IMO 1989 · Problem 4
Let \(ABCD\) be a convex quadrilateral such that the sides \(AB, AD, BC\) satisfy \(AB = AD + BC\). There exists a point \(P\) inside the quadrilateral at a distance \(h\) from the line \(CD\) such that \(AP = h + AD\) and \(BP = h + BC\). Show that: \[ \frac{1}{\sqrt{h}}\geq \frac{1}{\sqrt{AD}}+\frac{1}{\sqrt{BC}}. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Put \(a=AD\), \(b=BC\), and \(s=a+b=AB\). Since \(P\) is interior, \(a,b,h>0\).
First, we show that the closed disk \(K\) with centre \(P\) and radius \(h\) lies inside the quadrilateral. Let \(K_A,K_B\) be the closed disks with centres \(A,B\) and radii \(a,b\). For every \(X\in K_A\), \[ PX\geq PA-AX\geq(a+h)-a=h, \] and similarly \(PX\geq h\) for every \(X\in K_B\). The segments \(AD\) and \(BC\) belong to these respective disks, while \(AB\) is covered by their union because \(AB=a+b\). Thus none of these three sides meets the open disk with centre \(P\) and radius \(h\). Neither does \(CD\), by the definition of \(h\).
If a point of that open disk were outside the quadrilateral, the segment joining it to the interior point \(P\) would meet the boundary at distance less than \(h\) from \(P\), a contradiction. Taking closures proves the assertion.
Choose coordinates \[ A=(0,0),\qquad B=(s,0),\qquad P=(x,y),\qquad y>0. \] The two prescribed distances give \[ x^2+y^2=(a+h)^2,\qquad (s-x)^2+y^2=(b+h)^2. \] Subtracting, and then substituting back, yields \[ x=a+\frac{(a-b)h}{s}, \qquad y=\frac{2\sqrt{ab}}{s}\sqrt{h(s+h)}. \tag{1} \]
Consider the line \[ \ell:\quad (a-b)u+2\sqrt{ab}\,v=as. \] Its normal vector has length \(s\), since \[ (a-b)^2+4ab=s^2. \] The distances from \(A\) and \(B\) to \(\ell\) are respectively \(a\) and \(b\), and both centres lie in the half-plane \[ (a-b)u+2\sqrt{ab}\,v\leq as. \] Consequently, both disks \(K_A,K_B\) lie in this half-plane. All four vertices of the quadrilateral belong to their union, so the whole quadrilateral—and hence \(K\)—lies in this half-plane.
The distance from \(P\) to \(\ell\) is therefore at least \(h\), giving \[ (a-b)x+2\sqrt{ab}\,y+sh\leq as. \] Substitution from (1) and simplification give \[ (a^2+b^2)h+2ab\sqrt{h(s+h)}\leq abs. \] Dividing by \(abh>0\), we obtain \[ \frac{a^2+b^2}{ab} +2\sqrt{\frac{s+h}{h}} \leq \frac{s}{h}. \]
Set \(t=\sqrt{(s+h)/h}>1\). Since \(s/h=t^2-1\), the last inequality becomes \[ (t-1)^2\geq \frac{a^2+b^2}{ab}+2 =\frac{s^2}{ab}. \] Thus \(t\geq 1+s/\sqrt{ab}\), and consequently \[ 1+\frac{s}{h} =t^2 \geq \left(1+\frac{s}{\sqrt{ab}}\right)^2. \] Subtracting \(1\) and dividing by \(s>0\) gives \[ \frac1h\geq \frac{s}{ab}+\frac{2}{\sqrt{ab}} =\left(\frac1{\sqrt a}+\frac1{\sqrt b}\right)^2. \] Taking positive square roots proves \[ \boxed{\frac1{\sqrt h}\geq \frac1{\sqrt{AD}}+\frac1{\sqrt{BC}}}. \]
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1989 · Aufgabe 4
Es sei \(ABCD\) ein konvexes Viereck, dessen Seiten \(AB, AD, BC\) die Gleichung \(AB = AD + BC\) erfüllen. Im Inneren des Vierecks gibt es einen Punkt \(P\) im Abstand \(h\) von der Geraden \(CD\), sodass \(AP = h + AD\) und \(BP = h + BC\) gelten. Man zeige: \[ \frac{1}{\sqrt{h}}\geq \frac{1}{\sqrt{AD}}+\frac{1}{\sqrt{BC}}. \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir setzen \(a=AD\), \(b=BC\) und \(s=a+b=AB\). Da \(P\) im Inneren liegt, gilt \(a,b,h>0\).
