IMO 1982 · Problem 2
A non-isosceles triangle \(A_1A_2A_3\) is given with sides \(a_1,a_2,a_3\) (\(a_i\) is the side opposite \(A_i\)). For all \(i=1,2,3\), \(M_i\) is the midpoint of side \(a_i\), and \(T_i\). is the point where the incircle touches side \(a_i\). Denote by \(S_i\) the reflection of \(T_i\) in the interior bisector of angle \(A_i\). Prove that the lines \(M_1,S_1\), \(M_2S_2\), and \(M_3S_3\) are concurrent.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Write \(A=A_1\), \(B=A_2\), \(C=A_3\), and let \[ a=BC,\qquad b=CA,\qquad c=AB,\qquad s=\frac{a+b+c}{2}. \] Put \[ x=s-a,\qquad y=s-b,\qquad z=s-c. \] The triangle inequalities give \(x,y,z>0\), and \[ a=y+z,\qquad b=z+x,\qquad c=x+y. \] We identify points with their position vectors relative to an arbitrary origin.
Equal tangent lengths from each vertex give \(BT_1=y\) and \(CT_1=z\). Consequently, \[ T_1-A=\frac{z}{a}(B-A)+\frac{y}{a}(C-A). \] Reflection in the internal bisector at \(A\) interchanges the unit vectors \[ \frac{B-A}{c}\quad\text{and}\quad\frac{C-A}{b}. \] It therefore gives \[ S_1-A=\frac{zc}{ab}(C-A)+\frac{yb}{ac}(B-A), \] or \[ abc\,S_1=(abc-yb^2-zc^2)A+yb^2B+zc^2C. \] Using the expressions for \(a,b,c\) above, \[ abc-yb^2-zc^2 =x\bigl((y+z)^2-4yz\bigr) =x(b-c)^2. \] Thus, together with the two cyclic versions, \[ \begin{aligned} abc\,S_1&=x(b-c)^2A+yb^2B+zc^2C,\\ abc\,S_2&=xa^2A+y(c-a)^2B+zc^2C,\\ abc\,S_3&=xa^2A+yb^2B+z(a-b)^2C. \end{aligned} \]
Define \[ u=x(b-c)^2,\qquad v=y(c-a)^2,\qquad w=z(a-b)^2,\qquad k=4xyz. \] Because the triangle is non-isosceles, its side lengths are pairwise distinct, so \(u,v,w>0\). Moreover, \[ \begin{aligned} xa^2-u&=x\bigl((y+z)^2-(y-z)^2\bigr)=k,\\ yb^2-v&=y\bigl((z+x)^2-(z-x)^2\bigr)=k,\\ zc^2-w&=z\bigl((x+y)^2-(x-y)^2\bigr)=k. \end{aligned} \] The formulas for the reflected points become \[ \begin{aligned} abc\,S_1&=uA+(v+k)B+(w+k)C,\\ abc\,S_2&=(u+k)A+vB+(w+k)C,\\ abc\,S_3&=(u+k)A+(v+k)B+wC. \end{aligned} \] The identity \(u=abc-yb^2-zc^2\) also shows that \[ abc=u+v+w+2k. \]
Let \(D=u+v+w\), and define the point \[ P=\frac{uA+vB+wC}{D}. \] Since \[ M_1=\frac{B+C}{2},\qquad M_2=\frac{C+A}{2},\qquad M_3=\frac{A+B}{2}, \] the preceding formulas yield, for every \(i=1,2,3\), \[ S_i=\frac{D}{D+2k}\,P+\frac{2k}{D+2k}\,M_i. \] Both coefficients are strictly positive and sum to \(1\). Also, \(P\) lies strictly inside \(ABC\), because \(u,v,w>0\), whereas each \(M_i\) lies on a side. Hence \(P\ne M_i\), and \(S_i\) lies strictly between \(P\) and \(M_i\).
