IMO 1986 · Problem 4
Let \(A, B\) be adjacent vertices of a regular \(n\)-gon \((n \geq 5)\) in the plane having center at \(O\). A triangle \(XYZ\), which is congruent to and initially conincides with \(OAB\), moves in the plane in such a way that \(Y\) and \(Z\) each trace out the whole boundary of the polygon, \(X\) remaining inside the polygon. Find the locus of \(X\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
Write \(R=OA\) and \(\theta=\pi/n\). For each vertex \(V\), let \(P_V\) lie beyond \(O\) on the ray from \(V\) through \(O\), with \[ OP_V=R\left(\sec\theta-1\right). \] The locus is the union of the \(n\) segments \(OP_V\).
Solution
Let \[ s=AB=2R\sin\theta,\qquad r=R\cos\theta. \] Thus \(XY=XZ=R\), \(YZ=s\), and the altitude of triangle \(XYZ\) from \(X\) is \(r\).
We first show that two boundary points at distance \(s\) can always be regarded as lying on two adjacent sides.
If they lie on the same side, they must be its endpoints, and the assertion follows. Now consider two nonadjacent sides. Their smaller cyclic separation is some integer \[ 2\leq k\leq \lfloor n/2\rfloor. \] Take \(O\) as origin and rotate the coordinates so that the radii through their midpoints have arguments \(-k\theta\) and \(k\theta\). The endpoints of the upper side have arguments \((k-1)\theta,(k+1)\theta\), and those of the lower side have the negatives of these arguments.
Since \[ \sin((k+1)\theta)-\sin((k-1)\theta) =2\cos(k\theta)\sin\theta\geq0, \] every point on the upper side has vertical coordinate at least \(R\sin((k-1)\theta)\), and every point on the lower side has vertical coordinate at most its negative. Hence the distance between any such two points is at least \[ 2R\sin((k-1)\theta)\geq2R\sin\theta=s. \] Here \(\theta\leq(k-1)\theta<\pi/2\), so equality requires \(k=2\). Moreover, \(\cos(2\theta)>0\), because \(n\geq5\). Thus equality requires the points to be the endpoints with arguments \(-\theta,\theta\), which are adjacent vertices. These too can be assigned to two adjacent sides. This proves the assertion, including all vertex cases.
Now let \(V\) be the common vertex of two sides containing \(Y,Z\). Choose local coordinates with \[ V=(0,0),\qquad O=(R,0), \] and, interchanging \(Y,Z\) for this calculation if necessary, write \[ Y=(u\sin\theta,u\cos\theta),\qquad Z=(v\sin\theta,-v\cos\theta), \qquad 0\leq u,v\leq s. \] Put \(m=u+v\) and \(d=u-v\). The condition \(YZ=s\) becomes \[ s^2=m^2\cos^2\theta+d^2\sin^2\theta. \tag{1} \]
The midpoint of \(YZ\) is \[ M=\left(\frac{m\sin\theta}{2},\frac{d\cos\theta}{2}\right), \] and a perpendicular vector to \(YZ\), of length \(s\), is \[ (m\cos\theta,-d\sin\theta). \] Since \(r/s=\tfrac12\cot\theta\), the two possible positions of the apex are \[ X_+=\left(\frac{m}{2\sin\theta},0\right), \qquad X_-=\left(-\frac{m\cos2\theta}{2\sin\theta},d\cos\theta\right). \] The whole polygon lies in the half-plane \(x\geq0\). Because \(m>0\) and \(\cos2\theta>0\), the point \(X_-\) is outside the polygon. Therefore \[ X=X_+=\left(\frac{m}{2\sin\theta},0\right). \tag{2} \]
As \(|d|\leq m\), equation (1) gives \[ m^2\cos^2\theta\leq s^2\leq m^2, \] so \[ s\leq m\leq\frac{s}{\cos\theta}. \] Using (2) and \(s=2R\sin\theta\), we obtain \[ R\leq VX\leq R\sec\theta. \] Thus \(X\) belongs to the claimed segment \(OP_V\).
All these segments lie strictly inside the polygon. Indeed, \(\theta<\pi/4\), so \[ OP_V=R(\sec\theta-1) <R(\sqrt2-1) <\frac{R}{\sqrt2} <R\cos\theta=r. \] The disk centered at \(O\) with radius \(r\) is the polygon’s incircle.
It remains to prove that the entire segments are attained in the prescribed motion. For a fixed vertex \(V\), let \(u\) decrease continuously from \(s\) to \(0\), and set \[ v=-u\cos2\theta+ \sqrt{s^2-u^2\sin^22\theta}. \] This is the unique nonnegative solution of \[ u^2+v^2+2uv\cos2\theta=s^2. \tag{3} \] It lies in \([0,s]\) and varies continuously from \(0\) to \(s\). Moreover, because the left-hand side of (3) is strictly increasing in either nonnegative variable, \(v\) increases as \(u\) decreases.
Consequently, \(Y\) travels along one side toward \(V\), while \(Z\) travels along the next side away from \(V\). At the beginning and end, \(m=s\), so \(X=O\). At \[ u=v=\frac{s}{2\cos\theta}, \] we have \(m=s/\cos\theta\), so \(X=P_V\). Continuity therefore ensures that \(X\) traverses the whole segment \(OP_V\).
Starting with \(V=B\), this motion begins at \((X,Y,Z)=(O,A,B)\). Repeating it at successive vertices produces a continuous motion in which both \(Y\) and \(Z\) trace the whole boundary and every claimed segment is traversed.
Finally, the locus is the same for any permitted motion covering the boundary. The orientation of the nondegenerate triangle cannot change continuously. Orienting the polygon so that \(A,B\) occur consecutively in that order, this orientation forces \(Z\) onto the side following the side containing \(Y\). Equation (3) then determines \(Z\), and hence \(X\), uniquely from \(Y\). Therefore, when \(Y\) covers the entire boundary, all the configurations described above must occur. The locus is exactly the stated union.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1986 · Aufgabe 4
Seien \(A, B\) benachbarte Eckpunkte eines regelmäßigen \(n\)-Ecks \((n \geq 5)\) in der Ebene mit Mittelpunkt \(O\). Ein Dreieck \(XYZ\), das zu \(OAB\) kongruent ist und anfangs mit diesem zusammenfällt, bewegt sich in der Ebene so, dass \(Y\) und \(Z\) jeweils den gesamten Rand des Vielecks durchlaufen, während \(X\) im Inneren des Vielecks bleibt. Bestimme den geometrischen Ort von \(X\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Setzen wir \(R=OA\) und \(\theta=\pi/n\). Für jeden Eckpunkt \(V\) liege \(P_V\) jenseits von \(O\) auf dem von \(V\) ausgehenden Strahl durch \(O\), wobei \[ OP_V=R\left(\sec\theta-1\right). \] Der geometrische Ort ist die Vereinigung der \(n\) Strecken \(OP_V\).
