IMO 1989 · Problem 2
In an acute-angled triangle \(ABC\) the internal bisector of angle \(A\) meets the circumcircle of the triangle again at \(A_1\). Points \(B_1\) and \(C_1\) are defined similarly. Let \(A_0\) be the point of intersection of the line \(AA_1\) with the external bisectors of angles \(B\) and \(C\). Points \(B_0\) and \(C_0\) are defined similarly. Prove that:
(i) The area of the triangle \(A_0B_0C_0\) is twice the area of the hexagon \(AC_1BA_1CB_1\).
(ii) The area of the triangle \(A_0B_0C_0\) is at least four times the area of the triangle \(ABC\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Write \([P_1\cdots P_k]\) for the area of a polygon, and let \(I\) be the incentre of \(ABC\).
The points \(A_0,B_0,C_0\) are the excentres opposite \(A,B,C\), respectively. Thus \(A_0\) lies beyond \(BC\) on the ray \(AI\), and cyclically. Both \(B_0\) and \(C_0\) lie on the external bisector at \(A\), on opposite sides of \(AB\); consequently \(A\) lies between them. Similarly, \[ A\in B_0C_0,\qquad B\in C_0A_0,\qquad C\in A_0B_0. \] In particular, the excentral triangle contains \(ABC\) and \(I\).
(i) We first prove that \(A_1\) is the midpoint of \(IA_0\).
Put \(\alpha=\angle BAC\) and \(\beta=\angle ABC\). The angle-bisector property shows that \(A_1\) is the midpoint of the arc \(BC\) not containing \(A\). By the inscribed-angle theorem, \[ \angle CBA_1=\angle CAA_1=\frac{\alpha}{2}. \] Since \(A,I,A_1\) occur in that order, we obtain \[ \angle IBA_1=\frac{\beta}{2}+\frac{\alpha}{2}, \qquad \angle BIA_1 =180^\circ-\angle BIA =\frac{\alpha+\beta}{2}. \] Hence \(A_1I=A_1B\).
The internal and external bisectors at \(B\) are perpendicular, so \(IB\perp BA_0\). Therefore the midpoint \(M\) of the hypotenuse \(IA_0\) of the right triangle \(IBA_0\) satisfies \(MI=MB\). Both \(M\) and \(A_1\) lie on \(AI\) and on the perpendicular bisector of \(IB\). These two lines are distinct, since \(I\) belongs only to the first, so their intersection is unique. Thus \(A_1=M\).
Cyclically, we have proved \[ A_1=\operatorname{midpoint}(IA_0),\qquad B_1=\operatorname{midpoint}(IB_0),\qquad C_1=\operatorname{midpoint}(IC_0). \]
The six points occur on the circumcircle in the order \[ A,C_1,B,A_1,C,B_1. \] Their convex hexagon contains \(ABC\), hence contains \(I\). Joining \(I\) to its vertices partitions it into six triangles. The midpoint identities give, for example, \[ [IAC_1]=\frac12[IAC_0], \qquad [IC_1B]=\frac12[IC_0B]. \] Adding these relations and their cyclic counterparts yields \[ \begin{aligned} [AC_1BA_1CB_1] &=\frac12\bigl( [IAC_0]+[IC_0B]+[IBA_0]\\ &\hspace{35mm}+[IA_0C]+[ICB_0]+[IB_0A] \bigr)\\ &=\frac12[A_0B_0C_0], \end{aligned} \] because the six triangles inside the parentheses partition the excentral triangle. This proves (i).
(ii) Put \[ a=BC,\qquad b=CA,\qquad c=AB,\qquad s=\frac{a+b+c}{2},\qquad \Delta=[ABC]. \] Let \(r_a\) be the common perpendicular distance from \(A_0\) to the three side lines of \(ABC\), and define \(r_b,r_c\) cyclically.
Since \(A_0\) lies beyond \(BC\) on the internal bisector from \(A\), \[ [A_0AB]+[A_0AC]=[ABC]+[A_0BC]. \] Expressing these areas using their bases on the side lines gives \[ \frac{cr_a}{2}+\frac{br_a}{2} =\Delta+\frac{ar_a}{2}. \] Consequently, \[ r_a=\frac{\Delta}{s-a},\qquad r_b=\frac{\Delta}{s-b},\qquad r_c=\frac{\Delta}{s-c}. \]
The excentral triangle is partitioned into \(ABC\) and the three triangles \(A_0BC,B_0CA,C_0AB\). Therefore \[ \frac{[A_0B_0C_0]}{\Delta} =1+\frac12\left( \frac{a}{s-a}+\frac{b}{s-b}+\frac{c}{s-c} \right). \] Set \[ x=s-a,\qquad y=s-b,\qquad z=s-c. \] These numbers are strictly positive by the triangle inequalities, and \[ a=y+z,\qquad b=z+x,\qquad c=x+y. \] Thus \[ \begin{aligned} \frac{[A_0B_0C_0]}{\Delta} &=1+\frac12\left( \frac{x}{y}+\frac{y}{x} +\frac{y}{z}+\frac{z}{y} +\frac{z}{x}+\frac{x}{z} \right)\\ &\ge 1+\frac12(2+2+2)=4. \end{aligned} \] Here each paired inequality follows from \[ \frac{u}{v}+\frac{v}{u}-2 =\frac{(u-v)^2}{uv}\ge0 \qquad(u,v>0). \] This proves (ii). Equality holds precisely when \(x=y=z\), equivalently when \(ABC\) is equilateral.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1989 · Aufgabe 2
In einem spitzwinkligen Dreieck \(ABC\) schneidet die innere Winkelhalbierende des Winkels \(A\) den Umkreis des Dreiecks ein zweites Mal in \(A_1\). Die Punkte \(B_1\) und \(C_1\) werden entsprechend definiert. Es sei \(A_0\) der Schnittpunkt der Geraden \(AA_1\) mit den äußeren Winkelhalbierenden der Winkel \(B\) und \(C\). Die Punkte \(B_0\) und \(C_0\) werden entsprechend definiert. Man beweise:
(i) Der Flächeninhalt des Dreiecks \(A_0B_0C_0\) ist doppelt so groß wie der Flächeninhalt des Sechsecks \(AC_1BA_1CB_1\).
