IMO 1985 · Problem 1
A circle has center on the side \(AB\) of the cyclic quadrilateral \(ABCD\). The other three sides are tangent to the circle. Prove that \(AD+BC=AB\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let \(O\) and \(r>0\) be the center and radius of the circle, and let \(P,Q,T\) be its points of tangency with \(AD,BC,CD\), respectively. Write \[ \alpha=\angle DAB,\qquad \beta=\angle ABC. \]
The point \(O\) lies strictly between \(A\) and \(B\): if it equaled either endpoint, one of the tangent sides would pass through the circle’s center. Since \(OP\perp AD\) and \(OQ\perp BC\), perpendicular projection gives \[ AP=AO\cos\alpha,\qquad r=AO\sin\alpha, \] \[ BQ=BO\cos\beta,\qquad r=BO\sin\beta. \] These formulas remain valid if \(P=A\) or \(Q=B\).
Because the quadrilateral is convex, \(O\) lies inside the angles at \(C\) and \(D\). The right triangles \(OCQ\) and \(OCT\) have a common hypotenuse and equal legs \(OQ=OT=r\), so they are congruent. Thus \(OC\) bisects \(\angle BCD\). Likewise, \(OD\) bisects \(\angle CDA\).
Opposite angles of a cyclic quadrilateral are supplementary. Consequently, \[ \angle OCQ=\frac{\pi-\alpha}{2}, \qquad \angle ODP=\frac{\pi-\beta}{2}. \] The corresponding right triangles therefore give \[ CQ=r\cot\frac{\pi-\alpha}{2}=r\tan\frac{\alpha}{2}, \qquad DP=r\tan\frac{\beta}{2}. \] Neither triangle is degenerate: tangency at \(C\) or \(D\) would make two distinct sides tangent to the circle at the same point, which is impossible.
Using \(\sin\theta\tan(\theta/2)=1-\cos\theta\), we obtain \[ AP+CQ =AO\cos\alpha+AO\sin\alpha\tan\frac{\alpha}{2} =AO. \] Similarly, \[ BQ+DP=BO. \] Since the tangency points lie on their respective sides, \[ AD+BC =(AP+DP)+(BQ+CQ) =AO+BO =AB. \] This includes tangency at \(A\) or \(B\), where the corresponding projection length is zero. \(\square\)
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1985 · Aufgabe 1
Ein Kreis hat seinen Mittelpunkt auf der Seite \(AB\) des Sehnenvierecks \(ABCD\). Die anderen drei Seiten berühren den Kreis. Beweise, dass \(AD+BC=AB\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Es seien \(O\) und \(r>0\) der Mittelpunkt und der Radius des Kreises und \(P,Q,T\) seine Berührpunkte mit \(AD,BC,CD\) in dieser Reihenfolge. Wir setzen \[ \alpha=\angle DAB,\qquad \beta=\angle ABC. \]
Der Punkt \(O\) liegt im Inneren der Strecke \(AB\): Würde er mit einem ihrer Endpunkte zusammenfallen, so verliefe eine der tangentialen Seiten durch den Kreismittelpunkt. Wegen \(OP\perp AD\) und \(OQ\perp BC\) liefert die orthogonale Projektion \[ AP=AO\cos\alpha,\qquad r=AO\sin\alpha, \] \[ BQ=BO\cos\beta,\qquad r=BO\sin\beta. \] Diese Formeln gelten auch, wenn \(P=A\) oder \(Q=B\) ist.
Da das Viereck konvex ist, liegt \(O\) im Inneren der Winkel bei \(C\) und \(D\). Die rechtwinkligen Dreiecke \(OCQ\) und \(OCT\) haben eine gemeinsame Hypotenuse und gleich lange Katheten \(OQ=OT=r\), sind also kongruent. Somit halbiert \(OC\) den Winkel \(\angle BCD\). Ebenso halbiert \(OD\) den Winkel \(\angle CDA\).
Gegenüberliegende Winkel eines Sehnenvierecks ergänzen sich zu einem gestreckten Winkel. Folglich gilt \[ \angle OCQ=\frac{\pi-\alpha}{2}, \qquad \angle ODP=\frac{\pi-\beta}{2}. \] Die entsprechenden rechtwinkligen Dreiecke liefern daher \[ CQ=r\cot\frac{\pi-\alpha}{2}=r\tan\frac{\alpha}{2}, \qquad DP=r\tan\frac{\beta}{2}. \] Keines der beiden Dreiecke ist entartet: Bei einer Berührung in \(C\) oder \(D\) würden zwei verschiedene Seiten den Kreis im selben Punkt berühren, was unmöglich ist.
