IMO 1983 · Problem 4
Let \(ABC\) be an equilateral triangle and \(\mathcal E\) the set of all points contained in the three segments \(AB\), \(BC\) and \(CA\) (including \(A\), \(B\) and \(C\)). Determine whether, for every partition of \(\mathcal E\) into two disjoint subsets, at least one of the two subsets contains the vertices of a right-angled triangle. Justify your answer.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
Yes. Every such partition contains a right-angled triangle entirely within one of its two subsets.
Solution
Colour the points of the two subsets red and blue. Suppose, for a contradiction, that there is no monochromatic right-angled triangle.
Trisect each side, naming the points in the following orders: \[ A,P,Q,B;\qquad B,R,S,C;\qquad C,T,U,A. \] The six points \(P,Q,R,S,T,U\) form a regular hexagon. Indeed, the corner triangles \(AUP,BQR,CST\) are equilateral, so all six hexagon sides have length \(AB/3\), and all its interior angles are \(120^\circ\). Its opposite vertex pairs are \[ (P,S),\qquad (Q,T),\qquad (R,U), \] each forming a diameter of its circumcircle.
We first show that each opposite pair has different colours. Suppose an opposite pair has the same colour, say red. Any third red hexagon vertex would form a red right-angled triangle with this diameter, by Thales’ theorem. Thus the other four hexagon vertices must all be blue. But these four contain another opposite pair and a third vertex, giving a blue right-angled triangle. This contradiction proves the claim.
Among \(P,R,T\), two have the same colour. By cyclically relabelling \(A,B,C\), and interchanging the colour names if necessary, we may assume that \(P\) and \(R\) are red. Their opposite vertices \(S\) and \(U\) are therefore blue.
Now \[ QP=QB=QR, \] because the side is trisected and \(BQR\) is equilateral. Hence \(P,B,R\) lie on the circle with centre \(Q\) and diameter \(PB\). Thales’ theorem gives \[ PR\perp BC. \] The central symmetry of the regular hexagon sends \(P\) to \(S\) and \(R\) to \(U\), so \(SU\parallel PR\). Therefore \[ SU\perp BC. \]
If \(B\) is red, \(BPR\) is a red triangle right-angled at \(R\). If \(B\) is blue, \(BSU\) is a blue triangle right-angled at \(S\). Both triangles are nondegenerate: their vertices are distinct, and \(P\) and \(U\) lie off the line \(BC\).
Either colour of \(B\) gives a contradiction. Thus every partition has the required triangle.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1983 · Aufgabe 4
Sei \(ABC\) ein gleichseitiges Dreieck und \(\mathcal E\) die Menge aller Punkte auf den drei Strecken \(AB\), \(BC\) und \(CA\) (einschließlich \(A\), \(B\) und \(C\)). Entscheide, ob bei jeder Zerlegung von \(\mathcal E\) in zwei disjunkte Teilmengen mindestens eine der beiden Teilmengen die Eckpunkte eines rechtwinkligen Dreiecks enthält. Begründe deine Antwort.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Ja. Bei jeder solchen Zerlegung liegen die Eckpunkte eines rechtwinkligen Dreiecks sämtlich in einer der beiden Teilmengen.
Lösung
Wir färben die Punkte der beiden Teilmengen rot beziehungsweise blau. Nehmen wir zum Widerspruch an, dass es kein einfarbiges rechtwinkliges Dreieck gibt.
Wir dritteln jede Seite und bezeichnen die Punkte in den folgenden Reihenfolgen: \[ A,P,Q,B;\qquad B,R,S,C;\qquad C,T,U,A. \] Die sechs Punkte \(P,Q,R,S,T,U\) bilden ein regelmäßiges Sechseck. Tatsächlich sind die Dreiecke \(AUP,BQR,CST\) an den Ecken gleichseitig, sodass alle sechs Seiten des Sechsecks die Länge \(AB/3\) haben und alle seine Innenwinkel \(120^\circ\) betragen. Seine Paare gegenüberliegender Eckpunkte sind \[ (P,S),\qquad (Q,T),\qquad (R,U), \] wobei jedes Paar die Endpunkte eines Durchmessers seines Umkreises bildet.