(ii) Der Flächeninhalt des Dreiecks \(A_0B_0C_0\) ist mindestens viermal so groß wie der Flächeninhalt des Dreiecks \(ABC\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir bezeichnen mit \([P_1\cdots P_k]\) den Flächeninhalt eines Vielecks, und es sei \(I\) der Inkreismittelpunkt von \(ABC\).
Die Punkte \(A_0,B_0,C_0\) sind die Ankreismittelpunkte gegenüber \(A,B,C\). Somit liegt \(A_0\) auf dem Strahl \(AI\) jenseits von \(BC\), und Entsprechendes gilt bei zyklischer Vertauschung. Sowohl \(B_0\) als auch \(C_0\) liegen auf der äußeren Winkelhalbierenden bei \(A\), auf verschiedenen Seiten von \(AB\); folglich liegt \(A\) zwischen ihnen. Entsprechend gilt \[ A\in B_0C_0,\qquad B\in C_0A_0,\qquad C\in A_0B_0. \] Insbesondere enthält das Ankreismittelpunktsdreieck das Dreieck \(ABC\) und den Punkt \(I\).
(i) Wir beweisen zunächst, dass \(A_1\) der Mittelpunkt von \(IA_0\) ist.
Wir setzen \(\alpha=\angle BAC\) und \(\beta=\angle ABC\). Aus der Winkelhalbierendeneigenschaft folgt, dass \(A_1\) der Mittelpunkt des Kreisbogens \(BC\) ist, der \(A\) nicht enthält. Nach dem Peripheriewinkelsatz gilt \[ \angle CBA_1=\angle CAA_1=\frac{\alpha}{2}. \] Da \(A,I,A_1\) in dieser Reihenfolge liegen, erhalten wir \[ \angle IBA_1=\frac{\beta}{2}+\frac{\alpha}{2}, \qquad \angle BIA_1 =180^\circ-\angle BIA =\frac{\alpha+\beta}{2}. \] Also ist \(A_1I=A_1B\).
Die innere und die äußere Winkelhalbierende bei \(B\) stehen senkrecht aufeinander, also gilt \(IB\perp BA_0\). Daher erfüllt der Mittelpunkt \(M\) der Hypotenuse \(IA_0\) des rechtwinkligen Dreiecks \(IBA_0\) die Gleichheit \(MI=MB\). Sowohl \(M\) als auch \(A_1\) liegen auf \(AI\) und auf der Mittelsenkrechten von \(IB\). Diese beiden Geraden sind verschieden, da \(I\) nur auf der ersten liegt, sodass ihr Schnittpunkt eindeutig ist. Somit ist \(A_1=M\).
Durch zyklische Vertauschung haben wir bewiesen: \[ A_1=\operatorname{Mittelpunkt}(IA_0),\qquad B_1=\operatorname{Mittelpunkt}(IB_0),\qquad C_1=\operatorname{Mittelpunkt}(IC_0). \]
Die sechs Punkte liegen auf dem Umkreis in der Reihenfolge \[ A,C_1,B,A_1,C,B_1. \] Ihr konvexes Sechseck enthält \(ABC\) und damit auch \(I\). Verbindet man \(I\) mit seinen Eckpunkten, so wird es in sechs Dreiecke zerlegt. Aus den Mittelpunktbeziehungen folgt beispielsweise \[ [IAC_1]=\frac12[IAC_0], \qquad [IC_1B]=\frac12[IC_0B]. \] Durch Addition dieser Beziehungen und ihrer zyklischen Entsprechungen ergibt sich \[ \begin{aligned} [AC_1BA_1CB_1] &=\frac12\bigl( [IAC_0]+[IC_0B]+[IBA_0]\\ &\hspace{35mm}+[IA_0C]+[ICB_0]+[IB_0A] \bigr)\\ &=\frac12[A_0B_0C_0], \end{aligned} \] denn die sechs Dreiecke innerhalb der Klammern bilden eine Zerlegung des Ankreismittelpunktsdreiecks. Damit ist (i) bewiesen.
(ii) Wir setzen \[ a=BC,\qquad b=CA,\qquad c=AB,\qquad s=\frac{a+b+c}{2},\qquad \Delta=[ABC]. \] Es sei \(r_a\) der gemeinsame senkrechte Abstand von \(A_0\) zu den drei Seitengeraden von \(ABC\), und \(r_b,r_c\) seien durch zyklische Vertauschung definiert.