Therefore all three lines \(M_1S_1\), \(M_2S_2\), and \(M_3S_3\) are well defined and pass through \(P\). \(\square\)
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1982 · Aufgabe 2
Gegeben ist ein nicht gleichschenkliges Dreieck \(A_1A_2A_3\) mit den Seiten \(a_1,a_2,a_3\) (\(a_i\) ist die dem Eckpunkt \(A_i\) gegenüberliegende Seite). Für alle \(i=1,2,3\) sei \(M_i\) der Mittelpunkt der Seite \(a_i\), und \(T_i\) sei der Punkt, in dem der Inkreis die Seite \(a_i\) berührt. Bezeichne mit \(S_i\) das Spiegelbild von \(T_i\) an der inneren Winkelhalbierenden des Winkels \(A_i\). Beweise, dass sich die Geraden \(M_1,S_1\), \(M_2S_2\) und \(M_3S_3\) in einem Punkt schneiden.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Schreibe \(A=A_1\), \(B=A_2\), \(C=A_3\), und setze \[ a=BC,\qquad b=CA,\qquad c=AB,\qquad s=\frac{a+b+c}{2}. \] Setze \[ x=s-a,\qquad y=s-b,\qquad z=s-c. \] Aus den Dreiecksungleichungen folgt \(x,y,z>0\), und es gilt \[ a=y+z,\qquad b=z+x,\qquad c=x+y. \] Wir identifizieren die Punkte mit ihren Ortsvektoren bezüglich eines beliebigen Ursprungs.
Die Gleichheit der Tangentenabschnitte von jedem Eckpunkt aus ergibt \(BT_1=y\) und \(CT_1=z\). Folglich gilt \[ T_1-A=\frac{z}{a}(B-A)+\frac{y}{a}(C-A). \] Die Spiegelung an der inneren Winkelhalbierenden bei \(A\) vertauscht die Einheitsvektoren \[ \frac{B-A}{c}\quad\text{und}\quad\frac{C-A}{b}. \] Sie ergibt daher \[ S_1-A=\frac{zc}{ab}(C-A)+\frac{yb}{ac}(B-A), \] oder \[ abc\,S_1=(abc-yb^2-zc^2)A+yb^2B+zc^2C. \] Mit den obigen Ausdrücken für \(a,b,c\) gilt \[ abc-yb^2-zc^2 =x\bigl((y+z)^2-4yz\bigr) =x(b-c)^2. \] Zusammen mit den beiden durch zyklische Vertauschung entstehenden Gleichungen erhalten wir somit \[ \begin{aligned} abc\,S_1&=x(b-c)^2A+yb^2B+zc^2C,\\ abc\,S_2&=xa^2A+y(c-a)^2B+zc^2C,\\ abc\,S_3&=xa^2A+yb^2B+z(a-b)^2C. \end{aligned} \]
Definiere \[ u=x(b-c)^2,\qquad v=y(c-a)^2,\qquad w=z(a-b)^2,\qquad k=4xyz. \] Da das Dreieck nicht gleichschenklig ist, sind seine Seitenlängen paarweise verschieden, also gilt \(u,v,w>0\). Außerdem gilt \[ \begin{aligned} xa^2-u&=x\bigl((y+z)^2-(y-z)^2\bigr)=k,\\ yb^2-v&=y\bigl((z+x)^2-(z-x)^2\bigr)=k,\\ zc^2-w&=z\bigl((x+y)^2-(x-y)^2\bigr)=k. \end{aligned} \] Die Formeln für die gespiegelten Punkte nehmen die folgende Gestalt an: \[ \begin{aligned} abc\,S_1&=uA+(v+k)B+(w+k)C,\\ abc\,S_2&=(u+k)A+vB+(w+k)C,\\ abc\,S_3&=(u+k)A+(v+k)B+wC. \end{aligned} \] Die Identität \(u=abc-yb^2-zc^2\) zeigt außerdem, dass \[ abc=u+v+w+2k. \]
Sei \(D=u+v+w\), und definiere den Punkt \[ P=\frac{uA+vB+wC}{D}. \] Wegen \[ M_1=\frac{B+C}{2},\qquad M_2=\frac{C+A}{2},\qquad M_3=\frac{A+B}{2}, \] liefern die vorangehenden Formeln für jedes \(i=1,2,3\) \[ S_i=\frac{D}{D+2k}\,P+\frac{2k}{D+2k}\,M_i. \] Beide Koeffizienten sind streng positiv und haben die Summe \(1\). Außerdem liegt \(P\) wegen \(u,v,w>0\) im Inneren von \(ABC\), während jedes \(M_i\) auf einer Seite liegt. Daher gilt \(P\ne M_i\), und \(S_i\) liegt strikt zwischen \(P\) und \(M_i\).