Mit \(\sin\theta\tan(\theta/2)=1-\cos\theta\) erhalten wir \[ AP+CQ =AO\cos\alpha+AO\sin\alpha\tan\frac{\alpha}{2} =AO. \] Ebenso gilt \[ BQ+DP=BO. \] Da die Berührpunkte auf den jeweiligen Seiten liegen, gilt \[ AD+BC =(AP+DP)+(BQ+CQ) =AO+BO =AB. \] Dies schließt eine Berührung in \(A\) oder \(B\) ein, bei der die entsprechende Projektionslänge null ist. \(\square\)
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1985 · Soru 1
Bir çemberin merkezi, çembersel \(ABCD\) dörtgeninin \(AB\) kenarı üzerindedir. Diğer üç kenar bu çembere teğettir. \(AD+BC=AB\) olduğunu kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Çemberin merkezi \(O\), yarıçapı \(r>0\) ve sırasıyla \(AD,BC,CD\) kenarlarına değme noktaları \(P,Q,T\) olsun. \[ \alpha=\angle DAB,\qquad \beta=\angle ABC \] olarak yazalım.
\(O\) noktası, \(A\) ile \(B\) arasında, uç noktalardan farklı bir noktadır: uç noktalardan biriyle çakışsaydı, teğet olan kenarlardan biri çemberin merkezinden geçerdi. \(OP\perp AD\) ve \(OQ\perp BC\) olduğundan, dik izdüşüm alarak \[ AP=AO\cos\alpha,\qquad r=AO\sin\alpha, \] \[ BQ=BO\cos\beta,\qquad r=BO\sin\beta \] elde ederiz. Bu formüller \(P=A\) veya \(Q=B\) olduğunda da geçerlidir.
Dörtgen dışbükey olduğundan, \(O\) noktası \(C\) ve \(D\) köşelerindeki açıların iç bölgesinde yer alır. \(OCQ\) ve \(OCT\) dik üçgenlerinin hipotenüsleri ortak ve \(OQ=OT=r\) dik kenarları eşit olduğundan, bu üçgenler eştir. Dolayısıyla \(OC\), \(\angle BCD\) açısının açıortayıdır. Benzer biçimde \(OD\), \(\angle CDA\) açısının açıortayıdır.
Çembersel bir dörtgenin karşılıklı açıları bütünlerdir. Dolayısıyla, \[ \angle OCQ=\frac{\pi-\alpha}{2}, \qquad \angle ODP=\frac{\pi-\beta}{2}. \] Böylece ilgili dik üçgenlerden \[ CQ=r\cot\frac{\pi-\alpha}{2}=r\tan\frac{\alpha}{2}, \qquad DP=r\tan\frac{\beta}{2} \] elde edilir. Bu üçgenlerin hiçbiri dejenere değildir: \(C\) veya \(D\) noktasında teğetlik olması, iki farklı kenarın çembere aynı noktada teğet olmasını gerektirirdi; bu ise olanaksızdır.
\(\sin\theta\tan(\theta/2)=1-\cos\theta\) eşitliğini kullanarak \[ AP+CQ =AO\cos\alpha+AO\sin\alpha\tan\frac{\alpha}{2} =AO \] elde ederiz. Benzer biçimde, \[ BQ+DP=BO. \] Değme noktaları ilgili kenarların üzerinde bulunduğundan, \[ AD+BC =(AP+DP)+(BQ+CQ) =AO+BO =AB. \] Bu sonuç, ilgili izdüşüm uzunluğunun sıfır olduğu \(A\) veya \(B\) noktasındaki teğetlik durumlarını da kapsar. \(\square\)
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1985 · Problema 1
Una circunferencia tiene su centro en el lado \(AB\) del cuadrilátero cíclico \(ABCD\). Los otros tres lados son tangentes a la circunferencia. Demostrar que \(AD+BC=AB\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sean \(O\) y \(r>0\) el centro y el radio de la circunferencia, y sean \(P,Q,T\) sus puntos de tangencia con \(AD,BC,CD\), respectivamente. Escribimos \[ \alpha=\angle DAB,\qquad \beta=\angle ABC. \]
El punto \(O\) se encuentra estrictamente entre \(A\) y \(B\): si coincidiera con alguno de los extremos, uno de los lados tangentes pasaría por el centro de la circunferencia. Como \(OP\perp AD\) y \(OQ\perp BC\), mediante proyección perpendicular se obtiene \[ AP=AO\cos\alpha,\qquad r=AO\sin\alpha, \] \[ BQ=BO\cos\beta,\qquad r=BO\sin\beta. \] Estas fórmulas siguen siendo válidas si \(P=A\) o \(Q=B\).