Da \(A_0\) auf der inneren Winkelhalbierenden von \(A\) jenseits von \(BC\) liegt, gilt \[ [A_0AB]+[A_0AC]=[ABC]+[A_0BC]. \] Drücken wir diese Flächeninhalte mithilfe ihrer Grundseiten auf den Seitengeraden aus, so erhalten wir \[ \frac{cr_a}{2}+\frac{br_a}{2} =\Delta+\frac{ar_a}{2}. \] Folglich gilt \[ r_a=\frac{\Delta}{s-a},\qquad r_b=\frac{\Delta}{s-b},\qquad r_c=\frac{\Delta}{s-c}. \]
Das Ankreismittelpunktsdreieck wird in \(ABC\) und die drei Dreiecke \(A_0BC,B_0CA,C_0AB\) zerlegt. Daher gilt \[ \frac{[A_0B_0C_0]}{\Delta} =1+\frac12\left( \frac{a}{s-a}+\frac{b}{s-b}+\frac{c}{s-c} \right). \] Wir setzen \[ x=s-a,\qquad y=s-b,\qquad z=s-c. \] Nach den Dreiecksungleichungen sind diese Zahlen streng positiv, und es gilt \[ a=y+z,\qquad b=z+x,\qquad c=x+y. \] Somit ist \[ \begin{aligned} \frac{[A_0B_0C_0]}{\Delta} &=1+\frac12\left( \frac{x}{y}+\frac{y}{x} +\frac{y}{z}+\frac{z}{y} +\frac{z}{x}+\frac{x}{z} \right)\\ &\ge 1+\frac12(2+2+2)=4. \end{aligned} \] Dabei folgt jede der paarweisen Ungleichungen aus \[ \frac{u}{v}+\frac{v}{u}-2 =\frac{(u-v)^2}{uv}\ge0 \qquad(u,v>0). \] Damit ist (ii) bewiesen. Gleichheit gilt genau dann, wenn \(x=y=z\), also genau dann, wenn \(ABC\) gleichseitig ist.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1989 · Soru 2
Dar açılı bir \(ABC\) üçgeninde \(A\) açısının iç açıortayı, üçgenin çevrel çemberini ikinci kez \(A_1\) noktasında kesmektedir. \(B_1\) ve \(C_1\) noktaları da benzer biçimde tanımlanıyor. \(AA_1\) doğrusunun \(B\) ve \(C\) açılarının dış açıortaylarıyla kesişim noktası \(A_0\) olsun. \(B_0\) ve \(C_0\) noktaları da benzer biçimde tanımlanıyor. Aşağıdakileri kanıtlayınız:
(i) \(A_0B_0C_0\) üçgeninin alanı, \(AC_1BA_1CB_1\) altıgeninin alanının iki katıdır.
(ii) \(A_0B_0C_0\) üçgeninin alanı, \(ABC\) üçgeninin alanının en az dört katıdır.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Bir çokgenin alanını \([P_1\cdots P_k]\) ile gösterelim ve \(ABC\)'nin içteğet çemberinin merkezi \(I\) olsun.
\(A_0,B_0,C_0\) noktaları, sırasıyla \(A,B,C\) köşelerinin karşısındaki dışteğet çemberlerin merkezleridir. Dolayısıyla \(A_0\), \(AI\) ışını üzerinde \(BC\)'nin ötesinde yer alır; döngüsel olarak diğer noktalar için de aynı durum geçerlidir. \(B_0\) ve \(C_0\)'ın her ikisi de \(A\)'daki dış açıortay üzerinde, \(AB\)'nin farklı taraflarında bulunur; dolayısıyla \(A\), bu iki noktanın arasındadır. Benzer biçimde, \[ A\in B_0C_0,\qquad B\in C_0A_0,\qquad C\in A_0B_0. \] Özellikle, dışteğet çemberlerin merkezlerinin oluşturduğu üçgen, \(ABC\)'yi ve \(I\)'yı içerir.
(i) Önce \(A_1\)'in \(IA_0\)'ın orta noktası olduğunu kanıtlayalım.
\(\alpha=\angle BAC\) ve \(\beta=\angle ABC\) olsun. Açıortay özelliği, \(A_1\)'in \(A\)'yı içermeyen \(BC\) yayının orta noktası olduğunu gösterir. Çevre açı teoremine göre, \[ \angle CBA_1=\angle CAA_1=\frac{\alpha}{2}. \] \(A,I,A_1\) noktaları bu sırayla yer aldığından, \[ \angle IBA_1=\frac{\beta}{2}+\frac{\alpha}{2}, \qquad \angle BIA_1 =180^\circ-\angle BIA =\frac{\alpha+\beta}{2} \] elde edilir. Buradan \(A_1I=A_1B\) olur.
\(B\)'deki iç ve dış açıortaylar birbirine diktir; dolayısıyla \(IB\perp BA_0\) olur. Bu nedenle \(IBA_0\) dik üçgeninin \(IA_0\) hipotenüsünün orta noktası \(M\), \(MI=MB\) eşitliğini sağlar. Hem \(M\) hem de \(A_1\), \(AI\) doğrusu ve \(IB\)'nin orta dikmesi üzerinde bulunur. \(I\) yalnızca birincisine ait olduğundan bu iki doğru farklıdır; dolayısıyla tek bir noktada kesişirler. Böylece \(A_1=M\) olur.
Döngüsel olarak, \[ A_1=\operatorname{orta\ nokta}(IA_0),\qquad B_1=\operatorname{orta\ nokta}(IB_0),\qquad C_1=\operatorname{orta\ nokta}(IC_0) \] eşitliklerini kanıtlamış olduk.
Altı nokta çevrel çember üzerinde \[ A,C_1,B,A_1,C,B_1 \] sırasıyla yer alır. Oluşturdukları dışbükey altıgen \(ABC\)'yi, dolayısıyla \(I\)'yı içerir. \(I\)'yı köşelerine birleştirmek, altıgeni altı üçgene ayırır. Orta nokta eşitliklerinden, örneğin, \[ [IAC_1]=\frac12[IAC_0], \qquad [IC_1B]=\frac12[IC_0B] \] elde edilir. Bu bağıntılar ve döngüsel karşılıkları toplanırsa, \[ \begin{aligned} [AC_1BA_1CB_1] &=\frac12\bigl( [IAC_0]+[IC_0B]+[IBA_0]\\ &\hspace{35mm}+[IA_0C]+[ICB_0]+[IB_0A] \bigr)\\ &=\frac12[A_0B_0C_0], \end{aligned} \] olur; çünkü parantez içindeki altı üçgen, dışteğet çemberlerin merkezlerinin oluşturduğu üçgenin bir parçalanışını oluşturur. Böylece (i) kanıtlanır.
