusu alt sınıra ulaşılır. Tekliği doğrulamak için, bir \(P\) iç noktasının \(x=y=z\) koşulunu sağladığını varsayalım. \[ \alpha=\angle BAP,\qquad \beta=\angle PAC \] olsun. O zaman \[ z=AP\sin\alpha,\qquad y=AP\sin\beta. \] Buradan \(\sin\alpha=\sin\beta\) elde edilir. \(\alpha,\beta>0\) ve \(\alpha+\beta=\angle BAC<\pi\) olduğundan, bu eşitlik \(\alpha=\beta\) olmasını gerektirir. Dolayısıyla \(P\), \(A\) açısının iç açıortayı üzerindedir. Aynı akıl yürütme \(B\) köşesinde de uygulanırsa \(P\) noktasının bu açının da iç açıortayı üzerinde olduğu görülür. Bu iki açıortayın tek kesişim noktası, içteğet çemberinin merkezidir.
O hâlde ifadeyi en küçük yapan tek nokta, içteğet çemberinin merkezidir.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1981 · Problema 1
\(P\) es un punto interior de un triángulo dado \(ABC\). \(D, E, F\) son los pies de las perpendiculares trazadas desde \(P\) a las rectas \(BC, CA, AB\), respectivamente. Hallar todos los puntos \(P\) para los cuales \[ \frac{BC}{PD}+\frac{CA}{PE}+\frac{AB}{PF} \] es mínimo.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
El único punto que cumple esta condición es el incentro de \(ABC\). El valor mínimo es \[ \boxed{\frac{(AB+BC+CA)^2}{2[ABC]}}. \]
Solución
Escribamos \[ a=BC,\qquad b=CA,\qquad c=AB,\qquad x=PD,\qquad y=PE,\qquad z=PF, \] y sea \(\Delta=[ABC]\). Como \(P\) está estrictamente en el interior del triángulo, \(x,y,z>0\), y los tres triángulos \(PBC,PCA,PAB\) forman una partición de \(ABC\). Por tanto, \[ ax+by+cz=2\Delta. \] Estas fórmulas de áreas siguen siendo válidas cuando el pie de una perpendicular se encuentra en la prolongación de un lado.
Por la desigualdad de Cauchy–Schwarz, \[ \begin{aligned} \left(\frac ax+\frac by+\frac cz\right)(ax+by+cz) &\ge \left( \sqrt{\frac ax}\sqrt{ax} +\sqrt{\frac by}\sqrt{by} +\sqrt{\frac cz}\sqrt{cz} \right)^2\\ &=(a+b+c)^2. \end{aligned} \] En consecuencia, \[ \frac ax+\frac by+\frac cz \ge \frac{(a+b+c)^2}{2\Delta}. \] La igualdad se cumple precisamente cuando \[ \frac{\sqrt{a/x}}{\sqrt{ax}} =\frac{\sqrt{b/y}}{\sqrt{by}} =\frac{\sqrt{c/z}}{\sqrt{cz}}, \] lo cual equivale a \(x=y=z\).
El incentro equidista de las rectas que contienen los tres lados, por lo que alcanza esta cota. Para comprobar la unicidad, supongamos que un punto interior \(P\) satisface \(x=y=z\). Pongamos \[ \alpha=\angle BAP,\qquad \beta=\angle PAC. \] Entonces \[ z=AP\sin\alpha,\qquad y=AP\sin\beta. \] Por tanto, \(\sin\alpha=\sin\beta\). Como \(\alpha,\beta>0\) y \(\alpha+\beta=\angle BAC<\pi\), esto obliga a que \(\alpha=\beta\). Así pues, \(P\) pertenece a la bisectriz interior del ángulo \(A\). El mismo argumento aplicado en \(B\) muestra que \(P\) también pertenece a su bisectriz interior. Su único punto de intersección es el incentro.