Zunächst zeigen wir, dass die abgeschlossene Kreisscheibe \(K\) mit Mittelpunkt \(P\) und Radius \(h\) innerhalb des Vierecks liegt. Es seien \(K_A,K_B\) die abgeschlossenen Kreisscheiben mit den Mittelpunkten \(A,B\) und den Radien \(a,b\). Für jedes \(X\in K_A\) gilt \[ PX\geq PA-AX\geq(a+h)-a=h, \] und entsprechend gilt \(PX\geq h\) für jedes \(X\in K_B\). Die Strecken \(AD\) und \(BC\) liegen in den jeweiligen Kreisscheiben, während \(AB\) wegen \(AB=a+b\) von deren Vereinigung überdeckt wird. Somit schneidet keine dieser drei Seiten die offene Kreisscheibe mit Mittelpunkt \(P\) und Radius \(h\). Nach der Definition von \(h\) gilt dies auch für \(CD\).
Läge ein Punkt dieser offenen Kreisscheibe außerhalb des Vierecks, so würde die Verbindungsstrecke zu dem inneren Punkt \(P\) den Rand in einem Abstand von weniger als \(h\) von \(P\) treffen, ein Widerspruch. Durch Übergang zu den Abschlüssen folgt die Behauptung.
Wir wählen Koordinaten \[ A=(0,0),\qquad B=(s,0),\qquad P=(x,y),\qquad y>0. \] Die beiden vorgegebenen Abstände liefern \[ x^2+y^2=(a+h)^2,\qquad (s-x)^2+y^2=(b+h)^2. \] Durch Subtraktion und anschließendes Einsetzen erhalten wir \[ x=a+\frac{(a-b)h}{s}, \qquad y=\frac{2\sqrt{ab}}{s}\sqrt{h(s+h)}. \tag{1} \]
Wir betrachten die Gerade \[ \ell:\quad (a-b)u+2\sqrt{ab}\,v=as. \] Ihr Normalenvektor hat die Länge \(s\), denn \[ (a-b)^2+4ab=s^2. \] Die Abstände von \(A\) und \(B\) zu \(\ell\) sind \(a\) beziehungsweise \(b\), und beide Mittelpunkte liegen in der Halbebene \[ (a-b)u+2\sqrt{ab}\,v\leq as. \] Folglich liegen beide Kreisscheiben \(K_A,K_B\) in dieser Halbebene. Alle vier Eckpunkte des Vierecks gehören zu ihrer Vereinigung, also liegt das gesamte Viereck und damit auch \(K\) in dieser Halbebene.
