IMO 1988 · Problem 1
Consider two coplanar circles of radii \(R\) and \(r\) (\(R>r\)) with the same center. Let \(P\) be a fixed point on the smaller circle and \(B\) a variable point on the larger circle. The line \(BP\) meets the larger circle again at \(C\). The perpendicular \(l\) to \(BP\) at \(P\) meets the smaller circle again at \(A\). (If \(l\) is tangent to the circle at \(P\) then \(A=P\).)
(i) Find the set of values of \(BC^2+CA^2+AB^2\).
(ii) Find the locus of the midpoint of \(BC\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
(i) The singleton set \[ \boxed{\{6R^2+2r^2\}}. \]
(ii) The entire circle with diameter \(OP\), where \(O\) is the common center, including the points \(O\) and \(P\).
Solution
Let \(O\) be the common center. Since \(OP=r<R\), every line through \(P\) meets the larger circle at two distinct points, with \(P\) between them.
(i) For any choice of \(B\), choose orthonormal coordinates with \(P=(0,0)\) and \(BP\) as the horizontal axis. Write \(O=(u,v)\). Then \[ u^2+v^2=r^2. \]
The larger circle has equation \[ (x-u)^2+(y-v)^2=R^2. \] Consequently, its intersections with \(BP\) are, in some order, \[ B=(u+d,0),\qquad C=(u-d,0), \qquad d=\sqrt{R^2-v^2}>0. \]
The line \(l\) is \(x=0\). Its intersections with the smaller circle satisfy \[ u^2+(y-v)^2=r^2=u^2+v^2, \] so \(y(y-2v)=0\). Thus \[ A=(0,2v). \] When \(v=0\), this gives \(A=P\), exactly as prescribed for the tangent case.
It follows that \[ \begin{aligned} BC^2+CA^2+AB^2 &=4d^2+\bigl((u-d)^2+4v^2\bigr) +\bigl((u+d)^2+4v^2\bigr)\\ &=6d^2+2u^2+8v^2\\ &=6(R^2-v^2)+2u^2+8v^2\\ &=6R^2+2(u^2+v^2)\\ &=6R^2+2r^2. \end{aligned} \] Hence the requested set contains precisely this one value.
(ii) Let \(M\) be the midpoint of \(BC\). The midpoint of a chord is the orthogonal projection of the center onto the chord’s line. Therefore, if \(M\ne O,P\), then \[ OM\perp PM. \] By Thales’ theorem, \(M\) lies on the circle with diameter \(OP\). If \(M=O\) or \(M=P\), it also lies on that circle.
To prove that every point of this circle occurs, let \(X\) be any point on it.
- If \(X\ne O,P\), Thales’ theorem gives \(OX\perp PX\). Choose \(B,C\) as the intersections of the line \(PX\) with the larger circle. Since \(OX\) is perpendicular to this chord, \(X\) is its midpoint.
- If \(X=O\), choose \(B,C\) on the line \(OP\). The chord is a diameter, whose midpoint is \(O\).
- If \(X=P\), choose \(B,C\) on the line through \(P\) perpendicular to \(OP\). The perpendicular from \(O\) to this chord meets it at \(P\), so its midpoint is \(P\).
All these lines meet the larger circle at two distinct points because they pass through its interior point \(P\). Thus the locus is exactly the entire circle with diameter \(OP\).
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1988 · Aufgabe 1
Gegeben seien zwei Kreise in einer Ebene mit den Radien \(R\) und \(r\) (\(R>r\)) und demselben Mittelpunkt. Sei \(P\) ein fester Punkt auf dem kleineren Kreis und \(B\) ein veränderlicher Punkt auf dem größeren Kreis. Die Gerade \(BP\) schneidet den größeren Kreis ein zweites Mal in \(C\). Die Senkrechte \(l\) zu \(BP\) durch \(P\) schneidet den kleineren Kreis ein zweites Mal in \(A\). (Falls \(l\) den Kreis in \(P\) berührt, sei \(A=P\).)
(i) Bestimme die Menge der möglichen Werte von \(BC^2+CA^2+AB^2\).
