IMO 1988 · Problem 5
\(ABC\) is a triangle right-angled at \(A\), and \(D\) is the foot of the altitude from \(A\). The straight line joining the incenters of the triangles \(ABD\), \(ACD\) intersects the sides \(AB\), \(AC\) at the points \(K\), \(L\) respectively. \(S\) and \(T\) denote the areas of the triangles \(ABC\) and \(AKL\) respectively. Show that \(S \geq 2T\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Write \[ AB=b,\qquad AC=c,\qquad BC=a=\sqrt{b^2+c^2},\qquad AD=h. \] Computing the area of \(ABC\) in two ways gives \[ h=\frac{bc}{a}. \] Choose coordinates \(A=(0,0)\), \(B=(b,0)\), \(C=(0,c)\). We shall prove that the line joining the two incenters has equation \[ x+y=h. \]
Let \(I\) be the incenter of \(ABD\), with inradius \(r\). Denote the incircle’s contact points with \(AD,AB,BD\) by \(E,F,G\), respectively. Since \(\angle ADB=90^\circ\) and the radii \(IE,IG\) are perpendicular to the corresponding sides, \(DEIG\) is a square. Thus \(DE=r\).
The tangent segments from \(A\) to this incircle are equal, so \[ AF=AE=AD-DE=h-r. \] As \(IF\perp AB\) and \(IF=r\), we obtain \[ I=(h-r,r). \] Likewise, if \(J\) is the incenter of \(ACD\), with inradius \(s\), the same argument gives \[ J=(s,h-s). \]
Both centers therefore lie on \(x+y=h\). They are distinct, since they lie in the interiors of the two triangles on opposite sides of \(AD\). Consequently, this is precisely the line \(IJ\), and \[ K=(h,0),\qquad L=(0,h). \] Moreover, \(a>b,c\), so \(0<h<\min(b,c)\); hence these intersections lie strictly inside the stated sides.
It follows that \[ T=\frac{h^2}{2} =\frac{b^2c^2}{2(b^2+c^2)}, \qquad S=\frac{bc}{2}. \] Therefore \[ S-2T =\frac{bc}{2}-\frac{b^2c^2}{b^2+c^2} =\frac{bc(b-c)^2}{2(b^2+c^2)} \geq 0. \] Thus \(S\geq 2T\), with equality exactly when \(AB=AC\).
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1988 · Aufgabe 5
\(ABC\) ist ein bei \(A\) rechtwinkliges Dreieck, und \(D\) ist der Fußpunkt der Höhe von \(A\). Die Verbindungsgerade der Inkreismittelpunkte der Dreiecke \(ABD\), \(ACD\) schneidet die Seiten \(AB\), \(AC\) in den Punkten \(K\) beziehungsweise \(L\). Mit \(S\) und \(T\) werden die Flächeninhalte der Dreiecke \(ABC\) beziehungsweise \(AKL\) bezeichnet. Zeige, dass \(S \geq 2T\) gilt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Schreibe \[ AB=b,\qquad AC=c,\qquad BC=a=\sqrt{b^2+c^2},\qquad AD=h. \] Berechnet man den Flächeninhalt von \(ABC\) auf zwei Arten, so erhält man \[ h=\frac{bc}{a}. \] Wähle die Koordinaten \(A=(0,0)\), \(B=(b,0)\), \(C=(0,c)\). Wir werden zeigen, dass die Verbindungsgerade der beiden Inkreismittelpunkte die Gleichung \[ x+y=h \] hat.
Sei \(I\) der Inkreismittelpunkt von \(ABD\) und \(r\) der Inkreisradius. Bezeichne die Berührpunkte des Inkreises mit \(AD,AB,BD\) mit \(E,F,G\) in dieser Reihenfolge. Da \(\angle ADB=90^\circ\) gilt und die Radien \(IE,IG\) senkrecht auf den zugehörigen Seiten stehen, ist \(DEIG\) ein Quadrat. Somit gilt \(DE=r\).