(ii) \[ a=BC,\qquad b=CA,\qquad c=AB,\qquad s=\frac{a+b+c}{2},\qquad \Delta=[ABC] \] olsun. \(A_0\)'ın \(ABC\)'nin üç kenar doğrusuna olan ortak dik uzaklığı \(r_a\) olsun; \(r_b,r_c\)'yi de döngüsel olarak tanımlayalım.
\(A_0\), \(A\)'dan geçen iç açıortay üzerinde \(BC\)'nin ötesinde bulunduğundan, \[ [A_0AB]+[A_0AC]=[ABC]+[A_0BC]. \] Bu alanları kenar doğruları üzerindeki tabanları yardımıyla ifade edersek, \[ \frac{cr_a}{2}+\frac{br_a}{2} =\Delta+\frac{ar_a}{2} \] elde edilir. Dolayısıyla, \[ r_a=\frac{\Delta}{s-a},\qquad r_b=\frac{\Delta}{s-b},\qquad r_c=\frac{\Delta}{s-c}. \]
Dışteğet çemberlerin merkezlerinin oluşturduğu üçgen, \(ABC\) ile \(A_0BC,B_0CA,C_0AB\) üçgenlerine ayrılır. Bu nedenle \[ \frac{[A_0B_0C_0]}{\Delta} =1+\frac12\left( \frac{a}{s-a}+\frac{b}{s-b}+\frac{c}{s-c} \right). \] \[ x=s-a,\qquad y=s-b,\qquad z=s-c \] olarak alalım. Üçgen eşitsizlikleri gereği bu sayılar kesinlikle pozitiftir ve \[ a=y+z,\qquad b=z+x,\qquad c=x+y \] olur. Böylece \[ \begin{aligned} \frac{[A_0B_0C_0]}{\Delta} &=1+\frac12\left( \frac{x}{y}+\frac{y}{x} +\frac{y}{z}+\frac{z}{y} +\frac{z}{x}+\frac{x}{z} \right)\\ &\ge 1+\frac12(2+2+2)=4. \end{aligned} \] Burada her bir terim çifti için kullanılan eşitsizlik, \[ \frac{u}{v}+\frac{v}{u}-2 =\frac{(u-v)^2}{uv}\ge0 \qquad(u,v>0) \] bağıntısından çıkar. Böylece (ii) kanıtlanır. Eşitlik ancak ve ancak \(x=y=z\) olduğunda, yani \(ABC\) eşkenar olduğunda sağlanır.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1989 · Problema 2
En un triángulo acutángulo \(ABC\), la bisectriz interior del ángulo \(A\) vuelve a cortar a la circunferencia circunscrita al triángulo en \(A_1\). Los puntos \(B_1\) y \(C_1\) se definen de manera análoga. Sea \(A_0\) el punto de intersección de la recta \(AA_1\) con las bisectrices exteriores de los ángulos \(B\) y \(C\). Los puntos \(B_0\) y \(C_0\) se definen de manera análoga. Demostrar que:
(i) El área del triángulo \(A_0B_0C_0\) es el doble del área del hexágono \(AC_1BA_1CB_1\).
(ii) El área del triángulo \(A_0B_0C_0\) es al menos cuatro veces el área del triángulo \(ABC\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Denotemos por \([P_1\cdots P_k]\) el área de un polígono, y sea \(I\) el incentro de \(ABC\).
Los puntos \(A_0,B_0,C_0\) son los excentros opuestos a \(A,B,C\), respectivamente. Por tanto, \(A_0\) se encuentra más allá de \(BC\) sobre la semirrecta \(AI\), y análogamente por permutación cíclica. Tanto \(B_0\) como \(C_0\) se encuentran en la bisectriz exterior en \(A\), a lados opuestos de \(AB\); en consecuencia, \(A\) se encuentra entre ellos. Análogamente, \[ A\in B_0C_0,\qquad B\in C_0A_0,\qquad C\in A_0B_0. \] En particular, el triángulo excentral contiene a \(ABC\) y a \(I\).
(i) Primero demostramos que \(A_1\) es el punto medio de \(IA_0\).
Sean \(\alpha=\angle BAC\) y \(\beta=\angle ABC\). La propiedad de la bisectriz muestra que \(A_1\) es el punto medio del arco \(BC\) que no contiene a \(A\). Por el teorema del ángulo inscrito, \[ \angle CBA_1=\angle CAA_1=\frac{\alpha}{2}. \] Como \(A,I,A_1\) aparecen en ese orden, obtenemos \[ \angle IBA_1=\frac{\beta}{2}+\frac{\alpha}{2}, \qquad \angle BIA_1 =180^\circ-\angle BIA =\frac{\alpha+\beta}{2}. \] Por tanto, \(A_1I=A_1B\).
Las bisectrices interior y exterior en \(B\) son perpendiculares, por lo que \(IB\perp BA_0\). Por consiguiente, el punto medio \(M\) de la hipotenusa \(IA_0\) del triángulo rectángulo \(IBA_0\) satisface \(MI=MB\). Tanto \(M\) como \(A_1\) pertenecen a \(AI\) y a la mediatriz de \(IB\). Estas dos rectas son distintas, pues \(I\) pertenece solo a la primera, de modo que su intersección es única. Así, \(A_1=M\).
