IMO 1984 · Problem 5
Let \(d\) be the sum of the lengths of all the diagonals of a plane convex polygon with \(n\) vertices (\(n>3\)), and let \(p\) be its perimeter. Prove that \[ n-3<\frac{2d}{p}<\left[\frac n2\right]\left[\frac{n+1}{2}\right]-2, \] where \([x]\) denotes the greatest integer not exceeding \(x\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let the vertices, in boundary order, be \(A_1,\ldots,A_n\), with indices interpreted modulo \(n\). Write \(e_i=|A_iA_{i+1}|\), so that \(\sum_i e_i=p\). The argument also allows collinear consecutive vertices, provided the polygon has positive area.
For the lower bound, consider any two nonadjacent sides \(A_iA_{i+1}\) and \(A_jA_{j+1}\). By convexity, the segments \(A_iA_j\) and \(A_{i+1}A_{j+1}\), which join alternating vertices, intersect at a point \(X\). The triangle inequality gives \[ \begin{aligned} e_i+e_j &\le |A_iX|+|XA_{i+1}|+|A_jX|+|XA_{j+1}|\\ &=|A_iA_j|+|A_{i+1}A_{j+1}|. \end{aligned} \] Equality would require \(X\) to lie on both sides \(A_iA_{i+1}\) and \(A_jA_{j+1}\). These nonadjacent sides are disjoint, so in fact \[ e_i+e_j<|A_iA_j|+|A_{i+1}A_{j+1}|. \]
Sum over all unordered pairs of nonadjacent sides. Each side is paired with exactly \(n-3\) others, so the left-hand sum is \((n-3)p\). The terms \(|A_iA_j|\) run through every diagonal once. Shifting both indices by one permutes the diagonals, so the terms \(|A_{i+1}A_{j+1}|\) also sum to \(d\). Hence \[ (n-3)p<2d. \]
For the upper bound, define \[ T_k=\sum_{i=1}^{n}|A_iA_{i+k}|, \qquad 1\le k\le n-1. \] Following the boundary from \(A_i\) to \(A_{i+k}\) and applying the triangle inequality yields \[ |A_iA_{i+k}|\le e_i+e_{i+1}+\cdots+e_{i+k-1}. \] On summing over \(i\), each side occurs \(k\) times, giving \(T_k\le kp\). Also \(T_k=T_{n-k}\), so \[ T_k\le \min(k,n-k)\,p. \]
At least one triple of consecutive vertices is noncollinear: otherwise, since consecutive vertices are distinct, all vertices would lie on one line. Thus at least one triangle inequality contributing to \(T_2\le2p\) is strict. Since \(n\ge4\), we therefore have \[ T_2<2p=\min(2,n-2)\,p. \]
Every unordered pair of distinct vertices is counted twice in \(\sum_{k=1}^{n-1}T_k\). Consequently, \[ 2(p+d) =\sum_{k=1}^{n-1}T_k <p\sum_{k=1}^{n-1}\min(k,n-k). \] If \(n=2m\), the last sum is \[ 2(1+\cdots+(m-1))+m=m^2; \] if \(n=2m+1\), it is \[ 2(1+\cdots+m)=m(m+1). \] In either case it equals \[ \left[\frac n2\right]\left[\frac{n+1}{2}\right]. \] Subtracting \(2p\) and dividing by \(p>0\), then combining with the lower bound, proves \[ \boxed{\displaystyle n-3<\frac{2d}{p} <\left[\frac n2\right]\left[\frac{n+1}{2}\right]-2}. \]
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1984 · Aufgabe 5
Sei \(d\) die Summe der Längen aller Diagonalen eines ebenen konvexen Vielecks mit \(n\) Eckpunkten (\(n>3\)), und sei \(p\) sein Umfang. Man beweise, dass \[ n-3<\frac{2d}{p}<\left[\frac n2\right]\left[\frac{n+1}{2}\right]-2, \] wobei \([x]\) die größte ganze Zahl bezeichnet, die nicht größer als \(x\) ist.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Die Eckpunkte seien in ihrer Reihenfolge entlang des Randes mit \(A_1,\ldots,A_n\) bezeichnet, wobei die Indizes modulo \(n\) zu verstehen sind. Wir setzen \(e_i=|A_iA_{i+1}|\), sodass \(\sum_i e_i=p\) gilt. Der Beweis lässt auch kollineare aufeinanderfolgende Eckpunkte zu, sofern das Vieleck einen positiven Flächeninhalt hat.
