IMO 1984 · Problem 3
In the plane two different points \(O\) and \(A\) are given. For each point \(X\) of the plane, other than \(O\), denote by \(a(X)\) the measure of the angle between \(OA\) and \(OX\) in radians, counterclockwise from \(OA\) (\(0 \le a(X) < 2\pi\)). Let \(C(X)\) be the circle with center \(O\) and radius of length \(OX + a(X)/OX\). Each point of the plane is colored by one of a finite number of colors. Prove that there exists a point \(Y\) for which \(a(Y) > 0\) such that its color appears on the circumference of the circle \(C(Y)\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let \(m\) be the number of colors. For every positive real number \(t\), let \(S(t)\) be the set of colors appearing on the circumference of the circle with center \(O\) and radius \(t\).
There are at most \(2^m\) possible sets \(S(t)\). Choose \(2^m+1\) distinct radii in \([1,2]\). By the pigeonhole principle, two of these radii, say \(r<s\), satisfy \[ S(r)=S(s). \]
Set \[ \theta=r(s-r). \] Since \(1\le r<s\le2\), we have \[ 0<\theta\le2<2\pi. \] Consequently, there is a point \(Y\) at distance \(r\) from \(O\) whose counterclockwise angle from \(OA\) is \(\theta\). Thus \(a(Y)=\theta>0\), and the radius of \(C(Y)\) is \[ OY+\frac{a(Y)}{OY} =r+\frac{r(s-r)}r =s. \]
The color of \(Y\) belongs to \(S(r)\), which equals \(S(s)\). Hence that color appears on the circumference of the circle with center \(O\) and radius \(s\), namely \(C(Y)\), as required. \(\square\)
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1984 · Aufgabe 3
In der Ebene seien zwei verschiedene Punkte \(O\) und \(A\) gegeben. Für jeden von \(O\) verschiedenen Punkt \(X\) der Ebene bezeichne \(a(X)\) das im Bogenmaß gemessene Maß des Winkels zwischen \(OA\) und \(OX\), von \(OA\) aus gegen den Uhrzeigersinn gemessen (\(0 \le a(X) < 2\pi\)). Sei \(C(X)\) der Kreis mit Mittelpunkt \(O\) und Radius \(OX + a(X)/OX\). Jeder Punkt der Ebene wird mit einer von endlich vielen Farben gefärbt. Man beweise, dass es einen Punkt \(Y\) mit \(a(Y) > 0\) gibt, dessen Farbe auf der Kreislinie von \(C(Y)\) vorkommt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Sei \(m\) die Anzahl der Farben. Für jede positive reelle Zahl \(t\) sei \(S(t)\) die Menge der Farben, die auf der Kreislinie des Kreises mit Mittelpunkt \(O\) und Radius \(t\) vorkommen.
Es gibt höchstens \(2^m\) mögliche Mengen \(S(t)\). Wir wählen \(2^m+1\) verschiedene Radien in \([1,2]\). Nach dem Schubfachprinzip gibt es darunter zwei Radien, etwa \(r<s\), für die gilt: \[ S(r)=S(s). \]
Wir setzen \[ \theta=r(s-r). \] Wegen \(1\le r<s\le2\) gilt \[ 0<\theta\le2<2\pi. \] Folglich gibt es einen Punkt \(Y\) im Abstand \(r\) von \(O\), dessen von \(OA\) aus gegen den Uhrzeigersinn gemessener Winkel \(\theta\) beträgt. Somit ist \(a(Y)=\theta>0\), und der Radius von \(C(Y)\) ist \[ OY+\frac{a(Y)}{OY} =r+\frac{r(s-r)}r =s. \]
Die Farbe von \(Y\) gehört zu \(S(r)\), und diese Menge ist gleich \(S(s)\). Daher kommt diese Farbe auf der Kreislinie des Kreises mit Mittelpunkt \(O\) und Radius \(s\), also auf \(C(Y)\), vor, wie behauptet. \(\square\)
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1984 · Soru 3
Düzlemde birbirinden farklı iki \(O\) ve \(A\) noktası veriliyor. Düzlemin \(O\) dışındaki her \(X\) noktası için, \(OA\)'dan saat yönünün tersine ölçülen, \(OA\) ile \(OX\) arasındaki açının radyan cinsinden ölçüsünü \(a(X)\) ile gösterelim (\(0 \le a(X) < 2\pi\)). \(C(X)\), merkezi \(O\) ve yarıçap uzunluğu \(OX + a(X)/OX\) olan çember olsun. Düzlemin her noktası, sonlu sayıda renkten biriyle boyanmıştır. \(a(Y) > 0\) koşulunu sağlayan ve rengi \(C(Y)\) çemberi üzerinde de bulunan bir \(Y\) noktasının var olduğunu kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Renk sayısı \(m\) olsun. Her pozitif \(t\) gerçel sayısı için, merkezi \(O\) ve yarıçapı \(t\) olan çember üzerinde bulunan renklerin kümesini \(S(t)\) ile gösterelim.