Lösung
Es sei \[ s=AB=2R\sin\theta,\qquad r=R\cos\theta. \] Somit gilt \(XY=XZ=R\), \(YZ=s\), und die Höhe des Dreiecks \(XYZ\) von \(X\) aus hat die Länge \(r\).
Wir zeigen zunächst, dass zwei Randpunkte im Abstand \(s\) stets als Punkte auf zwei benachbarten Seiten aufgefasst werden können.
Liegen sie auf derselben Seite, so müssen sie deren Endpunkte sein, und die Behauptung folgt. Betrachten wir nun zwei nicht benachbarte Seiten. Ihr kleinerer Abstand in der zyklischen Reihenfolge ist eine ganze Zahl \[ 2\leq k\leq \lfloor n/2\rfloor. \] Wir wählen \(O\) als Ursprung und drehen das Koordinatensystem so, dass die Radien durch ihre Mittelpunkte die Argumente \(-k\theta\) und \(k\theta\) haben. Die Endpunkte der oberen Seite haben die Argumente \((k-1)\theta,(k+1)\theta\), und die der unteren Seite haben die entgegengesetzten Argumente.
Wegen \[ \sin((k+1)\theta)-\sin((k-1)\theta) =2\cos(k\theta)\sin\theta\geq0, \] hat jeder Punkt auf der oberen Seite eine vertikale Koordinate von mindestens \(R\sin((k-1)\theta)\), und jeder Punkt auf der unteren Seite hat eine vertikale Koordinate von höchstens dem Negativen dieses Wertes. Daher beträgt der Abstand zwischen zwei solchen Punkten mindestens \[ 2R\sin((k-1)\theta)\geq2R\sin\theta=s. \] Hier gilt \(\theta\leq(k-1)\theta<\pi/2\), also setzt Gleichheit \(k=2\) voraus. Außerdem gilt \(\cos(2\theta)>0\), da \(n\geq5\). Somit müssen bei Gleichheit die Punkte die Endpunkte mit den Argumenten \(-\theta,\theta\) sein, die benachbarte Eckpunkte sind. Auch diese können zwei benachbarten Seiten zugeordnet werden. Damit ist die Behauptung einschließlich aller Fälle, in denen Eckpunkte auftreten, bewiesen.
Sei nun \(V\) der gemeinsame Eckpunkt zweier Seiten, auf denen \(Y,Z\) liegen. Wir wählen lokale Koordinaten mit \[ V=(0,0),\qquad O=(R,0), \] und schreiben, wobei wir für diese Rechnung nötigenfalls \(Y,Z\) vertauschen, \[ Y=(u\sin\theta,u\cos\theta),\qquad Z=(v\sin\theta,-v\cos\theta), \qquad 0\leq u,v\leq s. \] Setzen wir \(m=u+v\) und \(d=u-v\). Die Bedingung \(YZ=s\) wird zu \[ s^2=m^2\cos^2\theta+d^2\sin^2\theta. \tag{1} \]
Der Mittelpunkt von \(YZ\) ist \[ M=\left(\frac{m\sin\theta}{2},\frac{d\cos\theta}{2}\right), \] und ein zu \(YZ\) senkrechter Vektor der Länge \(s\) ist \[ (m\cos\theta,-d\sin\theta). \] Wegen \(r/s=\tfrac12\cot\theta\) sind die beiden möglichen Lagen der Spitze \[ X_+=\left(\frac{m}{2\sin\theta},0\right), \qquad X_-=\left(-\frac{m\cos2\theta}{2\sin\theta},d\cos\theta\right). \] Das gesamte Vieleck liegt in der Halbebene \(x\geq0\). Da \(m>0\) und \(\cos2\theta>0\), liegt der Punkt \(X_-\) außerhalb des Vielecks. Daher gilt \[ X=X_+=\left(\frac{m}{2\sin\theta},0\right). \tag{2} \]
Wegen \(|d|\leq m\) ergibt Gleichung (1) \[ m^2\cos^2\theta\leq s^2\leq m^2, \] also \[ s\leq m\leq\frac{s}{\cos\theta}. \] Mit (2) und \(s=2R\sin\theta\) erhalten wir \[ R\leq VX\leq R\sec\theta. \] Somit liegt \(X\) auf der angegebenen Strecke \(OP_V\).
Alle diese Strecken liegen vollständig im Inneren des Vielecks. Tatsächlich gilt \(\theta<\pi/4\), also \[ OP_V=R(\sec\theta-1) <R(\sqrt2-1) <\frac{R}{\sqrt2} <R\cos\theta=r. \] Die Kreisscheibe mit Mittelpunkt \(O\) und Radius \(r\) ist die Inkreisscheibe des Vielecks.
Es bleibt zu beweisen, dass bei der vorgeschriebenen Bewegung die gesamten Strecken durchlaufen werden. Für einen festen Eckpunkt \(V\) lassen wir \(u\) stetig von \(s\) auf \(0\) abnehmen und setzen \[ v=-u\cos2\theta+ \sqrt{s^2-u^2\sin^22\theta}. \] Dies ist die eindeutige nichtnegative Lösung von \[ u^2+v^2+2uv\cos2\theta=s^2. \tag{3} \] Sie liegt in \([0,s]\) und ändert sich stetig von \(0\) bis \(s\). Da außerdem die linke Seite von (3) in jeder der beiden nichtnegativen Variablen streng monoton wächst, nimmt \(v\) zu, wenn \(u\) abnimmt.
Folglich bewegt sich \(Y\) auf einer Seite auf \(V\) zu, während sich \(Z\) auf der nächsten Seite von \(V\) entfernt. Am Anfang und am Ende gilt \(m=s\), also \(X=O\). Bei \[ u=v=\frac{s}{2\cos\theta}, \] gilt \(m=s/\cos\theta\), also \(X=P_V\). Die Stetigkeit gewährleistet daher, dass \(X\) die gesamte Strecke \(OP_V\) durchläuft.
