IMO 1990 · Problem 6
Prove that there exists a convex 1990-gon with the following two properties:
(a) All angles are equal.
(b) The lengths of the 1990 sides are the numbers \(1^2, 2^2, 3^2, \ldots, 1990^2\) in some order.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Identify the plane with the complex numbers. We will construct \(1990\) vectors having the required lengths, equally spaced directions, and sum zero, and then prove that they form a convex polygon.
Put \[ \alpha=e^{2\pi \mathrm{i}/5},\qquad \beta=e^{2\pi \mathrm{i}/199}. \] Thus \[ \sum_{p=0}^{4}\alpha^p=0, \qquad \sum_{q=0}^{198}\beta^q=0. \] For each pair \(0\le p\le4\), \(0\le q\le198\), let \[ r_{pq}=199p+q+1,\qquad u_{pq}=\alpha^p\beta^q, \] and take the two vectors \[ r_{pq}^{\,2}u_{pq}, \qquad -(1991-r_{pq})^2u_{pq}. \] The numbers \(r_{pq}\) run through \(1,\ldots,995\) exactly once, and their complements \(1991-r_{pq}\) run through \(996,\ldots,1990\). Consequently, these vectors have precisely the required lengths.
Their sum is zero. Indeed, \[ r_{pq}^{\,2}-(1991-r_{pq})^2 =1991(398p+2q-1989), \] so their total sum equals \[ \begin{aligned} &1991\sum_{p=0}^{4}\sum_{q=0}^{198} (398p+2q-1989)\alpha^p\beta^q\\ &\quad=1991\left[ \left(\sum_{p=0}^{4}(398p-1989)\alpha^p\right) \left(\sum_{q=0}^{198}\beta^q\right) + 2\left(\sum_{p=0}^{4}\alpha^p\right) \left(\sum_{q=0}^{198}q\beta^q\right) \right] =0. \end{aligned} \]
Next, the \(995\) directions \(u_{pq}\) are exactly the \(995\)-th roots of unity. They are all such roots, and they are distinct: if \[ \alpha^p\beta^q=\alpha^{p'}\beta^{q'}, \] then \(\alpha^{p-p'}=\beta^{q'-q}\) is both a fifth and a \(199\)-th root of unity. Since \(5\) and \(199\) are coprime, it equals \(1\), giving \(p=p'\) and \(q=q'\).
Because \(995\) is odd, these roots and their negatives together are exactly the \(1990\)-th roots of unity. Hence we can arrange our vectors in increasing angular order as \[ v_k=\ell_k e^{2\pi\mathrm{i}k/1990}, \qquad 0\le k<1990, \] where every \(\ell_k>0\). Define \[ P_0=0,\qquad P_{k+1}=P_k+v_k. \] The zero vector sum gives \(P_{1990}=P_0\).
We now verify convexity, including that this closed chain has no repeated vertices or crossings. Fix any side \(P_kP_{k+1}\), interpreting indices cyclically. The signed perpendicular displacement of \(P_{k+r}\) from its oriented line is \[ h_r=\sum_{t=0}^{r-1}\ell_{k+t} \sin\left(\frac{2\pi t}{1990}\right). \] For \(2\le r\le995\), this is strictly positive, since the terms with \(1\le t\le994\) are positive. For \(996\le r\le1989\), closure gives \[ h_r=-\sum_{t=r}^{1989}\ell_{k+t} \sin\left(\frac{2\pi t}{1990}\right)>0, \] since every sine in this last sum is negative.
Thus every vertex other than the endpoints of each side lies strictly to the left of that side’s oriented line. In particular, all vertices are distinct, and each side is an edge of their convex hull. The chain therefore forms a convex \(1990\)-gon.
Finally, consecutive side directions differ by \(2\pi/1990\), so every interior angle equals \[ \pi-\frac{2\pi}{1990}. \] Its side lengths are precisely \(1^2,2^2,\ldots,1990^2\), as required. \(\square\)
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1990 · Aufgabe 6
Beweise, dass es ein konvexes 1990-Eck mit den folgenden beiden Eigenschaften gibt:
(a) Alle Winkel sind gleich groß.
(b) Die Längen der 1990 Seiten sind die Zahlen \(1^2, 2^2, 3^2, \ldots, 1990^2\) in irgendeiner Reihenfolge.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir identifizieren die Ebene mit den komplexen Zahlen. Wir werden \(1990\) Vektoren konstruieren, die die geforderten Längen und gleichmäßig verteilte Richtungen haben und deren Summe null ist, und anschließend beweisen, dass sie ein konvexes Vieleck bilden.
