IMO 1982 · Problem 5
The diagonals \(AC\) and \(CE\) of the regular hexagon \(ABCDEF\) are divided by the inner points \(M\) and \(N\), respectively, so that \[ \frac{AM}{AC}=\frac{CN}{CE}=r. \] Determine \(r\) if \(B,M,\) and \(N\) are collinear.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{r=\frac{1}{\sqrt3}}. \]
Solution
A similarity preserves both collinearity and ratios along segments, so we may place the regular hexagon on the unit circle with \[ A=(1,0),\quad B=\left(\frac12,\frac{\sqrt3}{2}\right), \quad C=\left(-\frac12,\frac{\sqrt3}{2}\right), \quad E=\left(-\frac12,-\frac{\sqrt3}{2}\right). \] Write \(h=\sqrt3/2\). Since \(M\) and \(N\) are inner points, \(0<r<1\), and the given ratios imply \[ M=(1-r)A+rC=\left(1-\frac{3r}{2},hr\right), \] \[ N=(1-r)C+rE=\left(-\frac12,h(1-2r)\right). \] Consequently, \[ \overrightarrow{BM}=\left(\frac12-\frac{3r}{2},h(r-1)\right), \qquad \overrightarrow{BN}=(-1,-2hr). \] The points \(B,M,N\) are collinear exactly when the determinant of these vectors vanishes. That determinant equals \[ \left(\frac12-\frac{3r}{2}\right)(-2hr) -h(r-1)(-1) =h(3r^2-1). \] As \(h\ne0\), collinearity is therefore equivalent to \(3r^2=1\). The restriction \(0<r<1\) selects \[ r=\frac1{\sqrt3}. \] Conversely, this value lies in \((0,1)\) and makes the determinant zero, so it indeed gives inner points \(M,N\) collinear with \(B\).
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1982 · Aufgabe 5
Die Diagonalen \(AC\) und \(CE\) des regelmäßigen Sechsecks \(ABCDEF\) werden durch die inneren Punkte \(M\) bzw. \(N\) so geteilt, dass \[ \frac{AM}{AC}=\frac{CN}{CE}=r. \] Bestimme \(r\), wenn \(B,M,\) und \(N\) auf einer Geraden liegen.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{r=\frac{1}{\sqrt3}}. \]
Lösung
Eine Ähnlichkeitsabbildung erhält sowohl die Kollinearität als auch die Teilungsverhältnisse auf Strecken, daher dürfen wir das regelmäßige Sechseck auf dem Einheitskreis so platzieren, dass \[ A=(1,0),\quad B=\left(\frac12,\frac{\sqrt3}{2}\right), \quad C=\left(-\frac12,\frac{\sqrt3}{2}\right), \quad E=\left(-\frac12,-\frac{\sqrt3}{2}\right). \] Schreibe \(h=\sqrt3/2\). Da \(M\) und \(N\) innere Punkte sind, gilt \(0<r<1\), und aus den gegebenen Verhältnissen folgt \[ M=(1-r)A+rC=\left(1-\frac{3r}{2},hr\right), \] \[ N=(1-r)C+rE=\left(-\frac12,h(1-2r)\right). \] Folglich gilt \[ \overrightarrow{BM}=\left(\frac12-\frac{3r}{2},h(r-1)\right), \qquad \overrightarrow{BN}=(-1,-2hr). \] Die Punkte \(B,M,N\) liegen genau dann auf einer Geraden, wenn die Determinante dieser Vektoren verschwindet. Diese Determinante ist gleich \[ \left(\frac12-\frac{3r}{2}\right)(-2hr) -h(r-1)(-1) =h(3r^2-1). \] Wegen \(h\ne0\) ist die Kollinearität daher äquivalent zu \(3r^2=1\). Aufgrund der Einschränkung \(0<r<1\) bleibt \[ r=\frac1{\sqrt3}. \] Umgekehrt liegt dieser Wert in \((0,1)\) und lässt die Determinante verschwinden, liefert also tatsächlich innere Punkte \(M,N\), die mit \(B\) auf einer Geraden liegen.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1982 · Soru 5
