IMO 1986 · Problem 2
A triangle \(A_1A_2A_3\) and a point \(P_0\) are given in the plane. We define \(A_s=A_{s-3}\) for all \(s\geq 4\). We construct a set of points \(P_1,P_2,P_3,\ldots\), such that \(P_{k+1}\) is the image of \(P_k\) under a rotation with center \(A_{k+1}\) through angle \(120^\circ\) clockwise (for \(k=0,1,2,\ldots\)). Prove that if \(P_{1986}=P_0\), then the triangle \(A_1A_2A_3\) is equilateral.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Identify the plane with the complex plane, and denote the complex coordinates of \(A_j\) and \(P_k\) by \(a_j\) and \(p_k\), respectively. Put \[ \omega=-\frac12-\frac{\sqrt3}{2}i. \] Multiplication by \(\omega\) represents a clockwise rotation through \(120^\circ\), and \[ \omega^3=1,\qquad 1+\omega+\omega^2=0,\qquad |\omega|=1. \]
A rotation with center \(a\) therefore sends \(z\) to \[ a+\omega(z-a)=\omega z+(1-\omega)a. \] Consequently, the composition of the three successive rotations with centers \(a_1,a_2,a_3\) sends \(z\) to \[ \begin{aligned} \omega\bigl(\omega(\omega z+(1-\omega)a_1) +(1-\omega)a_2\bigr)+(1-\omega)a_3 &=\omega^3z+(1-\omega)(\omega^2a_1+\omega a_2+a_3)\\ &=z+t, \end{aligned} \] where \[ t=(1-\omega)(\omega^2a_1+\omega a_2+a_3). \]
The centers repeat every three steps, so \[ p_{3m+3}=p_{3m}+t \] for every integer \(m\geq0\). Induction gives \(p_{3m}=p_0+mt\). Since \(1986=3\cdot662\), the hypothesis implies \[ 0=p_{1986}-p_0=662t, \] hence \(t=0\). As \(1-\omega\neq0\), it follows that \[ \omega^2a_1+\omega a_2+a_3=0. \]
Using \(1+\omega+\omega^2=0\), we obtain \[ a_3-a_1=-\omega(a_2-a_1), \qquad a_3-a_2=\omega^2(a_2-a_1). \] Taking absolute values yields \[ |a_3-a_1|=|a_2-a_1|=|a_3-a_2|. \] Thus all three sides of \(A_1A_2A_3\) are equal, so the triangle is equilateral.
All rotation formulas remain valid when a point coincides with a rotation center; no distinctness assumption on the points \(P_k\) was needed. \(\square\)
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1986 · Aufgabe 2
In der Ebene seien ein Dreieck \(A_1A_2A_3\) und ein Punkt \(P_0\) gegeben. Wir definieren \(A_s=A_{s-3}\) für alle \(s\geq 4\). Wir konstruieren eine Menge von Punkten \(P_1,P_2,P_3,\ldots\), sodass \(P_{k+1}\) das Bild von \(P_k\) unter einer Drehung um den Mittelpunkt \(A_{k+1}\) um den Winkel \(120^\circ\) im Uhrzeigersinn ist (für \(k=0,1,2,\ldots\)). Beweise, dass das Dreieck \(A_1A_2A_3\) gleichseitig ist, falls \(P_{1986}=P_0\) gilt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir identifizieren die Ebene mit der komplexen Ebene und bezeichnen die komplexen Koordinaten von \(A_j\) bzw. \(P_k\) mit \(a_j\) bzw. \(p_k\). Setzen wir \[ \omega=-\frac12-\frac{\sqrt3}{2}i. \] Die Multiplikation mit \(\omega\) stellt eine Drehung um \(120^\circ\) im Uhrzeigersinn dar, und es gilt \[ \omega^3=1,\qquad 1+\omega+\omega^2=0,\qquad |\omega|=1. \]