Für die untere Schranke betrachten wir zwei beliebige nicht benachbarte Seiten \(A_iA_{i+1}\) und \(A_jA_{j+1}\). Wegen der Konvexität schneiden sich die Strecken \(A_iA_j\) und \(A_{i+1}A_{j+1}\), die abwechselnd angeordnete Eckpunkte verbinden, in einem Punkt \(X\). Die Dreiecksungleichung ergibt \[ \begin{aligned} e_i+e_j &\le |A_iX|+|XA_{i+1}|+|A_jX|+|XA_{j+1}|\\ &=|A_iA_j|+|A_{i+1}A_{j+1}|. \end{aligned} \] Gleichheit würde voraussetzen, dass \(X\) auf beiden Seiten \(A_iA_{i+1}\) und \(A_jA_{j+1}\) liegt. Diese nicht benachbarten Seiten sind disjunkt, also gilt sogar \[ e_i+e_j<|A_iA_j|+|A_{i+1}A_{j+1}|. \]
Wir summieren über alle ungeordneten Paare nicht benachbarter Seiten. Jede Seite wird mit genau \(n-3\) anderen gepaart, sodass die Summe auf der linken Seite \((n-3)p\) ist. Die Terme \(|A_iA_j|\) durchlaufen jede Diagonale genau einmal. Das Verschieben beider Indizes um eins permutiert die Diagonalen, sodass sich auch die Terme \(|A_{i+1}A_{j+1}|\) zu \(d\) summieren. Daher gilt \[ (n-3)p<2d. \]
Für die obere Schranke definieren wir \[ T_k=\sum_{i=1}^{n}|A_iA_{i+k}|, \qquad 1\le k\le n-1. \] Folgt man dem Rand von \(A_i\) nach \(A_{i+k}\) und wendet die Dreiecksungleichung an, so erhält man \[ |A_iA_{i+k}|\le e_i+e_{i+1}+\cdots+e_{i+k-1}. \] Bei der Summation über \(i\) kommt jede Seite \(k\)-mal vor, woraus \(T_k\le kp\) folgt. Außerdem gilt \(T_k=T_{n-k}\), also \[ T_k\le \min(k,n-k)\,p. \]
Mindestens ein Tripel aufeinanderfolgender Eckpunkte ist nicht kollinear: Andernfalls würden alle Eckpunkte auf einer Geraden liegen, da aufeinanderfolgende Eckpunkte verschieden sind. Somit ist mindestens eine der Dreiecksungleichungen, die zu \(T_2\le2p\) beitragen, strikt. Wegen \(n\ge4\) gilt daher \[ T_2<2p=\min(2,n-2)\,p. \]
Jedes ungeordnete Paar verschiedener Eckpunkte wird in \(\sum_{k=1}^{n-1}T_k\) zweimal gezählt. Folglich gilt \[ 2(p+d) =\sum_{k=1}^{n-1}T_k <p\sum_{k=1}^{n-1}\min(k,n-k). \] Ist \(n=2m\), so ist die letzte Summe \[ 2(1+\cdots+(m-1))+m=m^2; \] ist \(n=2m+1\), so ist sie \[ 2(1+\cdots+m)=m(m+1). \] In beiden Fällen ist sie gleich \[ \left[\frac n2\right]\left[\frac{n+1}{2}\right]. \] Subtrahiert man \(2p\), dividiert durch \(p>0\) und kombiniert das Ergebnis mit der unteren Schranke, so erhält man \[ \boxed{\displaystyle n-3<\frac{2d}{p} <\left[\frac n2\right]\left[\frac{n+1}{2}\right]-2}. \]
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1984 · Soru 5
Düzlemde \(n\) köşeli (\(n>3\)) dışbükey bir çokgenin bütün köşegenlerinin uzunlukları toplamı \(d\), çevresi ise \(p\) olsun. \[ n-3<\frac{2d}{p}<\left[\frac n2\right]\left[\frac{n+1}{2}\right]-2, \] olduğunu kanıtlayınız; burada \([x]\), \(x\)'i aşmayan en büyük tam sayıyı göstermektedir.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Çokgenin sınırı boyunca sıralanan köşeleri \(A_1,\ldots,A_n\) olsun ve indisler mod \(n\) alınsın. \(e_i=|A_iA_{i+1}|\) yazalım; böylece \(\sum_i e_i=p\) olur. Çokgenin alanı pozitif olmak koşuluyla, kanıt ardışık köşelerin doğrusal olmasına da izin verir.