Somit sind alle drei Geraden \(M_1S_1\), \(M_2S_2\) und \(M_3S_3\) wohldefiniert und gehen durch \(P\). \(\square\)
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1982 · Soru 2
Kenarları \(a_1,a_2,a_3\) olan, ikizkenar olmayan bir \(A_1A_2A_3\) üçgeni verilmiştir (\(a_i\), \(A_i\) köşesinin karşısındaki kenardır). Her \(i=1,2,3\) için \(M_i\), \(a_i\) kenarının orta noktası ve \(T_i\), içteğet çemberinin \(a_i\) kenarına değdiği noktadır. \(T_i\) noktasının \(A_i\) açısının iç açıortayına göre simetriğini \(S_i\) ile gösterelim. \(M_1,S_1\), \(M_2S_2\) ve \(M_3S_3\) doğrularının bir noktada kesiştiğini kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(A=A_1\), \(B=A_2\), \(C=A_3\) yazalım ve \[ a=BC,\qquad b=CA,\qquad c=AB,\qquad s=\frac{a+b+c}{2} \] olsun. \[ x=s-a,\qquad y=s-b,\qquad z=s-c \] olarak tanımlayalım. Üçgen eşitsizliklerinden \(x,y,z>0\) elde edilir ve \[ a=y+z,\qquad b=z+x,\qquad c=x+y. \] Noktaları, keyfî bir başlangıç noktasına göre konum vektörleriyle özdeşleştireceğiz.
Her köşeden çizilen teğet parçalarının uzunlukları eşit olduğundan \(BT_1=y\) ve \(CT_1=z\) olur. Dolayısıyla, \[ T_1-A=\frac{z}{a}(B-A)+\frac{y}{a}(C-A). \] \(A\) köşesindeki iç açıortaya göre yansıma, \[ \frac{B-A}{c}\quad\text{ve}\quad\frac{C-A}{b} \] birim vektörlerini birbirine dönüştürür. Bu nedenle \[ S_1-A=\frac{zc}{ab}(C-A)+\frac{yb}{ac}(B-A), \] ya da \[ abc\,S_1=(abc-yb^2-zc^2)A+yb^2B+zc^2C \] elde edilir. Yukarıdaki \(a,b,c\) ifadeleri kullanılarak \[ abc-yb^2-zc^2 =x\bigl((y+z)^2-4yz\bigr) =x(b-c)^2 \] bulunur. Böylece, döngüsel olarak elde edilen diğer iki eşitlikle birlikte, \[ \begin{aligned} abc\,S_1&=x(b-c)^2A+yb^2B+zc^2C,\\ abc\,S_2&=xa^2A+y(c-a)^2B+zc^2C,\\ abc\,S_3&=xa^2A+yb^2B+z(a-b)^2C. \end{aligned} \]
\[ u=x(b-c)^2,\qquad v=y(c-a)^2,\qquad w=z(a-b)^2,\qquad k=4xyz \] olarak tanımlayalım. Üçgen ikizkenar olmadığından kenar uzunlukları birbirinden farklıdır; dolayısıyla \(u,v,w>0\) olur. Ayrıca, \[ \begin{aligned} xa^2-u&=x\bigl((y+z)^2-(y-z)^2\bigr)=k,\\ yb^2-v&=y\bigl((z+x)^2-(z-x)^2\bigr)=k,\\ zc^2-w&=z\bigl((x+y)^2-(x-y)^2\bigr)=k. \end{aligned} \] Simetrik noktaların formülleri \[ \begin{aligned} abc\,S_1&=uA+(v+k)B+(w+k)C,\\ abc\,S_2&=(u+k)A+vB+(w+k)C,\\ abc\,S_3&=(u+k)A+(v+k)B+wC \end{aligned} \] biçimini alır. \(u=abc-yb^2-zc^2\) özdeşliği ayrıca \[ abc=u+v+w+2k \] olduğunu gösterir.