Die Tangentenabschnitte von \(A\) an diesen Inkreis sind gleich lang, also gilt \[ AF=AE=AD-DE=h-r. \] Wegen \(IF\perp AB\) und \(IF=r\) erhalten wir \[ I=(h-r,r). \] Ist entsprechend \(J\) der Inkreismittelpunkt von \(ACD\) und \(s\) der Inkreisradius, so ergibt dasselbe Argument \[ J=(s,h-s). \]
Beide Mittelpunkte liegen also auf \(x+y=h\). Sie sind verschieden, da sie im Inneren der beiden Dreiecke auf verschiedenen Seiten von \(AD\) liegen. Folglich ist dies genau die Gerade \(IJ\), und es gilt \[ K=(h,0),\qquad L=(0,h). \] Außerdem ist \(a>b,c\), also gilt \(0<h<\min(b,c)\); daher liegen diese Schnittpunkte im Inneren der angegebenen Seiten.
Es folgt \[ T=\frac{h^2}{2} =\frac{b^2c^2}{2(b^2+c^2)}, \qquad S=\frac{bc}{2}. \] Damit gilt \[ S-2T =\frac{bc}{2}-\frac{b^2c^2}{b^2+c^2} =\frac{bc(b-c)^2}{2(b^2+c^2)} \geq 0. \] Somit gilt \(S\geq 2T\), wobei Gleichheit genau dann eintritt, wenn \(AB=AC\).
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1988 · Soru 5
\(ABC\), \(A\) köşesi dik olan bir üçgen ve \(D\), \(A\)'dan çizilen yüksekliğin ayağıdır. \(ABD\) ve \(ACD\) üçgenlerinin içteğet çemberlerinin merkezlerini birleştiren doğru, \(AB\) ve \(AC\) kenarlarını sırasıyla \(K\) ve \(L\) noktalarında kesiyor. \(S\) ve \(T\), sırasıyla \(ABC\) ve \(AKL\) üçgenlerinin alanlarını göstersin. \(S \geq 2T\) olduğunu gösteriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\[ AB=b,\qquad AC=c,\qquad BC=a=\sqrt{b^2+c^2},\qquad AD=h \] yazalım. \(ABC\)'nin alanını iki yoldan hesaplayarak \[ h=\frac{bc}{a} \] elde ederiz. \(A=(0,0)\), \(B=(b,0)\), \(C=(0,c)\) olacak biçimde koordinat seçelim. İki içteğet çemberinin merkezlerini birleştiren doğrunun denkleminin \[ x+y=h \] olduğunu kanıtlayacağız.
\(ABD\)'nin içteğet çemberinin merkezi \(I\), yarıçapı \(r\) olsun. Bu çemberin \(AD,AB,BD\) ile teğet noktalarını sırasıyla \(E,F,G\) ile gösterelim. \(\angle ADB=90^\circ\) olduğundan ve \(IE,IG\) yarıçapları ilgili kenarlara dik olduğundan, \(DEIG\) bir karedir. Böylece \(DE=r\)'dir.
\(A\)'dan bu içteğet çemberine çizilen teğet parçalarının uzunlukları eşit olduğundan \[ AF=AE=AD-DE=h-r. \] \(IF\perp AB\) ve \(IF=r\) olduğundan \[ I=(h-r,r) \] elde ederiz. Benzer biçimde, \(ACD\)'nin içteğet çemberinin merkezi \(J\), yarıçapı \(s\) ise aynı akıl yürütmeyle \[ J=(s,h-s) \] elde edilir.
Dolayısıyla her iki merkez de \(x+y=h\) doğrusu üzerindedir. Bu merkezler, \(AD\)'nin karşı taraflarında bulunan iki üçgenin iç bölgelerinde yer aldıklarından birbirinden farklıdır. Bu nedenle söz konusu doğru tam olarak \(IJ\) doğrusudur ve \[ K=(h,0),\qquad L=(0,h). \] Ayrıca \(a>b,c\) olduğundan \(0<h<\min(b,c)\)'dir; dolayısıyla bu kesişim noktaları belirtilen kenarların uç noktaları arasında bulunur.