Alt sınır için, komşu olmayan herhangi iki \(A_iA_{i+1}\) ve \(A_jA_{j+1}\) kenarını ele alalım. Dışbükeylikten dolayı, dönüşümlü köşeleri birleştiren \(A_iA_j\) ve \(A_{i+1}A_{j+1}\) doğru parçaları bir \(X\) noktasında kesişir. Üçgen eşitsizliğinden \[ \begin{aligned} e_i+e_j &\le |A_iX|+|XA_{i+1}|+|A_jX|+|XA_{j+1}|\\ &=|A_iA_j|+|A_{i+1}A_{j+1}| \end{aligned} \] elde edilir. Eşitlik için \(X\)'in hem \(A_iA_{i+1}\) hem de \(A_jA_{j+1}\) kenarı üzerinde bulunması gerekirdi. Komşu olmayan bu kenarlar ayrık olduğundan, aslında \[ e_i+e_j<|A_iA_j|+|A_{i+1}A_{j+1}|. \]
Komşu olmayan kenarların tüm sırasız çiftleri üzerinden toplam alalım. Her kenar tam olarak \(n-3\) başka kenarla eşleştirildiğinden, sol taraftaki toplam \((n-3)p\)'dir. \(|A_iA_j|\) terimleri her köşegeni bir kez içerir. Her iki indisin de bir artırılması köşegenleri permüte ettiğinden, \(|A_{i+1}A_{j+1}|\) terimlerinin toplamı da \(d\)'dir. Böylece \[ (n-3)p<2d. \]
Üst sınır için, \[ T_k=\sum_{i=1}^{n}|A_iA_{i+k}|, \qquad 1\le k\le n-1 \] olarak tanımlayalım. Çokgenin sınırı boyunca \(A_i\)'den \(A_{i+k}\)'ye gidip üçgen eşitsizliğini uygulayarak \[ |A_iA_{i+k}|\le e_i+e_{i+1}+\cdots+e_{i+k-1} \] elde ederiz. \(i\) üzerinden toplam alındığında her kenar \(k\) kez yer alır ve \(T_k\le kp\) elde edilir. Ayrıca \(T_k=T_{n-k}\) olduğundan \[ T_k\le \min(k,n-k)\,p. \]
Ardışık köşelerden oluşan en az bir üçlü doğrusal değildir: Aksi hâlde, ardışık köşeler birbirinden farklı olduğundan, bütün köşeler bir doğru üzerinde bulunurdu. Dolayısıyla \(T_2\le2p\) eşitsizliğini elde ederken kullanılan üçgen eşitsizliklerinden en az biri kesindir. \(n\ge4\) olduğundan, buradan \[ T_2<2p=\min(2,n-2)\,p. \]
Farklı köşelerin her sırasız çifti, \(\sum_{k=1}^{n-1}T_k\) toplamında iki kez sayılır. Dolayısıyla \[ 2(p+d) =\sum_{k=1}^{n-1}T_k <p\sum_{k=1}^{n-1}\min(k,n-k). \] \(n=2m\) ise son toplam \[ 2(1+\cdots+(m-1))+m=m^2; \] \(n=2m+1\) ise \[ 2(1+\cdots+m)=m(m+1) \] olur. Her iki durumda da bu toplam \[ \left[\frac n2\right]\left[\frac{n+1}{2}\right] \] ifadesine eşittir. \(2p\) çıkarıp \(p>0\)'a böldükten sonra alt sınırla birleştirerek \[ \boxed{\displaystyle n-3<\frac{2d}{p} <\left[\frac n2\right]\left[\frac{n+1}{2}\right]-2} \] eşitsizliğini kanıtlamış oluruz.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1984 · Problema 5
Sea \(d\) la suma de las longitudes de todas las diagonales de un polígono convexo plano con \(n\) vértices (\(n>3\)), y sea \(p\) su perímetro. Demostrar que \[ n-3<\frac{2d}{p}<\left[\frac n2\right]\left[\frac{n+1}{2}\right]-2, \] donde \([x]\) denota el mayor entero que no excede de \(x\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sean \(A_1,\ldots,A_n\) los vértices en el orden en que aparecen en el contorno, con los índices interpretados módulo \(n\). Escribamos \(e_i=|A_iA_{i+1}|\), de modo que \(\sum_i e_i=p\). El argumento también permite vértices consecutivos colineales, siempre que el polígono tenga área positiva.