En fazla \(2^m\) farklı \(S(t)\) kümesi olabilir. \([1,2]\) aralığından birbirinden farklı \(2^m+1\) yarıçap seçelim. Güvercin yuvası ilkesine göre, bu yarıçaplardan \(r<s\) olan ikisi için \[ S(r)=S(s). \]
\[ \theta=r(s-r) \] olarak tanımlayalım. \(1\le r<s\le2\) olduğundan \[ 0<\theta\le2<2\pi. \] Dolayısıyla \(O\)'ya uzaklığı \(r\) olan ve \(OA\)'dan saat yönünün tersine ölçülen açısı \(\theta\) olan bir \(Y\) noktası vardır. Böylece \(a(Y)=\theta>0\) olur ve \(C(Y)\) çemberinin yarıçapı \[ OY+\frac{a(Y)}{OY} =r+\frac{r(s-r)}r =s. \]
\(Y\)'nin rengi, \(S(s)\)'ye eşit olan \(S(r)\) kümesine aittir. O hâlde bu renk, istendiği gibi, merkezi \(O\) ve yarıçapı \(s\) olan çember, yani \(C(Y)\) üzerinde bulunur. \(\square\)
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1984 · Problema 3
En el plano se dan dos puntos distintos \(O\) y \(A\). Para cada punto \(X\) del plano distinto de \(O\), denotemos por \(a(X)\) la medida en radianes del ángulo entre \(OA\) y \(OX\), medido en sentido antihorario desde \(OA\) (\(0 \le a(X) < 2\pi\)). Sea \(C(X)\) la circunferencia de centro \(O\) y radio de longitud \(OX + a(X)/OX\). Cada punto del plano está coloreado con uno de un número finito de colores. Demostrar que existe un punto \(Y\) con \(a(Y) > 0\) tal que su color aparece en la circunferencia \(C(Y)\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sea \(m\) el número de colores. Para cada número real positivo \(t\), sea \(S(t)\) el conjunto de colores que aparecen en la circunferencia de centro \(O\) y radio \(t\).
Hay a lo sumo \(2^m\) conjuntos posibles \(S(t)\). Elijamos \(2^m+1\) radios distintos en \([1,2]\). Por el principio del palomar, dos de estos radios, digamos \(r<s\), satisfacen \[ S(r)=S(s). \]
Definamos \[ \theta=r(s-r). \] Como \(1\le r<s\le2\), tenemos \[ 0<\theta\le2<2\pi. \] Por consiguiente, existe un punto \(Y\) a distancia \(r\) de \(O\) cuyo ángulo medido en sentido antihorario desde \(OA\) es \(\theta\). Así, \(a(Y)=\theta>0\), y el radio de \(C(Y)\) es \[ OY+\frac{a(Y)}{OY} =r+\frac{r(s-r)}r =s. \]
El color de \(Y\) pertenece a \(S(r)\), que es igual a \(S(s)\). Por tanto, ese color aparece en la circunferencia de centro \(O\) y radio \(s\), es decir, \(C(Y)\), como se quería demostrar. \(\square\)
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1984 · 问题 3
平面上给定两个不同的点 \(O\) 和 \(A\)。对于平面上除 \(O\) 以外的每一点 \(X\),用 \(a(X)\) 表示从 \(OA\) 逆时针转到 \(OX\) 所成角的弧度数(\(0 \le a(X) < 2\pi\))。设 \(C(X)\) 是以 \(O\) 为圆心、\(OX + a(X)/OX\) 为半径的圆。用有限种颜色中的一种给平面上的每一点染色。证明:存在一点 \(Y\),满足 \(a(Y) > 0\),且圆 \(C(Y)\) 的圆周上有与该点同色的点。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
设颜色的种数为 \(m\)。对于每个正实数 \(t\),设 \(S(t)\) 为以 \(O\) 为圆心、\(t\) 为半径的圆的圆周上出现的颜色所组成的集合。
集合 \(S(t)\) 至多有 \(2^m\) 种可能。在 \([1,2]\) 中选取 \(2^m+1\) 个不同的半径。由抽屉原理,其中有两个半径,不妨记为 \(r<s\),满足 \[ S(r)=S(s). \]
令 \[ \theta=r(s-r). \] 由于 \(1\le r<s\le2\),有 \[ 0<\theta\le2<2\pi. \] 因此,存在一点 \(Y\),它到 \(O\) 的距离为 \(r\),且从 \(OA\) 逆时针转到该点所在射线的角为 \(\theta\)。于是 \(a(Y)=\theta>0\),且 \(C(Y)\) 的半径为 \[ OY+\frac{a(Y)}{OY} =r+\frac{r(s-r)}r =s. \]
点 \(Y\) 的颜色属于 \(S(r)\),而该集合等于 \(S(s)\)。因此,这种颜色出现在以 \(O\) 为圆心、\(s\) 为半径的圆,即 \(C(Y)\) 的圆周上,即得所证。\(\square\)
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1984 · Задача 3
На плоскости даны две различные точки \(O\) и \(A\). Для каждой точки \(X\) плоскости, отличной от \(O\), обозначим через \(a(X)\) величину угла между \(OA\) и \(OX\) в радианах, отсчитываемого от \(OA\) против часовой стрелки (\(0 \le a(X) < 2\pi\)). Пусть \(C(X)\) — окружность с центром \(O\) и радиусом \(OX + a(X)/OX\). Каждая точка плоскости окрашена в один из конечного числа цветов. Докажите, что существует точка \(Y\), для которой \(a(Y) > 0\), такая, что на окружности \(C(Y)\) есть точка того же цвета, что и \(Y\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Пусть \(m\) — число цветов. Для каждого положительного действительного числа \(t\) обозначим через \(S(t)\) множество цветов, встречающихся на окружности с центром \(O\) и радиусом \(t\).
