IMO 1989 · Problem 3
Let \(n\) and \(k\) be positive integers and let \(S\) be a set of \(n\) points in the plane such that
(i) No three points of \(S\) are collinear, and
(ii) For any point \(P\) of \(S\) there are at least \(k\) points of \(S\) equidistant from \(P\).
Prove that: \[ k<\frac12+\sqrt{2n}. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
If \(k=1\), the required inequality follows immediately from \(n\ge1\). Hence assume \(k\ge2\).
Count the configurations \((P,\{Q,R\})\), where \(P,Q,R\) are distinct points of \(S\), the pair \(\{Q,R\}\) is unordered, and \[ PQ=PR. \] Let their number be \(N\).
For every \(P\in S\), there are at least \(k\) distinct points at a common distance from \(P\). This distance is positive because \(k\ge2\), so none of these points is \(P\). Each pair among them gives a configuration. Consequently, \[ N\ge n\binom{k}{2}. \]
On the other hand, fix an unordered pair \(\{Q,R\}\subset S\). Every point \(P\) satisfying \(PQ=PR\) lies on the perpendicular bisector of \(QR\). By condition (i), this line contains at most two points of \(S\). Thus each pair \(\{Q,R\}\) occurs in at most two configurations, giving \[ N\le2\binom{n}{2}. \]
Combining these inequalities and dividing by \(n>0\), we obtain \[ \frac{k(k-1)}2\le n-1. \] Therefore \[ \left(k-\frac12\right)^2 =k(k-1)+\frac14 \le2n-\frac74 <2n. \] Since \(k-\frac12>0\), taking square roots yields \[ \boxed{k<\frac12+\sqrt{2n}}. \]
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1989 · Aufgabe 3
Es seien \(n\) und \(k\) positive ganze Zahlen und \(S\) eine Menge von \(n\) Punkten in der Ebene, sodass gilt:
(i) Keine drei Punkte von \(S\) liegen auf einer Geraden, und
(ii) Zu jedem Punkt \(P\) von \(S\) gibt es mindestens \(k\) Punkte von \(S\), die von \(P\) den gleichen Abstand haben.
Man beweise: \[ k<\frac12+\sqrt{2n}. \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Für \(k=1\) folgt die geforderte Ungleichung unmittelbar aus \(n\ge1\). Wir nehmen daher \(k\ge2\) an.
Wir zählen die Konfigurationen \((P,\{Q,R\})\), wobei \(P,Q,R\) verschiedene Punkte von \(S\) sind, das Paar \(\{Q,R\}\) ungeordnet ist und \[ PQ=PR. \] Ihre Anzahl sei \(N\).
Zu jedem \(P\in S\) gibt es mindestens \(k\) verschiedene Punkte mit einem gemeinsamen Abstand von \(P\). Dieser Abstand ist positiv, da \(k\ge2\), sodass keiner dieser Punkte mit \(P\) übereinstimmt. Jedes Paar unter ihnen ergibt eine Konfiguration. Folglich gilt \[ N\ge n\binom{k}{2}. \]
Andererseits betrachten wir ein festes ungeordnetes Paar \(\{Q,R\}\subset S\). Jeder Punkt \(P\), der \(PQ=PR\) erfüllt, liegt auf der Mittelsenkrechten von \(QR\). Nach Bedingung (i) enthält diese Gerade höchstens zwei Punkte von \(S\). Somit kommt jedes Paar \(\{Q,R\}\) in höchstens zwei Konfigurationen vor, woraus folgt: \[ N\le2\binom{n}{2}. \]
Indem wir diese Ungleichungen kombinieren und durch \(n>0\) dividieren, erhalten wir \[ \frac{k(k-1)}2\le n-1. \] Daher gilt \[ \left(k-\frac12\right)^2 =k(k-1)+\frac14 \le2n-\frac74 <2n. \] Da \(k-\frac12>0\), ergibt Wurzelziehen \[ \boxed{k<\frac12+\sqrt{2n}}. \]
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1989 · Soru 3
\(n\) ve \(k\) pozitif tam sayılar, \(S\) ise düzlemde aşağıdaki koşulları sağlayan \(n\) noktadan oluşan bir küme olsun:
(i) \(S\)'nin hiçbir üç noktası doğrusal değildir ve
(ii) \(S\)'nin her \(P\) noktası için, \(S\)'de \(P\)'ye eşit uzaklıkta en az \(k\) nokta vardır.
Aşağıdaki eşitsizliği kanıtlayınız: \[ k<\frac12+\sqrt{2n}. \]
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(k=1\) ise istenen eşitsizlik doğrudan \(n\ge1\)'den çıkar. Bu nedenle \(k\ge2\) olduğunu varsayalım.