Beginnen wir mit \(V=B\), so startet diese Bewegung bei \((X,Y,Z)=(O,A,B)\). Durch Wiederholung an den aufeinanderfolgenden Eckpunkten entsteht eine stetige Bewegung, bei der sowohl \(Y\) als auch \(Z\) den gesamten Rand durchlaufen und jede der angegebenen Strecken durchlaufen wird.
Schließlich ist der geometrische Ort für jede zulässige Bewegung, die den gesamten Rand durchläuft, derselbe. Die Orientierung des nicht entarteten Dreiecks kann sich nicht stetig ändern. Orientieren wir das Vieleck so, dass \(A,B\) in dieser Reihenfolge aufeinanderfolgen, so erzwingt diese Orientierung, dass \(Z\) auf der Seite liegt, die auf die \(Y\) enthaltende Seite folgt. Gleichung (3) bestimmt dann \(Z\) und damit \(X\) eindeutig durch \(Y\). Wenn \(Y\) den gesamten Rand durchläuft, müssen daher alle oben beschriebenen Konfigurationen auftreten. Der geometrische Ort ist genau die angegebene Vereinigung.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1986 · Soru 4
Düzlemde merkezi \(O\) olan bir düzgün \(n\)-genin \((n \geq 5)\) ardışık iki köşesi \(A, B\) olsun. \(OAB\) üçgenine eş olan ve başlangıçta onunla çakışan bir \(XYZ\) üçgeni, \(Y\) ve \(Z\) noktalarının her biri çokgenin sınırının tamamını tarayacak ve \(X\) çokgenin içinde kalacak şekilde düzlemde hareket ediyor. \(X\) noktasının geometrik yerini bulunuz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\(R=OA\) ve \(\theta=\pi/n\) yazalım. Her \(V\) köşesi için \(P_V\), \(V\)'den başlayıp \(O\)'dan geçen ışın üzerinde, \(O\)'nun ötesinde bulunan ve \[ OP_V=R\left(\sec\theta-1\right) \] eşitliğini sağlayan nokta olsun. Geometrik yer, \(n\) tane \(OP_V\) doğru parçasının birleşimidir.
Çözüm
\[ s=AB=2R\sin\theta,\qquad r=R\cos\theta \] olsun. Böylece \(XY=XZ=R\), \(YZ=s\) olur ve \(XYZ\) üçgeninin \(X\)'ten çizilen yüksekliği \(r\)'dir.
Önce, sınır üzerinde aralarındaki uzaklık \(s\) olan iki noktanın her zaman iki komşu kenar üzerinde kabul edilebileceğini gösterelim.
Aynı kenar üzerinde bulunuyorlarsa bu kenarın uç noktaları olmak zorundadırlar ve iddia sağlanır. Şimdi komşu olmayan iki kenarı ele alalım. Bu kenarların çevresel sıradaki küçük uzaklığı, \[ 2\leq k\leq \lfloor n/2\rfloor \] koşulunu sağlayan bir tam sayıdır. \(O\)'yu başlangıç noktası alalım ve koordinat sistemini, bu kenarların orta noktalarından geçen yarıçapların argümanları \(-k\theta\) ve \(k\theta\) olacak şekilde döndürelim. Üstteki kenarın uç noktalarının argümanları \((k-1)\theta,(k+1)\theta\), alttaki kenarın uç noktalarının argümanları ise bunların ters işaretlileridir.
\[ \sin((k+1)\theta)-\sin((k-1)\theta) =2\cos(k\theta)\sin\theta\geq0, \] olduğundan, üstteki kenarın her noktasının düşey koordinatı en az \(R\sin((k-1)\theta)\), alttaki kenarın her noktasının düşey koordinatı ise en fazla bu sayının ters işaretlisidir. Dolayısıyla bu tür herhangi iki nokta arasındaki uzaklık en az \[ 2R\sin((k-1)\theta)\geq2R\sin\theta=s \] olur. Burada \(\theta\leq(k-1)\theta<\pi/2\) olduğundan, eşitlik için \(k=2\) olması gerekir. Üstelik \(n\geq5\) olduğundan \(\cos(2\theta)>0\)'dır. Bu nedenle eşitlik için noktaların, argümanları \(-\theta,\theta\) olan uç noktalar, yani ardışık köşeler olması gerekir. Bunlar da iki komşu kenara ait kabul edilebilir. Böylece köşe durumlarının tümü de dâhil olmak üzere iddia kanıtlanmış olur.
Şimdi \(V\), \(Y,Z\)'yi içeren iki kenarın ortak köşesi olsun. Yerel koordinatları \[ V=(0,0),\qquad O=(R,0), \] olacak şekilde seçelim ve bu hesaplama için gerekirse \(Y,Z\)'nin yerlerini değiştirerek \[ Y=(u\sin\theta,u\cos\theta),\qquad Z=(v\sin\theta,-v\cos\theta), \qquad 0\leq u,v\leq s \] yazalım. \(m=u+v\) ve \(d=u-v\) olsun. \(YZ=s\) koşulu \[ s^2=m^2\cos^2\theta+d^2\sin^2\theta \tag{1} \] hâline gelir.
\(YZ\)'nin orta noktası \[ M=\left(\frac{m\sin\theta}{2},\frac{d\cos\theta}{2}\right), \] ve \(YZ\)'ye dik, uzunluğu \(s\) olan bir vektör \[ (m\cos\theta,-d\sin\theta) \] şeklindedir. \(r/s=\tfrac12\cot\theta\) olduğundan, tepe noktasının mümkün olan iki konumu \[ X_+=\left(\frac{m}{2\sin\theta},0\right), \qquad X_-=\left(-\frac{m\cos2\theta}{2\sin\theta},d\cos\theta\right) \] olur. Çokgenin tamamı \(x\geq0\) yarı düzleminde bulunur. \(m>0\) ve \(\cos2\theta>0\) olduğundan, \(X_-\) noktası çokgenin dışındadır. Dolayısıyla \[ X=X_+=\left(\frac{m}{2\sin\theta},0\right). \tag{2} \]
\(|d|\leq m\) olduğundan, (1) denklemi \[ m^2\cos^2\theta\leq s^2\leq m^2, \] dolayısıyla \[ s\leq m\leq\frac{s}{\cos\theta} \] eşitsizliklerini verir. (2) ve \(s=2R\sin\theta\) eşitliğini kullanarak \[ R\leq VX\leq R\sec\theta \] elde ederiz. Böylece \(X\), iddia edilen \(OP_V\) doğru parçasına aittir.