Eine Drehung um den Mittelpunkt \(a\) bildet daher \(z\) ab auf \[ a+\omega(z-a)=\omega z+(1-\omega)a. \] Folglich bildet die Verkettung der drei aufeinanderfolgenden Drehungen um die Mittelpunkte \(a_1,a_2,a_3\) den Punkt \(z\) ab auf \[ \begin{aligned} \omega\bigl(\omega(\omega z+(1-\omega)a_1) +(1-\omega)a_2\bigr)+(1-\omega)a_3 &=\omega^3z+(1-\omega)(\omega^2a_1+\omega a_2+a_3)\\ &=z+t, \end{aligned} \] wobei \[ t=(1-\omega)(\omega^2a_1+\omega a_2+a_3). \]
Die Mittelpunkte wiederholen sich alle drei Schritte, also gilt \[ p_{3m+3}=p_{3m}+t \] für jede ganze Zahl \(m\geq0\). Durch Induktion folgt \(p_{3m}=p_0+mt\). Wegen \(1986=3\cdot662\) ergibt sich aus der Voraussetzung \[ 0=p_{1986}-p_0=662t, \] also \(t=0\). Da \(1-\omega\neq0\), folgt \[ \omega^2a_1+\omega a_2+a_3=0. \]
Unter Verwendung von \(1+\omega+\omega^2=0\) erhalten wir \[ a_3-a_1=-\omega(a_2-a_1), \qquad a_3-a_2=\omega^2(a_2-a_1). \] Durch Bilden der Beträge ergibt sich \[ |a_3-a_1|=|a_2-a_1|=|a_3-a_2|. \] Damit sind alle drei Seiten von \(A_1A_2A_3\) gleich lang, also ist das Dreieck gleichseitig.
Alle Drehformeln bleiben gültig, wenn ein Punkt mit einem Drehmittelpunkt zusammenfällt; es war keine Annahme erforderlich, dass die Punkte \(P_k\) voneinander verschieden sind. \(\square\)
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1986 · Soru 2
Düzlemde bir \(A_1A_2A_3\) üçgeni ve bir \(P_0\) noktası veriliyor. Her \(s\geq 4\) için \(A_s=A_{s-3}\) olarak tanımlayalım. \(P_{k+1}\), \(P_k\) noktasının \(A_{k+1}\) merkezi etrafında saat yönünde \(120^\circ\) döndürülmesiyle elde edilen görüntüsü olacak şekilde \(P_1,P_2,P_3,\ldots\) noktalarını oluşturalım (\(k=0,1,2,\ldots\) için). \(P_{1986}=P_0\) ise \(A_1A_2A_3\) üçgeninin eşkenar olduğunu kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Düzlemi karmaşık düzlemle özdeşleştirelim ve \(A_j\) ile \(P_k\) noktalarının karmaşık koordinatlarını sırasıyla \(a_j\) ve \(p_k\) ile gösterelim. \[ \omega=-\frac12-\frac{\sqrt3}{2}i \] olarak alalım. \(\omega\) ile çarpma, saat yönünde \(120^\circ\) dönmeyi temsil eder ve \[ \omega^3=1,\qquad 1+\omega+\omega^2=0,\qquad |\omega|=1 \] eşitlikleri geçerlidir.
Dolayısıyla \(a\) merkezli bir dönme, \(z\)'yi \[ a+\omega(z-a)=\omega z+(1-\omega)a \] noktasına götürür. Buna göre, merkezleri sırasıyla \(a_1,a_2,a_3\) olan ardışık üç dönmenin bileşkesi \(z\)'yi \[ \begin{aligned} \omega\bigl(\omega(\omega z+(1-\omega)a_1) +(1-\omega)a_2\bigr)+(1-\omega)a_3 &=\omega^3z+(1-\omega)(\omega^2a_1+\omega a_2+a_3)\\ &=z+t, \end{aligned} \]+noktasına götürür; burada \[ t=(1-\omega)(\omega^2a_1+\omega a_2+a_3). \]
Merkezler her üç adımda bir tekrarlandığından, her \(m\geq0\) tam sayısı için \[ p_{3m+3}=p_{3m}+t \] olur. Tümevarımla \(p_{3m}=p_0+mt\) elde edilir. \(1986=3\cdot662\) olduğundan, varsayımdan \[ 0=p_{1986}-p_0=662t, \] dolayısıyla \(t=0\) elde edilir. \(1-\omega\neq0\) olduğundan, \[ \omega^2a_1+\omega a_2+a_3=0 \] sonucuna ulaşılır.