\(P,Q,R\), \(S\)'nin birbirinden farklı noktaları, \(\{Q,R\}\) sırasız bir çift ve \[ PQ=PR \] olmak üzere \((P,\{Q,R\})\) biçimindeki düzenlemeleri sayalım. Bunların sayısı \(N\) olsun.
Her \(P\in S\) için, \(P\)'ye aynı uzaklıkta en az \(k\) farklı nokta vardır. \(k\ge2\) olduğundan bu uzaklık pozitiftir; dolayısıyla bu noktaların hiçbiri \(P\) değildir. Bunlar arasından seçilen her çift bir düzenleme verir. Dolayısıyla, \[ N\ge n\binom{k}{2}. \]
Öte yandan, sırasız bir \(\{Q,R\}\subset S\) çiftini sabitleyelim. \(PQ=PR\) koşulunu sağlayan her \(P\) noktası, \(QR\)'nin orta dikmesi üzerinde bulunur. (i) koşulu gereği bu doğru, \(S\)'nin en fazla iki noktasını içerir. Dolayısıyla her \(\{Q,R\}\) çifti en fazla iki düzenlemede yer alır ve buradan \[ N\le2\binom{n}{2} \] elde edilir.
Bu eşitsizlikleri birleştirip \(n>0\)'a bölersek, \[ \frac{k(k-1)}2\le n-1 \] elde ederiz. Bu nedenle \[ \left(k-\frac12\right)^2 =k(k-1)+\frac14 \le2n-\frac74 <2n. \] \(k-\frac12>0\) olduğundan, karekök alınarak \[ \boxed{k<\frac12+\sqrt{2n}} \] elde edilir.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1989 · Problema 3
Sean \(n\) y \(k\) enteros positivos y sea \(S\) un conjunto de \(n\) puntos del plano tales que
(i) No hay tres puntos de \(S\) colineales, y
(ii) Para cualquier punto \(P\) de \(S\), hay al menos \(k\) puntos de \(S\) equidistantes de \(P\).
Demostrar que: \[ k<\frac12+\sqrt{2n}. \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Si \(k=1\), la desigualdad requerida se deduce inmediatamente de \(n\ge1\). Supongamos, pues, que \(k\ge2\).
Contemos las configuraciones \((P,\{Q,R\})\), donde \(P,Q,R\) son puntos distintos de \(S\), el par \(\{Q,R\}\) no está ordenado, y \[ PQ=PR. \] Sea \(N\) su número.
Para cada \(P\in S\), hay al menos \(k\) puntos distintos a una misma distancia de \(P\). Esta distancia es positiva porque \(k\ge2\), por lo que ninguno de estos puntos es \(P\). Cada par de ellos da una configuración. En consecuencia, \[ N\ge n\binom{k}{2}. \]
Por otra parte, fijemos un par no ordenado \(\{Q,R\}\subset S\). Todo punto \(P\) que satisface \(PQ=PR\) pertenece a la mediatriz de \(QR\). Por la condición (i), esta recta contiene a lo sumo dos puntos de \(S\). Así, cada par \(\{Q,R\}\) aparece en a lo sumo dos configuraciones, lo que da \[ N\le2\binom{n}{2}. \]
Combinando estas desigualdades y dividiendo por \(n>0\), obtenemos \[ \frac{k(k-1)}2\le n-1. \] Por tanto, \[ \left(k-\frac12\right)^2 =k(k-1)+\frac14 \le2n-\frac74 <2n. \] Como \(k-\frac12>0\), al tomar raíces cuadradas obtenemos \[ \boxed{k<\frac12+\sqrt{2n}}. \]
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1989 · 问题 3
设 \(n\) 和 \(k\) 为正整数,\(S\) 为平面上由 \(n\) 个点组成的集合,满足
(i) \(S\) 中任意三点不共线,且
(ii) 对 \(S\) 中任意一点 \(P\),\(S\) 中至少有 \(k\) 个点到 \(P\) 的距离相等。
证明: \[ k<\frac12+\sqrt{2n}. \]
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
若 \(k=1\),由 \(n\ge1\) 立即得到所需的不等式。因此以下假设 \(k\ge2\)。
对形如 \((P,\{Q,R\})\) 的配置进行计数,其中 \(P,Q,R\) 为 \(S\) 中互不相同的点,数对 \(\{Q,R\}\) 是无序的,且 \[ PQ=PR. \] 设这类配置的数目为 \(N\)。
对每个 \(P\in S\),至少有 \(k\) 个互不相同的点到 \(P\) 的距离相等。由于 \(k\ge2\),这个距离为正,所以这些点都不是 \(P\)。从中每取一对点,就得到一个配置。因此, \[ N\ge n\binom{k}{2}. \]
另一方面,固定一个无序点对 \(\{Q,R\}\subset S\)。每个满足 \(PQ=PR\) 的点 \(P\) 都位于 \(QR\) 的垂直平分线上。由条件 (i),这条直线上至多有 \(S\) 中的两个点。因此,每个点对 \(\{Q,R\}\) 至多出现在两个配置中,从而 \[ N\le2\binom{n}{2}. \]
结合这些不等式,再除以 \(n>0\),得到 \[ \frac{k(k-1)}2\le n-1. \] 因此 \[ \left(k-\frac12\right)^2 =k(k-1)+\frac14 \le2n-\frac74 <2n. \] 由于 \(k-\frac12>0\),两边开平方得到 \[ \boxed{k<\frac12+\sqrt{2n}}. \]
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1989 · Задача 3
Пусть \(n\) и \(k\) — положительные целые числа, а \(S\) — множество из \(n\) точек плоскости, такое что
(i) Никакие три точки множества \(S\) не лежат на одной прямой, и
(ii) Для любой точки \(P\) множества \(S\) найдутся по крайней мере \(k\) точек множества \(S\), равноудалённых от \(P\).