Por permutación cíclica, hemos demostrado \[ A_1=\operatorname{punto\ medio}(IA_0),\qquad B_1=\operatorname{punto\ medio}(IB_0),\qquad C_1=\operatorname{punto\ medio}(IC_0). \]
Los seis puntos aparecen en la circunferencia circunscrita en el orden \[ A,C_1,B,A_1,C,B_1. \] El hexágono convexo que forman contiene a \(ABC\), por lo que contiene a \(I\). Al unir \(I\) con sus vértices, queda dividido en seis triángulos. Las identidades de los puntos medios dan, por ejemplo, \[ [IAC_1]=\frac12[IAC_0], \qquad [IC_1B]=\frac12[IC_0B]. \] Sumando estas relaciones y sus análogas cíclicas, obtenemos \[ \begin{aligned} [AC_1BA_1CB_1] &=\frac12\bigl( [IAC_0]+[IC_0B]+[IBA_0]\\ &\hspace{35mm}+[IA_0C]+[ICB_0]+[IB_0A] \bigr)\\ &=\frac12[A_0B_0C_0], \end{aligned} \] porque los seis triángulos que aparecen entre paréntesis forman una partición del triángulo excentral. Esto demuestra (i).
(ii) Sean \[ a=BC,\qquad b=CA,\qquad c=AB,\qquad s=\frac{a+b+c}{2},\qquad \Delta=[ABC]. \] Sea \(r_a\) la distancia perpendicular común de \(A_0\) a las tres rectas que contienen los lados de \(ABC\), y definamos \(r_b,r_c\) por permutación cíclica.
Como \(A_0\) se encuentra más allá de \(BC\) sobre la bisectriz interior desde \(A\), \[ [A_0AB]+[A_0AC]=[ABC]+[A_0BC]. \] Expresando estas áreas mediante sus bases sobre las rectas que contienen los lados, obtenemos \[ \frac{cr_a}{2}+\frac{br_a}{2} =\Delta+\frac{ar_a}{2}. \] En consecuencia, \[ r_a=\frac{\Delta}{s-a},\qquad r_b=\frac{\Delta}{s-b},\qquad r_c=\frac{\Delta}{s-c}. \]
El triángulo excentral queda dividido en \(ABC\) y los tres triángulos \(A_0BC,B_0CA,C_0AB\). Por tanto, \[ \frac{[A_0B_0C_0]}{\Delta} =1+\frac12\left( \frac{a}{s-a}+\frac{b}{s-b}+\frac{c}{s-c} \right). \] Sean \[ x=s-a,\qquad y=s-b,\qquad z=s-c. \] Estos números son estrictamente positivos por las desigualdades triangulares, y \[ a=y+z,\qquad b=z+x,\qquad c=x+y. \] Así, \[ \begin{aligned} \frac{[A_0B_0C_0]}{\Delta} &=1+\frac12\left( \frac{x}{y}+\frac{y}{x} +\frac{y}{z}+\frac{z}{y} +\frac{z}{x}+\frac{x}{z} \right)\\ &\ge 1+\frac12(2+2+2)=4. \end{aligned} \] Aquí, la desigualdad para cada par de términos se deduce de \[ \frac{u}{v}+\frac{v}{u}-2 =\frac{(u-v)^2}{uv}\ge0 \qquad(u,v>0). \] Esto demuestra (ii). La igualdad se cumple precisamente cuando \(x=y=z\), o, de manera equivalente, cuando \(ABC\) es equilátero.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1989 · 问题 2
在锐角三角形 \(ABC\) 中,角 \(A\) 的内角平分线与三角形的外接圆再次相交于 \(A_1\)。类似地定义点 \(B_1\) 和 \(C_1\)。设 \(A_0\) 为直线 \(AA_1\) 与角 \(B\)、角 \(C\) 的外角平分线的交点。类似地定义点 \(B_0\) 和 \(C_0\)。证明:
(i) 三角形 \(A_0B_0C_0\) 的面积是六边形 \(AC_1BA_1CB_1\) 面积的两倍。
(ii) 三角形 \(A_0B_0C_0\) 的面积至少是三角形 \(ABC\) 面积的四倍。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
用 \([P_1\cdots P_k]\) 表示多边形的面积,设 \(I\) 为 \(ABC\) 的内心。
点 \(A_0,B_0,C_0\) 分别是与顶点 \(A,B,C\) 相对的旁心。因此,\(A_0\) 位于射线 \(AI\) 上越过 \(BC\) 的一侧,其余情形可循环类推。\(B_0\) 和 \(C_0\) 都位于 \(A\) 处的外角平分线上,且在 \(AB\) 的两侧;因此 \(A\) 位于它们之间。同理, \[ A\in B_0C_0,\qquad B\in C_0A_0,\qquad C\in A_0B_0. \] 特别地,旁心三角形包含 \(ABC\) 和 \(I\)。
(i) 我们先证明 \(A_1\) 是 \(IA_0\) 的中点。
令 \(\alpha=\angle BAC\),\(\beta=\angle ABC\)。由角平分线的性质可知,\(A_1\) 是不含 \(A\) 的弧 \(BC\) 的中点。由圆周角定理, \[ \angle CBA_1=\angle CAA_1=\frac{\alpha}{2}. \] 由于 \(A,I,A_1\) 依次排列,得到 \[ \angle IBA_1=\frac{\beta}{2}+\frac{\alpha}{2}, \qquad \angle BIA_1 =180^\circ-\angle BIA =\frac{\alpha+\beta}{2}. \] 因此 \(A_1I=A_1B\)。