Bu doğru parçalarının tamamı çokgenin kesin olarak içindedir. Gerçekten, \(\theta<\pi/4\) olduğundan \[ OP_V=R(\sec\theta-1) <R(\sqrt2-1) <\frac{R}{\sqrt2} <R\cos\theta=r. \] Merkezi \(O\), yarıçapı \(r\) olan daire, çokgenin iç teğet çemberinin sınırladığı dairedir.
Geriye, belirtilen hareket sırasında doğru parçalarının tamamının tarandığını kanıtlamak kalır. Sabit bir \(V\) köşesi için \(u\), \(s\)'den \(0\)'a sürekli olarak azalsın ve \[ v=-u\cos2\theta+ \sqrt{s^2-u^2\sin^22\theta} \] olarak tanımlansın. Bu, \[ u^2+v^2+2uv\cos2\theta=s^2 \tag{3} \] denkleminin negatif olmayan tek çözümüdür. \([0,s]\) aralığında bulunur ve \(0\)'dan \(s\)'ye sürekli olarak değişir. Ayrıca, (3)'ün sol tarafı negatif olmayan değişkenlerin her birine göre kesin artan olduğundan, \(u\) azaldıkça \(v\) artar.
Dolayısıyla \(Y\), bir kenar boyunca \(V\)'ye doğru ilerlerken \(Z\), sonraki kenar boyunca \(V\)'den uzaklaşır. Başlangıçta ve sonda \(m=s\) olduğundan \(X=O\)'dır. \[ u=v=\frac{s}{2\cos\theta}, \] olduğunda \(m=s/\cos\theta\), dolayısıyla \(X=P_V\) olur. Bu nedenle süreklilik, \(X\)'in \(OP_V\) doğru parçasının tamamını taramasını sağlar.
\(V=B\) ile başlandığında bu hareket \((X,Y,Z)=(O,A,B)\) konumundan başlar. Hareketin ardışık köşelerde tekrarlanmasıyla, hem \(Y\)'nin hem de \(Z\)'nin sınırın tamamını taradığı ve iddia edilen her doğru parçasının tarandığı sürekli bir hareket elde edilir.
Son olarak, sınırın tamamını tarayan ve koşulları sağlayan her hareket için geometrik yer aynıdır. Dejenere olmayan üçgenin yönelimi sürekli bir hareketle değişemez. Çokgeni \(A,B\) köşeleri bu sırayla ardışık olacak biçimde yönlendirdiğimizde, bu yönelim \(Z\)'yi, \(Y\)'yi içeren kenardan sonraki kenarda bulunmaya zorlar. Bu durumda (3) denklemi, \(Y\)'den \(Z\)'yi ve dolayısıyla \(X\)'i tek türlü belirler. Bu nedenle \(Y\) sınırın tamamını taradığında, yukarıda açıklanan bütün konumlar ortaya çıkmak zorundadır. Geometrik yer tam olarak belirtilen birleşimdir.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1986 · Problema 4
Sean \(A, B\) dos vértices adyacentes de un polígono regular de \(n\) lados \((n \geq 5)\) en el plano, con centro en \(O\). Un triángulo \(XYZ\), congruente con \(OAB\) y que inicialmente coincide con él, se mueve en el plano de tal manera que tanto \(Y\) como \(Z\) recorren toda la frontera del polígono, mientras \(X\) permanece en el interior del polígono. Hallar el lugar geométrico de \(X\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Escribamos \(R=OA\) y \(\theta=\pi/n\). Para cada vértice \(V\), sea \(P_V\) el punto situado más allá de \(O\) en la semirrecta de origen \(V\) que pasa por \(O\), con \[ OP_V=R\left(\sec\theta-1\right). \] El lugar geométrico es la unión de los \(n\) segmentos \(OP_V\).
Solución
Sean \[ s=AB=2R\sin\theta,\qquad r=R\cos\theta. \] Así, \(XY=XZ=R\), \(YZ=s\), y la altura del triángulo \(XYZ\) desde \(X\) es \(r\).
Primero demostraremos que dos puntos de la frontera cuya distancia es \(s\) siempre pueden considerarse situados en dos lados adyacentes.
Si están en el mismo lado, deben ser sus extremos, y la afirmación se sigue de inmediato. Consideremos ahora dos lados no adyacentes. Su menor separación cíclica es un entero \[ 2\leq k\leq \lfloor n/2\rfloor. \] Tomemos \(O\) como origen y giremos los ejes de coordenadas de modo que los radios que pasan por sus puntos medios tengan argumentos \(-k\theta\) y \(k\theta\). Los extremos del lado superior tienen argumentos \((k-1)\theta,(k+1)\theta\), y los del lado inferior tienen los opuestos de estos argumentos.
Como \[ \sin((k+1)\theta)-\sin((k-1)\theta) =2\cos(k\theta)\sin\theta\geq0, \] todo punto del lado superior tiene coordenada vertical al menos \(R\sin((k-1)\theta)\), y todo punto del lado inferior tiene coordenada vertical a lo sumo igual al opuesto de ese valor. Por tanto, la distancia entre dos puntos cualesquiera de estos lados es al menos \[ 2R\sin((k-1)\theta)\geq2R\sin\theta=s. \] Aquí \(\theta\leq(k-1)\theta<\pi/2\), por lo que la igualdad exige \(k=2\). Además, \(\cos(2\theta)>0\), porque \(n\geq5\). Así, la igualdad exige que los puntos sean los extremos de argumentos \(-\theta,\theta\), que son vértices adyacentes. Estos también pueden asignarse a dos lados adyacentes. Esto demuestra la afirmación, incluidos todos los casos en que intervienen vértices.