Setze \[ \alpha=e^{2\pi \mathrm{i}/5},\qquad \beta=e^{2\pi \mathrm{i}/199}. \] Dann gilt \[ \sum_{p=0}^{4}\alpha^p=0, \qquad \sum_{q=0}^{198}\beta^q=0. \] Für jedes Paar \(0\le p\le4\), \(0\le q\le198\) setzen wir \[ r_{pq}=199p+q+1,\qquad u_{pq}=\alpha^p\beta^q, \] und nehmen die beiden Vektoren \[ r_{pq}^{\,2}u_{pq}, \qquad -(1991-r_{pq})^2u_{pq}. \] Die Zahlen \(r_{pq}\) durchlaufen \(1,\ldots,995\) genau einmal, und die Ergänzungen \(1991-r_{pq}\) durchlaufen \(996,\ldots,1990\). Somit haben diese Vektoren genau die geforderten Längen.
Ihre Summe ist null. Tatsächlich gilt \[ r_{pq}^{\,2}-(1991-r_{pq})^2 =1991(398p+2q-1989), \] also ist ihre Gesamtsumme gleich \[ \begin{aligned} &1991\sum_{p=0}^{4}\sum_{q=0}^{198} (398p+2q-1989)\alpha^p\beta^q\\ &\quad=1991\left[ \left(\sum_{p=0}^{4}(398p-1989)\alpha^p\right) \left(\sum_{q=0}^{198}\beta^q\right) + 2\left(\sum_{p=0}^{4}\alpha^p\right) \left(\sum_{q=0}^{198}q\beta^q\right) \right] =0. \end{aligned} \]
Als Nächstes stellen wir fest, dass die \(995\) Richtungen \(u_{pq}\) genau die \(995\)-ten Einheitswurzeln sind. Sie sind allesamt solche Wurzeln, und sie sind verschieden: Gilt \[ \alpha^p\beta^q=\alpha^{p'}\beta^{q'}, \] so ist \(\alpha^{p-p'}=\beta^{q'-q}\) sowohl eine fünfte als auch eine \(199\)-te Einheitswurzel. Da \(5\) und \(199\) teilerfremd sind, ist sie gleich \(1\), woraus \(p=p'\) und \(q=q'\) folgen.
Da \(995\) ungerade ist, sind diese Wurzeln zusammen mit ihren Negativen genau die \(1990\)-ten Einheitswurzeln. Daher können wir unsere Vektoren nach aufsteigendem Winkel anordnen als \[ v_k=\ell_k e^{2\pi\mathrm{i}k/1990}, \qquad 0\le k<1990, \] wobei jedes \(\ell_k>0\) ist. Wir definieren \[ P_0=0,\qquad P_{k+1}=P_k+v_k. \] Da die Vektorsumme null ist, gilt \(P_{1990}=P_0\).
Wir überprüfen nun die Konvexität und dabei auch, dass dieser geschlossene Streckenzug weder wiederholte Eckpunkte noch Überschneidungen hat. Wir fixieren eine beliebige Seite \(P_kP_{k+1}\), wobei die Indizes zyklisch zu verstehen sind. Der vorzeichenbehaftete senkrechte Abstand von \(P_{k+r}\) zu ihrer orientierten Geraden ist \[ h_r=\sum_{t=0}^{r-1}\ell_{k+t} \sin\left(\frac{2\pi t}{1990}\right). \] Für \(2\le r\le995\) ist dieser streng positiv, da die Summanden mit \(1\le t\le994\) positiv sind. Für \(996\le r\le1989\) folgt aus der Geschlossenheit \[ h_r=-\sum_{t=r}^{1989}\ell_{k+t} \sin\left(\frac{2\pi t}{1990}\right)>0, \] da jeder Sinuswert in dieser letzten Summe negativ ist.
Somit liegt jeder Eckpunkt, der kein Endpunkt einer gegebenen Seite ist, strikt links von der orientierten Geraden dieser Seite. Insbesondere sind alle Eckpunkte verschieden, und jede Seite ist eine Kante ihrer konvexen Hülle. Der Streckenzug bildet daher ein konvexes \(1990\)-Eck.
Schließlich unterscheiden sich die Richtungen aufeinanderfolgender Seiten um \(2\pi/1990\), also ist jeder Innenwinkel gleich \[ \pi-\frac{2\pi}{1990}. \] Seine Seitenlängen sind genau \(1^2,2^2,\ldots,1990^2\), wie gefordert. \(\square\)
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1990 · Soru 6
Aşağıdaki iki özelliği sağlayan dışbükey bir 1990-genin var olduğunu kanıtlayınız:
(a) Tüm açıları eşittir.