\(B\) 处的内角平分线与外角平分线互相垂直,所以 \(IB\perp BA_0\)。因此,直角三角形 \(IBA_0\) 的斜边 \(IA_0\) 的中点 \(M\) 满足 \(MI=MB\)。\(M\) 和 \(A_1\) 都位于 \(AI\) 上,也都位于 \(IB\) 的垂直平分线上。这两条直线不重合,因为 \(I\) 只在第一条直线上,所以它们的交点唯一。因此 \(A_1=M\)。
循环类推,我们已证明 \[ A_1=\operatorname{中点}(IA_0),\qquad B_1=\operatorname{中点}(IB_0),\qquad C_1=\operatorname{中点}(IC_0). \]
这六个点在外接圆上依次为 \[ A,C_1,B,A_1,C,B_1. \] 它们构成的凸六边形包含 \(ABC\),从而包含 \(I\)。连接 \(I\) 与各顶点,将其划分为六个三角形。由上述中点关系,例如可得 \[ [IAC_1]=\frac12[IAC_0], \qquad [IC_1B]=\frac12[IC_0B]. \] 将这些等式及其循环对应的等式相加,得到 \[ \begin{aligned} [AC_1BA_1CB_1] &=\frac12\bigl( [IAC_0]+[IC_0B]+[IBA_0]\\ &\hspace{35mm}+[IA_0C]+[ICB_0]+[IB_0A] \bigr)\\ &=\frac12[A_0B_0C_0], \end{aligned} \] 因为括号内的六个三角形构成旁心三角形的一个划分。这就证明了 (i)。
(ii) 令 \[ a=BC,\qquad b=CA,\qquad c=AB,\qquad s=\frac{a+b+c}{2},\qquad \Delta=[ABC]. \] 设 \(r_a\) 为 \(A_0\) 到 \(ABC\) 的三边所在直线的相等距离,并循环定义 \(r_b,r_c\)。
由于 \(A_0\) 位于从 \(A\) 出发的内角平分线上越过 \(BC\) 的一侧, \[ [A_0AB]+[A_0AC]=[ABC]+[A_0BC]. \] 以各边所在直线上的线段为底表示这些面积,得到 \[ \frac{cr_a}{2}+\frac{br_a}{2} =\Delta+\frac{ar_a}{2}. \] 因此, \[ r_a=\frac{\Delta}{s-a},\qquad r_b=\frac{\Delta}{s-b},\qquad r_c=\frac{\Delta}{s-c}. \]
旁心三角形被划分为 \(ABC\) 以及三个三角形 \(A_0BC,B_0CA,C_0AB\)。因此 \[ \frac{[A_0B_0C_0]}{\Delta} =1+\frac12\left( \frac{a}{s-a}+\frac{b}{s-b}+\frac{c}{s-c} \right). \] 令 \[ x=s-a,\qquad y=s-b,\qquad z=s-c. \] 由三角形不等式,这些数均严格为正,且 \[ a=y+z,\qquad b=z+x,\qquad c=x+y. \] 于是 \[ \begin{aligned} \frac{[A_0B_0C_0]}{\Delta} &=1+\frac12\left( \frac{x}{y}+\frac{y}{x} +\frac{y}{z}+\frac{z}{y} +\frac{z}{x}+\frac{x}{z} \right)\\ &\ge 1+\frac12(2+2+2)=4. \end{aligned} \] 这里每一对项所用的不等式都由下式得到: \[ \frac{u}{v}+\frac{v}{u}-2 =\frac{(u-v)^2}{uv}\ge0 \qquad(u,v>0). \] 这就证明了 (ii)。等号成立当且仅当 \(x=y=z\),也就是 \(ABC\) 为等边三角形。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1989 · Задача 2
В остроугольном треугольнике \(ABC\) биссектриса внутреннего угла \(A\) вторично пересекает описанную окружность треугольника в точке \(A_1\). Точки \(B_1\) и \(C_1\) определяются аналогично. Пусть \(A_0\) — точка пересечения прямой \(AA_1\) с биссектрисами внешних углов при вершинах \(B\) и \(C\). Точки \(B_0\) и \(C_0\) определяются аналогично. Докажите, что:
(i) Площадь треугольника \(A_0B_0C_0\) вдвое больше площади шестиугольника \(AC_1BA_1CB_1\).
(ii) Площадь треугольника \(A_0B_0C_0\) не меньше учетверённой площади треугольника \(ABC\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Обозначим через \([P_1\cdots P_k]\) площадь многоугольника, а через \(I\) — центр вписанной окружности треугольника \(ABC\).
Точки \(A_0,B_0,C_0\) являются центрами вневписанных окружностей, противоположных вершинам \(A,B,C\) соответственно. Поэтому \(A_0\) лежит на луче \(AI\) за стороной \(BC\), и аналогично при циклической перестановке обозначений. Обе точки \(B_0\) и \(C_0\) лежат на биссектрисе внешнего угла при вершине \(A\), по разные стороны от \(AB\); следовательно, \(A\) лежит между ними. Аналогично, \[ A\in B_0C_0,\qquad B\in C_0A_0,\qquad C\in A_0B_0. \] В частности, треугольник центров вневписанных окружностей содержит \(ABC\) и \(I\).
(i) Сначала докажем, что \(A_1\) — середина \(IA_0\).
Положим \(\alpha=\angle BAC\) и \(\beta=\angle ABC\). Из свойства биссектрисы следует, что \(A_1\) — середина дуги \(BC\), не содержащей \(A\). По теореме о вписанном угле \[ \angle CBA_1=\angle CAA_1=\frac{\alpha}{2}. \] Поскольку точки \(A,I,A_1\) расположены в указанном порядке, получаем \[ \angle IBA_1=\frac{\beta}{2}+\frac{\alpha}{2}, \qquad \angle BIA_1 =180^\circ-\angle BIA =\frac{\alpha+\beta}{2}. \] Следовательно, \(A_1I=A_1B\).