Para la cota inferior, consideremos dos lados no adyacentes cualesquiera \(A_iA_{i+1}\) y \(A_jA_{j+1}\). Por convexidad, los segmentos \(A_iA_j\) y \(A_{i+1}A_{j+1}\), que unen vértices alternados, se cortan en un punto \(X\). La desigualdad triangular da \[ \begin{aligned} e_i+e_j &\le |A_iX|+|XA_{i+1}|+|A_jX|+|XA_{j+1}|\\ &=|A_iA_j|+|A_{i+1}A_{j+1}|. \end{aligned} \] La igualdad exigiría que \(X\) perteneciera a ambos lados \(A_iA_{i+1}\) y \(A_jA_{j+1}\). Estos lados no adyacentes son disjuntos, por lo que, de hecho, \[ e_i+e_j<|A_iA_j|+|A_{i+1}A_{j+1}|. \]
Sumemos sobre todos los pares no ordenados de lados no adyacentes. Cada lado se empareja con exactamente otros \(n-3\), por lo que la suma del miembro izquierdo es \((n-3)p\). Los términos \(|A_iA_j|\) recorren todas las diagonales una vez. Aumentar ambos índices en uno permuta las diagonales, de modo que los términos \(|A_{i+1}A_{j+1}|\) también suman \(d\). Por tanto, \[ (n-3)p<2d. \]
Para la cota superior, definamos \[ T_k=\sum_{i=1}^{n}|A_iA_{i+k}|, \qquad 1\le k\le n-1. \] Al recorrer el contorno desde \(A_i\) hasta \(A_{i+k}\) y aplicar la desigualdad triangular, obtenemos \[ |A_iA_{i+k}|\le e_i+e_{i+1}+\cdots+e_{i+k-1}. \] Al sumar sobre \(i\), cada lado aparece \(k\) veces, lo que da \(T_k\le kp\). Además, \(T_k=T_{n-k}\), por lo que \[ T_k\le \min(k,n-k)\,p. \]
Hay al menos una terna de vértices consecutivos no colineales: en caso contrario, como los vértices consecutivos son distintos, todos los vértices estarían en una misma recta. Así, al menos una de las desigualdades triangulares que contribuyen a \(T_2\le2p\) es estricta. Como \(n\ge4\), tenemos, por tanto, \[ T_2<2p=\min(2,n-2)\,p. \]
Cada par no ordenado de vértices distintos se cuenta dos veces en \(\sum_{k=1}^{n-1}T_k\). Por consiguiente, \[ 2(p+d) =\sum_{k=1}^{n-1}T_k <p\sum_{k=1}^{n-1}\min(k,n-k). \] Si \(n=2m\), la última suma es \[ 2(1+\cdots+(m-1))+m=m^2; \] si \(n=2m+1\), es \[ 2(1+\cdots+m)=m(m+1). \] En ambos casos es igual a \[ \left[\frac n2\right]\left[\frac{n+1}{2}\right]. \] Al restar \(2p\) y dividir por \(p>0\), y luego combinar con la cota inferior, queda demostrado que \[ \boxed{\displaystyle n-3<\frac{2d}{p} <\left[\frac n2\right]\left[\frac{n+1}{2}\right]-2}. \]
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1984 · 问题 5