(b) 1990 kenarının uzunlukları, bir sırada, \(1^2, 2^2, 3^2, \ldots, 1990^2\) sayılarıdır.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Düzlemi karmaşık sayılarla özdeşleştirelim. Uzunlukları istenen değerlerde, yönleri eşit açısal aralıklarla sıralanmış ve toplamları sıfır olan \(1990\) vektör oluşturacağız; ardından bunların dışbükey bir çokgen oluşturduğunu kanıtlayacağız.
\[ \alpha=e^{2\pi \mathrm{i}/5},\qquad \beta=e^{2\pi \mathrm{i}/199} \] olsun. Böylece \[ \sum_{p=0}^{4}\alpha^p=0, \qquad \sum_{q=0}^{198}\beta^q=0 \] olur. Her \(0\le p\le4\), \(0\le q\le198\) çifti için \[ r_{pq}=199p+q+1,\qquad u_{pq}=\alpha^p\beta^q \] olsun ve \[ r_{pq}^{\,2}u_{pq}, \qquad -(1991-r_{pq})^2u_{pq} \] vektörlerini alalım. \(r_{pq}\) sayıları \(1,\ldots,995\) değerlerinin her birini tam bir kez alır ve bunları 1991'e tamamlayan \(1991-r_{pq}\) sayıları \(996,\ldots,1990\) değerlerini alır. Dolayısıyla bu vektörlerin uzunlukları tam olarak istenen değerlerdir.
Toplamları sıfırdır. Gerçekten, \[ r_{pq}^{\,2}-(1991-r_{pq})^2 =1991(398p+2q-1989) \] olduğundan tüm vektörlerin toplamı \[ \begin{aligned} &1991\sum_{p=0}^{4}\sum_{q=0}^{198} (398p+2q-1989)\alpha^p\beta^q\\ &\quad=1991\left[ \left(\sum_{p=0}^{4}(398p-1989)\alpha^p\right) \left(\sum_{q=0}^{198}\beta^q\right) + 2\left(\sum_{p=0}^{4}\alpha^p\right) \left(\sum_{q=0}^{198}q\beta^q\right) \right] =0 \end{aligned} \] olur.
Şimdi, \(995\) tane \(u_{pq}\) yönü tam olarak birimin \(995\). dereceden kökleridir. Bunların hepsi böyle bir köktür ve birbirinden farklıdır: eğer \[ \alpha^p\beta^q=\alpha^{p'}\beta^{q'} \] ise \(\alpha^{p-p'}=\beta^{q'-q}\), birimin hem beşinci hem de \(199\). dereceden bir köküdür. \(5\) ve \(199\) aralarında asal olduğundan bu sayı \(1\) olur; dolayısıyla \(p=p'\) ve \(q=q'\) elde edilir.
\(995\) tek olduğundan, bu kökler ile negatifleri birlikte tam olarak birimin \(1990\). dereceden köklerini oluşturur. Dolayısıyla vektörlerimizi artan açı sırasıyla \[ v_k=\ell_k e^{2\pi\mathrm{i}k/1990}, \qquad 0\le k<1990 \] biçiminde sıralayabiliriz; burada her \(\ell_k>0\) olur. \[ P_0=0,\qquad P_{k+1}=P_k+v_k \] olarak tanımlayalım. Vektörlerin toplamının sıfır olması \(P_{1990}=P_0\) verir.
Şimdi, bu kapalı kırık çizgide tekrarlanan köşe veya kesişme bulunmadığını da göstererek dışbükeyliği doğrulayalım. İndisleri döngüsel olarak yorumlayarak herhangi bir \(P_kP_{k+1}\) kenarını sabitleyelim. \(P_{k+r}\) noktasının bu kenarın yönlendirilmiş doğrusuna işaretli dik uzaklığı \[ h_r=\sum_{t=0}^{r-1}\ell_{k+t} \sin\left(\frac{2\pi t}{1990}\right) \] olur. \(2\le r\le995\) için bu değer kesin olarak pozitiftir; çünkü \(1\le t\le994\) olan terimler pozitiftir. \(996\le r\le1989\) için kapalı olma özelliğinden \[ h_r=-\sum_{t=r}^{1989}\ell_{k+t} \sin\left(\frac{2\pi t}{1990}\right)>0 \] elde edilir; çünkü bu son toplamdaki her sinüs değeri negatiftir.