Sea ahora \(V\) el vértice común de dos lados que contienen a \(Y,Z\). Elijamos coordenadas locales con \[ V=(0,0),\qquad O=(R,0), \] y, intercambiando \(Y,Z\) para este cálculo si es necesario, escribamos \[ Y=(u\sin\theta,u\cos\theta),\qquad Z=(v\sin\theta,-v\cos\theta), \qquad 0\leq u,v\leq s. \] Sean \(m=u+v\) y \(d=u-v\). La condición \(YZ=s\) se convierte en \[ s^2=m^2\cos^2\theta+d^2\sin^2\theta. \tag{1} \]
El punto medio de \(YZ\) es \[ M=\left(\frac{m\sin\theta}{2},\frac{d\cos\theta}{2}\right), \] y un vector perpendicular a \(YZ\), de longitud \(s\), es \[ (m\cos\theta,-d\sin\theta). \] Como \(r/s=\tfrac12\cot\theta\), las dos posiciones posibles del vértice son \[ X_+=\left(\frac{m}{2\sin\theta},0\right), \qquad X_-=\left(-\frac{m\cos2\theta}{2\sin\theta},d\cos\theta\right). \] Todo el polígono está contenido en el semiplano \(x\geq0\). Como \(m>0\) y \(\cos2\theta>0\), el punto \(X_-\) está fuera del polígono. Por tanto, \[ X=X_+=\left(\frac{m}{2\sin\theta},0\right). \tag{2} \]
Como \(|d|\leq m\), la ecuación (1) da \[ m^2\cos^2\theta\leq s^2\leq m^2, \] de donde \[ s\leq m\leq\frac{s}{\cos\theta}. \] Usando (2) y \(s=2R\sin\theta\), obtenemos \[ R\leq VX\leq R\sec\theta. \] Así, \(X\) pertenece al segmento \(OP_V\) indicado.
Todos estos segmentos están estrictamente en el interior del polígono. En efecto, \(\theta<\pi/4\), por lo que \[ OP_V=R(\sec\theta-1) <R(\sqrt2-1) <\frac{R}{\sqrt2} <R\cos\theta=r. \] El disco de centro \(O\) y radio \(r\) es el círculo inscrito en el polígono.
Queda por demostrar que se alcanzan todos los puntos de los segmentos en el movimiento prescrito. Para un vértice fijo \(V\), hagamos que \(u\) disminuya continuamente de \(s\) a \(0\), y definamos \[ v=-u\cos2\theta+ \sqrt{s^2-u^2\sin^22\theta}. \] Esta es la única solución no negativa de \[ u^2+v^2+2uv\cos2\theta=s^2. \tag{3} \] Pertenece a \([0,s]\) y varía continuamente de \(0\) a \(s\). Además, como el miembro izquierdo de (3) es estrictamente creciente respecto de cualquiera de las dos variables no negativas, \(v\) aumenta cuando \(u\) disminuye.
En consecuencia, \(Y\) recorre un lado hacia \(V\), mientras \(Z\) recorre el lado siguiente alejándose de \(V\). Al principio y al final, \(m=s\), por lo que \(X=O\). Cuando \[ u=v=\frac{s}{2\cos\theta}, \] tenemos \(m=s/\cos\theta\), por lo que \(X=P_V\). Por continuidad, \(X\) recorre todo el segmento \(OP_V\).
Comenzando con \(V=B\), este movimiento parte de \((X,Y,Z)=(O,A,B)\). Al repetirlo en los vértices sucesivos se obtiene un movimiento continuo en el que tanto \(Y\) como \(Z\) recorren toda la frontera y se recorre cada uno de los segmentos indicados.
Por último, el lugar geométrico es el mismo para cualquier movimiento permitido que recorra la frontera. La orientación del triángulo no degenerado no puede cambiar de forma continua. Si orientamos el polígono de modo que \(A,B\) aparezcan consecutivamente en ese orden, esta orientación obliga a que \(Z\) esté en el lado siguiente al que contiene a \(Y\). La ecuación (3) determina entonces \(Z\), y por tanto \(X\), de manera única a partir de \(Y\). Por consiguiente, cuando \(Y\) recorre toda la frontera, deben producirse todas las configuraciones descritas anteriormente. El lugar geométrico es exactamente la unión indicada.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1986 · 问题 4
设 \(A, B\) 是平面内一个以 \(O\) 为中心的正 \(n\) 边形 \((n \geq 5)\) 的两个相邻顶点。三角形 \(XYZ\) 与 \(OAB\) 全等,且初始时与其重合,它在平面内运动,使得 \(Y\) 和 \(Z\) 各自遍历该多边形的整个边界,而 \(X\) 始终位于多边形内部。求 \(X\) 的轨迹。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
记 \(R=OA\)、\(\theta=\pi/n\)。对于每个顶点 \(V\),在从 \(V\) 出发经过 \(O\) 的射线上、\(O\) 的另一侧取点 \(P_V\),使得 \[ OP_V=R\left(\sec\theta-1\right). \] 所求轨迹为这 \(n\) 条线段 \(OP_V\) 的并集。
解答
令 \[ s=AB=2R\sin\theta,\qquad r=R\cos\theta. \] 于是 \(XY=XZ=R\)、\(YZ=s\),且三角形 \(XYZ\) 从 \(X\) 引出的高为 \(r\)。
我们先证明:边界上距离为 \(s\) 的两点,总可以看作分别位于两条相邻边上。
若它们位于同一条边上,则必为该边的两个端点,结论成立。现在考虑两条不相邻的边。沿两个循环方向计算它们的间隔,较小的间隔为某个整数 \[ 2\leq k\leq \lfloor n/2\rfloor. \] 以 \(O\) 为原点,并旋转坐标系,使经过这两条边中点的半径的辐角分别为 \(-k\theta\) 和 \(k\theta\)。上方那条边的端点的辐角为 \((k-1)\theta,(k+1)\theta\),而下方那条边的端点的辐角分别为它们的相反数。
由于 \[ \sin((k+1)\theta)-\sin((k-1)\theta) =2\cos(k\theta)\sin\theta\geq0, \] 上方那条边上每一点的纵坐标都至少为 \(R\sin((k-1)\theta)\),而下方那条边上每一点的纵坐标都至多为这个数的相反数。因此,任意这样的两点之间的距离至少为 \[ 2R\sin((k-1)\theta)\geq2R\sin\theta=s. \] 这里 \(\theta\leq(k-1)\theta<\pi/2\),所以等号成立必须有 \(k=2\)。此外,因为 \(n\geq5\),有 \(\cos(2\theta)>0\)。因此,等号成立必须要求这两点是辐角为 \(-\theta,\theta\) 的端点,它们是相邻顶点。这两点也可以分别归属于两条相邻边。这样便证明了上述结论,包括涉及顶点的所有情形。