Wir zeigen zunächst, dass jedes Paar gegenüberliegender Eckpunkte verschiedene Farben hat. Nehmen wir an, ein solches Paar habe dieselbe Farbe, etwa Rot. Jeder dritte rote Eckpunkt des Sechsecks würde nach dem Satz des Thales mit diesem Durchmesser ein rotes rechtwinkliges Dreieck bilden. Also müssen die anderen vier Eckpunkte des Sechsecks alle blau sein. Diese vier enthalten jedoch ein weiteres Paar gegenüberliegender Eckpunkte und einen dritten Eckpunkt, wodurch ein blaues rechtwinkliges Dreieck entsteht. Dieser Widerspruch beweist die Behauptung.
Unter \(P,R,T\) haben zwei dieselbe Farbe. Durch zyklisches Umbenennen von \(A,B,C\) und gegebenenfalls Vertauschen der Farbnamen dürfen wir annehmen, dass \(P\) und \(R\) rot sind. Ihre gegenüberliegenden Eckpunkte \(S\) und \(U\) sind daher blau.
Nun gilt \[ QP=QB=QR, \] weil die Seite gedrittelt ist und \(BQR\) gleichseitig ist. Daher liegen \(P,B,R\) auf dem Kreis mit Mittelpunkt \(Q\) und Durchmesser \(PB\). Nach dem Satz des Thales gilt \[ PR\perp BC. \] Die Punktspiegelung am Mittelpunkt des regelmäßigen Sechsecks bildet \(P\) auf \(S\) und \(R\) auf \(U\) ab, also gilt \(SU\parallel PR\). Daher ist \[ SU\perp BC. \]
Ist \(B\) rot, so ist \(BPR\) ein rotes Dreieck mit rechtem Winkel bei \(R\). Ist \(B\) blau, so ist \(BSU\) ein blaues Dreieck mit rechtem Winkel bei \(S\). Beide Dreiecke sind nicht entartet: Ihre Eckpunkte sind jeweils verschieden, und \(P\) und \(U\) liegen nicht auf der Geraden \(BC\).
Jede der beiden möglichen Farben von \(B\) führt zu einem Widerspruch. Somit gibt es bei jeder Zerlegung das geforderte Dreieck.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1983 · Soru 4
\(ABC\) bir eşkenar üçgen ve \(\mathcal E\), \(AB\), \(BC\) ve \(CA\) doğru parçaları üzerinde bulunan tüm noktaların kümesi (\(A\), \(B\) ve \(C\) dâhil) olsun. \(\mathcal E\)'nin iki ayrık alt kümeye her parçalanışında, bu iki alt kümeden en az birinin bir dik üçgenin köşelerini içerip içermediğini belirleyiniz. Cevabınızı gerekçelendiriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Evet. Böyle her parçalanışta, köşelerinin tamamı iki alt kümeden birinde bulunan bir dik üçgen vardır.
Çözüm
İki alt kümenin noktalarını kırmızı ve maviye boyayalım. Bir çelişki elde etmek üzere, tek renkli bir dik üçgen bulunmadığını varsayalım.
Her kenarı üç eşit parçaya bölelim ve noktaları şu sıralarla adlandıralım: \[ A,P,Q,B;\qquad B,R,S,C;\qquad C,T,U,A. \] \(P,Q,R,S,T,U\) noktaları bir düzgün altıgen oluşturur. Gerçekten de köşelerdeki \(AUP,BQR,CST\) üçgenleri eşkenar olduğundan altıgenin altı kenarının da uzunluğu \(AB/3\) ve tüm iç açıları \(120^\circ\)'dir. Karşılıklı köşe çiftleri \[ (P,S),\qquad (Q,T),\qquad (R,U), \] olup her bir çift, çevrel çemberin bir çapının uçlarını oluşturur.