Der Abstand von \(P\) zu \(\ell\) ist daher mindestens \(h\), woraus folgt: \[ (a-b)x+2\sqrt{ab}\,y+sh\leq as. \] Einsetzen aus (1) und Vereinfachen ergibt \[ (a^2+b^2)h+2ab\sqrt{h(s+h)}\leq abs. \] Durch Division durch \(abh>0\) erhalten wir \[ \frac{a^2+b^2}{ab} +2\sqrt{\frac{s+h}{h}} \leq \frac{s}{h}. \]
Wir setzen \(t=\sqrt{(s+h)/h}>1\). Wegen \(s/h=t^2-1\) wird die letzte Ungleichung zu \[ (t-1)^2\geq \frac{a^2+b^2}{ab}+2 =\frac{s^2}{ab}. \] Somit gilt \(t\geq 1+s/\sqrt{ab}\) und folglich \[ 1+\frac{s}{h} =t^2 \geq \left(1+\frac{s}{\sqrt{ab}}\right)^2. \] Subtraktion von \(1\) und Division durch \(s>0\) ergibt \[ \frac1h\geq \frac{s}{ab}+\frac{2}{\sqrt{ab}} =\left(\frac1{\sqrt a}+\frac1{\sqrt b}\right)^2. \] Durch Ziehen der positiven Quadratwurzeln folgt \[ \boxed{\frac1{\sqrt h}\geq \frac1{\sqrt{AD}}+\frac1{\sqrt{BC}}}. \]
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1989 · Soru 4
\(ABCD\), \(AB, AD, BC\) kenarları \(AB = AD + BC\) eşitliğini sağlayan dışbükey bir dörtgen olsun. Dörtgenin içinde, \(CD\) doğrusuna uzaklığı \(h\) olan ve \(AP = h + AD\) ile \(BP = h + BC\) eşitliklerini sağlayan bir \(P\) noktası vardır. Aşağıdaki eşitsizliği gösteriniz: \[ \frac{1}{\sqrt{h}}\geq \frac{1}{\sqrt{AD}}+\frac{1}{\sqrt{BC}}. \]
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(a=AD\), \(b=BC\) ve \(s=a+b=AB\) olsun. \(P\) bir iç nokta olduğundan \(a,b,h>0\) olur.
Önce, merkezi \(P\) ve yarıçapı \(h\) olan kapalı \(K\) dairesinin dörtgenin içinde kaldığını gösterelim. Merkezleri \(A,B\), yarıçapları \(a,b\) olan kapalı daireler \(K_A,K_B\) olsun. Her \(X\in K_A\) için, \[ PX\geq PA-AX\geq(a+h)-a=h, \] ve benzer biçimde her \(X\in K_B\) için \(PX\geq h\) olur. \(AD\) ve \(BC\) doğru parçaları sırasıyla bu dairelere aittir; \(AB=a+b\) olduğundan \(AB\) de bu dairelerin birleşimi tarafından örtülür. Dolayısıyla bu üç kenarın hiçbiri, merkezi \(P\) ve yarıçapı \(h\) olan açık daireyle kesişmez. \(h\)'nin tanımı gereği \(CD\) de bu açık daireyle kesişmez.
Bu açık dairenin bir noktası dörtgenin dışında olsaydı, bu noktayı iç nokta \(P\)'ye birleştiren doğru parçası, sınırı \(P\)'ye uzaklığı \(h\)'den küçük olan bir noktada keserdi; bu ise bir çelişkidir. Kapanışlar alınarak iddia kanıtlanır.
Koordinatları \[ A=(0,0),\qquad B=(s,0),\qquad P=(x,y),\qquad y>0 \] olacak biçimde seçelim. Verilen iki uzaklıktan \[ x^2+y^2=(a+h)^2,\qquad (s-x)^2+y^2=(b+h)^2 \] elde edilir. Çıkarma işlemi yapıp ardından yerine koyarsak, \[ x=a+\frac{(a-b)h}{s}, \qquad y=\frac{2\sqrt{ab}}{s}\sqrt{h(s+h)} \tag{1} \] bulunur.
\[ \ell:\quad (a-b)u+2\sqrt{ab}\,v=as \] doğrusunu ele alalım. Normal vektörünün uzunluğu \(s\)'dir, çünkü \[ (a-b)^2+4ab=s^2. \] \(A\) ve \(B\)'nin \(\ell\)'ye uzaklıkları sırasıyla \(a\) ve \(b\)'dir ve her iki merkez de \[ (a-b)u+2\sqrt{ab}\,v\leq as \] yarı düzleminde bulunur. Dolayısıyla \(K_A,K_B\) dairelerinin her ikisi de bu yarı düzlemde kalır. Dörtgenin dört köşesi de bu dairelerin birleşimine ait olduğundan, dörtgenin tamamı ve dolayısıyla \(K\), bu yarı düzlemde kalır.