Buradan \[ T=\frac{h^2}{2} =\frac{b^2c^2}{2(b^2+c^2)}, \qquad S=\frac{bc}{2} \] elde edilir. Dolayısıyla \[ S-2T =\frac{bc}{2}-\frac{b^2c^2}{b^2+c^2} =\frac{bc(b-c)^2}{2(b^2+c^2)} \geq 0. \] Böylece \(S\geq 2T\)'dir ve eşitlik tam olarak \(AB=AC\) olduğunda sağlanır.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1988 · Problema 5
\(ABC\) es un triángulo rectángulo en \(A\), y \(D\) es el pie de la altura trazada desde \(A\). La recta que une los incentros de los triángulos \(ABD\), \(ACD\) corta a los lados \(AB\), \(AC\) en los puntos \(K\), \(L\), respectivamente. \(S\) y \(T\) denotan las áreas de los triángulos \(ABC\) y \(AKL\), respectivamente. Demostrar que \(S \geq 2T\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Escribamos \[ AB=b,\qquad AC=c,\qquad BC=a=\sqrt{b^2+c^2},\qquad AD=h. \] Al calcular el área de \(ABC\) de dos maneras, obtenemos \[ h=\frac{bc}{a}. \] Elijamos coordenadas \(A=(0,0)\), \(B=(b,0)\), \(C=(0,c)\). Demostraremos que la recta que une los dos incentros tiene ecuación \[ x+y=h. \]
Sea \(I\) el incentro de \(ABD\), cuyo inradio es \(r\). Denotemos por \(E,F,G\) los puntos de tangencia de la circunferencia inscrita con \(AD,AB,BD\), respectivamente. Como \(\angle ADB=90^\circ\) y los radios \(IE,IG\) son perpendiculares a los lados correspondientes, \(DEIG\) es un cuadrado. Así, \(DE=r\).
Los segmentos tangentes trazados desde \(A\) a esta circunferencia inscrita son iguales, por lo que \[ AF=AE=AD-DE=h-r. \] Como \(IF\perp AB\) e \(IF=r\), obtenemos \[ I=(h-r,r). \] Análogamente, si \(J\) es el incentro de \(ACD\), cuyo inradio es \(s\), el mismo argumento da \[ J=(s,h-s). \]
Por tanto, ambos centros pertenecen a \(x+y=h\). Son distintos, pues se encuentran en el interior de los dos triángulos, en lados opuestos de \(AD\). Por consiguiente, esta es precisamente la recta \(IJ\), y \[ K=(h,0),\qquad L=(0,h). \] Además, \(a>b,c\), por lo que \(0<h<\min(b,c)\); por tanto, estas intersecciones se encuentran estrictamente en el interior de los lados indicados.
Se sigue que \[ T=\frac{h^2}{2} =\frac{b^2c^2}{2(b^2+c^2)}, \qquad S=\frac{bc}{2}. \] Por tanto, \[ S-2T =\frac{bc}{2}-\frac{b^2c^2}{b^2+c^2} =\frac{bc(b-c)^2}{2(b^2+c^2)} \geq 0. \] Así, \(S\geq 2T\), con igualdad exactamente cuando \(AB=AC\).