Önce her karşılıklı köşe çiftinin farklı renklerde olduğunu gösterelim. Bir karşılıklı köşe çiftinin aynı renkte, örneğin kırmızı olduğunu varsayalım. Altıgenin üçüncü bir kırmızı köşesi, Thales teoremi gereği bu çapla birlikte kırmızı bir dik üçgen oluştururdu. Dolayısıyla altıgenin diğer dört köşesinin hepsi mavi olmalıdır. Ancak bu dört köşe, başka bir karşılıklı köşe çifti ve üçüncü bir köşe içerdiğinden mavi bir dik üçgen oluşturur. Bu çelişki iddiayı kanıtlar.
\(P,R,T\) noktalarından ikisi aynı renktedir. \(A,B,C\)'yi döngüsel olarak yeniden adlandırarak ve gerekirse renklerin adlarını değiştirerek \(P\) ve \(R\)'nin kırmızı olduğunu varsayabiliriz. Dolayısıyla bunların karşısındaki \(S\) ve \(U\) köşeleri mavidir.
Şimdi \[ QP=QB=QR, \] çünkü kenar üç eşit parçaya bölünmüştür ve \(BQR\) eşkenardır. Bu nedenle \(P,B,R\), merkezi \(Q\) ve çapı \(PB\) olan çember üzerindedir. Thales teoreminden \[ PR\perp BC. \] Düzgün altıgenin merkezine göre simetri, \(P\)'yi \(S\)'ye ve \(R\)'yi \(U\)'ya götürür; dolayısıyla \(SU\parallel PR\) olur. Öyleyse \[ SU\perp BC. \]
\(B\) kırmızıysa \(BPR\), dik açısı \(R\)'de olan kırmızı bir üçgendir. \(B\) maviyse \(BSU\), dik açısı \(S\)'de olan mavi bir üçgendir. Her iki üçgen de dejenere değildir: köşeleri birbirinden farklıdır ve \(P\) ile \(U\), \(BC\) doğrusu üzerinde değildir.
\(B\)'nin her iki rengi de bir çelişkiye yol açar. Böylece her parçalanışta istenen üçgen vardır.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1983 · Problema 4
Sean \(ABC\) un triángulo equilátero y \(\mathcal E\) el conjunto de todos los puntos contenidos en los tres segmentos \(AB\), \(BC\) y \(CA\) (incluidos \(A\), \(B\) y \(C\)). Determinar si, para toda partición de \(\mathcal E\) en dos subconjuntos disjuntos, al menos uno de los dos subconjuntos contiene los vértices de un triángulo rectángulo. Justificar la respuesta.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Sí. Toda partición de este tipo contiene un triángulo rectángulo cuyos vértices pertenecen todos a uno de sus dos subconjuntos.
Solución
Coloreamos los puntos de los dos subconjuntos de rojo y azul. Supongamos, para llegar a una contradicción, que no existe ningún triángulo rectángulo monocromático.
Trisecamos cada lado y nombramos los puntos en los siguientes órdenes: \[ A,P,Q,B;\qquad B,R,S,C;\qquad C,T,U,A. \] Los seis puntos \(P,Q,R,S,T,U\) forman un hexágono regular. En efecto, los triángulos de las esquinas \(AUP,BQR,CST\) son equiláteros, por lo que los seis lados del hexágono tienen longitud \(AB/3\), y todos sus ángulos interiores son de \(120^\circ\). Sus pares de vértices opuestos son \[ (P,S),\qquad (Q,T),\qquad (R,U), \] y cada par forma un diámetro de su circunferencia circunscrita.