Bu nedenle \(P\)'nin \(\ell\)'ye uzaklığı en az \(h\)'dir ve buradan \[ (a-b)x+2\sqrt{ab}\,y+sh\leq as \] elde edilir. (1)'deki ifadeler yerine konulup sadeleştirilirse, \[ (a^2+b^2)h+2ab\sqrt{h(s+h)}\leq abs \] olur. \(abh>0\)'a bölerek, \[ \frac{a^2+b^2}{ab} +2\sqrt{\frac{s+h}{h}} \leq \frac{s}{h} \] elde ederiz.
\(t=\sqrt{(s+h)/h}>1\) olsun. \(s/h=t^2-1\) olduğundan son eşitsizlik \[ (t-1)^2\geq \frac{a^2+b^2}{ab}+2 =\frac{s^2}{ab} \] biçimini alır. Böylece \(t\geq 1+s/\sqrt{ab}\) ve dolayısıyla \[ 1+\frac{s}{h} =t^2 \geq \left(1+\frac{s}{\sqrt{ab}}\right)^2 \] olur. \(1\) çıkarıp \(s>0\)'a bölersek, \[ \frac1h\geq \frac{s}{ab}+\frac{2}{\sqrt{ab}} =\left(\frac1{\sqrt a}+\frac1{\sqrt b}\right)^2 \] elde edilir. Pozitif karekökler alınarak \[ \boxed{\frac1{\sqrt h}\geq \frac1{\sqrt{AD}}+\frac1{\sqrt{BC}}} \] eşitsizliği kanıtlanır.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1989 · Problema 4
Sea \(ABCD\) un cuadrilátero convexo cuyos lados \(AB, AD, BC\) satisfacen \(AB = AD + BC\). Existe un punto \(P\) en el interior del cuadrilátero, a una distancia \(h\) de la recta \(CD\), tal que \(AP = h + AD\) y \(BP = h + BC\). Demostrar que: \[ \frac{1}{\sqrt{h}}\geq \frac{1}{\sqrt{AD}}+\frac{1}{\sqrt{BC}}. \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sean \(a=AD\), \(b=BC\) y \(s=a+b=AB\). Como \(P\) es interior, \(a,b,h>0\).
Primero demostramos que el disco cerrado \(K\) de centro \(P\) y radio \(h\) está contenido en el cuadrilátero. Sean \(K_A,K_B\) los discos cerrados de centros \(A,B\) y radios \(a,b\). Para todo \(X\in K_A\), \[ PX\geq PA-AX\geq(a+h)-a=h, \] y, análogamente, \(PX\geq h\) para todo \(X\in K_B\). Los segmentos \(AD\) y \(BC\) están contenidos en estos discos respectivos, mientras que \(AB\) está cubierto por su unión porque \(AB=a+b\). Por tanto, ninguno de estos tres lados interseca el disco abierto de centro \(P\) y radio \(h\). Tampoco lo hace \(CD\), por la definición de \(h\).
Si un punto de ese disco abierto estuviera fuera del cuadrilátero, el segmento que lo une con el punto interior \(P\) cortaría la frontera a una distancia de \(P\) menor que \(h\), lo que es una contradicción. Tomando clausuras, queda demostrada la afirmación.