\(1+\omega+\omega^2=0\) eşitliğini kullanarak \[ a_3-a_1=-\omega(a_2-a_1), \qquad a_3-a_2=\omega^2(a_2-a_1) \] elde ederiz. Mutlak değerleri alırsak \[ |a_3-a_1|=|a_2-a_1|=|a_3-a_2| \] olur. Böylece \(A_1A_2A_3\) üçgeninin üç kenarı da eşittir; dolayısıyla üçgen eşkenardır.
Bir nokta dönme merkeziyle çakıştığında da bütün dönme formülleri geçerlidir; \(P_k\) noktalarının birbirinden farklı olduğuna ilişkin herhangi bir varsayıma gerek duyulmamıştır. \(\square\)
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1986 · Problema 2
Se dan en el plano un triángulo \(A_1A_2A_3\) y un punto \(P_0\). Definimos \(A_s=A_{s-3}\) para todo \(s\geq 4\). Construimos un conjunto de puntos \(P_1,P_2,P_3,\ldots\), de modo que \(P_{k+1}\) sea la imagen de \(P_k\) mediante una rotación de centro \(A_{k+1}\) y ángulo \(120^\circ\) en sentido horario (para \(k=0,1,2,\ldots\)). Demostrar que, si \(P_{1986}=P_0\), entonces el triángulo \(A_1A_2A_3\) es equilátero.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Identifiquemos el plano con el plano complejo y denotemos las coordenadas complejas de \(A_j\) y \(P_k\) por \(a_j\) y \(p_k\), respectivamente. Sea \[ \omega=-\frac12-\frac{\sqrt3}{2}i. \] La multiplicación por \(\omega\) representa una rotación de \(120^\circ\) en sentido horario, y \[ \omega^3=1,\qquad 1+\omega+\omega^2=0,\qquad |\omega|=1. \]
Por tanto, una rotación de centro \(a\) transforma \(z\) en \[ a+\omega(z-a)=\omega z+(1-\omega)a. \] En consecuencia, la composición de las tres rotaciones sucesivas de centros \(a_1,a_2,a_3\) transforma \(z\) en \[ \begin{aligned} \omega\bigl(\omega(\omega z+(1-\omega)a_1) +(1-\omega)a_2\bigr)+(1-\omega)a_3 &=\omega^3z+(1-\omega)(\omega^2a_1+\omega a_2+a_3)\\ &=z+t, \end{aligned} \] donde \[ t=(1-\omega)(\omega^2a_1+\omega a_2+a_3). \]
Los centros se repiten cada tres pasos, por lo que \[ p_{3m+3}=p_{3m}+t \] para todo entero \(m\geq0\). Por inducción se obtiene \(p_{3m}=p_0+mt\). Como \(1986=3\cdot662\), la hipótesis implica \[ 0=p_{1986}-p_0=662t, \] de donde \(t=0\). Dado que \(1-\omega\neq0\), se sigue que \[ \omega^2a_1+\omega a_2+a_3=0. \]
Usando \(1+\omega+\omega^2=0\), obtenemos \[ a_3-a_1=-\omega(a_2-a_1), \qquad a_3-a_2=\omega^2(a_2-a_1). \] Tomando módulos, resulta \[ |a_3-a_1|=|a_2-a_1|=|a_3-a_2|. \] Así, los tres lados de \(A_1A_2A_3\) son iguales, por lo que el triángulo es equilátero.