Primero demostramos que los vértices de cada par de vértices opuestos tienen colores distintos. Supongamos que los vértices de un par de vértices opuestos tienen el mismo color, digamos rojo. Cualquier tercer vértice rojo del hexágono formaría con este diámetro un triángulo rectángulo rojo, por el teorema de Tales. Así, los otros cuatro vértices del hexágono deben ser todos azules. Pero entre estos cuatro hay otro par de vértices opuestos y un tercer vértice, que forman un triángulo rectángulo azul. Esta contradicción demuestra la afirmación.
Entre \(P,R,T\), dos tienen el mismo color. Renombrando cíclicamente \(A,B,C\), e intercambiando los nombres de los colores si es necesario, podemos suponer que \(P\) y \(R\) son rojos. Sus vértices opuestos \(S\) y \(U\) son, por tanto, azules.
Ahora bien, \[ QP=QB=QR, \] porque el lado está trisecado y \(BQR\) es equilátero. Por tanto, \(P,B,R\) pertenecen a la circunferencia de centro \(Q\) y diámetro \(PB\). El teorema de Tales da \[ PR\perp BC. \] La simetría central del hexágono regular lleva \(P\) a \(S\) y \(R\) a \(U\), por lo que \(SU\parallel PR\). Por tanto, \[ SU\perp BC. \]
Si \(B\) es rojo, \(BPR\) es un triángulo rojo rectángulo en \(R\). Si \(B\) es azul, \(BSU\) es un triángulo azul rectángulo en \(S\). Ambos triángulos son no degenerados: sus vértices son distintos, y \(P\) y \(U\) no pertenecen a la recta \(BC\).
Cualquiera de los dos colores de \(B\) conduce a una contradicción. Así, toda partición contiene el triángulo requerido.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1983 · 问题 4
设 \(ABC\) 为等边三角形,\(\mathcal E\) 为三条线段 \(AB\)、\(BC\)、\(CA\) 上所有点组成的集合(包括 \(A\)、\(B\)、\(C\))。判断:对于将 \(\mathcal E\) 划分为两个不相交子集的任意一种划分,是否必有至少一个子集包含某个直角三角形的三个顶点。说明理由。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
是。对于每一种这样的划分,都存在一个直角三角形,其三个顶点全在其中一个子集中。
解答
将两个子集中的点分别染成红色和蓝色。用反证法,假设不存在单色直角三角形。
将每条边三等分,并按如下顺序命名各点: \[ A,P,Q,B;\qquad B,R,S,C;\qquad C,T,U,A. \] 六点 \(P,Q,R,S,T,U\) 构成一个正六边形。事实上,三个角处的三角形 \(AUP,BQR,CST\) 均为等边三角形,故该六边形的六条边长均为 \(AB/3\),所有内角均为 \(120^\circ\)。它的三对相对顶点为 \[ (P,S),\qquad (Q,T),\qquad (R,U), \] 每对顶点的连线都是其外接圆的一条直径。
我们先证明,每对相对顶点的颜色都不同。假设一对相对顶点同色,不妨设为红色。根据泰勒斯定理,六边形中任何第三个红色顶点都会与这条直径的两个端点组成一个红色直角三角形。因此,其余四个顶点必须全为蓝色。但这四个顶点中包含另一对相对顶点以及第三个顶点,从而组成一个蓝色直角三角形。这一矛盾证明了上述结论。
在 \(P,R,T\) 中,有两个点同色。对 \(A,B,C\) 进行循环重命名,并在必要时交换颜色的名称,可不妨设 \(P\) 和 \(R\) 为红色。因此,与它们相对的顶点 \(S\) 和 \(U\) 为蓝色。
现在有 \[ QP=QB=QR, \] 这是因为边被三等分,且 \(BQR\) 为等边三角形。因此 \(P,B,R\) 位于以 \(Q\) 为圆心、\(PB\) 为直径的圆上。由泰勒斯定理可得 \[ PR\perp BC. \] 正六边形的中心对称将 \(P\) 映到 \(S\),将 \(R\) 映到 \(U\),故 \(SU\parallel PR\)。因此 \[ SU\perp BC. \]
若 \(B\) 为红色,则 \(BPR\) 是一个在 \(R\) 处为直角的红色三角形。若 \(B\) 为蓝色,则 \(BSU\) 是一个在 \(S\) 处为直角的蓝色三角形。两个三角形均非退化:它们各自的三个顶点互不相同,且 \(P\) 和 \(U\) 均不在直线 \(BC\) 上。