\(D=u+v+w\) olsun ve \[ P=\frac{uA+vB+wC}{D} \] noktasını tanımlayalım. \[ M_1=\frac{B+C}{2},\qquad M_2=\frac{C+A}{2},\qquad M_3=\frac{A+B}{2}, \] olduğundan, önceki formüller her \(i=1,2,3\) için \[ S_i=\frac{D}{D+2k}\,P+\frac{2k}{D+2k}\,M_i \] eşitliğini verir. Her iki katsayı da pozitiftir ve toplamları \(1\) olur. Ayrıca, \(u,v,w>0\) olduğundan \(P\), \(ABC\) üçgeninin iç bölgesinde yer alırken her \(M_i\) bir kenar üzerinde yer alır. Bu nedenle \(P\ne M_i\) olur ve \(S_i\), \(P\) ile \(M_i\) arasında, uç noktalardan farklı bir noktadır.
Dolayısıyla \(M_1S_1\), \(M_2S_2\) ve \(M_3S_3\) doğrularının üçü de iyi tanımlıdır ve \(P\) noktasından geçer. \(\square\)
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1982 · Problema 2
Se da un triángulo no isósceles \(A_1A_2A_3\) de lados \(a_1,a_2,a_3\) (\(a_i\) es el lado opuesto a \(A_i\)). Para todo \(i=1,2,3\), \(M_i\) es el punto medio del lado \(a_i\), y \(T_i\) es el punto donde la circunferencia inscrita es tangente al lado \(a_i\). Denotemos por \(S_i\) el simétrico de \(T_i\) respecto de la bisectriz interior del ángulo \(A_i\). Demostrar que las rectas \(M_1,S_1\), \(M_2S_2\) y \(M_3S_3\) son concurrentes.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Escribamos \(A=A_1\), \(B=A_2\), \(C=A_3\), y sean \[ a=BC,\qquad b=CA,\qquad c=AB,\qquad s=\frac{a+b+c}{2}. \] Pongamos \[ x=s-a,\qquad y=s-b,\qquad z=s-c. \] Las desigualdades triangulares dan \(x,y,z>0\), y \[ a=y+z,\qquad b=z+x,\qquad c=x+y. \] Identificamos los puntos con sus vectores de posición respecto de un origen arbitrario.