\(ABCDEF\) düzgün altıgeninin \(AC\) ve \(CE\) köşegenleri, sırasıyla bu köşegenlerin iç noktaları olan \(M\) ve \(N\) tarafından \[ \frac{AM}{AC}=\frac{CN}{CE}=r \] olacak biçimde bölünmektedir. \(B,M,\) ve \(N\) doğrusal ise \(r\) değerini bulunuz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{r=\frac{1}{\sqrt3}}. \]
Çözüm
Benzerlik dönüşümü hem doğrusallığı hem de doğru parçaları üzerindeki oranları koruduğundan, düzgün altıgeni birim çember üzerine \[ A=(1,0),\quad B=\left(\frac12,\frac{\sqrt3}{2}\right), \quad C=\left(-\frac12,\frac{\sqrt3}{2}\right), \quad E=\left(-\frac12,-\frac{\sqrt3}{2}\right) \] olacak biçimde yerleştirebiliriz. \(h=\sqrt3/2\) yazalım. \(M\) ve \(N\) iç noktalar olduğundan \(0<r<1\) olur ve verilen oranlardan \[ M=(1-r)A+rC=\left(1-\frac{3r}{2},hr\right), \] \[ N=(1-r)C+rE=\left(-\frac12,h(1-2r)\right) \] elde edilir. Dolayısıyla, \[ \overrightarrow{BM}=\left(\frac12-\frac{3r}{2},h(r-1)\right), \qquad \overrightarrow{BN}=(-1,-2hr). \] \(B,M,N\) noktalarının doğrusal olması için gerek ve yeter koşul bu vektörlerin determinantının sıfır olmasıdır. Bu determinant \[ \left(\frac12-\frac{3r}{2}\right)(-2hr) -h(r-1)(-1) =h(3r^2-1) \] ifadesine eşittir. \(h\ne0\) olduğundan, doğrusallık \(3r^2=1\) koşuluna denktir. \(0<r<1\) kısıtlaması nedeniyle \[ r=\frac1{\sqrt3} \] olmalıdır. Tersine, bu değer \((0,1)\) aralığındadır ve determinantı sıfır yapar; dolayısıyla gerçekten de \(B\) ile doğrusal olan \(M,N\) iç noktalarını verir.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1982 · Problema 5
Las diagonales \(AC\) y \(CE\) del hexágono regular \(ABCDEF\) están divididas por los puntos interiores \(M\) y \(N\), respectivamente, de modo que \[ \frac{AM}{AC}=\frac{CN}{CE}=r. \] Determinar \(r\) si \(B,M,\) y \(N\) están alineados.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{r=\frac{1}{\sqrt3}}. \]
Solución
Una semejanza conserva tanto la alineación como las razones entre segmentos, por lo que podemos situar el hexágono regular en la circunferencia unidad con \[ A=(1,0),\quad B=\left(\frac12,\frac{\sqrt3}{2}\right), \quad C=\left(-\frac12,\frac{\sqrt3}{2}\right), \quad E=\left(-\frac12,-\frac{\sqrt3}{2}\right). \] Escribamos \(h=\sqrt3/2\). Como \(M\) y \(N\) son puntos interiores, \(0<r<1\), y las razones dadas implican \[ M=(1-r)A+rC=\left(1-\frac{3r}{2},hr\right), \] \[ N=(1-r)C+rE=\left(-\frac12,h(1-2r)\right). \] Por consiguiente, \[ \overrightarrow{BM}=\left(\frac12-\frac{3r}{2},h(r-1)\right), \qquad \overrightarrow{BN}=(-1,-2hr). \] Los puntos \(B,M,N\) están alineados si y solo si el determinante de estos vectores se anula. Dicho determinante es igual a \[ \left(\frac12-\frac{3r}{2}\right)(-2hr) -h(r-1)(-1) =h(3r^2-1). \] Como \(h\ne0\), la alineación equivale, por tanto, a \(3r^2=1\). La restricción \(0<r<1\) selecciona \[ r=\frac1{\sqrt3}. \] Recíprocamente, este valor pertenece a \((0,1)\) y anula el determinante, por lo que efectivamente da puntos interiores \(M,N\) alineados con \(B\).