(ii) Bestimme den geometrischen Ort des Mittelpunkts von \(BC\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
(i) Die einelementige Menge \[ \boxed{\{6R^2+2r^2\}}. \]
(ii) Der gesamte Kreis mit dem Durchmesser \(OP\), wobei \(O\) der gemeinsame Mittelpunkt ist, einschließlich der Punkte \(O\) und \(P\).
Lösung
Sei \(O\) der gemeinsame Mittelpunkt. Wegen \(OP=r<R\) schneidet jede Gerade durch \(P\) den größeren Kreis in zwei verschiedenen Punkten, zwischen denen \(P\) liegt.
(i) Wähle für eine beliebige Wahl von \(B\) ein orthonormales Koordinatensystem mit \(P=(0,0)\) und \(BP\) als waagerechter Achse. Schreibe \(O=(u,v)\). Dann gilt \[ u^2+v^2=r^2. \]
Der größere Kreis hat die Gleichung \[ (x-u)^2+(y-v)^2=R^2. \] Seine Schnittpunkte mit \(BP\) sind daher, bis auf Vertauschung, \[ B=(u+d,0),\qquad C=(u-d,0), \qquad d=\sqrt{R^2-v^2}>0. \]
Die Gerade \(l\) hat die Gleichung \(x=0\). Ihre Schnittpunkte mit dem kleineren Kreis erfüllen \[ u^2+(y-v)^2=r^2=u^2+v^2, \] also gilt \(y(y-2v)=0\). Somit ist \[ A=(0,2v). \] Für \(v=0\) ergibt sich daraus \(A=P\), genau wie für den Tangentenfall festgelegt.
Es folgt \[ \begin{aligned} BC^2+CA^2+AB^2 &=4d^2+\bigl((u-d)^2+4v^2\bigr) +\bigl((u+d)^2+4v^2\bigr)\\ &=6d^2+2u^2+8v^2\\ &=6(R^2-v^2)+2u^2+8v^2\\ &=6R^2+2(u^2+v^2)\\ &=6R^2+2r^2. \end{aligned} \] Die gesuchte Menge enthält also genau diesen einen Wert.
(ii) Sei \(M\) der Mittelpunkt von \(BC\). Der Mittelpunkt einer Sehne ist die orthogonale Projektion des Kreismittelpunkts auf die Gerade, auf der die Sehne liegt. Für \(M\ne O,P\) gilt daher \[ OM\perp PM. \] Nach dem Satz des Thales liegt \(M\) auf dem Kreis mit dem Durchmesser \(OP\). Ist \(M=O\) oder \(M=P\), so liegt \(M\) ebenfalls auf diesem Kreis.
Um zu zeigen, dass jeder Punkt dieses Kreises auftritt, sei \(X\) ein beliebiger Punkt auf ihm.
- Ist \(X\ne O,P\), so gilt nach dem Satz des Thales \(OX\perp PX\). Wähle als \(B,C\) die Schnittpunkte der Geraden \(PX\) mit dem größeren Kreis. Da \(OX\) senkrecht auf dieser Sehne steht, ist \(X\) ihr Mittelpunkt.
- Ist \(X=O\), so wähle \(B,C\) auf der Geraden \(OP\). Die Sehne ist ein Durchmesser, dessen Mittelpunkt \(O\) ist.
- Ist \(X=P\), so wähle \(B,C\) auf der Geraden durch \(P\), die senkrecht auf \(OP\) steht. Das Lot von \(O\) auf diese Sehne trifft sie in \(P\), also ist \(P\) ihr Mittelpunkt.
Alle diese Geraden schneiden den größeren Kreis in zwei verschiedenen Punkten, da sie durch den in seinem Inneren liegenden Punkt \(P\) verlaufen. Der geometrische Ort ist somit genau der gesamte Kreis mit dem Durchmesser \(OP\).