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1988 · 问题 5
\(ABC\) 是以 \(A\) 为直角顶点的直角三角形,\(D\) 是从 \(A\) 所作高的垂足。连接三角形 \(ABD\)、\(ACD\) 的内心的直线分别与边 \(AB\)、\(AC\) 交于点 \(K\)、\(L\)。\(S\) 和 \(T\) 分别表示三角形 \(ABC\) 和 \(AKL\) 的面积。证明 \(S \geq 2T\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
记 \[ AB=b,\qquad AC=c,\qquad BC=a=\sqrt{b^2+c^2},\qquad AD=h. \] 用两种方法计算 \(ABC\) 的面积,得到 \[ h=\frac{bc}{a}. \] 选取坐标系,使 \(A=(0,0)\)、\(B=(b,0)\)、\(C=(0,c)\)。我们将证明,连接这两个内心的直线的方程为 \[ x+y=h. \]
设 \(I\) 为 \(ABD\) 的内心,内切圆半径为 \(r\)。将内切圆与 \(AD,AB,BD\) 的切点分别记为 \(E,F,G\)。由于 \(\angle ADB=90^\circ\),且半径 \(IE,IG\) 垂直于相应的边,\(DEIG\) 是正方形。因此 \(DE=r\)。
从 \(A\) 向该内切圆所作的两条切线段相等,所以 \[ AF=AE=AD-DE=h-r. \] 由于 \(IF\perp AB\) 且 \(IF=r\),得到 \[ I=(h-r,r). \] 类似地,若 \(J\) 为 \(ACD\) 的内心,内切圆半径为 \(s\),由同样的论证可得 \[ J=(s,h-s). \]
因此,两个内心都在 \(x+y=h\) 上。它们分别位于 \(AD\) 两侧的两个三角形内部,所以是两个不同的点。因此,这正是直线 \(IJ\),且 \[ K=(h,0),\qquad L=(0,h). \] 此外,\(a>b,c\),故 \(0<h<\min(b,c)\);所以这两个交点都位于所述边的内部。
由此可得 \[ T=\frac{h^2}{2} =\frac{b^2c^2}{2(b^2+c^2)}, \qquad S=\frac{bc}{2}. \] 因此 \[ S-2T =\frac{bc}{2}-\frac{b^2c^2}{b^2+c^2} =\frac{bc(b-c)^2}{2(b^2+c^2)} \geq 0. \] 所以 \(S\geq 2T\),等号成立当且仅当 \(AB=AC\)。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1988 · Задача 5
\(ABC\) — прямоугольный треугольник с прямым углом при вершине \(A\), а \(D\) — основание высоты, проведённой из \(A\). Прямая, соединяющая центры вписанных окружностей треугольников \(ABD\), \(ACD\), пересекает стороны \(AB\), \(AC\) в точках \(K\), \(L\) соответственно. Через \(S\) и \(T\) обозначены площади треугольников \(ABC\) и \(AKL\) соответственно. Докажите, что \(S \geq 2T\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Обозначим \[ AB=b,\qquad AC=c,\qquad BC=a=\sqrt{b^2+c^2},\qquad AD=h. \] Вычисляя площадь \(ABC\) двумя способами, получаем \[ h=\frac{bc}{a}. \] Выберем координаты \(A=(0,0)\), \(B=(b,0)\), \(C=(0,c)\). Докажем, что прямая, соединяющая центры двух вписанных окружностей, задаётся уравнением \[ x+y=h. \]
Пусть \(I\) — центр вписанной окружности треугольника \(ABD\), а \(r\) — её радиус. Обозначим точки касания этой окружности со сторонами \(AD,AB,BD\) через \(E,F,G\) соответственно. Поскольку \(\angle ADB=90^\circ\), а радиусы \(IE,IG\) перпендикулярны соответствующим сторонам, четырёхугольник \(DEIG\) — квадрат. Поэтому \(DE=r\).
Отрезки касательных, проведённых из \(A\) к этой вписанной окружности, равны, так что \[ AF=AE=AD-DE=h-r. \] Поскольку \(IF\perp AB\) и \(IF=r\), получаем \[ I=(h-r,r). \] Аналогично, если \(J\) — центр вписанной окружности треугольника \(ACD\), а \(s\) — её радиус, то то же рассуждение даёт \[ J=(s,h-s). \]
Таким образом, оба центра лежат на прямой \(x+y=h\). Они различны, поскольку лежат внутри двух треугольников по разные стороны от \(AD\). Следовательно, это и есть прямая \(IJ\), причём \[ K=(h,0),\qquad L=(0,h). \] Кроме того, \(a>b,c\), поэтому \(0<h<\min(b,c)\); значит, эти точки пересечения лежат строго внутри указанных сторон.