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1982 · 问题 5
正六边形 \(ABCDEF\) 的对角线 \(AC\) 和 \(CE\) 上分别有内分点 \(M\) 和 \(N\),使得 \[ \frac{AM}{AC}=\frac{CN}{CE}=r. \] 若 \(B,M,\) 和 \(N\) 共线,求 \(r\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{r=\frac{1}{\sqrt3}}. \]
解答
相似变换保持共线性以及线段上的分比,因此可以将正六边形置于单位圆上,使 \[ A=(1,0),\quad B=\left(\frac12,\frac{\sqrt3}{2}\right), \quad C=\left(-\frac12,\frac{\sqrt3}{2}\right), \quad E=\left(-\frac12,-\frac{\sqrt3}{2}\right). \] 记 \(h=\sqrt3/2\)。由于 \(M\) 和 \(N\) 是内分点,故 \(0<r<1\),且由给定的比值得 \[ M=(1-r)A+rC=\left(1-\frac{3r}{2},hr\right), \] \[ N=(1-r)C+rE=\left(-\frac12,h(1-2r)\right). \] 因此, \[ \overrightarrow{BM}=\left(\frac12-\frac{3r}{2},h(r-1)\right), \qquad \overrightarrow{BN}=(-1,-2hr). \] 点 \(B,M,N\) 共线,当且仅当这两个向量构成的行列式为零。该行列式等于 \[ \left(\frac12-\frac{3r}{2}\right)(-2hr) -h(r-1)(-1) =h(3r^2-1). \] 由于 \(h\ne0\),共线条件等价于 \(3r^2=1\)。由限制条件 \(0<r<1\),选得 \[ r=\frac1{\sqrt3}. \] 反之,这个值属于 \((0,1)\),且使行列式为零,所以它确实给出与 \(B\) 共线的内分点 \(M,N\)。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1982 · Задача 5
На диагоналях \(AC\) и \(CE\) правильного шестиугольника \(ABCDEF\) взяты внутренние точки \(M\) и \(N\) соответственно так, что \[ \frac{AM}{AC}=\frac{CN}{CE}=r. \] Найдите \(r\), если точки \(B,M,\) и \(N\) лежат на одной прямой.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{r=\frac{1}{\sqrt3}}. \]
Решение
Преобразование подобия сохраняет как принадлежность точек одной прямой, так и отношения отрезков на одной прямой, поэтому можно расположить правильный шестиугольник на единичной окружности так, чтобы \[ A=(1,0),\quad B=\left(\frac12,\frac{\sqrt3}{2}\right), \quad C=\left(-\frac12,\frac{\sqrt3}{2}\right), \quad E=\left(-\frac12,-\frac{\sqrt3}{2}\right). \] Обозначим \(h=\sqrt3/2\). Поскольку \(M\) и \(N\) — внутренние точки, \(0<r<1\), а из заданных отношений следует \[ M=(1-r)A+rC=\left(1-\frac{3r}{2},hr\right), \] \[ N=(1-r)C+rE=\left(-\frac12,h(1-2r)\right). \] Следовательно, \[ \overrightarrow{BM}=\left(\frac12-\frac{3r}{2},h(r-1)\right), \qquad \overrightarrow{BN}=(-1,-2hr). \] Точки \(B,M,N\) лежат на одной прямой тогда и только тогда, когда определитель этих векторов равен нулю. Этот определитель равен \[ \left(\frac12-\frac{3r}{2}\right)(-2hr) -h(r-1)(-1) =h(3r^2-1). \] Так как \(h\ne0\), условие принадлежности точек одной прямой равносильно равенству \(3r^2=1\). Условие \(0<r<1\) оставляет единственное значение \[ r=\frac1{\sqrt3}. \] Обратно, это значение принадлежит интервалу \((0,1)\) и обращает определитель в нуль, поэтому оно действительно даёт внутренние точки \(M,N\), лежащие на одной прямой с \(B\).
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1982 · المسألة 5
تقسم النقطتان الداخليتان \(M\) و\(N\) القطرين \(AC\) و\(CE\) للسداسي المنتظم \(ABCDEF\)، على الترتيب، بحيث \[ \frac{AM}{AC}=\frac{CN}{CE}=r. \] أوجد \(r\) إذا كانت النقاط \(B,M,\) و\(N\) على استقامة واحدة.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{r=\frac{1}{\sqrt3}}. \]
الحل
يحفظ تحويل التشابه كلًا من الاستقامية والنسب على القطع المستقيمة، ولذلك يمكننا وضع السداسي المنتظم على دائرة الوحدة بحيث \[ A=(1,0),\quad B=\left(\frac12,\frac{\sqrt3}{2}\right), \quad C=\left(-\frac12,\frac{\sqrt3}{2}\right), \quad E=\left(-\frac12,-\frac{\sqrt3}{2}\right). \] نكتب \(h=\sqrt3/2\). بما أن \(M\) و\(N\) نقطتان داخليتان، فإن \(0<r<1\)، وتستلزم النسب المعطاة أن \[ M=(1-r)A+rC=\left(1-\frac{3r}{2},hr\right), \] \[ N=(1-r)C+rE=\left(-\frac12,h(1-2r)\right). \] ومن ثم، \[ \overrightarrow{BM}=\left(\frac12-\frac{3r}{2},h(r-1)\right), \qquad \overrightarrow{BN}=(-1,-2hr). \] تكون النقاط \(B,M,N\) على استقامة واحدة إذا وفقط إذا انعدم محدد هذين المتجهين. وهذا المحدد يساوي \[ \left(\frac12-\frac{3r}{2}\right)(-2hr) -h(r-1)(-1) =h(3r^2-1). \] وبما أن \(h\ne0\)، فإن الاستقامية تكافئ إذن \(3r^2=1\). ويحدد الشرط \(0<r<1\) القيمة \[ r=\frac1{\sqrt3}. \] وعكسًا، تقع هذه القيمة في \((0,1)\) وتجعل المحدد صفرًا، ولذلك فهي تعطي بالفعل نقطتين داخليتين \(M,N\) على استقامة واحدة مع \(B\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).