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1988 · Soru 1
Aynı düzlemde bulunan, merkezleri ortak ve yarıçapları \(R\) ve \(r\) (\(R>r\)) olan iki çember veriliyor. \(P\), küçük çember üzerinde sabit bir nokta, \(B\) ise büyük çember üzerinde değişken bir nokta olsun. \(BP\) doğrusu büyük çemberi ikinci kez \(C\) noktasında kesiyor. \(P\) noktasından \(BP\)'ye çizilen \(l\) dik doğrusu, küçük çemberi ikinci kez \(A\) noktasında kesiyor. (\(l\) doğrusu çembere \(P\) noktasında teğetse \(A=P\) alınır.)
(i) \(BC^2+CA^2+AB^2\) ifadesinin alabileceği değerler kümesini bulunuz.
(ii) \(BC\)'nin orta noktasının geometrik yerini bulunuz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
(i) Tek elemanlı \[ \boxed{\{6R^2+2r^2\}} \] kümesi.
(ii) \(O\) ortak merkez olmak üzere, \(O\) ve \(P\) noktaları da dahil, çapı \(OP\) olan çemberin tamamı.
Çözüm
Ortak merkez \(O\) olsun. \(OP=r<R\) olduğundan, \(P\)'den geçen her doğru büyük çemberi iki farklı noktada keser ve \(P\) bu iki nokta arasında kalır.
(i) Herhangi bir \(B\) seçimi için, \(P=(0,0)\) olacak ve yatay eksen \(BP\) doğrusu olacak biçimde bir dik birim koordinat sistemi seçelim. \(O=(u,v)\) yazalım. O hâlde \[ u^2+v^2=r^2. \]
Büyük çemberin denklemi \[ (x-u)^2+(y-v)^2=R^2 \] olur. Dolayısıyla, \(BP\) ile kesişim noktaları, sıraları değişebilmek üzere, \[ B=(u+d,0),\qquad C=(u-d,0), \qquad d=\sqrt{R^2-v^2}>0 \] biçimindedir.
\(l\) doğrusunun denklemi \(x=0\)'dır. Küçük çemberle kesişim noktaları \[ u^2+(y-v)^2=r^2=u^2+v^2, \] eşitliğini sağlar; buradan \(y(y-2v)=0\) elde edilir. Böylece \[ A=(0,2v). \] \(v=0\) olduğunda bu eşitlik, teğet durumunda belirtildiği gibi, \(A=P\) verir.
Buradan \[ \begin{aligned} BC^2+CA^2+AB^2 &=4d^2+\bigl((u-d)^2+4v^2\bigr) +\bigl((u+d)^2+4v^2\bigr)\\ &=6d^2+2u^2+8v^2\\ &=6(R^2-v^2)+2u^2+8v^2\\ &=6R^2+2(u^2+v^2)\\ &=6R^2+2r^2 \end{aligned} \] elde edilir. Dolayısıyla istenen küme yalnızca bu değeri içerir.
(ii) \(BC\)'nin orta noktası \(M\) olsun. Bir kirişin orta noktası, merkezin kirişin bulunduğu doğru üzerindeki dik izdüşümüdür. Bu nedenle, \(M\ne O,P\) ise \[ OM\perp PM. \] Thales teoremine göre \(M\), çapı \(OP\) olan çember üzerindedir. \(M=O\) veya \(M=P\) olduğunda da bu çember üzerindedir.
Bu çemberin her noktasının elde edilebildiğini kanıtlamak için, çember üzerinde herhangi bir \(X\) noktası alalım.
- \(X\ne O,P\) ise Thales teoreminden \(OX\perp PX\) elde edilir. \(B,C\) noktalarını, \(PX\) doğrusunun büyük çemberle kesişim noktaları olarak seçelim. \(OX\) bu kirişe dik olduğundan, \(X\) kirişin orta noktasıdır.
- \(X=O\) ise \(B,C\) noktalarını \(OP\) doğrusu üzerinde seçelim. Kiriş bir çaptır ve orta noktası \(O\)'dur.
- \(X=P\) ise \(B,C\) noktalarını, \(P\)'den geçen ve \(OP\)'ye dik olan doğru üzerinde seçelim. \(O\)'dan bu kirişe indirilen dikme, kirişi \(P\) noktasında keser; dolayısıyla kirişin orta noktası \(P\)'dir.