La igualdad de las longitudes de los segmentos tangentes trazados desde cada vértice da \(BT_1=y\) y \(CT_1=z\). Por consiguiente, \[ T_1-A=\frac{z}{a}(B-A)+\frac{y}{a}(C-A). \] La simetría respecto de la bisectriz interior en \(A\) intercambia los vectores unitarios \[ \frac{B-A}{c}\quad\text{y}\quad\frac{C-A}{b}. \] Por lo tanto, da \[ S_1-A=\frac{zc}{ab}(C-A)+\frac{yb}{ac}(B-A), \] o bien \[ abc\,S_1=(abc-yb^2-zc^2)A+yb^2B+zc^2C. \] Usando las expresiones anteriores de \(a,b,c\), \[ abc-yb^2-zc^2 =x\bigl((y+z)^2-4yz\bigr) =x(b-c)^2. \] Así, junto con las otras dos igualdades obtenidas por permutación cíclica, \[ \begin{aligned} abc\,S_1&=x(b-c)^2A+yb^2B+zc^2C,\\ abc\,S_2&=xa^2A+y(c-a)^2B+zc^2C,\\ abc\,S_3&=xa^2A+yb^2B+z(a-b)^2C. \end{aligned} \]
Definamos \[ u=x(b-c)^2,\qquad v=y(c-a)^2,\qquad w=z(a-b)^2,\qquad k=4xyz. \] Como el triángulo no es isósceles, las longitudes de sus lados son distintas dos a dos, de modo que \(u,v,w>0\). Además, \[ \begin{aligned} xa^2-u&=x\bigl((y+z)^2-(y-z)^2\bigr)=k,\\ yb^2-v&=y\bigl((z+x)^2-(z-x)^2\bigr)=k,\\ zc^2-w&=z\bigl((x+y)^2-(x-y)^2\bigr)=k. \end{aligned} \] Las fórmulas de los puntos simétricos se convierten en \[ \begin{aligned} abc\,S_1&=uA+(v+k)B+(w+k)C,\\ abc\,S_2&=(u+k)A+vB+(w+k)C,\\ abc\,S_3&=(u+k)A+(v+k)B+wC. \end{aligned} \] La identidad \(u=abc-yb^2-zc^2\) también muestra que \[ abc=u+v+w+2k. \]
Sea \(D=u+v+w\), y definamos el punto \[ P=\frac{uA+vB+wC}{D}. \] Como \[ M_1=\frac{B+C}{2},\qquad M_2=\frac{C+A}{2},\qquad M_3=\frac{A+B}{2}, \] las fórmulas anteriores dan, para todo \(i=1,2,3\), \[ S_i=\frac{D}{D+2k}\,P+\frac{2k}{D+2k}\,M_i. \] Ambos coeficientes son estrictamente positivos y suman \(1\). Además, \(P\) está estrictamente en el interior de \(ABC\), pues \(u,v,w>0\), mientras que cada \(M_i\) está en un lado. Por tanto, \(P\ne M_i\), y \(S_i\) está estrictamente entre \(P\) y \(M_i\).
Por lo tanto, las tres rectas \(M_1S_1\), \(M_2S_2\) y \(M_3S_3\) están bien definidas y pasan por \(P\). \(\square\)
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1982 · 问题 2
给定一个非等腰三角形 \(A_1A_2A_3\),其三边为 \(a_1,a_2,a_3\)(\(a_i\) 是 \(A_i\) 的对边)。对所有 \(i=1,2,3\),设 \(M_i\) 是边 \(a_i\) 的中点,\(T_i\) 是内切圆与边 \(a_i\) 的切点。记 \(T_i\) 关于角 \(A_i\) 的内角平分线的对称点为 \(S_i\)。证明直线 \(M_1,S_1\)、\(M_2S_2\) 和 \(M_3S_3\) 共点。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