Биссектрисы внутреннего и внешнего углов при вершине \(B\) перпендикулярны, поэтому \(IB\perp BA_0\). Следовательно, середина \(M\) гипотенузы \(IA_0\) прямоугольного треугольника \(IBA_0\) удовлетворяет равенству \(MI=MB\). Обе точки \(M\) и \(A_1\) лежат на \(AI\) и на серединном перпендикуляре к \(IB\). Эти две прямые различны, поскольку \(I\) принадлежит только первой из них, поэтому точка их пересечения единственна. Таким образом, \(A_1=M\).
Циклической перестановкой обозначений получаем \[ A_1=\operatorname{середина}(IA_0),\qquad B_1=\operatorname{середина}(IB_0),\qquad C_1=\operatorname{середина}(IC_0). \]
Эти шесть точек расположены на описанной окружности в порядке \[ A,C_1,B,A_1,C,B_1. \] Образованный ими выпуклый шестиугольник содержит \(ABC\), а значит, и \(I\). Соединяя \(I\) с его вершинами, разбиваем его на шесть треугольников. Из доказанных соотношений для середин получаем, например, \[ [IAC_1]=\frac12[IAC_0], \qquad [IC_1B]=\frac12[IC_0B]. \] Складывая эти соотношения и соотношения, полученные из них циклической перестановкой обозначений, получаем \[ \begin{aligned} [AC_1BA_1CB_1] &=\frac12\bigl( [IAC_0]+[IC_0B]+[IBA_0]\\ &\hspace{35mm}+[IA_0C]+[ICB_0]+[IB_0A] \bigr)\\ &=\frac12[A_0B_0C_0], \end{aligned} \] поскольку шесть треугольников, площади которых стоят в скобках, образуют разбиение треугольника центров вневписанных окружностей. Тем самым (i) доказано.
(ii) Положим \[ a=BC,\qquad b=CA,\qquad c=AB,\qquad s=\frac{a+b+c}{2},\qquad \Delta=[ABC]. \] Пусть \(r_a\) — общее расстояние от \(A_0\) до трёх прямых, содержащих стороны \(ABC\); определим \(r_b,r_c\) циклической перестановкой обозначений.
Поскольку \(A_0\) лежит за \(BC\) на биссектрисе внутреннего угла при вершине \(A\), \[ [A_0AB]+[A_0AC]=[ABC]+[A_0BC]. \] Выражая эти площади через основания, лежащие на прямых, содержащих стороны, получаем \[ \frac{cr_a}{2}+\frac{br_a}{2} =\Delta+\frac{ar_a}{2}. \] Следовательно, \[ r_a=\frac{\Delta}{s-a},\qquad r_b=\frac{\Delta}{s-b},\qquad r_c=\frac{\Delta}{s-c}. \]
Треугольник центров вневписанных окружностей разбивается на \(ABC\) и три треугольника \(A_0BC,B_0CA,C_0AB\). Поэтому \[ \frac{[A_0B_0C_0]}{\Delta} =1+\frac12\left( \frac{a}{s-a}+\frac{b}{s-b}+\frac{c}{s-c} \right). \] Положим \[ x=s-a,\qquad y=s-b,\qquad z=s-c. \] Эти числа строго положительны в силу неравенств треугольника, причём \[ a=y+z,\qquad b=z+x,\qquad c=x+y. \] Таким образом, \[ \begin{aligned} \frac{[A_0B_0C_0]}{\Delta} &=1+\frac12\left( \frac{x}{y}+\frac{y}{x} +\frac{y}{z}+\frac{z}{y} +\frac{z}{x}+\frac{x}{z} \right)\\ &\ge 1+\frac12(2+2+2)=4. \end{aligned} \] Здесь неравенство для каждой пары слагаемых следует из \[ \frac{u}{v}+\frac{v}{u}-2 =\frac{(u-v)^2}{uv}\ge0 \qquad(u,v>0). \] Тем самым (ii) доказано. Равенство достигается в точности тогда, когда \(x=y=z\), то есть когда \(ABC\) — равносторонний треугольник.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1989 · المسألة 2
في مثلث حاد الزوايا \(ABC\)، يلتقي المنصف الداخلي للزاوية \(A\) بالدائرة المحيطة بالمثلث مرة أخرى عند \(A_1\). وتُعرَّف النقطتان \(B_1\) و\(C_1\) على نحو مماثل. لتكن \(A_0\) نقطة تقاطع المستقيم \(AA_1\) مع المنصفين الخارجيين للزاويتين \(B\) و\(C\). وتُعرَّف النقطتان \(B_0\) و\(C_0\) على نحو مماثل. أثبت أن:
(i) مساحة المثلث \(A_0B_0C_0\) تساوي ضعفي مساحة السداسي \(AC_1BA_1CB_1\).
(ii) مساحة المثلث \(A_0B_0C_0\) لا تقل عن أربعة أمثال مساحة المثلث \(ABC\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نرمز بـ\([P_1\cdots P_k]\) إلى مساحة مضلع، ولتكن \(I\) مركز الدائرة الداخلية للمثلث \(ABC\).