Bu doğruların tümü, büyük çemberin içindeki \(P\) noktasından geçtiği için çemberi iki farklı noktada keser. Böylece geometrik yer, tam olarak çapı \(OP\) olan çemberin tamamıdır.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1988 · Problema 1
Considérense dos circunferencias coplanarias de radios \(R\) y \(r\) (\(R>r\)) con el mismo centro. Sea \(P\) un punto fijo de la circunferencia menor y \(B\) un punto variable de la circunferencia mayor. La recta \(BP\) corta de nuevo a la circunferencia mayor en \(C\). La perpendicular \(l\) a \(BP\) por \(P\) corta de nuevo a la circunferencia menor en \(A\). (Si \(l\) es tangente a la circunferencia en \(P\), entonces \(A=P\).)
(i) Hallar el conjunto de valores de \(BC^2+CA^2+AB^2\).
(ii) Hallar el lugar geométrico del punto medio de \(BC\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
(i) El conjunto unitario \[ \boxed{\{6R^2+2r^2\}}. \]
(ii) La circunferencia completa de diámetro \(OP\), donde \(O\) es el centro común, incluidos los puntos \(O\) y \(P\).
Solución
Sea \(O\) el centro común. Como \(OP=r<R\), toda recta que pasa por \(P\) corta a la circunferencia mayor en dos puntos distintos, con \(P\) entre ellos.
(i) Para cualquier elección de \(B\), elijamos coordenadas ortonormales con \(P=(0,0)\) y \(BP\) como eje horizontal. Escribamos \(O=(u,v)\). Entonces \[ u^2+v^2=r^2. \]
La circunferencia mayor tiene ecuación \[ (x-u)^2+(y-v)^2=R^2. \] Por consiguiente, sus intersecciones con \(BP\) son, en algún orden, \[ B=(u+d,0),\qquad C=(u-d,0), \qquad d=\sqrt{R^2-v^2}>0. \]
La recta \(l\) es \(x=0\). Sus intersecciones con la circunferencia menor satisfacen \[ u^2+(y-v)^2=r^2=u^2+v^2, \] por lo que \(y(y-2v)=0\). Así, \[ A=(0,2v). \] Cuando \(v=0\), esto da \(A=P\), exactamente como se establece para el caso de tangencia.
Se sigue que \[ \begin{aligned} BC^2+CA^2+AB^2 &=4d^2+\bigl((u-d)^2+4v^2\bigr) +\bigl((u+d)^2+4v^2\bigr)\\ &=6d^2+2u^2+8v^2\\ &=6(R^2-v^2)+2u^2+8v^2\\ &=6R^2+2(u^2+v^2)\\ &=6R^2+2r^2. \end{aligned} \] Por tanto, el conjunto pedido contiene precisamente este único valor.
(ii) Sea \(M\) el punto medio de \(BC\). El punto medio de una cuerda es la proyección ortogonal del centro sobre la recta que contiene la cuerda. Por tanto, si \(M\ne O,P\), entonces \[ OM\perp PM. \] Por el teorema de Tales, \(M\) pertenece a la circunferencia de diámetro \(OP\). Si \(M=O\) o \(M=P\), también pertenece a esa circunferencia.
Para demostrar que se obtiene cada punto de esta circunferencia, sea \(X\) un punto cualquiera de ella.
- Si \(X\ne O,P\), el teorema de Tales da \(OX\perp PX\). Elijamos \(B,C\) como las intersecciones de la recta \(PX\) con la circunferencia mayor. Como \(OX\) es perpendicular a esta cuerda, \(X\) es su punto medio.
- Si \(X=O\), elijamos \(B,C\) sobre la recta \(OP\). La cuerda es un diámetro, cuyo punto medio es \(O\).
- Si \(X=P\), elijamos \(B,C\) sobre la recta que pasa por \(P\) y es perpendicular a \(OP\). La perpendicular desde \(O\) a esta cuerda la corta en \(P\), por lo que su punto medio es \(P\).
Todas estas rectas cortan a la circunferencia mayor en dos puntos distintos porque pasan por su punto interior \(P\). Así, el lugar geométrico es exactamente la circunferencia completa de diámetro \(OP\).