Como el cuadrilátero es convexo, \(O\) se encuentra en el interior de los ángulos en \(C\) y \(D\). Los triángulos rectángulos \(OCQ\) y \(OCT\) tienen una hipotenusa común y catetos iguales \(OQ=OT=r\), por lo que son congruentes. Por tanto, \(OC\) biseca \(\angle BCD\). Análogamente, \(OD\) biseca \(\angle CDA\).
Los ángulos opuestos de un cuadrilátero cíclico son suplementarios. En consecuencia, \[ \angle OCQ=\frac{\pi-\alpha}{2}, \qquad \angle ODP=\frac{\pi-\beta}{2}. \] Por tanto, los triángulos rectángulos correspondientes dan \[ CQ=r\cot\frac{\pi-\alpha}{2}=r\tan\frac{\alpha}{2}, \qquad DP=r\tan\frac{\beta}{2}. \] Ninguno de los dos triángulos es degenerado: una tangencia en \(C\) o en \(D\) haría que dos lados distintos fueran tangentes a la circunferencia en el mismo punto, lo cual es imposible.
Usando \(\sin\theta\tan(\theta/2)=1-\cos\theta\), obtenemos \[ AP+CQ =AO\cos\alpha+AO\sin\alpha\tan\frac{\alpha}{2} =AO. \] Análogamente, \[ BQ+DP=BO. \] Como los puntos de tangencia pertenecen a sus respectivos lados, \[ AD+BC =(AP+DP)+(BQ+CQ) =AO+BO =AB. \] Esto incluye la tangencia en \(A\) o en \(B\), en cuyo caso la longitud de la proyección correspondiente es cero. \(\square\)
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1985 · 问题 1
一个圆的圆心在圆内接四边形 \(ABCD\) 的边 \(AB\) 上,其余三条边均与该圆相切。证明:\(AD+BC=AB\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
设该圆的圆心为 \(O\),半径为 \(r>0\),它与 \(AD,BC,CD\) 的切点分别为 \(P,Q,T\)。记 \[ \alpha=\angle DAB,\qquad \beta=\angle ABC. \]
点 \(O\) 严格位于 \(A\) 与 \(B\) 之间:若它与任一端点重合,则一条与圆相切的边将经过圆心。由于 \(OP\perp AD\) 且 \(OQ\perp BC\),由正投影可得 \[ AP=AO\cos\alpha,\qquad r=AO\sin\alpha, \] \[ BQ=BO\cos\beta,\qquad r=BO\sin\beta. \] 当 \(P=A\) 或 \(Q=B\) 时,这些公式仍然成立。
由于该四边形为凸四边形,\(O\) 位于顶点 \(C\) 和 \(D\) 处的角的内部。直角三角形 \(OCQ\) 和 \(OCT\) 有公共斜边,且直角边 \(OQ=OT=r\),故两三角形全等。因此,\(OC\) 平分 \(\angle BCD\)。同理,\(OD\) 平分 \(\angle CDA\)。
圆内接四边形的对角互补。因此, \[ \angle OCQ=\frac{\pi-\alpha}{2}, \qquad \angle ODP=\frac{\pi-\beta}{2}. \] 于是,由相应的直角三角形可得 \[ CQ=r\cot\frac{\pi-\alpha}{2}=r\tan\frac{\alpha}{2}, \qquad DP=r\tan\frac{\beta}{2}. \] 这两个三角形均不退化:若切点为 \(C\) 或 \(D\),则两条不同的边将在同一点与圆相切,这是不可能的。
利用 \(\sin\theta\tan(\theta/2)=1-\cos\theta\),得到 \[ AP+CQ =AO\cos\alpha+AO\sin\alpha\tan\frac{\alpha}{2} =AO. \] 同理, \[ BQ+DP=BO. \] 由于各切点均位于相应的边上, \[ AD+BC =(AP+DP)+(BQ+CQ) =AO+BO =AB. \] 这也包括切点为 \(A\) 或 \(B\) 的情形,此时相应的投影长度为零。\(\square\)
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1985 · Задача 1
Центр окружности лежит на стороне \(AB\) вписанного четырёхугольника \(ABCD\). Остальные три стороны касаются этой окружности. Докажите, что \(AD+BC=AB\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Пусть \(O\) и \(r>0\) — центр и радиус окружности, а \(P,Q,T\) — точки её касания со сторонами \(AD,BC,CD\) соответственно. Обозначим \[ \alpha=\angle DAB,\qquad \beta=\angle ABC. \]
Точка \(O\) лежит строго между \(A\) и \(B\): если бы она совпадала с одним из концов отрезка, одна из касательных сторон проходила бы через центр окружности. Поскольку \(OP\perp AD\) и \(OQ\perp BC\), из свойств ортогональной проекции получаем \[ AP=AO\cos\alpha,\qquad r=AO\sin\alpha, \] \[ BQ=BO\cos\beta,\qquad r=BO\sin\beta. \] Эти формулы остаются верными и при \(P=A\) или \(Q=B\).