Todas las fórmulas de rotación siguen siendo válidas cuando un punto coincide con un centro de rotación; no ha sido necesario suponer que los puntos \(P_k\) sean distintos. \(\square\)
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1986 · 问题 2
在平面内给定三角形 \(A_1A_2A_3\) 和一点 \(P_0\)。对所有 \(s\geq 4\),定义 \(A_s=A_{s-3}\)。构造一列点 \(P_1,P_2,P_3,\ldots\),使得 \(P_{k+1}\) 是将 \(P_k\) 绕中心 \(A_{k+1}\) 顺时针旋转 \(120^\circ\) 所得的像(\(k=0,1,2,\ldots\))。证明:若 \(P_{1986}=P_0\),则三角形 \(A_1A_2A_3\) 为等边三角形。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
将该平面视为复平面,并分别用 \(a_j\) 和 \(p_k\) 表示 \(A_j\) 和 \(P_k\) 的复坐标。令 \[ \omega=-\frac12-\frac{\sqrt3}{2}i. \] 乘以 \(\omega\) 表示顺时针旋转 \(120^\circ\),且 \[ \omega^3=1,\qquad 1+\omega+\omega^2=0,\qquad |\omega|=1. \]
因此,以 \(a\) 为中心的旋转将 \(z\) 映为 \[ a+\omega(z-a)=\omega z+(1-\omega)a. \] 于是,依次以 \(a_1,a_2,a_3\) 为中心进行的三次旋转的复合将 \(z\) 映为 \[ \begin{aligned} \omega\bigl(\omega(\omega z+(1-\omega)a_1) +(1-\omega)a_2\bigr)+(1-\omega)a_3 &=\omega^3z+(1-\omega)(\omega^2a_1+\omega a_2+a_3)\\ &=z+t, \end{aligned} \] 其中 \[ t=(1-\omega)(\omega^2a_1+\omega a_2+a_3). \]
旋转中心每三步重复一次,所以 \[ p_{3m+3}=p_{3m}+t \] 对每个整数 \(m\geq0\) 都成立。由归纳法得 \(p_{3m}=p_0+mt\)。由于 \(1986=3\cdot662\),由题设可得 \[ 0=p_{1986}-p_0=662t, \] 从而 \(t=0\)。因为 \(1-\omega\neq0\),所以 \[ \omega^2a_1+\omega a_2+a_3=0. \]
利用 \(1+\omega+\omega^2=0\),得到 \[ a_3-a_1=-\omega(a_2-a_1), \qquad a_3-a_2=\omega^2(a_2-a_1). \] 取模得 \[ |a_3-a_1|=|a_2-a_1|=|a_3-a_2|. \] 因此,\(A_1A_2A_3\) 的三边均相等,所以它是等边三角形。
当某个点与旋转中心重合时,所有旋转公式仍然成立;证明中并不需要假设各点 \(P_k\) 互不相同。\(\square\)
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1986 · Задача 2
На плоскости даны треугольник \(A_1A_2A_3\) и точка \(P_0\). Положим \(A_s=A_{s-3}\) для всех \(s\geq 4\). Построим последовательность точек \(P_1,P_2,P_3,\ldots\) так, что \(P_{k+1}\) является образом \(P_k\) при повороте с центром \(A_{k+1}\) на угол \(120^\circ\) по часовой стрелке (для \(k=0,1,2,\ldots\)). Докажите, что если \(P_{1986}=P_0\), то треугольник \(A_1A_2A_3\) равносторонний.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Отождествим плоскость с комплексной плоскостью и обозначим комплексные координаты точек \(A_j\) и \(P_k\) через \(a_j\) и \(p_k\) соответственно. Положим \[ \omega=-\frac12-\frac{\sqrt3}{2}i. \] Умножение на \(\omega\) задаёт поворот на \(120^\circ\) по часовой стрелке, причём \[ \omega^3=1,\qquad 1+\omega+\omega^2=0,\qquad |\omega|=1. \]
Поэтому поворот с центром \(a\) переводит \(z\) в \[ a+\omega(z-a)=\omega z+(1-\omega)a. \] Следовательно, композиция трёх последовательных поворотов с центрами \(a_1,a_2,a_3\) переводит \(z\) в \[ \begin{aligned} \omega\bigl(\omega(\omega z+(1-\omega)a_1) +(1-\omega)a_2\bigr)+(1-\omega)a_3 &=\omega^3z+(1-\omega)(\omega^2a_1+\omega a_2+a_3)\\ &=z+t, \end{aligned} \] где \[ t=(1-\omega)(\omega^2a_1+\omega a_2+a_3). \]
Центры повторяются через каждые три шага, поэтому \[ p_{3m+3}=p_{3m}+t \] для любого целого \(m\geq0\). По индукции получаем \(p_{3m}=p_0+mt\). Поскольку \(1986=3\cdot662\), из условия следует \[ 0=p_{1986}-p_0=662t, \] откуда \(t=0\). Так как \(1-\omega\neq0\), получаем \[ \omega^2a_1+\omega a_2+a_3=0. \]
Используя \(1+\omega+\omega^2=0\), находим \[ a_3-a_1=-\omega(a_2-a_1), \qquad a_3-a_2=\omega^2(a_2-a_1). \] Переходя к модулям, получаем \[ |a_3-a_1|=|a_2-a_1|=|a_3-a_2|. \] Таким образом, все три стороны треугольника \(A_1A_2A_3\) равны, то есть он равносторонний.