设 \(d\) 为一个有 \(n\) 个顶点(\(n>3\))的平面凸多边形的所有对角线长度之和,\(p\) 为其周长。证明 \[ n-3<\frac{2d}{p}<\left[\frac n2\right]\left[\frac{n+1}{2}\right]-2, \] 其中 \([x]\) 表示不超过 \(x\) 的最大整数。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
设顶点按沿边界的顺序依次为 \(A_1,\ldots,A_n\),下标按模 \(n\) 理解。记 \(e_i=|A_iA_{i+1}|\),则 \(\sum_i e_i=p\)。只要多边形的面积为正,以下论证也允许相邻的顶点共线。
对于下界,考虑任意两条不相邻的边 \(A_iA_{i+1}\) 和 \(A_jA_{j+1}\)。由凸性,连接交错顶点的线段 \(A_iA_j\) 和 \(A_{i+1}A_{j+1}\) 相交于一点 \(X\)。由三角不等式,得 \[ \begin{aligned} e_i+e_j &\le |A_iX|+|XA_{i+1}|+|A_jX|+|XA_{j+1}|\\ &=|A_iA_j|+|A_{i+1}A_{j+1}|. \end{aligned} \] 等号成立要求 \(X\) 同时位于边 \(A_iA_{i+1}\) 和 \(A_jA_{j+1}\) 上。这两条不相邻的边没有公共点,所以实际上 \[ e_i+e_j<|A_iA_j|+|A_{i+1}A_{j+1}|. \]
对所有不相邻边的无序对求和。每条边恰好与其他 \(n-3\) 条边配对,所以左端的和为 \((n-3)p\)。各项 \(|A_iA_j|\) 恰好将每条对角线计入一次。将两个下标同时增加一,只会使对角线重新排列,因此各项 \(|A_{i+1}A_{j+1}|\) 的和也为 \(d\)。故 \[ (n-3)p<2d. \]
对于上界,定义 \[ T_k=\sum_{i=1}^{n}|A_iA_{i+k}|, \qquad 1\le k\le n-1. \] 沿边界从 \(A_i\) 到 \(A_{i+k}\),并应用三角不等式,得 \[ |A_iA_{i+k}|\le e_i+e_{i+1}+\cdots+e_{i+k-1}. \] 对 \(i\) 求和时,每条边出现 \(k\) 次,因此 \(T_k\le kp\)。又有 \(T_k=T_{n-k}\),故 \[ T_k\le \min(k,n-k)\,p. \]
至少有一组三个连续顶点不共线:否则,由于相邻顶点互不相同,所有顶点都会位于同一直线上。因此,在用于得到 \(T_2\le2p\) 的三角不等式中,至少有一个为严格不等式。由于 \(n\ge4\),因此有 \[ T_2<2p=\min(2,n-2)\,p. \]
在 \(\sum_{k=1}^{n-1}T_k\) 中,每一对不同顶点组成的无序对都被计入两次。因此, \[ 2(p+d) =\sum_{k=1}^{n-1}T_k <p\sum_{k=1}^{n-1}\min(k,n-k). \] 若 \(n=2m\),则最后的和为 \[ 2(1+\cdots+(m-1))+m=m^2; \] 若 \(n=2m+1\),则该和为 \[ 2(1+\cdots+m)=m(m+1). \] 在这两种情形下,它都等于 \[ \left[\frac n2\right]\left[\frac{n+1}{2}\right]. \] 减去 \(2p\) 并除以 \(p>0\),再结合下界,即得 \[ \boxed{\displaystyle n-3<\frac{2d}{p} <\left[\frac n2\right]\left[\frac{n+1}{2}\right]-2}. \]
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1984 · Задача 5
Пусть \(d\) — сумма длин всех диагоналей плоского выпуклого многоугольника с \(n\) вершинами (\(n>3\)), а \(p\) — его периметр. Докажите, что \[ n-3<\frac{2d}{p}<\left[\frac n2\right]\left[\frac{n+1}{2}\right]-2, \] где \([x]\) обозначает наибольшее целое число, не превосходящее \(x\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Обозначим вершины в порядке обхода границы через \(A_1,\ldots,A_n\), считая индексы по модулю \(n\). Положим \(e_i=|A_iA_{i+1}|\), так что \(\sum_i e_i=p\). Рассуждение допускает также последовательные вершины, лежащие на одной прямой, при условии, что площадь многоугольника положительна.