Поскольку четырёхугольник выпуклый, точка \(O\) лежит внутри углов при вершинах \(C\) и \(D\). Прямоугольные треугольники \(OCQ\) и \(OCT\) имеют общую гипотенузу и равные катеты \(OQ=OT=r\), поэтому они равны. Следовательно, \(OC\) — биссектриса \(\angle BCD\). Аналогично, \(OD\) — биссектриса \(\angle CDA\).
Сумма противоположных углов вписанного четырёхугольника равна развёрнутому углу. Поэтому \[ \angle OCQ=\frac{\pi-\alpha}{2}, \qquad \angle ODP=\frac{\pi-\beta}{2}. \] Из соответствующих прямоугольных треугольников получаем \[ CQ=r\cot\frac{\pi-\alpha}{2}=r\tan\frac{\alpha}{2}, \qquad DP=r\tan\frac{\beta}{2}. \] Ни один из этих треугольников не вырожден: касание в точке \(C\) или \(D\) означало бы, что две различные стороны касаются окружности в одной и той же точке, что невозможно.
Используя равенство \(\sin\theta\tan(\theta/2)=1-\cos\theta\), получаем \[ AP+CQ =AO\cos\alpha+AO\sin\alpha\tan\frac{\alpha}{2} =AO. \] Аналогично, \[ BQ+DP=BO. \] Поскольку точки касания лежат на соответствующих сторонах, \[ AD+BC =(AP+DP)+(BQ+CQ) =AO+BO =AB. \] Это рассуждение охватывает и случаи касания в точке \(A\) или \(B\), когда длина соответствующей проекции равна нулю. \(\square\)
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1985 · المسألة 1
يقع مركز دائرة على الضلع \(AB\) من الرباعي الدائري \(ABCD\). والأضلاع الثلاثة الأخرى مماسة للدائرة. أثبت أن \(AD+BC=AB\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
ليكن \(O\) مركز الدائرة و\(r>0\) نصف قطرها، ولتكن \(P,Q,T\) نقاط تماسها مع \(AD,BC,CD\)، على الترتيب. نكتب \[ \alpha=\angle DAB,\qquad \beta=\angle ABC. \]
تقع النقطة \(O\) بين \(A\) و\(B\) تمامًا: فلو انطبقت على أحد الطرفين، لمر أحد الضلعين المماسين بمركز الدائرة. وبما أن \(OP\perp AD\) و\(OQ\perp BC\)، فإن الإسقاط العمودي يعطي \[ AP=AO\cos\alpha,\qquad r=AO\sin\alpha, \] \[ BQ=BO\cos\beta,\qquad r=BO\sin\beta. \] وتظل هذه الصيغ صحيحة إذا كان \(P=A\) أو \(Q=B\).
بما أن الرباعي محدب، فإن \(O\) تقع داخل كل من الزاويتين عند \(C\) و\(D\). وللمثلثين القائمين \(OCQ\) و\(OCT\) وتر مشترك وضلعان قائمان متساويان \(OQ=OT=r\)، لذا فهما متطابقان. ومن ثم ينصف \(OC\) الزاوية \(\angle BCD\). وبالمثل، ينصف \(OD\) الزاوية \(\angle CDA\).
الزاويتان المتقابلتان في الرباعي الدائري متكاملتان. وبالتالي، \[ \angle OCQ=\frac{\pi-\alpha}{2}, \qquad \angle ODP=\frac{\pi-\beta}{2}. \] ومن ثم يعطي المثلثان القائمان المقابلان \[ CQ=r\cot\frac{\pi-\alpha}{2}=r\tan\frac{\alpha}{2}, \qquad DP=r\tan\frac{\beta}{2}. \] ولا ينحل أي من المثلثين: إذ إن التماس عند \(C\) أو \(D\) يجعل ضلعين مختلفين مماسين للدائرة عند النقطة نفسها، وهذا مستحيل.
باستخدام \(\sin\theta\tan(\theta/2)=1-\cos\theta\)، نحصل على \[ AP+CQ =AO\cos\alpha+AO\sin\alpha\tan\frac{\alpha}{2} =AO. \] وبالمثل، \[ BQ+DP=BO. \] وبما أن كل نقطة تماس تقع على الضلع المقابل لها، فإن \[ AD+BC =(AP+DP)+(BQ+CQ) =AO+BO =AB. \] وهذا يشمل التماس عند \(A\) أو \(B\)، حيث يكون طول الإسقاط المقابل صفرًا. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).