现在设 \(V\) 为分别包含 \(Y,Z\) 的两条边的公共顶点。选取局部坐标系,使得 \[ V=(0,0),\qquad O=(R,0), \] 并且,若有必要,在本次计算中交换 \(Y,Z\),写成 \[ Y=(u\sin\theta,u\cos\theta),\qquad Z=(v\sin\theta,-v\cos\theta), \qquad 0\leq u,v\leq s. \] 令 \(m=u+v\)、\(d=u-v\)。条件 \(YZ=s\) 化为 \[ s^2=m^2\cos^2\theta+d^2\sin^2\theta. \tag{1} \]
\(YZ\) 的中点为 \[ M=\left(\frac{m\sin\theta}{2},\frac{d\cos\theta}{2}\right), \] 而一个垂直于 \(YZ\)、长度为 \(s\) 的向量为 \[ (m\cos\theta,-d\sin\theta). \] 由于 \(r/s=\tfrac12\cot\theta\),顶点的两个可能位置为 \[ X_+=\left(\frac{m}{2\sin\theta},0\right), \qquad X_-=\left(-\frac{m\cos2\theta}{2\sin\theta},d\cos\theta\right). \] 整个多边形位于半平面 \(x\geq0\) 内。因为 \(m>0\) 且 \(\cos2\theta>0\),点 \(X_-\) 位于多边形外部。因此 \[ X=X_+=\left(\frac{m}{2\sin\theta},0\right). \tag{2} \]
由于 \(|d|\leq m\),由方程 (1) 得 \[ m^2\cos^2\theta\leq s^2\leq m^2, \] 所以 \[ s\leq m\leq\frac{s}{\cos\theta}. \] 利用 (2) 及 \(s=2R\sin\theta\),得到 \[ R\leq VX\leq R\sec\theta. \] 因此,\(X\) 属于所述线段 \(OP_V\)。
所有这些线段都严格位于多边形内部。事实上,\(\theta<\pi/4\),所以 \[ OP_V=R(\sec\theta-1) <R(\sqrt2-1) <\frac{R}{\sqrt2} <R\cos\theta=r. \] 以 \(O\) 为圆心、\(r\) 为半径的圆盘就是该多边形的内切圆所围成的圆盘。
下面还需证明,在题目规定的运动中,这些线段上的每一点都能达到。对于固定的顶点 \(V\),令 \(u\) 从 \(s\) 连续减小到 \(0\),并令 \[ v=-u\cos2\theta+ \sqrt{s^2-u^2\sin^22\theta}. \] 这是方程 \[ u^2+v^2+2uv\cos2\theta=s^2. \tag{3} \] 的唯一非负解。它位于 \([0,s]\) 内,并从 \(0\) 连续变化到 \(s\)。此外,由于 (3) 的左端关于任一非负变量都严格递增,因此当 \(u\) 减小时,\(v\) 增大。
于是,\(Y\) 沿一条边向 \(V\) 运动,而 \(Z\) 沿下一条边远离 \(V\) 运动。在起点和终点处,\(m=s\),所以 \(X=O\)。当 \[ u=v=\frac{s}{2\cos\theta}, \] 时,有 \(m=s/\cos\theta\),所以 \(X=P_V\)。因此,由连续性可知,\(X\) 遍历整条线段 \(OP_V\)。
从 \(V=B\) 开始,这一运动的初始位置为 \((X,Y,Z)=(O,A,B)\)。在后续各顶点处依次重复这一过程,就得到一个连续运动,其中 \(Y\) 和 \(Z\) 都遍历整个边界,且所述每条线段都被遍历。
最后,对于任何满足条件且遍历边界的运动,轨迹都是相同的。非退化三角形的定向不能在连续运动中改变。给多边形选定一个方向,使 \(A,B\) 按此顺序相邻出现,则这一定向迫使 \(Z\) 位于包含 \(Y\) 的边的下一条边上。于是,方程 (3) 由 \(Y\) 唯一确定 \(Z\),从而也唯一确定 \(X\)。因此,当 \(Y\) 遍历整个边界时,上述所有构型都必然出现。所求轨迹恰为所述并集。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1986 · Задача 4
Пусть \(A, B\) — соседние вершины правильного \(n\)-угольника \((n \geq 5)\) на плоскости с центром \(O\). Треугольник \(XYZ\), равный треугольнику \(OAB\) и первоначально совпадающий с ним, движется на плоскости так, что каждая из точек \(Y\) и \(Z\) описывает всю границу многоугольника, а точка \(X\) остаётся внутри многоугольника. Найдите геометрическое место точек \(X\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Положим \(R=OA\) и \(\theta=\pi/n\). Для каждой вершины \(V\) возьмём на луче из \(V\), проходящем через \(O\), за точкой \(O\) точку \(P_V\), для которой \[ OP_V=R\left(\sec\theta-1\right). \] Искомое геометрическое место — объединение \(n\) отрезков \(OP_V\).
Решение
Пусть \[ s=AB=2R\sin\theta,\qquad r=R\cos\theta. \] Тогда \(XY=XZ=R\), \(YZ=s\), а высота треугольника \(XYZ\), проведённая из \(X\), равна \(r\).
Сначала покажем, что две точки границы, находящиеся на расстоянии \(s\) друг от друга, всегда можно считать лежащими на двух соседних сторонах.
Если они лежат на одной стороне, то они должны быть её концами, и утверждение выполнено. Теперь рассмотрим две несоседние стороны. Меньшее из двух чисел шагов между ними при обходе сторон многоугольника есть некоторое целое число \[ 2\leq k\leq \lfloor n/2\rfloor. \] Возьмём \(O\) за начало координат и повернём систему координат так, чтобы радиусы, проходящие через середины этих сторон, имели аргументы \(-k\theta\) и \(k\theta\). Концы верхней стороны имеют аргументы \((k-1)\theta,(k+1)\theta\), а концы нижней — противоположные им аргументы.
Поскольку \[ \sin((k+1)\theta)-\sin((k-1)\theta) =2\cos(k\theta)\sin\theta\geq0, \] вертикальная координата каждой точки верхней стороны не меньше \(R\sin((k-1)\theta)\), а вертикальная координата каждой точки нижней стороны не больше противоположного числа. Поэтому расстояние между любыми двумя такими точками не меньше \[ 2R\sin((k-1)\theta)\geq2R\sin\theta=s. \] Здесь \(\theta\leq(k-1)\theta<\pi/2\), поэтому равенство возможно лишь при \(k=2\). Кроме того, \(\cos(2\theta)>0\), так как \(n\geq5\). Следовательно, равенство возможно лишь тогда, когда точки являются концами сторон с аргументами \(-\theta,\theta\), то есть соседними вершинами. Их тоже можно отнести к двум соседним сторонам. Это доказывает утверждение, включая все случаи, когда точки совпадают с вершинами.