Для получения нижней оценки рассмотрим любые две несмежные стороны \(A_iA_{i+1}\) и \(A_jA_{j+1}\). В силу выпуклости отрезки \(A_iA_j\) и \(A_{i+1}A_{j+1}\), соединяющие чередующиеся вершины, пересекаются в некоторой точке \(X\). По неравенству треугольника \[ \begin{aligned} e_i+e_j &\le |A_iX|+|XA_{i+1}|+|A_jX|+|XA_{j+1}|\\ &=|A_iA_j|+|A_{i+1}A_{j+1}|. \end{aligned} \] Для равенства необходимо, чтобы \(X\) лежала на обеих сторонах \(A_iA_{i+1}\) и \(A_jA_{j+1}\). Эти несмежные стороны не пересекаются, поэтому на самом деле \[ e_i+e_j<|A_iA_j|+|A_{i+1}A_{j+1}|. \]
Просуммируем по всем неупорядоченным парам несмежных сторон. Каждая сторона образует пару ровно с \(n-3\) другими сторонами, поэтому сумма в левой части равна \((n-3)p\). Среди слагаемых \(|A_iA_j|\) каждая диагональ встречается ровно один раз. Сдвиг обоих индексов на единицу переставляет диагонали, поэтому сумма слагаемых \(|A_{i+1}A_{j+1}|\) также равна \(d\). Следовательно, \[ (n-3)p<2d. \]
Для получения верхней оценки положим \[ T_k=\sum_{i=1}^{n}|A_iA_{i+k}|, \qquad 1\le k\le n-1. \] Двигаясь по границе от \(A_i\) до \(A_{i+k}\) и применяя неравенство треугольника, получаем \[ |A_iA_{i+k}|\le e_i+e_{i+1}+\cdots+e_{i+k-1}. \] При суммировании по \(i\) каждая сторона встречается \(k\) раз, что даёт \(T_k\le kp\). Кроме того, \(T_k=T_{n-k}\), поэтому \[ T_k\le \min(k,n-k)\,p. \]
Найдётся хотя бы одна тройка последовательных вершин, не лежащих на одной прямой: иначе, поскольку последовательные вершины различны, все вершины лежали бы на одной прямой. Таким образом, хотя бы одно из неравенств треугольника, из которых складывается \(T_2\le2p\), строгое. Поскольку \(n\ge4\), получаем \[ T_2<2p=\min(2,n-2)\,p. \]
Каждая неупорядоченная пара различных вершин учитывается дважды в \(\sum_{k=1}^{n-1}T_k\). Следовательно, \[ 2(p+d) =\sum_{k=1}^{n-1}T_k <p\sum_{k=1}^{n-1}\min(k,n-k). \] Если \(n=2m\), последняя сумма равна \[ 2(1+\cdots+(m-1))+m=m^2; \] если \(n=2m+1\), она равна \[ 2(1+\cdots+m)=m(m+1). \] В обоих случаях она равна \[ \left[\frac n2\right]\left[\frac{n+1}{2}\right]. \] Вычитая \(2p\), деля на \(p>0\) и затем объединяя результат с нижней оценкой, получаем \[ \boxed{\displaystyle n-3<\frac{2d}{p} <\left[\frac n2\right]\left[\frac{n+1}{2}\right]-2}. \]
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1984 · المسألة 5
ليكن \(d\) مجموع أطوال جميع أقطار مضلع محدب في المستوى ذي \(n\) رأسًا (\(n>3\))، وليكن \(p\) محيطه. أثبت أن \[ n-3<\frac{2d}{p}<\left[\frac n2\right]\left[\frac{n+1}{2}\right]-2, \] حيث يرمز \([x]\) إلى أكبر عدد صحيح لا يتجاوز \(x\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لتكن الرؤوس، حسب ترتيبها على حدود المضلع، \(A_1,\ldots,A_n\)، مع اعتبار المؤشرات بترديد \(n\). نكتب \(e_i=|A_iA_{i+1}|\)، فيكون \(\sum_i e_i=p\). ويسمح البرهان أيضًا بوقوع رؤوس متتالية على استقامة واحدة، بشرط أن تكون مساحة المضلع موجبة.