Elijamos coordenadas \[ A=(0,0),\qquad B=(s,0),\qquad P=(x,y),\qquad y>0. \] Las dos distancias dadas proporcionan \[ x^2+y^2=(a+h)^2,\qquad (s-x)^2+y^2=(b+h)^2. \] Restando y sustituyendo luego en las ecuaciones anteriores, obtenemos \[ x=a+\frac{(a-b)h}{s}, \qquad y=\frac{2\sqrt{ab}}{s}\sqrt{h(s+h)}. \tag{1} \]
Consideremos la recta \[ \ell:\quad (a-b)u+2\sqrt{ab}\,v=as. \] Su vector normal tiene longitud \(s\), pues \[ (a-b)^2+4ab=s^2. \] Las distancias de \(A\) y \(B\) a \(\ell\) son, respectivamente, \(a\) y \(b\), y ambos centros se encuentran en el semiplano \[ (a-b)u+2\sqrt{ab}\,v\leq as. \] En consecuencia, ambos discos \(K_A,K_B\) están contenidos en este semiplano. Los cuatro vértices del cuadrilátero pertenecen a su unión, por lo que todo el cuadrilátero —y, por tanto, \(K\)— está contenido en este semiplano.
La distancia de \(P\) a \(\ell\) es, por tanto, al menos \(h\), lo que da \[ (a-b)x+2\sqrt{ab}\,y+sh\leq as. \] Sustituyendo a partir de (1) y simplificando, obtenemos \[ (a^2+b^2)h+2ab\sqrt{h(s+h)}\leq abs. \] Dividiendo por \(abh>0\), obtenemos \[ \frac{a^2+b^2}{ab} +2\sqrt{\frac{s+h}{h}} \leq \frac{s}{h}. \]
Sea \(t=\sqrt{(s+h)/h}>1\). Como \(s/h=t^2-1\), la última desigualdad se convierte en \[ (t-1)^2\geq \frac{a^2+b^2}{ab}+2 =\frac{s^2}{ab}. \] Así, \(t\geq 1+s/\sqrt{ab}\) y, en consecuencia, \[ 1+\frac{s}{h} =t^2 \geq \left(1+\frac{s}{\sqrt{ab}}\right)^2. \] Restando \(1\) y dividiendo por \(s>0\), obtenemos \[ \frac1h\geq \frac{s}{ab}+\frac{2}{\sqrt{ab}} =\left(\frac1{\sqrt a}+\frac1{\sqrt b}\right)^2. \] Tomando raíces cuadradas positivas, queda demostrado que \[ \boxed{\frac1{\sqrt h}\geq \frac1{\sqrt{AD}}+\frac1{\sqrt{BC}}}. \]
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1989 · 问题 4
设 \(ABCD\) 为凸四边形,其边 \(AB, AD, BC\) 满足 \(AB = AD + BC\)。四边形内部存在一点 \(P\),它到直线 \(CD\) 的距离为 \(h\),且满足 \(AP = h + AD\) 和 \(BP = h + BC\)。证明: \[ \frac{1}{\sqrt{h}}\geq \frac{1}{\sqrt{AD}}+\frac{1}{\sqrt{BC}}. \]
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
令 \(a=AD\),\(b=BC\),\(s=a+b=AB\)。由于 \(P\) 在四边形内部,\(a,b,h>0\)。
首先,我们证明以 \(P\) 为圆心、\(h\) 为半径的闭圆盘 \(K\) 包含于该四边形内。设 \(K_A,K_B\) 分别为以 \(A,B\) 为圆心、\(a,b\) 为半径的闭圆盘。对每个 \(X\in K_A\), \[ PX\geq PA-AX\geq(a+h)-a=h, \] 同理,对每个 \(X\in K_B\),都有 \(PX\geq h\)。线段 \(AD\) 和 \(BC\) 分别包含于这两个圆盘内,而由于 \(AB=a+b\),\(AB\) 被这两个圆盘的并覆盖。因此,这三条边都不与以 \(P\) 为圆心、\(h\) 为半径的开圆盘相交。由 \(h\) 的定义,\(CD\) 也不与该开圆盘相交。