Por consiguiente, el incentro es el único punto en el que se alcanza el mínimo.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1981 · 问题 1
点 \(P\) 在给定的三角形 \(ABC\) 内部。\(D, E, F\) 分别是从 \(P\) 向直线 \(BC, CA, AB\) 所作垂线的垂足。求使 \[ \frac{BC}{PD}+\frac{CA}{PE}+\frac{AB}{PF} \] 取得最小值的所有点 \(P\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
唯一满足条件的点是 \(ABC\) 的内心。最小值为 \[ \boxed{\frac{(AB+BC+CA)^2}{2[ABC]}}. \]
解答
记 \[ a=BC,\qquad b=CA,\qquad c=AB,\qquad x=PD,\qquad y=PE,\qquad z=PF, \] 并令 \(\Delta=[ABC]\)。由于 \(P\) 严格位于三角形内部,故 \(x,y,z>0\),且三个三角形 \(PBC,PCA,PAB\) 将 \(ABC\) 分割。因此 \[ ax+by+cz=2\Delta. \] 当垂足落在某条边的延长线上时,这些面积公式仍然成立。
由柯西–施瓦茨不等式, \[ \begin{aligned} \left(\frac ax+\frac by+\frac cz\right)(ax+by+cz) &\ge \left( \sqrt{\frac ax}\sqrt{ax} +\sqrt{\frac by}\sqrt{by} +\sqrt{\frac cz}\sqrt{cz} \right)^2\\ &=(a+b+c)^2. \end{aligned} \] 从而 \[ \frac ax+\frac by+\frac cz \ge \frac{(a+b+c)^2}{2\Delta}. \] 等号成立当且仅当 \[ \frac{\sqrt{a/x}}{\sqrt{ax}} =\frac{\sqrt{b/y}}{\sqrt{by}} =\frac{\sqrt{c/z}}{\sqrt{cz}}, \] 这等价于 \(x=y=z\)。
内心到三边所在直线的距离相等,因此能达到此下界。为验证唯一性,设内部一点 \(P\) 满足 \(x=y=z\)。令 \[ \alpha=\angle BAP,\qquad \beta=\angle PAC. \] 则 \[ z=AP\sin\alpha,\qquad y=AP\sin\beta. \] 于是 \(\sin\alpha=\sin\beta\)。由于 \(\alpha,\beta>0\),且 \(\alpha+\beta=\angle BAC<\pi\),必有 \(\alpha=\beta\)。因此 \(P\) 位于角 \(A\) 的内角平分线上。在 \(B\) 处运用同样的论证可知,\(P\) 也位于该角的内角平分线上。这两条内角平分线的唯一交点就是内心。
因此,内心是唯一使原式取得最小值的点。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1981 · Задача 1
Точка \(P\) лежит внутри данного треугольника \(ABC\). Точки \(D, E, F\) — основания перпендикуляров, опущенных из \(P\) на прямые \(BC, CA, AB\) соответственно. Найдите все точки \(P\), для которых выражение \[ \frac{BC}{PD}+\frac{CA}{PE}+\frac{AB}{PF} \] принимает наименьшее значение.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Единственная такая точка — центр вписанной окружности треугольника \(ABC\). Наименьшее значение равно \[ \boxed{\frac{(AB+BC+CA)^2}{2[ABC]}}. \]
Решение
Обозначим \[ a=BC,\qquad b=CA,\qquad c=AB,\qquad x=PD,\qquad y=PE,\qquad z=PF, \] и положим \(\Delta=[ABC]\). Поскольку \(P\) лежит строго внутри треугольника, \(x,y,z>0\), а три треугольника \(PBC,PCA,PAB\) образуют разбиение треугольника \(ABC\). Поэтому \[ ax+by+cz=2\Delta. \] Эти формулы для площадей остаются верными и тогда, когда основание перпендикуляра лежит на продолжении стороны.
По неравенству Коши — Буняковского, \[ \begin{aligned} \left(\frac ax+\frac by+\frac cz\right)(ax+by+cz) &\ge \left( \sqrt{\frac ax}\sqrt{ax} +\sqrt{\frac by}\sqrt{by} +\sqrt{\frac cz}\sqrt{cz} \right)^2\\ &=(a+b+c)^2. \end{aligned} \] Следовательно, \[ \frac ax+\frac by+\frac cz \ge \frac{(a+b+c)^2}{2\Delta}. \] Равенство достигается в точности тогда, когда \[ \frac{\sqrt{a/x}}{\sqrt{ax}} =\frac{\sqrt{b/y}}{\sqrt{by}} =\frac{\sqrt{c/z}}{\sqrt{cz}}, \] что равносильно условию \(x=y=z\).