无论 \(B\) 是哪种颜色,都会产生矛盾。因此,每一种划分都存在所要求的三角形。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1983 · Задача 4
Пусть \(ABC\) — равносторонний треугольник, а \(\mathcal E\) — множество всех точек, лежащих на трёх отрезках \(AB\), \(BC\) и \(CA\) (включая \(A\), \(B\) и \(C\)). Верно ли, что при любом разбиении \(\mathcal E\) на два непересекающихся подмножества хотя бы одно из этих подмножеств содержит вершины прямоугольного треугольника? Обоснуйте ответ.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Да. При любом таком разбиении найдётся прямоугольный треугольник, все вершины которого принадлежат одному из двух подмножеств.
Решение
Раскрасим точки двух подмножеств в красный и синий цвета. Предположим, что одноцветного прямоугольного треугольника нет, и придём к противоречию.
Разделим каждую сторону на три равные части, обозначив точки в следующем порядке: \[ A,P,Q,B;\qquad B,R,S,C;\qquad C,T,U,A. \] Шесть точек \(P,Q,R,S,T,U\) образуют правильный шестиугольник. Действительно, треугольники \(AUP,BQR,CST\) при вершинах исходного треугольника равносторонние, поэтому все шесть сторон шестиугольника имеют длину \(AB/3\), а все его внутренние углы равны \(120^\circ\). Пары его противоположных вершин — \[ (P,S),\qquad (Q,T),\qquad (R,U), \] и каждая из них является парой концов диаметра его описанной окружности.
Сначала покажем, что в каждой паре противоположных вершин цвета различны. Предположим, что две противоположные вершины имеют один цвет, скажем красный. Любая третья красная вершина шестиугольника вместе с концами этого диаметра образовала бы красный прямоугольный треугольник по теореме об угле, опирающемся на диаметр. Поэтому остальные четыре вершины шестиугольника должны быть синими. Но среди этих четырёх есть другая пара противоположных вершин и третья вершина, образующие синий прямоугольный треугольник. Это противоречие доказывает утверждение.
Среди \(P,R,T\) две точки имеют один цвет. Циклически переобозначив \(A,B,C\) и при необходимости поменяв названия цветов, можно считать, что \(P\) и \(R\) красные. Тогда противоположные им вершины \(S\) и \(U\) синие.
Имеем \[ QP=QB=QR, \] поскольку сторона разделена на три равные части, а треугольник \(BQR\) равносторонний. Значит, \(P,B,R\) лежат на окружности с центром \(Q\) и диаметром \(PB\). По теореме об угле, опирающемся на диаметр, получаем \[ PR\perp BC. \] Центральная симметрия правильного шестиугольника переводит \(P\) в \(S\), а \(R\) в \(U\), поэтому \(SU\parallel PR\). Следовательно, \[ SU\perp BC. \]
Если \(B\) красная, то \(BPR\) — красный треугольник с прямым углом при \(R\). Если \(B\) синяя, то \(BSU\) — синий треугольник с прямым углом при \(S\). Оба треугольника невырожденные: их вершины различны, а \(P\) и \(U\) не лежат на прямой \(BC\).