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1988 · 问题 1
平面内有两个同心圆,半径分别为 \(R\) 和 \(r\)(\(R>r\))。 设 \(P\) 为小圆上的一个定点,\(B\) 为大圆上的一个动点。直线 \(BP\) 与大圆的另一个交点为 \(C\)。过 \(P\) 作 \(BP\) 的垂线 \(l\),与小圆的另一个交点为 \(A\)。(若 \(l\) 在 \(P\) 点与小圆相切,则令 \(A=P\)。)
(i) 求 \(BC^2+CA^2+AB^2\) 的取值集合。
(ii) 求 \(BC\) 中点的轨迹。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
(i) 仅含一个元素的集合 \[ \boxed{\{6R^2+2r^2\}}. \]
(ii) 以 \(OP\) 为直径的整个圆,包括点 \(O\) 和 \(P\),其中 \(O\) 为两圆的公共圆心。
解答
设 \(O\) 为两圆的公共圆心。由于 \(OP=r<R\),每条过 \(P\) 的直线都与大圆交于两个不同的点,且 \(P\) 位于这两点之间。
(i) 对于任意选定的 \(B\),建立平面直角坐标系,使 \(P=(0,0)\),并以 \(BP\) 为横轴。记 \(O=(u,v)\)。则 \[ u^2+v^2=r^2. \]
大圆的方程为 \[ (x-u)^2+(y-v)^2=R^2. \] 因此,它与 \(BP\) 的两个交点的坐标为下式所示,两点的次序可以互换: \[ B=(u+d,0),\qquad C=(u-d,0), \qquad d=\sqrt{R^2-v^2}>0. \]
直线 \(l\) 的方程为 \(x=0\)。它与小圆的交点满足 \[ u^2+(y-v)^2=r^2=u^2+v^2, \] 故 \(y(y-2v)=0\)。于是 \[ A=(0,2v). \] 当 \(v=0\) 时,上式给出 \(A=P\),恰好符合相切情形下的约定。
由此可得 \[ \begin{aligned} BC^2+CA^2+AB^2 &=4d^2+\bigl((u-d)^2+4v^2\bigr) +\bigl((u+d)^2+4v^2\bigr)\\ &=6d^2+2u^2+8v^2\\ &=6(R^2-v^2)+2u^2+8v^2\\ &=6R^2+2(u^2+v^2)\\ &=6R^2+2r^2. \end{aligned} \] 所以,所求集合恰好只含这一个值。
(ii) 设 \(M\) 为 \(BC\) 的中点。弦的中点是圆心在弦所在直线上的正投影。因此,若 \(M\ne O,P\),则 \[ OM\perp PM. \] 由泰勒斯定理,\(M\) 位于以 \(OP\) 为直径的圆上。若 \(M=O\) 或 \(M=P\),它也在该圆上。
为证明该圆上的每一点都能取到,任取圆上一点 \(X\)。
- 若 \(X\ne O,P\),由泰勒斯定理可得 \(OX\perp PX\)。取直线 \(PX\) 与大圆的交点为 \(B,C\)。由于 \(OX\) 垂直于这条弦,\(X\) 就是它的中点。
- 若 \(X=O\),取直线 \(OP\) 与大圆的交点为 \(B,C\)。此时弦为直径,其中点为 \(O\)。
- 若 \(X=P\),取过 \(P\) 且垂直于 \(OP\) 的直线与大圆的交点为 \(B,C\)。从 \(O\) 向这条弦所作垂线的垂足为 \(P\),所以其中点为 \(P\)。
所有这些直线都经过大圆的内部点 \(P\),因而均与大圆交于两个不同的点。因此,所求轨迹恰好是以 \(OP\) 为直径的整个圆。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1988 · Задача 1
Рассмотрим две лежащие в одной плоскости окружности радиусов \(R\) и \(r\) (\(R>r\)) с общим центром. Пусть \(P\) — фиксированная точка меньшей окружности, а \(B\) — переменная точка большей окружности. Прямая \(BP\) вторично пересекает большую окружность в точке \(C\). Перпендикуляр \(l\) к \(BP\), проведённый через \(P\), вторично пересекает меньшую окружность в точке \(A\). (Если \(l\) касается окружности в точке \(P\), то \(A=P\).)