Центр вписанной окружности равноудалён от прямых, содержащих три стороны, поэтому в этой точке указанная нижняя граница достигается. Чтобы доказать единственность, предположим, что для внутренней точки \(P\) выполнено \(x=y=z\). Положим \[ \alpha=\angle BAP,\qquad \beta=\angle PAC. \] Тогда \[ z=AP\sin\alpha,\qquad y=AP\sin\beta. \] Отсюда \(\sin\alpha=\sin\beta\). Поскольку \(\alpha,\beta>0\) и \(\alpha+\beta=\angle BAC<\pi\), получаем \(\alpha=\beta\). Значит, \(P\) лежит на биссектрисе внутреннего угла \(A\). Аналогичное рассуждение для вершины \(B\) показывает, что \(P\) лежит и на биссектрисе её внутреннего угла. Единственная точка пересечения этих биссектрис — центр вписанной окружности.
Таким образом, центр вписанной окружности — единственная точка, в которой достигается минимум.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1981 · المسألة 1
لتكن \(P\) نقطة داخل مثلث معطى \(ABC\). ولتكن \(D, E, F\) مساقط العموديات من \(P\) على المستقيمات \(BC, CA, AB\) على الترتيب. أوجد جميع النقاط \(P\) التي تكون عندها قيمة \[ \frac{BC}{PD}+\frac{CA}{PE}+\frac{AB}{PF} \] أصغر ما يمكن.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
النقطة الوحيدة التي تحقق ذلك هي مركز الدائرة الداخلية للمثلث \(ABC\). والقيمة الصغرى هي \[ \boxed{\frac{(AB+BC+CA)^2}{2[ABC]}}. \]
الحل
نكتب \[ a=BC,\qquad b=CA,\qquad c=AB,\qquad x=PD,\qquad y=PE,\qquad z=PF, \] ولتكن \(\Delta=[ABC]\). بما أن \(P\) تقع داخل المثلث تمامًا، فإن \(x,y,z>0\)، والمثلثات الثلاثة \(PBC,PCA,PAB\) تقسّم المثلث \(ABC\). ومن ثم \[ ax+by+cz=2\Delta. \] وتظل صيغ المساحات هذه صحيحة عندما يقع مسقط أحد العموديات على امتداد ضلع.
بمتباينة كوشي–شفارتز، \[ \begin{aligned} \left(\frac ax+\frac by+\frac cz\right)(ax+by+cz) &\ge \left( \sqrt{\frac ax}\sqrt{ax} +\sqrt{\frac by}\sqrt{by} +\sqrt{\frac cz}\sqrt{cz} \right)^2\\ &=(a+b+c)^2. \end{aligned} \] وبالتالي، \[ \frac ax+\frac by+\frac cz \ge \frac{(a+b+c)^2}{2\Delta}. \] وتتحقق المساواة إذا وفقط إذا كان \[ \frac{\sqrt{a/x}}{\sqrt{ax}} =\frac{\sqrt{b/y}}{\sqrt{by}} =\frac{\sqrt{c/z}}{\sqrt{cz}}, \] وهو ما يكافئ \(x=y=z\).
تتساوى أبعاد مركز الدائرة الداخلية عن المستقيمات الحاملة للأضلاع الثلاثة، ولذلك تتحقق عنده هذه القيمة الحدية. ولإثبات الوحدانية، لنفترض أن نقطة داخلية \(P\) تحقق \(x=y=z\). نضع \[ \alpha=\angle BAP,\qquad \beta=\angle PAC. \] عندئذ \[ z=AP\sin\alpha,\qquad y=AP\sin\beta. \] ومن ثم \(\sin\alpha=\sin\beta\). وبما أن \(\alpha,\beta>0\) و \(\alpha+\beta=\angle BAC<\pi\)، فلا بد من أن \(\alpha=\beta\). إذن تقع \(P\) على المنصف الداخلي للزاوية \(A\). وتُظهر الحجة نفسها عند \(B\) أن \(P\) تقع أيضًا على منصفها الداخلي. ونقطة تقاطعهما الوحيدة هي مركز الدائرة الداخلية.
وعليه، فإن مركز الدائرة الداخلية هو النقطة الوحيدة التي تتحقق عندها القيمة الصغرى.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).