记 \(A=A_1\)、\(B=A_2\)、\(C=A_3\),并设 \[ a=BC,\qquad b=CA,\qquad c=AB,\qquad s=\frac{a+b+c}{2}. \] 令 \[ x=s-a,\qquad y=s-b,\qquad z=s-c. \] 由三角形不等式可得 \(x,y,z>0\),且 \[ a=y+z,\qquad b=z+x,\qquad c=x+y. \] 任取一个原点,以下将各点与其相对于该原点的位置向量等同。
由每个顶点引出的两条切线段等长,得 \(BT_1=y\) 和 \(CT_1=z\)。因此, \[ T_1-A=\frac{z}{a}(B-A)+\frac{y}{a}(C-A). \] 关于 \(A\) 处内角平分线的反射将下列两个单位向量互换: \[ \frac{B-A}{c}\quad\text{和}\quad\frac{C-A}{b}. \] 因此可得 \[ S_1-A=\frac{zc}{ab}(C-A)+\frac{yb}{ac}(B-A), \] 即 \[ abc\,S_1=(abc-yb^2-zc^2)A+yb^2B+zc^2C. \] 利用上述 \(a,b,c\) 的表达式,得 \[ abc-yb^2-zc^2 =x\bigl((y+z)^2-4yz\bigr) =x(b-c)^2. \] 因此,连同循环置换得到的另外两个等式,有 \[ \begin{aligned} abc\,S_1&=x(b-c)^2A+yb^2B+zc^2C,\\ abc\,S_2&=xa^2A+y(c-a)^2B+zc^2C,\\ abc\,S_3&=xa^2A+yb^2B+z(a-b)^2C. \end{aligned} \]
定义 \[ u=x(b-c)^2,\qquad v=y(c-a)^2,\qquad w=z(a-b)^2,\qquad k=4xyz. \] 由于三角形不是等腰三角形,其三边长两两不同,故 \(u,v,w>0\)。此外, \[ \begin{aligned} xa^2-u&=x\bigl((y+z)^2-(y-z)^2\bigr)=k,\\ yb^2-v&=y\bigl((z+x)^2-(z-x)^2\bigr)=k,\\ zc^2-w&=z\bigl((x+y)^2-(x-y)^2\bigr)=k. \end{aligned} \] 各对称点的表达式化为 \[ \begin{aligned} abc\,S_1&=uA+(v+k)B+(w+k)C,\\ abc\,S_2&=(u+k)A+vB+(w+k)C,\\ abc\,S_3&=(u+k)A+(v+k)B+wC. \end{aligned} \] 由恒等式 \(u=abc-yb^2-zc^2\) 还可得 \[ abc=u+v+w+2k. \]
令 \(D=u+v+w\),并定义点 \[ P=\frac{uA+vB+wC}{D}. \] 由于 \[ M_1=\frac{B+C}{2},\qquad M_2=\frac{C+A}{2},\qquad M_3=\frac{A+B}{2}, \] 由前面的公式可得,对每个 \(i=1,2,3\),都有 \[ S_i=\frac{D}{D+2k}\,P+\frac{2k}{D+2k}\,M_i. \] 两个系数均严格为正,且其和为 \(1\)。此外,由于 \(u,v,w>0\),点 \(P\) 严格位于 \(ABC\) 的内部,而每个 \(M_i\) 都在一条边上。因此 \(P\ne M_i\),且 \(S_i\) 严格位于 \(P\) 与 \(M_i\) 之间。
所以,三条直线 \(M_1S_1\)、\(M_2S_2\) 和 \(M_3S_3\) 均有明确定义,且都经过 \(P\)。\(\square\)
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1982 · Задача 2
Дан неравнобедренный треугольник \(A_1A_2A_3\) со сторонами \(a_1,a_2,a_3\) (\(a_i\) — сторона, противолежащая вершине \(A_i\)). Для каждого \(i=1,2,3\) точка \(M_i\) — середина стороны \(a_i\), а \(T_i\) — точка касания вписанной окружности со стороной \(a_i\). Обозначим через \(S_i\) точку, симметричную \(T_i\) относительно биссектрисы внутреннего угла \(A_i\). Докажите, что прямые \(M_1,S_1\), \(M_2S_2\) и \(M_3S_3\) пересекаются в одной точке.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Обозначим \(A=A_1\), \(B=A_2\), \(C=A_3\) и положим \[ a=BC,\qquad b=CA,\qquad c=AB,\qquad s=\frac{a+b+c}{2}. \] Положим \[ x=s-a,\qquad y=s-b,\qquad z=s-c. \] Из неравенств треугольника следует \(x,y,z>0\), и \[ a=y+z,\qquad b=z+x,\qquad c=x+y. \] Будем отождествлять точки с их радиус-векторами относительно произвольно выбранного начала отсчёта.