النقاط \(A_0,B_0,C_0\) هي مراكز الدوائر الخارجية المقابلة للرؤوس \(A,B,C\)، على الترتيب. ومن ثم تقع \(A_0\) وراء \(BC\) على الشعاع \(AI\)، وبالمثل بالتبديل الدوري. وتقع كل من \(B_0\) و\(C_0\) على المنصف الخارجي عند \(A\)، على جانبي \(AB\)؛ وبالتالي تقع \(A\) بينهما. وبالمثل، \[ A\in B_0C_0,\qquad B\in C_0A_0,\qquad C\in A_0B_0. \] وعلى وجه الخصوص، يحتوي مثلث مراكز الدوائر الخارجية على \(ABC\) و\(I\).
(i) نثبت أولًا أن \(A_1\) هي منتصف \(IA_0\).
نضع \(\alpha=\angle BAC\) و\(\beta=\angle ABC\). تبيّن خاصية منصف الزاوية أن \(A_1\) هي منتصف القوس \(BC\) الذي لا يحتوي على \(A\). وبحسب نظرية الزاوية المحيطية، \[ \angle CBA_1=\angle CAA_1=\frac{\alpha}{2}. \] ولأن \(A,I,A_1\) تقع بهذا الترتيب، نحصل على \[ \angle IBA_1=\frac{\beta}{2}+\frac{\alpha}{2}, \qquad \angle BIA_1 =180^\circ-\angle BIA =\frac{\alpha+\beta}{2}. \] إذن \(A_1I=A_1B\).
المنصفان الداخلي والخارجي عند \(B\) متعامدان، ولذلك \(IB\perp BA_0\). ومن ثم فإن منتصف الوتر \(IA_0\) في المثلث القائم \(IBA_0\)، الذي نرمز إليه بـ\(M\)، يحقق \(MI=MB\). وتقع كل من \(M\) و\(A_1\) على \(AI\) وعلى العمود المنصف للقطعة \(IB\). وهذان المستقيمان متمايزان، لأن \(I\) تنتمي إلى الأول فقط، لذا فإن نقطة تقاطعهما وحيدة. وعليه \(A_1=M\).
وبالتبديل الدوري، نكون قد أثبتنا \[ A_1=\operatorname{منتصف}(IA_0),\qquad B_1=\operatorname{منتصف}(IB_0),\qquad C_1=\operatorname{منتصف}(IC_0). \]
تقع النقاط الست على الدائرة المحيطة بالترتيب \[ A,C_1,B,A_1,C,B_1. \] ويحتوي السداسي المحدب الذي تشكّله على \(ABC\)، ومن ثم يحتوي على \(I\). وبوصل \(I\) برؤوسه ينقسم إلى ستة مثلثات. وتعطي علاقات المنتصف، مثلًا، \[ [IAC_1]=\frac12[IAC_0], \qquad [IC_1B]=\frac12[IC_0B]. \] وبجمع هاتين العلاقتين ونظائرهما الناتجة عن التبديل الدوري، نحصل على \[ \begin{aligned} [AC_1BA_1CB_1] &=\frac12\bigl( [IAC_0]+[IC_0B]+[IBA_0]\\ &\hspace{35mm}+[IA_0C]+[ICB_0]+[IB_0A] \bigr)\\ &=\frac12[A_0B_0C_0], \end{aligned} \] لأن المثلثات الستة داخل القوسين تشكّل تقسيمًا لمثلث مراكز الدوائر الخارجية. وهذا يثبت (i).
(ii) نضع \[ a=BC,\qquad b=CA,\qquad c=AB,\qquad s=\frac{a+b+c}{2},\qquad \Delta=[ABC]. \] لتكن \(r_a\) المسافة العمودية المشتركة من \(A_0\) إلى المستقيمات الحاملة لأضلاع \(ABC\) الثلاثة، ونعرّف \(r_b,r_c\) بالتبديل الدوري.
بما أن \(A_0\) تقع وراء \(BC\) على المنصف الداخلي المنطلق من \(A\)، فإن \[ [A_0AB]+[A_0AC]=[ABC]+[A_0BC]. \] وبالتعبير عن هذه المساحات باستخدام قواعدها الواقعة على المستقيمات الحاملة للأضلاع، نحصل على \[ \frac{cr_a}{2}+\frac{br_a}{2} =\Delta+\frac{ar_a}{2}. \] وبالتالي، \[ r_a=\frac{\Delta}{s-a},\qquad r_b=\frac{\Delta}{s-b},\qquad r_c=\frac{\Delta}{s-c}. \]
ينقسم مثلث مراكز الدوائر الخارجية إلى \(ABC\) والمثلثات الثلاثة \(A_0BC,B_0CA,C_0AB\). ولذلك \[ \frac{[A_0B_0C_0]}{\Delta} =1+\frac12\left( \frac{a}{s-a}+\frac{b}{s-b}+\frac{c}{s-c} \right). \] نضع \[ x=s-a,\qquad y=s-b,\qquad z=s-c. \] هذه الأعداد موجبة تمامًا بموجب متباينات المثلث، ولدينا \[ a=y+z,\qquad b=z+x,\qquad c=x+y. \] إذن \[ \begin{aligned} \frac{[A_0B_0C_0]}{\Delta} &=1+\frac12\left( \frac{x}{y}+\frac{y}{x} +\frac{y}{z}+\frac{z}{y} +\frac{z}{x}+\frac{x}{z} \right)\\ &\ge 1+\frac12(2+2+2)=4. \end{aligned} \] وهنا تنتج المتباينة الخاصة بكل زوج من \[ \frac{u}{v}+\frac{v}{u}-2 =\frac{(u-v)^2}{uv}\ge0 \qquad(u,v>0). \] وهذا يثبت (ii). وتتحقق المساواة إذا وفقط إذا كان \(x=y=z\)، أي إذا وفقط إذا كان \(ABC\) متساوي الأضلاع.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).