Докажите, что: \[ k<\frac12+\sqrt{2n}. \]
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Если \(k=1\), требуемое неравенство немедленно следует из \(n\ge1\). Поэтому будем считать, что \(k\ge2\).
Подсчитаем конфигурации \((P,\{Q,R\})\), где \(P,Q,R\) — различные точки множества \(S\), пара \(\{Q,R\}\) неупорядочена и \[ PQ=PR. \] Обозначим их число через \(N\).
Для каждой точки \(P\in S\) найдутся по крайней мере \(k\) различных точек, находящихся на одном и том же расстоянии от \(P\). Это расстояние положительно, поскольку \(k\ge2\), поэтому ни одна из этих точек не совпадает с \(P\). Каждая пара таких точек даёт одну конфигурацию. Следовательно, \[ N\ge n\binom{k}{2}. \]
С другой стороны, зафиксируем неупорядоченную пару \(\{Q,R\}\subset S\). Каждая точка \(P\), удовлетворяющая равенству \(PQ=PR\), лежит на серединном перпендикуляре к \(QR\). По условию (i) эта прямая содержит не более двух точек множества \(S\). Таким образом, каждая пара \(\{Q,R\}\) встречается не более чем в двух конфигурациях, откуда \[ N\le2\binom{n}{2}. \]
Объединяя эти неравенства и деля на \(n>0\), получаем \[ \frac{k(k-1)}2\le n-1. \] Поэтому \[ \left(k-\frac12\right)^2 =k(k-1)+\frac14 \le2n-\frac74 <2n. \] Поскольку \(k-\frac12>0\), извлекая квадратные корни, получаем \[ \boxed{k<\frac12+\sqrt{2n}}. \]
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1989 · المسألة 3
ليكن \(n\) و\(k\) عددين صحيحين موجبين، ولتكن \(S\) مجموعة من \(n\) نقطة في المستوى بحيث
(i) لا تقع أي ثلاث نقاط من \(S\) على استقامة واحدة، و
(ii) لكل نقطة \(P\) من \(S\)، توجد على الأقل \(k\) نقطة من \(S\) متساوية البعد عن \(P\).
أثبت أن: \[ k<\frac12+\sqrt{2n}. \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
إذا كان \(k=1\)، فإن المتباينة المطلوبة تنتج مباشرة من \(n\ge1\). لذا نفترض أن \(k\ge2\).
نعدّ التشكيلات \((P,\{Q,R\})\)، حيث \(P,Q,R\) نقاط متمايزة من \(S\)، والزوج \(\{Q,R\}\) غير مرتب، و \[ PQ=PR. \] وليكن عددها \(N\).
لكل \(P\in S\)، توجد على الأقل \(k\) نقطة متمايزة على مسافة واحدة من \(P\). وهذه المسافة موجبة لأن \(k\ge2\)، ولذلك لا تكون أي من هذه النقاط هي \(P\). وكل زوج منها يعطي تشكيلًا. وبالتالي، \[ N\ge n\binom{k}{2}. \]
من جهة أخرى، نثبت زوجًا غير مرتب \(\{Q,R\}\subset S\). كل نقطة \(P\) تحقق \(PQ=PR\) تقع على العمود المنصف للقطعة \(QR\). وبموجب الشرط (i)، يحتوي هذا المستقيم على نقطتين من \(S\) على الأكثر. ومن ثم يظهر كل زوج \(\{Q,R\}\) في تشكيلين على الأكثر، مما يعطي \[ N\le2\binom{n}{2}. \]
بجمع هاتين المتباينتين والقسمة على \(n>0\)، نحصل على \[ \frac{k(k-1)}2\le n-1. \] ولذلك \[ \left(k-\frac12\right)^2 =k(k-1)+\frac14 \le2n-\frac74 <2n. \] وبما أن \(k-\frac12>0\)، فإن أخذ الجذور التربيعية يعطي \[ \boxed{k<\frac12+\sqrt{2n}}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).