(i) Найдите множество значений \(BC^2+CA^2+AB^2\).
(ii) Найдите геометрическое место середин отрезков \(BC\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
(i) Одноэлементное множество \[ \boxed{\{6R^2+2r^2\}}. \]
(ii) Вся окружность с диаметром \(OP\), где \(O\) — общий центр, включая точки \(O\) и \(P\).
Решение
Пусть \(O\) — общий центр. Поскольку \(OP=r<R\), любая прямая, проходящая через \(P\), пересекает большую окружность в двух различных точках, между которыми лежит \(P\).
(i) При любом выборе \(B\) введём прямоугольную систему координат с началом \(P=(0,0)\), взяв \(BP\) за горизонтальную ось. Обозначим \(O=(u,v)\). Тогда \[ u^2+v^2=r^2. \]
Большая окружность задаётся уравнением \[ (x-u)^2+(y-v)^2=R^2. \] Следовательно, её точки пересечения с \(BP\), с точностью до перестановки, имеют координаты \[ B=(u+d,0),\qquad C=(u-d,0), \qquad d=\sqrt{R^2-v^2}>0. \]
Прямая \(l\) задаётся уравнением \(x=0\). Её точки пересечения с меньшей окружностью удовлетворяют равенству \[ u^2+(y-v)^2=r^2=u^2+v^2, \] откуда \(y(y-2v)=0\). Таким образом, \[ A=(0,2v). \] При \(v=0\) получаем \(A=P\), в точности как предусмотрено условием для случая касания.
Отсюда следует, что \[ \begin{aligned} BC^2+CA^2+AB^2 &=4d^2+\bigl((u-d)^2+4v^2\bigr) +\bigl((u+d)^2+4v^2\bigr)\\ &=6d^2+2u^2+8v^2\\ &=6(R^2-v^2)+2u^2+8v^2\\ &=6R^2+2(u^2+v^2)\\ &=6R^2+2r^2. \end{aligned} \] Следовательно, искомое множество содержит ровно одно это значение.
(ii) Пусть \(M\) — середина \(BC\). Середина хорды является ортогональной проекцией центра окружности на прямую, содержащую хорду. Поэтому, если \(M\ne O,P\), то \[ OM\perp PM. \] По теореме об угле, опирающемся на диаметр, \(M\) лежит на окружности с диаметром \(OP\). Если \(M=O\) или \(M=P\), то эта точка также лежит на указанной окружности.
Чтобы доказать, что каждая точка этой окружности принадлежит искомому геометрическому месту, возьмём на ней произвольную точку \(X\).
- Если \(X\ne O,P\), то по теореме об угле, опирающемся на диаметр, \(OX\perp PX\). Выберем в качестве \(B,C\) точки пересечения прямой \(PX\) с большей окружностью. Поскольку \(OX\) перпендикулярна этой хорде, \(X\) — её середина.
- Если \(X=O\), выберем \(B,C\) на прямой \(OP\). Полученная хорда является диаметром, середина которого — точка \(O\).
- Если \(X=P\), выберем \(B,C\) на прямой, проходящей через \(P\) перпендикулярно \(OP\). Перпендикуляр, опущенный из \(O\) на эту хорду, пересекает её в точке \(P\), поэтому её середина — точка \(P\).
Все эти прямые пересекают большую окружность в двух различных точках, поскольку проходят через её внутреннюю точку \(P\). Таким образом, искомое геометрическое место — в точности вся окружность с диаметром \(OP\).
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1988 · المسألة 1
لتكن دائرتان في مستوى واحد، نصفا قطريهما \(R\) و\(r\) (\(R>r\)) ولهما المركز نفسه. لتكن \(P\) نقطة ثابتة على الدائرة الصغرى و\(B\) نقطة متغيرة على الدائرة الكبرى. يقطع المستقيم \(BP\) الدائرة الكبرى مرة أخرى عند \(C\). ويقطع المستقيم \(l\) العمودي على \(BP\) عند \(P\) الدائرة الصغرى مرة أخرى عند \(A\). (إذا كان \(l\) مماسًا للدائرة عند \(P\)، فإن \(A=P\).)