Существует не более \(2^m\) возможных множеств \(S(t)\). Выберем \(2^m+1\) различных радиусов из \([1,2]\). По принципу Дирихле для двух из этих радиусов, скажем \(r<s\), выполняется \[ S(r)=S(s). \]
Положим \[ \theta=r(s-r). \] Поскольку \(1\le r<s\le2\), имеем \[ 0<\theta\le2<2\pi. \] Следовательно, существует точка \(Y\) на расстоянии \(r\) от \(O\), для которой угол, отсчитываемый от \(OA\) против часовой стрелки, равен \(\theta\). Таким образом, \(a(Y)=\theta>0\), а радиус \(C(Y)\) равен \[ OY+\frac{a(Y)}{OY} =r+\frac{r(s-r)}r =s. \]
Цвет точки \(Y\) принадлежит \(S(r)\), которое равно \(S(s)\). Значит, этот цвет встречается на окружности с центром \(O\) и радиусом \(s\), то есть на \(C(Y)\), что и требовалось доказать. \(\square\)
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1984 · المسألة 3
لتكن \(O\) و\(A\) نقطتين مختلفتين معطاتين في المستوى. لكل نقطة \(X\) في المستوى غير \(O\)، نرمز بـ\(a(X)\) إلى قياس الزاوية بين \(OA\) و\(OX\) بالراديان، مقيسة عكس اتجاه عقارب الساعة ابتداءً من \(OA\) (\(0 \le a(X) < 2\pi\)). ولتكن \(C(X)\) الدائرة التي مركزها \(O\) وطول نصف قطرها \(OX + a(X)/OX\). تُلوَّن كل نقطة من المستوى بلون من بين عدد منتهٍ من الألوان. أثبت وجود نقطة \(Y\) تحقق \(a(Y) > 0\) بحيث يظهر لونها على محيط الدائرة \(C(Y)\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
ليكن \(m\) عدد الألوان. لكل عدد حقيقي موجب \(t\)، لتكن \(S(t)\) مجموعة الألوان التي تظهر على محيط الدائرة التي مركزها \(O\) ونصف قطرها \(t\).
عدد المجموعات الممكنة \(S(t)\) لا يتجاوز \(2^m\). نختار \(2^m+1\) طولًا مختلفًا لأنصاف الأقطار في \([1,2]\). وفقًا لمبدأ الحمام، يوجد من بينها طولان، وليكونا \(r<s\)، يحققان \[ S(r)=S(s). \]
نضع \[ \theta=r(s-r). \] بما أن \(1\le r<s\le2\)، فإن \[ 0<\theta\le2<2\pi. \] وبالتالي، توجد نقطة \(Y\) تبعد مسافة \(r\) عن \(O\)، وزاويتها المقيسة عكس اتجاه عقارب الساعة ابتداءً من \(OA\) هي \(\theta\). إذن \(a(Y)=\theta>0\)، ونصف قطر \(C(Y)\) هو \[ OY+\frac{a(Y)}{OY} =r+\frac{r(s-r)}r =s. \]
ينتمي لون \(Y\) إلى \(S(r)\)، التي تساوي \(S(s)\). ومن ثم يظهر هذا اللون على محيط الدائرة التي مركزها \(O\) ونصف قطرها \(s\)، أي \(C(Y)\)، وهو المطلوب. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).