При любом цвете точки \(B\) получаем противоречие. Таким образом, при любом разбиении найдётся требуемый треугольник.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1983 · المسألة 4
ليكن \(ABC\) مثلثًا متساوي الأضلاع، ولتكن \(\mathcal E\) مجموعة جميع النقاط الواقعة على القطع الثلاث \(AB\) و\(BC\) و\(CA\) (بما فيها \(A\) و\(B\) و\(C\)). حدد ما إذا كان، لكل تقسيم للمجموعة \(\mathcal E\) إلى مجموعتين جزئيتين متباينتين، لا بد أن تحتوي واحدة على الأقل من المجموعتين الجزئيتين على رؤوس مثلث قائم الزاوية. علل إجابتك.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
نعم. في كل تقسيم من هذا النوع، يوجد مثلث قائم الزاوية تقع رؤوسه كلها في إحدى المجموعتين الجزئيتين.
الحل
نلون نقاط المجموعتين الجزئيتين بالأحمر والأزرق. لنفترض، طلبًا للتناقض، أنه لا يوجد مثلث قائم الزاوية أحادي اللون.
نقسم كل ضلع إلى ثلاثة أجزاء متساوية، ونسمي النقاط وفق الترتيبات الآتية: \[ A,P,Q,B;\qquad B,R,S,C;\qquad C,T,U,A. \] تشكل النقاط الست \(P,Q,R,S,T,U\) سداسيًا منتظمًا. بالفعل، المثلثات الواقعة عند الزوايا \(AUP,BQR,CST\) متساوية الأضلاع، ولذلك فإن طول كل من أضلاع السداسي الستة يساوي \(AB/3\)، وجميع زواياه الداخلية تساوي \(120^\circ\). وأزواج رؤوسه المتقابلة هي \[ (P,S),\qquad (Q,T),\qquad (R,U), \] ويشكل كل زوج منها طرفي قطر لدائرته المحيطة.
نثبت أولًا أن رأسي كل زوج متقابل مختلفا اللون. لنفترض أن رأسي زوج متقابل لهما اللون نفسه، وليكن الأحمر. إن أي رأس ثالث أحمر من رؤوس السداسي سيشكل مع هذا القطر مثلثًا أحمر قائم الزاوية، وفقًا لنظرية طاليس. لذا لا بد أن تكون رؤوس السداسي الأربعة الأخرى كلها زرقاء. لكن هذه الرؤوس الأربعة تتضمن زوجًا آخر من الرؤوس المتقابلة ورأسًا ثالثًا، مما يعطي مثلثًا أزرق قائم الزاوية. وهذا التناقض يثبت المطلوب.
من بين \(P,R,T\)، توجد نقطتان لهما اللون نفسه. بإعادة تسمية \(A,B,C\) دوريًا، وبتبادل اسمي اللونين عند الحاجة، يمكننا أن نفترض أن \(P\) و\(R\) حمراوان. ومن ثم فإن رأسيهما المقابلين \(S\) و\(U\) أزرقان.
الآن \[ QP=QB=QR, \] لأن الضلع مقسم إلى ثلاثة أجزاء متساوية ولأن \(BQR\) متساوي الأضلاع. إذن تقع \(P,B,R\) على الدائرة ذات المركز \(Q\) والقطر \(PB\). وبحسب نظرية طاليس نحصل على \[ PR\perp BC. \] يرسل التناظر المركزي للسداسي المنتظم \(P\) إلى \(S\) و\(R\) إلى \(U\)، ولذلك \(SU\parallel PR\). وبالتالي \[ SU\perp BC. \]
إذا كانت \(B\) حمراء، فإن \(BPR\) مثلث أحمر قائم الزاوية عند \(R\). وإذا كانت \(B\) زرقاء، فإن \(BSU\) مثلث أزرق قائم الزاوية عند \(S\). كلا المثلثين غير منعدم المساحة: فرؤوس كل منهما مختلفة، وتقع \(P\) و\(U\) خارج المستقيم \(BC\).
يؤدي كل من اللونين الممكنين للنقطة \(B\) إلى تناقض. إذن يوجد المثلث المطلوب في كل تقسيم.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).