(i) أوجد مجموعة قيم \(BC^2+CA^2+AB^2\).
(ii) أوجد المحل الهندسي لمنتصف \(BC\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
(i) المجموعة ذات العنصر الوحيد \[ \boxed{\{6R^2+2r^2\}}. \]
(ii) الدائرة كاملةً التي قطرها \(OP\)، حيث \(O\) هو المركز المشترك، بما في ذلك النقطتان \(O\) و\(P\).
الحل
ليكن \(O\) المركز المشترك. بما أن \(OP=r<R\)، فإن كل مستقيم يمر بالنقطة \(P\) يقطع الدائرة الكبرى في نقطتين مختلفتين تقع \(P\) بينهما.
(i) لأي اختيار للنقطة \(B\)، نختار جهاز إحداثيات متعامدًا ومتجانسًا بحيث تكون \(P=(0,0)\) ويكون \(BP\) المحور الأفقي. لنكتب \(O=(u,v)\). عندئذ \[ u^2+v^2=r^2. \]
معادلة الدائرة الكبرى هي \[ (x-u)^2+(y-v)^2=R^2. \] ومن ثم فإن نقطتي تقاطعها مع \(BP\) هما، بترتيب ما، \[ B=(u+d,0),\qquad C=(u-d,0), \qquad d=\sqrt{R^2-v^2}>0. \]
معادلة المستقيم \(l\) هي \(x=0\). وتحقق نقطتا تقاطعه مع الدائرة الصغرى \[ u^2+(y-v)^2=r^2=u^2+v^2, \] ومن ثم \(y(y-2v)=0\). وعليه \[ A=(0,2v). \] عندما يكون \(v=0\)، نحصل على \(A=P\)، تمامًا كما هو منصوص عليه في حالة التماس.
ينتج عن ذلك أن \[ \begin{aligned} BC^2+CA^2+AB^2 &=4d^2+\bigl((u-d)^2+4v^2\bigr) +\bigl((u+d)^2+4v^2\bigr)\\ &=6d^2+2u^2+8v^2\\ &=6(R^2-v^2)+2u^2+8v^2\\ &=6R^2+2(u^2+v^2)\\ &=6R^2+2r^2. \end{aligned} \] إذن لا تحتوي المجموعة المطلوبة إلا على هذه القيمة الواحدة.
(ii) لتكن \(M\) منتصف \(BC\). منتصف الوتر هو المسقط العمودي للمركز على المستقيم الحامل للوتر. ولذلك، إذا كانت \(M\ne O,P\)، فإن \[ OM\perp PM. \] وبحسب مبرهنة طاليس، تقع \(M\) على الدائرة التي قطرها \(OP\). وإذا كانت \(M=O\) أو \(M=P\)، فإنها تقع أيضًا على تلك الدائرة.
لإثبات أن كل نقطة من هذه الدائرة يمكن أن تكون منتصفًا، لتكن \(X\) أي نقطة عليها.
- إذا كانت \(X\ne O,P\)، فإن مبرهنة طاليس تعطي \(OX\perp PX\). نختار \(B,C\) نقطتي تقاطع المستقيم \(PX\) مع الدائرة الكبرى. بما أن \(OX\) عمودي على هذا الوتر، فإن \(X\) منتصفه.
- إذا كانت \(X=O\)، نختار \(B,C\) على المستقيم \(OP\). يكون الوتر قطرًا، ومنتصفه هو \(O\).
- إذا كانت \(X=P\)، نختار \(B,C\) على المستقيم المار بالنقطة \(P\) والعمودي على \(OP\). يلتقي العمود النازل من \(O\) على هذا الوتر به عند \(P\)، ولذلك فإن منتصفه هو \(P\).
تقطع جميع هذه المستقيمات الدائرة الكبرى في نقطتين مختلفتين لأنها تمر بالنقطة \(P\) الواقعة داخلها. ومن ثم فإن المحل الهندسي هو بالضبط الدائرة كاملةً التي قطرها \(OP\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).