لإثبات الحد الأدنى، نأخذ أي ضلعين غير متجاورين \(A_iA_{i+1}\) و\(A_jA_{j+1}\). بفضل التحدب، تتقاطع القطعتان \(A_iA_j\) و\(A_{i+1}A_{j+1}\)، اللتان تصلان بين رؤوس متناوبة، في نقطة \(X\). وتعطي متباينة المثلث \[ \begin{aligned} e_i+e_j &\le |A_iX|+|XA_{i+1}|+|A_jX|+|XA_{j+1}|\\ &=|A_iA_j|+|A_{i+1}A_{j+1}|. \end{aligned} \] يتطلب تحقق المساواة أن تقع \(X\) على كلا الضلعين \(A_iA_{i+1}\) و\(A_jA_{j+1}\). وهذان الضلعان غير المتجاورين لا يشتركان في أي نقطة، لذا فإن \[ e_i+e_j<|A_iA_j|+|A_{i+1}A_{j+1}|. \]
نجمع على جميع الأزواج غير المرتبة من الأضلاع غير المتجاورة. يقترن كل ضلع بـ\(n-3\) ضلعًا آخر بالضبط، لذا فإن مجموع الطرف الأيسر هو \((n-3)p\). وتشمل الحدود \(|A_iA_j|\) كل قطر مرة واحدة. وزيادة كلا المؤشرين بمقدار واحد تبدّل ترتيب الأقطار، لذا فإن مجموع الحدود \(|A_{i+1}A_{j+1}|\) يساوي أيضًا \(d\). ومن ثم \[ (n-3)p<2d. \]
لإثبات الحد الأعلى، نعرّف \[ T_k=\sum_{i=1}^{n}|A_iA_{i+k}|, \qquad 1\le k\le n-1. \] باتباع حدود المضلع من \(A_i\) إلى \(A_{i+k}\) وتطبيق متباينة المثلث، نحصل على \[ |A_iA_{i+k}|\le e_i+e_{i+1}+\cdots+e_{i+k-1}. \] عند الجمع على \(i\)، يظهر كل ضلع \(k\) مرات، فنحصل على \(T_k\le kp\). كذلك \(T_k=T_{n-k}\)، لذا \[ T_k\le \min(k,n-k)\,p. \]
توجد ثلاثة رؤوس متتالية على الأقل ليست على استقامة واحدة؛ وإلا، بما أن الرؤوس المتتالية مختلفة، لوقعت جميع الرؤوس على مستقيم واحد. لذا فإن واحدة على الأقل من متباينات المثلث التي تسهم في \(T_2\le2p\) تكون صارمة. وبما أن \(n\ge4\)، فإننا نحصل بالتالي على \[ T_2<2p=\min(2,n-2)\,p. \]
يُحسب كل زوج غير مرتب من رأسين مختلفين مرتين في \(\sum_{k=1}^{n-1}T_k\). وبالتالي، \[ 2(p+d) =\sum_{k=1}^{n-1}T_k <p\sum_{k=1}^{n-1}\min(k,n-k). \] إذا كان \(n=2m\)، فإن المجموع الأخير هو \[ 2(1+\cdots+(m-1))+m=m^2; \] وإذا كان \(n=2m+1\)، فهو \[ 2(1+\cdots+m)=m(m+1). \] وفي كلتا الحالتين يساوي \[ \left[\frac n2\right]\left[\frac{n+1}{2}\right]. \] بطرح \(2p\) والقسمة على \(p>0\)، ثم الجمع بين النتيجة والحد الأدنى، نثبت أن \[ \boxed{\displaystyle n-3<\frac{2d}{p} <\left[\frac n2\right]\left[\frac{n+1}{2}\right]-2}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).