Теперь пусть \(V\) — общая вершина двух сторон, содержащих \(Y,Z\). Выберем локальную систему координат, в которой \[ V=(0,0),\qquad O=(R,0), \] и, при необходимости поменяв местами \(Y,Z\) для этого вычисления, запишем \[ Y=(u\sin\theta,u\cos\theta),\qquad Z=(v\sin\theta,-v\cos\theta), \qquad 0\leq u,v\leq s. \] Положим \(m=u+v\) и \(d=u-v\). Условие \(YZ=s\) принимает вид \[ s^2=m^2\cos^2\theta+d^2\sin^2\theta. \tag{1} \]
Середина \(YZ\) имеет координаты \[ M=\left(\frac{m\sin\theta}{2},\frac{d\cos\theta}{2}\right), \] а вектор длины \(s\), перпендикулярный \(YZ\), равен \[ (m\cos\theta,-d\sin\theta). \] Поскольку \(r/s=\tfrac12\cot\theta\), два возможных положения вершины имеют вид \[ X_+=\left(\frac{m}{2\sin\theta},0\right), \qquad X_-=\left(-\frac{m\cos2\theta}{2\sin\theta},d\cos\theta\right). \] Весь многоугольник лежит в полуплоскости \(x\geq0\). Так как \(m>0\) и \(\cos2\theta>0\), точка \(X_-\) находится вне многоугольника. Поэтому \[ X=X_+=\left(\frac{m}{2\sin\theta},0\right). \tag{2} \]
Так как \(|d|\leq m\), из уравнения (1) получаем \[ m^2\cos^2\theta\leq s^2\leq m^2, \] откуда \[ s\leq m\leq\frac{s}{\cos\theta}. \] Используя (2) и \(s=2R\sin\theta\), получаем \[ R\leq VX\leq R\sec\theta. \] Таким образом, \(X\) принадлежит указанному отрезку \(OP_V\).
Все эти отрезки лежат строго внутри многоугольника. Действительно, \(\theta<\pi/4\), поэтому \[ OP_V=R(\sec\theta-1) <R(\sqrt2-1) <\frac{R}{\sqrt2} <R\cos\theta=r. \] Круг с центром \(O\) радиуса \(r\) является вписанным кругом многоугольника.
Остаётся доказать, что при движении, описанном в условии, достигаются все точки этих отрезков. Для фиксированной вершины \(V\) будем непрерывно уменьшать \(u\) от \(s\) до \(0\) и положим \[ v=-u\cos2\theta+ \sqrt{s^2-u^2\sin^22\theta}. \] Это единственное неотрицательное решение уравнения \[ u^2+v^2+2uv\cos2\theta=s^2. \tag{3} \] Оно принадлежит \([0,s]\) и непрерывно меняется от \(0\) до \(s\). Кроме того, поскольку левая часть (3) строго возрастает по каждой из неотрицательных переменных, \(v\) увеличивается при уменьшении \(u\).
Следовательно, \(Y\) движется по одной стороне к \(V\), а \(Z\) — по следующей стороне от \(V\). В начале и в конце \(m=s\), поэтому \(X=O\). При \[ u=v=\frac{s}{2\cos\theta}, \] имеем \(m=s/\cos\theta\), поэтому \(X=P_V\). В силу непрерывности \(X\) проходит весь отрезок \(OP_V\).
Если начать с \(V=B\), это движение начинается в положении \((X,Y,Z)=(O,A,B)\). Повторяя его для последовательных вершин, получаем непрерывное движение, при котором и \(Y\), и \(Z\) описывают всю границу, а каждый из указанных отрезков проходится целиком.
Наконец, геометрическое место одно и то же при любом допустимом движении, охватывающем всю границу. Ориентация невырожденного треугольника не может измениться непрерывно. Выбрав направление обхода многоугольника так, чтобы \(A,B\) шли подряд именно в этом порядке, видим, что эта ориентация вынуждает \(Z\) лежать на стороне, следующей за стороной, содержащей \(Y\). Тогда уравнение (3) однозначно определяет \(Z\), а значит, и \(X\) по точке \(Y\). Поэтому, когда \(Y\) проходит всю границу, обязательно возникают все описанные выше положения. Искомое геометрическое место в точности совпадает с указанным объединением.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1986 · المسألة 4
لتكن \(A, B\) رأسين متجاورين في مضلع منتظم ذي \(n\) ضلعًا \((n \geq 5)\) في المستوى، مركزه \(O\). يتحرك في المستوى مثلث \(XYZ\)، مطابق للمثلث \(OAB\) ومنطبق عليه في البداية، بحيث ترسم كل من \(Y\) و\(Z\) حدود المضلع كاملة، وتبقى \(X\) داخل المضلع. أوجد المحل الهندسي للنقطة \(X\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
نكتب \(R=OA\) و\(\theta=\pi/n\). لكل رأس \(V\)، لتكن \(P_V\) نقطة تقع بعد \(O\) على الشعاع المنطلق من \(V\) والمار بـ\(O\)، بحيث \[ OP_V=R\left(\sec\theta-1\right). \] المحل الهندسي هو اتحاد \(n\) قطعة مستقيمة هي القطع \(OP_V\).
الحل
ليكن \[ s=AB=2R\sin\theta,\qquad r=R\cos\theta. \] إذن \(XY=XZ=R\)، و\(YZ=s\)، وارتفاع المثلث \(XYZ\) من \(X\) يساوي \(r\).
نثبت أولًا أن أي نقطتين على حدود المضلع تفصل بينهما مسافة \(s\) يمكن دائمًا اعتبارهما واقعتين على ضلعين متجاورين.
إذا وقعتا على الضلع نفسه، فلا بد أن تكونا طرفيه، ومن ثم تتحقق العبارة. لننظر الآن في ضلعين غير متجاورين. المسافة الدورية الأصغر بينهما، مقيسة بعدد الأضلاع، هي عدد صحيح \[ 2\leq k\leq \lfloor n/2\rfloor. \] نتخذ \(O\) مبدأً للإحداثيات، وندير المحاور بحيث تكون زاويتا نصفي القطر المارين بمنتصفَي الضلعين هما \(-k\theta\) و\(k\theta\). زاويتا طرفَي الضلع العلوي هما \((k-1)\theta,(k+1)\theta\)، وزاويتا طرفَي الضلع السفلي هما سالبا هاتين الزاويتين.