若该开圆盘中有一点位于四边形外部,则连接该点与内部点 \(P\) 的线段必在距 \(P\) 小于 \(h\) 处与四边形的边界相交,矛盾。取闭包即得所证结论。
选取坐标,使得 \[ A=(0,0),\qquad B=(s,0),\qquad P=(x,y),\qquad y>0. \] 由给定的两个距离可得 \[ x^2+y^2=(a+h)^2,\qquad (s-x)^2+y^2=(b+h)^2. \] 两式相减,再代回原式,得到 \[ x=a+\frac{(a-b)h}{s}, \qquad y=\frac{2\sqrt{ab}}{s}\sqrt{h(s+h)}. \tag{1} \]
考虑直线 \[ \ell:\quad (a-b)u+2\sqrt{ab}\,v=as. \] 其法向量的长度为 \(s\),因为 \[ (a-b)^2+4ab=s^2. \] \(A\) 和 \(B\) 到 \(\ell\) 的距离分别为 \(a\) 和 \(b\),且两个圆心均位于半平面 \[ (a-b)u+2\sqrt{ab}\,v\leq as. \] 因此,两个圆盘 \(K_A,K_B\) 都包含于这个半平面内。四边形的四个顶点都属于这两个圆盘的并,因此整个四边形,从而 \(K\),都包含于这个半平面内。
因此,\(P\) 到 \(\ell\) 的距离至少为 \(h\),从而 \[ (a-b)x+2\sqrt{ab}\,y+sh\leq as. \] 由 (1) 代入并化简,得到 \[ (a^2+b^2)h+2ab\sqrt{h(s+h)}\leq abs. \] 除以 \(abh>0\),得到 \[ \frac{a^2+b^2}{ab} +2\sqrt{\frac{s+h}{h}} \leq \frac{s}{h}. \]
令 \(t=\sqrt{(s+h)/h}>1\)。由于 \(s/h=t^2-1\),上一个不等式化为 \[ (t-1)^2\geq \frac{a^2+b^2}{ab}+2 =\frac{s^2}{ab}. \] 于是 \(t\geq 1+s/\sqrt{ab}\),从而 \[ 1+\frac{s}{h} =t^2 \geq \left(1+\frac{s}{\sqrt{ab}}\right)^2. \] 减去 \(1\),再除以 \(s>0\),得到 \[ \frac1h\geq \frac{s}{ab}+\frac{2}{\sqrt{ab}} =\left(\frac1{\sqrt a}+\frac1{\sqrt b}\right)^2. \] 两边取正平方根,即得 \[ \boxed{\frac1{\sqrt h}\geq \frac1{\sqrt{AD}}+\frac1{\sqrt{BC}}}. \]
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1989 · Задача 4
Пусть \(ABCD\) — выпуклый четырёхугольник, стороны \(AB, AD, BC\) которого удовлетворяют равенству \(AB = AD + BC\). Внутри четырёхугольника существует точка \(P\), находящаяся на расстоянии \(h\) от прямой \(CD\), такая что \(AP = h + AD\) и \(BP = h + BC\). Докажите, что: \[ \frac{1}{\sqrt{h}}\geq \frac{1}{\sqrt{AD}}+\frac{1}{\sqrt{BC}}. \]
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Положим \(a=AD\), \(b=BC\) и \(s=a+b=AB\). Поскольку \(P\) — внутренняя точка, \(a,b,h>0\).
Сначала покажем, что замкнутый круг \(K\) с центром \(P\) и радиусом \(h\) лежит внутри четырёхугольника. Пусть \(K_A,K_B\) — замкнутые круги с центрами \(A,B\) и радиусами \(a,b\). Для любой точки \(X\in K_A\) \[ PX\geq PA-AX\geq(a+h)-a=h, \] и аналогично \(PX\geq h\) для любой точки \(X\in K_B\). Отрезки \(AD\) и \(BC\) принадлежат соответствующим кругам, а \(AB\) покрывается их объединением, поскольку \(AB=a+b\). Таким образом, ни одна из этих трёх сторон не пересекает открытый круг с центром \(P\) и радиусом \(h\). Сторона \(CD\) также не пересекает его по определению \(h\).