Все формулы поворота остаются верными и тогда, когда точка совпадает с центром поворота; предположение о попарной различности точек \(P_k\) не понадобилось. \(\square\)
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1986 · المسألة 2
أُعطي في المستوى مثلث \(A_1A_2A_3\) ونقطة \(P_0\). نعرّف \(A_s=A_{s-3}\) لكل \(s\geq 4\). ننشئ مجموعة من النقاط \(P_1,P_2,P_3,\ldots\)، بحيث تكون \(P_{k+1}\) صورة \(P_k\) بدوران مركزه \(A_{k+1}\) وزاويته \(120^\circ\) في اتجاه عقارب الساعة (لكل \(k=0,1,2,\ldots\)). أثبت أنه إذا كان \(P_{1986}=P_0\)، فإن المثلث \(A_1A_2A_3\) متساوي الأضلاع.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نمثل المستوى بالمستوى العقدي، ونرمز إلى الإحداثيين العقديين للنقطتين \(A_j\) و\(P_k\) بالرمزين \(a_j\) و\(p_k\)، على الترتيب. نضع \[ \omega=-\frac12-\frac{\sqrt3}{2}i. \] يمثل الضرب في \(\omega\) دورانًا بزاوية \(120^\circ\) في اتجاه عقارب الساعة، ولدينا \[ \omega^3=1,\qquad 1+\omega+\omega^2=0,\qquad |\omega|=1. \]
لذلك فإن الدوران الذي مركزه \(a\) يحوّل \(z\) إلى \[ a+\omega(z-a)=\omega z+(1-\omega)a. \] وعليه، فإن تركيب الدورانات الثلاثة المتتالية ذات المراكز \(a_1,a_2,a_3\) يحوّل \(z\) إلى \[ \begin{aligned} \omega\bigl(\omega(\omega z+(1-\omega)a_1) +(1-\omega)a_2\bigr)+(1-\omega)a_3 &=\omega^3z+(1-\omega)(\omega^2a_1+\omega a_2+a_3)\\ &=z+t, \end{aligned} \] حيث \[ t=(1-\omega)(\omega^2a_1+\omega a_2+a_3). \]
تتكرر المراكز كل ثلاث خطوات، لذا \[ p_{3m+3}=p_{3m}+t \] لكل عدد صحيح \(m\geq0\). وبالاستقراء نحصل على \(p_{3m}=p_0+mt\). بما أن \(1986=3\cdot662\)، فإن الفرض يعطي \[ 0=p_{1986}-p_0=662t, \] ومن ثم \(t=0\). وبما أن \(1-\omega\neq0\)، ينتج أن \[ \omega^2a_1+\omega a_2+a_3=0. \]
باستخدام \(1+\omega+\omega^2=0\)، نحصل على \[ a_3-a_1=-\omega(a_2-a_1), \qquad a_3-a_2=\omega^2(a_2-a_1). \] بأخذ القيم المطلقة نحصل على \[ |a_3-a_1|=|a_2-a_1|=|a_3-a_2|. \] إذن أضلاع \(A_1A_2A_3\) الثلاثة متساوية، وبالتالي فالمثلث متساوي الأضلاع.
تبقى جميع صيغ الدوران صحيحة حين تنطبق نقطة على مركز دوران؛ ولم نحتج إلى أي افتراض بأن النقاط \(P_k\) مختلفة. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).