بما أن \[ \sin((k+1)\theta)-\sin((k-1)\theta) =2\cos(k\theta)\sin\theta\geq0, \] فإن الإحداثي الرأسي لكل نقطة على الضلع العلوي لا يقل عن \(R\sin((k-1)\theta)\)، والإحداثي الرأسي لكل نقطة على الضلع السفلي لا يزيد على سالب هذا المقدار. ومن ثم فإن المسافة بين أي نقطتين من هذا القبيل لا تقل عن \[ 2R\sin((k-1)\theta)\geq2R\sin\theta=s. \] هنا \(\theta\leq(k-1)\theta<\pi/2\)، لذا يستلزم تحقق المساواة أن يكون \(k=2\). وفوق ذلك، فإن \(\cos(2\theta)>0\)، لأن \(n\geq5\). لذا يستلزم تحقق المساواة أن تكون النقطتان هما الطرفين ذوي الزاويتين \(-\theta,\theta\)، وهما رأسان متجاوران. ويمكن أيضًا اعتبارهما واقعتين على ضلعين متجاورين. وهذا يثبت العبارة، بما يشمل جميع الحالات التي تقع فيها النقاط عند الرؤوس.
لتكن الآن \(V\) الرأس المشترك لضلعين يحتويان \(Y,Z\). نختار إحداثيات محلية بحيث \[ V=(0,0),\qquad O=(R,0), \] ونكتب، بعد تبادل \(Y,Z\) في هذا الحساب إذا لزم الأمر، \[ Y=(u\sin\theta,u\cos\theta),\qquad Z=(v\sin\theta,-v\cos\theta), \qquad 0\leq u,v\leq s. \] نضع \(m=u+v\) و\(d=u-v\). يصبح الشرط \(YZ=s\) \[ s^2=m^2\cos^2\theta+d^2\sin^2\theta. \tag{1} \]
منتصف \(YZ\) هو \[ M=\left(\frac{m\sin\theta}{2},\frac{d\cos\theta}{2}\right), \] ومتجه عمودي على \(YZ\)، طوله \(s\)، هو \[ (m\cos\theta,-d\sin\theta). \] بما أن \(r/s=\tfrac12\cot\theta\)، فإن الموضعين الممكنين للرأس هما \[ X_+=\left(\frac{m}{2\sin\theta},0\right), \qquad X_-=\left(-\frac{m\cos2\theta}{2\sin\theta},d\cos\theta\right). \] يقع المضلع كله في نصف المستوى \(x\geq0\). وبما أن \(m>0\) و\(\cos2\theta>0\)، فإن النقطة \(X_-\) تقع خارج المضلع. لذلك \[ X=X_+=\left(\frac{m}{2\sin\theta},0\right). \tag{2} \]
بما أن \(|d|\leq m\)، تعطينا المعادلة (1) \[ m^2\cos^2\theta\leq s^2\leq m^2, \] ومن ثم \[ s\leq m\leq\frac{s}{\cos\theta}. \] باستخدام (2) و\(s=2R\sin\theta\)، نحصل على \[ R\leq VX\leq R\sec\theta. \] إذن تنتمي \(X\) إلى القطعة \(OP_V\) المذكورة.
تقع هذه القطع كلها داخل المضلع تمامًا. بالفعل، \(\theta<\pi/4\)، لذا \[ OP_V=R(\sec\theta-1) <R(\sqrt2-1) <\frac{R}{\sqrt2} <R\cos\theta=r. \] القرص الذي مركزه \(O\) ونصف قطره \(r\) هو القرص المحاط بالدائرة الداخلية للمضلع.
يبقى أن نثبت أن الحركة الموصوفة تبلغ جميع نقاط هذه القطع. لرأس ثابت \(V\)، ندع \(u\) يتناقص باستمرار من \(s\) إلى \(0\)، ونضع \[ v=-u\cos2\theta+ \sqrt{s^2-u^2\sin^22\theta}. \] هذا هو الحل الوحيد غير السالب للمعادلة \[ u^2+v^2+2uv\cos2\theta=s^2. \tag{3} \] وهو ينتمي إلى \([0,s]\) ويتغير باستمرار من \(0\) إلى \(s\). وفوق ذلك، بما أن الطرف الأيسر من (3) متزايد تمامًا بالنسبة إلى كل من المتغيرين غير السالبين، فإن \(v\) يزداد عندما يتناقص \(u\).
وعليه، تتحرك \(Y\) على أحد الضلعين نحو \(V\)، بينما تتحرك \(Z\) على الضلع التالي مبتعدة عن \(V\). في البداية والنهاية، يكون \(m=s\)، ومن ثم \(X=O\). وعند \[ u=v=\frac{s}{2\cos\theta}, \] يكون لدينا \(m=s/\cos\theta\)، ومن ثم \(X=P_V\). لذا يضمن الاستمرار أن تجتاز \(X\) القطعة \(OP_V\) كاملة.
بالبدء من \(V=B\)، تبدأ هذه الحركة عند \((X,Y,Z)=(O,A,B)\). وتكرارها عند الرؤوس المتتالية ينتج حركة مستمرة ترسم فيها كل من \(Y\) و\(Z\) الحدود كاملة، وتُجتاز فيها كل قطعة من القطع المذكورة.
أخيرًا، يكون المحل الهندسي نفسه لأي حركة مسموح بها تغطي الحدود. لا يمكن أن يتغير توجيه المثلث غير المنعدم بحركة مستمرة. إذا وجّهنا المضلع بحيث تأتي \(A,B\) متتاليتين بهذا الترتيب، فإن هذا التوجيه يفرض وقوع \(Z\) على الضلع التالي للضلع الذي يحتوي \(Y\). وعندئذ تحدد المعادلة (3) النقطة \(Z\)، ومن ثم \(X\)، تحديدًا وحيدًا انطلاقًا من \(Y\). لذلك، عندما تغطي \(Y\) الحدود كاملة، فلا بد أن تتحقق جميع الأوضاع الموصوفة أعلاه. فالمحل الهندسي هو بالضبط الاتحاد المذكور.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).