Если бы какая-либо точка этого открытого круга лежала вне четырёхугольника, то отрезок, соединяющий её с внутренней точкой \(P\), пересекал бы границу на расстоянии меньше \(h\) от \(P\), что невозможно. Переходя к замыканиям, получаем требуемое утверждение.
Выберем координаты \[ A=(0,0),\qquad B=(s,0),\qquad P=(x,y),\qquad y>0. \] Два заданных расстояния дают \[ x^2+y^2=(a+h)^2,\qquad (s-x)^2+y^2=(b+h)^2. \] Вычитая уравнения, а затем подставляя найденное значение обратно, получаем \[ x=a+\frac{(a-b)h}{s}, \qquad y=\frac{2\sqrt{ab}}{s}\sqrt{h(s+h)}. \tag{1} \]
Рассмотрим прямую \[ \ell:\quad (a-b)u+2\sqrt{ab}\,v=as. \] Её нормальный вектор имеет длину \(s\), поскольку \[ (a-b)^2+4ab=s^2. \] Расстояния от \(A\) и \(B\) до \(\ell\) равны соответственно \(a\) и \(b\), и оба центра лежат в полуплоскости \[ (a-b)u+2\sqrt{ab}\,v\leq as. \] Следовательно, оба круга \(K_A,K_B\) лежат в этой полуплоскости. Все четыре вершины четырёхугольника принадлежат их объединению, поэтому весь четырёхугольник, а значит, и \(K\), лежит в этой полуплоскости.
Поэтому расстояние от \(P\) до \(\ell\) не меньше \(h\), откуда \[ (a-b)x+2\sqrt{ab}\,y+sh\leq as. \] Подставляя выражения из (1) и упрощая, получаем \[ (a^2+b^2)h+2ab\sqrt{h(s+h)}\leq abs. \] Деля на \(abh>0\), получаем \[ \frac{a^2+b^2}{ab} +2\sqrt{\frac{s+h}{h}} \leq \frac{s}{h}. \]
Положим \(t=\sqrt{(s+h)/h}>1\). Поскольку \(s/h=t^2-1\), последнее неравенство принимает вид \[ (t-1)^2\geq \frac{a^2+b^2}{ab}+2 =\frac{s^2}{ab}. \] Таким образом, \(t\geq 1+s/\sqrt{ab}\), и, следовательно, \[ 1+\frac{s}{h} =t^2 \geq \left(1+\frac{s}{\sqrt{ab}}\right)^2. \] Вычитая \(1\) и деля на \(s>0\), получаем \[ \frac1h\geq \frac{s}{ab}+\frac{2}{\sqrt{ab}} =\left(\frac1{\sqrt a}+\frac1{\sqrt b}\right)^2. \] Извлекая положительные квадратные корни, получаем \[ \boxed{\frac1{\sqrt h}\geq \frac1{\sqrt{AD}}+\frac1{\sqrt{BC}}}. \]
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1989 · المسألة 4
ليكن \(ABCD\) رباعيًا محدبًا تحقق أضلاعه \(AB, AD, BC\) العلاقة \(AB = AD + BC\). توجد نقطة \(P\) داخل الرباعي تبعد مسافة \(h\) عن المستقيم \(CD\)، بحيث \(AP = h + AD\) و\(BP = h + BC\). أثبت أن: \[ \frac{1}{\sqrt{h}}\geq \frac{1}{\sqrt{AD}}+\frac{1}{\sqrt{BC}}. \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نضع \(a=AD\)، و\(b=BC\)، و\(s=a+b=AB\). وبما أن \(P\) نقطة داخلية، فإن \(a,b,h>0\).