Отсюда следует, что \[ T=\frac{h^2}{2} =\frac{b^2c^2}{2(b^2+c^2)}, \qquad S=\frac{bc}{2}. \] Поэтому \[ S-2T =\frac{bc}{2}-\frac{b^2c^2}{b^2+c^2} =\frac{bc(b-c)^2}{2(b^2+c^2)} \geq 0. \] Таким образом, \(S\geq 2T\), причём равенство достигается тогда и только тогда, когда \(AB=AC\).
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1988 · المسألة 5
\(ABC\) مثلث قائم الزاوية عند \(A\)، و\(D\) قدم الارتفاع النازل من \(A\). يقطع المستقيم الواصل بين مركزي الدائرتين الداخليتين للمثلثين \(ABD\)، \(ACD\) الضلعين \(AB\)، \(AC\) في النقطتين \(K\)، \(L\) على الترتيب. يرمز \(S\) و\(T\) إلى مساحتي المثلثين \(ABC\) و\(AKL\) على الترتيب. أثبت أن \(S \geq 2T\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لنكتب \[ AB=b,\qquad AC=c,\qquad BC=a=\sqrt{b^2+c^2},\qquad AD=h. \] بحساب مساحة \(ABC\) بطريقتين نحصل على \[ h=\frac{bc}{a}. \] نختار الإحداثيات \(A=(0,0)\)، \(B=(b,0)\)، \(C=(0,c)\). سنثبت أن معادلة المستقيم الواصل بين مركزي الدائرتين الداخليتين هي \[ x+y=h. \]
ليكن \(I\) مركز الدائرة الداخلية للمثلث \(ABD\)، وليكن نصف قطرها \(r\). نرمز إلى نقاط تماس الدائرة الداخلية مع \(AD,AB,BD\) بالرموز \(E,F,G\) على الترتيب. بما أن \(\angle ADB=90^\circ\) ونصفي القطر \(IE,IG\) عموديان على الضلعين المقابلين لهما، فإن \(DEIG\) مربع. وعليه \(DE=r\).
قطعتا المماسين المرسومتين من \(A\) إلى هذه الدائرة الداخلية متساويتان، ولذلك \[ AF=AE=AD-DE=h-r. \] بما أن \(IF\perp AB\) و\(IF=r\)، نحصل على \[ I=(h-r,r). \] وبالمثل، إذا كان \(J\) مركز الدائرة الداخلية للمثلث \(ACD\)، ونصف قطرها \(s\)، فإن الحجة نفسها تعطي \[ J=(s,h-s). \]
إذن يقع كلا المركزين على \(x+y=h\). وهما مختلفان، لأنهما يقعان داخل المثلثين على جهتين متقابلتين من \(AD\). وبالتالي، فإن هذا هو بالضبط المستقيم \(IJ\)، ولدينا \[ K=(h,0),\qquad L=(0,h). \] علاوة على ذلك، \(a>b,c\)، ولذلك \(0<h<\min(b,c)\)؛ ومن ثم تقع نقطتا التقاطع في داخلي الضلعين المذكورين، دون طرفيهما.
ينتج عن ذلك أن \[ T=\frac{h^2}{2} =\frac{b^2c^2}{2(b^2+c^2)}, \qquad S=\frac{bc}{2}. \] ولذلك \[ S-2T =\frac{bc}{2}-\frac{b^2c^2}{b^2+c^2} =\frac{bc(b-c)^2}{2(b^2+c^2)} \geq 0. \] إذن \(S\geq 2T\)، وتتحقق المساواة إذا وفقط إذا كان \(AB=AC\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).