Из равенства отрезков касательных, проведённых из каждой вершины, получаем \(BT_1=y\) и \(CT_1=z\). Следовательно, \[ T_1-A=\frac{z}{a}(B-A)+\frac{y}{a}(C-A). \] Симметрия относительно биссектрисы внутреннего угла при вершине \(A\) меняет местами единичные векторы \[ \frac{B-A}{c}\quad\text{и}\quad\frac{C-A}{b}. \] Поэтому она даёт \[ S_1-A=\frac{zc}{ab}(C-A)+\frac{yb}{ac}(B-A), \] или \[ abc\,S_1=(abc-yb^2-zc^2)A+yb^2B+zc^2C. \] Используя приведённые выше выражения для \(a,b,c\), получаем \[ abc-yb^2-zc^2 =x\bigl((y+z)^2-4yz\bigr) =x(b-c)^2. \] Таким образом, вместе с двумя равенствами, полученными циклической перестановкой, имеем \[ \begin{aligned} abc\,S_1&=x(b-c)^2A+yb^2B+zc^2C,\\ abc\,S_2&=xa^2A+y(c-a)^2B+zc^2C,\\ abc\,S_3&=xa^2A+yb^2B+z(a-b)^2C. \end{aligned} \]
Обозначим \[ u=x(b-c)^2,\qquad v=y(c-a)^2,\qquad w=z(a-b)^2,\qquad k=4xyz. \] Поскольку треугольник неравнобедренный, длины его сторон попарно различны, поэтому \(u,v,w>0\). Кроме того, \[ \begin{aligned} xa^2-u&=x\bigl((y+z)^2-(y-z)^2\bigr)=k,\\ yb^2-v&=y\bigl((z+x)^2-(z-x)^2\bigr)=k,\\ zc^2-w&=z\bigl((x+y)^2-(x-y)^2\bigr)=k. \end{aligned} \] Формулы для симметричных точек принимают вид \[ \begin{aligned} abc\,S_1&=uA+(v+k)B+(w+k)C,\\ abc\,S_2&=(u+k)A+vB+(w+k)C,\\ abc\,S_3&=(u+k)A+(v+k)B+wC. \end{aligned} \] Тождество \(u=abc-yb^2-zc^2\) также показывает, что \[ abc=u+v+w+2k. \]
Пусть \(D=u+v+w\), и определим точку \[ P=\frac{uA+vB+wC}{D}. \] Поскольку \[ M_1=\frac{B+C}{2},\qquad M_2=\frac{C+A}{2},\qquad M_3=\frac{A+B}{2}, \] из предыдущих формул для каждого \(i=1,2,3\) получаем \[ S_i=\frac{D}{D+2k}\,P+\frac{2k}{D+2k}\,M_i. \] Оба коэффициента строго положительны, а их сумма равна \(1\). Кроме того, точка \(P\) лежит строго внутри треугольника \(ABC\), поскольку \(u,v,w>0\), тогда как каждая точка \(M_i\) лежит на стороне. Следовательно, \(P\ne M_i\), а \(S_i\) лежит строго между \(P\) и \(M_i\).
Поэтому все три прямые \(M_1S_1\), \(M_2S_2\) и \(M_3S_3\) однозначно определены и проходят через \(P\). \(\square\)
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1982 · المسألة 2
ليكن \(A_1A_2A_3\) مثلثًا غير متساوي الساقين، أطوال أضلاعه \(a_1,a_2,a_3\) (حيث \(a_i\) هو الضلع المقابل للرأس \(A_i\)). لكل \(i=1,2,3\)، لتكن \(M_i\) منتصف الضلع \(a_i\)، ولتكن \(T_i\) نقطة تماس الدائرة الداخلية مع الضلع \(a_i\). نرمز بـ \(S_i\) إلى صورة \(T_i\) بالانعكاس حول المنصف الداخلي للزاوية \(A_i\). أثبت أن المستقيمات \(M_1,S_1\)، و\(M_2S_2\)، و\(M_3S_3\) تتلاقى في نقطة واحدة.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نكتب \(A=A_1\)، و\(B=A_2\)، و\(C=A_3\)، ولتكن \[ a=BC,\qquad b=CA,\qquad c=AB,\qquad s=\frac{a+b+c}{2}. \] نضع \[ x=s-a,\qquad y=s-b,\qquad z=s-c. \] تعطي متباينات المثلث \(x,y,z>0\)، ولدينا \[ a=y+z,\qquad b=z+x,\qquad c=x+y. \] نمثّل النقاط بمتجهات مواضعها بالنسبة إلى نقطة أصل اعتباطية.