نبيّن أولًا أن القرص المغلق \(K\) الذي مركزه \(P\) ونصف قطره \(h\) يقع داخل الرباعي. ليكن \(K_A,K_B\) القرصين المغلقين اللذين مركزاهما \(A,B\) ونصفا قطريهما \(a,b\). لكل \(X\in K_A\)، لدينا \[ PX\geq PA-AX\geq(a+h)-a=h, \] وبالمثل \(PX\geq h\) لكل \(X\in K_B\). تنتمي القطعتان \(AD\) و\(BC\) إلى هذين القرصين، على الترتيب، بينما يغطي اتحادهما \(AB\) لأن \(AB=a+b\). ومن ثم لا يلتقي أي من هذه الأضلاع الثلاثة بالقرص المفتوح الذي مركزه \(P\) ونصف قطره \(h\). وكذلك لا يلتقي به \(CD\)، بحسب تعريف \(h\).
لو كانت نقطة من ذلك القرص المفتوح خارج الرباعي، لالتقت القطعة التي تصلها بالنقطة الداخلية \(P\) بحدود الرباعي على مسافة أقل من \(h\) من \(P\)، وهذا تناقض. وبأخذ الإغلاق نحصل على المطلوب.
نختار إحداثيات بحيث \[ A=(0,0),\qquad B=(s,0),\qquad P=(x,y),\qquad y>0. \] تعطي المسافتان المعطاتان \[ x^2+y^2=(a+h)^2,\qquad (s-x)^2+y^2=(b+h)^2. \] وبالطرح، ثم بالتعويض مجددًا، نحصل على \[ x=a+\frac{(a-b)h}{s}, \qquad y=\frac{2\sqrt{ab}}{s}\sqrt{h(s+h)}. \tag{1} \]
ننظر في المستقيم \[ \ell:\quad (a-b)u+2\sqrt{ab}\,v=as. \] طول متجهه الناظم هو \(s\)، لأن \[ (a-b)^2+4ab=s^2. \] المسافتان من \(A\) و\(B\) إلى \(\ell\) هما \(a\) و\(b\)، على الترتيب، ويقع كلا المركزين في نصف المستوى \[ (a-b)u+2\sqrt{ab}\,v\leq as. \] وبالتالي يقع القرصان \(K_A,K_B\) كلاهما في نصف المستوى هذا. وتنتمي رؤوس الرباعي الأربعة جميعها إلى اتحادهما، ولذلك يقع الرباعي كله، ومن ثم \(K\)، في نصف المستوى هذا.
إذن المسافة من \(P\) إلى \(\ell\) لا تقل عن \(h\)، مما يعطي \[ (a-b)x+2\sqrt{ab}\,y+sh\leq as. \] وبالتعويض من (1) والتبسيط نحصل على \[ (a^2+b^2)h+2ab\sqrt{h(s+h)}\leq abs. \] وبالقسمة على \(abh>0\)، نحصل على \[ \frac{a^2+b^2}{ab} +2\sqrt{\frac{s+h}{h}} \leq \frac{s}{h}. \]
نضع \(t=\sqrt{(s+h)/h}>1\). وبما أن \(s/h=t^2-1\)، تصبح المتباينة الأخيرة \[ (t-1)^2\geq \frac{a^2+b^2}{ab}+2 =\frac{s^2}{ab}. \] ومن ثم \(t\geq 1+s/\sqrt{ab}\)، وبالتالي \[ 1+\frac{s}{h} =t^2 \geq \left(1+\frac{s}{\sqrt{ab}}\right)^2. \] وبطرح \(1\) والقسمة على \(s>0\) نحصل على \[ \frac1h\geq \frac{s}{ab}+\frac{2}{\sqrt{ab}} =\left(\frac1{\sqrt a}+\frac1{\sqrt b}\right)^2. \] وبأخذ الجذور التربيعية الموجبة نثبت \[ \boxed{\frac1{\sqrt h}\geq \frac1{\sqrt{AD}}+\frac1{\sqrt{BC}}}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).