من تساوي طولي المماسين المرسومين من كل رأس، نحصل على \(BT_1=y\) و\(CT_1=z\). ومن ثم، \[ T_1-A=\frac{z}{a}(B-A)+\frac{y}{a}(C-A). \] يبدّل الانعكاس حول المنصف الداخلي عند \(A\) بين متجهي الوحدة \[ \frac{B-A}{c}\quad\text{و}\quad\frac{C-A}{b}. \] ولذلك فهو يعطي \[ S_1-A=\frac{zc}{ab}(C-A)+\frac{yb}{ac}(B-A), \] أي \[ abc\,S_1=(abc-yb^2-zc^2)A+yb^2B+zc^2C. \] وباستخدام تعبيرات \(a,b,c\) السابقة، \[ abc-yb^2-zc^2 =x\bigl((y+z)^2-4yz\bigr) =x(b-c)^2. \] إذن، مع العلاقتين الناتجتين بالتبديل الدوري، نحصل على \[ \begin{aligned} abc\,S_1&=x(b-c)^2A+yb^2B+zc^2C,\\ abc\,S_2&=xa^2A+y(c-a)^2B+zc^2C,\\ abc\,S_3&=xa^2A+yb^2B+z(a-b)^2C. \end{aligned} \]
نعرّف \[ u=x(b-c)^2,\qquad v=y(c-a)^2,\qquad w=z(a-b)^2,\qquad k=4xyz. \] بما أن المثلث غير متساوي الساقين، فإن أطوال أضلاعه مختلفة مثنى مثنى، ومن ثم \(u,v,w>0\). علاوة على ذلك، \[ \begin{aligned} xa^2-u&=x\bigl((y+z)^2-(y-z)^2\bigr)=k,\\ yb^2-v&=y\bigl((z+x)^2-(z-x)^2\bigr)=k,\\ zc^2-w&=z\bigl((x+y)^2-(x-y)^2\bigr)=k. \end{aligned} \] تصبح صيغ صور النقاط بالانعكاس \[ \begin{aligned} abc\,S_1&=uA+(v+k)B+(w+k)C,\\ abc\,S_2&=(u+k)A+vB+(w+k)C,\\ abc\,S_3&=(u+k)A+(v+k)B+wC. \end{aligned} \] وتبيّن المتطابقة \(u=abc-yb^2-zc^2\) أيضًا أن \[ abc=u+v+w+2k. \]
لتكن \(D=u+v+w\)، ولنعرّف النقطة \[ P=\frac{uA+vB+wC}{D}. \] بما أن \[ M_1=\frac{B+C}{2},\qquad M_2=\frac{C+A}{2},\qquad M_3=\frac{A+B}{2}, \] فإن الصيغ السابقة تعطي، لكل \(i=1,2,3\)، \[ S_i=\frac{D}{D+2k}\,P+\frac{2k}{D+2k}\,M_i. \] كلا المعاملين موجب تمامًا، ومجموعهما يساوي \(1\). كذلك، تقع \(P\) داخل المثلث \(ABC\) تمامًا، لأن \(u,v,w>0\)، في حين تقع كل نقطة \(M_i\) على أحد الأضلاع. لذلك \(P\ne M_i\)، وتقع \(S_i\) بين \(P\) و\(M_i\) تمامًا.
وعليه، فإن المستقيمات الثلاثة \(M_1S_1\)، و\(M_2S_2\)، و\(M_3S_3\) معرّفة تعريفًا سليمًا، وتمر جميعها بالنقطة \(P\). \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).