Böylece her kenarın uç noktaları dışındaki tüm köşeler, o kenarın yönlendirilmiş doğrusunun kesin olarak solunda yer alır. Özellikle, tüm köşeler birbirinden farklıdır ve her kenar bu köşelerin dışbükey örtüsünün bir kenarıdır. Dolayısıyla bu kırık çizgi dışbükey bir \(1990\)-gen oluşturur.
Son olarak, ardışık kenarların yönleri arasındaki fark \(2\pi/1990\) olduğundan her iç açı \[ \pi-\frac{2\pi}{1990} \] olur. Kenar uzunlukları tam olarak \(1^2,2^2,\ldots,1990^2\) değerleridir; bu da istenendir. \(\square\)
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1990 · Problema 6
Demostrar que existe un polígono convexo de 1990 lados con las dos propiedades siguientes:
(a) Todos sus ángulos son iguales.
(b) Las longitudes de los 1990 lados son los números \(1^2, 2^2, 3^2, \ldots, 1990^2\) en algún orden.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Identifiquemos el plano con los números complejos. Construiremos \(1990\) vectores con las longitudes requeridas, direcciones igualmente espaciadas y suma nula, y después demostraremos que forman un polígono convexo.
Sean \[ \alpha=e^{2\pi \mathrm{i}/5},\qquad \beta=e^{2\pi \mathrm{i}/199}. \] Entonces \[ \sum_{p=0}^{4}\alpha^p=0, \qquad \sum_{q=0}^{198}\beta^q=0. \] Para cada par \(0\le p\le4\), \(0\le q\le198\), sean \[ r_{pq}=199p+q+1,\qquad u_{pq}=\alpha^p\beta^q, \] y tomemos los dos vectores \[ r_{pq}^{\,2}u_{pq}, \qquad -(1991-r_{pq})^2u_{pq}. \] Los números \(r_{pq}\) recorren \(1,\ldots,995\) exactamente una vez, y sus complementos \(1991-r_{pq}\) recorren \(996,\ldots,1990\). En consecuencia, estos vectores tienen precisamente las longitudes requeridas.
Su suma es nula. En efecto, \[ r_{pq}^{\,2}-(1991-r_{pq})^2 =1991(398p+2q-1989), \] por lo que su suma total es igual a \[ \begin{aligned} &1991\sum_{p=0}^{4}\sum_{q=0}^{198} (398p+2q-1989)\alpha^p\beta^q\\ &\quad=1991\left[ \left(\sum_{p=0}^{4}(398p-1989)\alpha^p\right) \left(\sum_{q=0}^{198}\beta^q\right) + 2\left(\sum_{p=0}^{4}\alpha^p\right) \left(\sum_{q=0}^{198}q\beta^q\right) \right] =0. \end{aligned} \]
A continuación, las \(995\) direcciones \(u_{pq}\) son exactamente las raíces \(995\)-ésimas de la unidad. Todas son raíces de ese tipo, y son distintas: si \[ \alpha^p\beta^q=\alpha^{p'}\beta^{q'}, \] entonces \(\alpha^{p-p'}=\beta^{q'-q}\) es a la vez una raíz quinta y una raíz \(199\)-ésima de la unidad. Como \(5\) y \(199\) son coprimos, es igual a \(1\), lo que da \(p=p'\) y \(q=q'\).
Como \(995\) es impar, estas raíces junto con sus opuestas son exactamente las raíces \(1990\)-ésimas de la unidad. Por tanto, podemos disponer nuestros vectores en orden angular creciente como \[ v_k=\ell_k e^{2\pi\mathrm{i}k/1990}, \qquad 0\le k<1990, \] donde cada \(\ell_k>0\). Definamos \[ P_0=0,\qquad P_{k+1}=P_k+v_k. \] La suma vectorial nula da \(P_{1990}=P_0\).
Verifiquemos ahora la convexidad, incluido el hecho de que esta línea poligonal cerrada no tiene vértices repetidos ni cruces. Fijemos un lado cualquiera \(P_kP_{k+1}\), interpretando los índices cíclicamente. La distancia perpendicular con signo de \(P_{k+r}\) a la recta orientada de ese lado es \[ h_r=\sum_{t=0}^{r-1}\ell_{k+t} \sin\left(\frac{2\pi t}{1990}\right). \] Para \(2\le r\le995\), esta es estrictamente positiva, ya que los términos con \(1\le t\le994\) son positivos. Para \(996\le r\le1989\), el cierre de la línea poligonal da \[ h_r=-\sum_{t=r}^{1989}\ell_{k+t} \sin\left(\frac{2\pi t}{1990}\right)>0, \] pues todos los senos de esta última suma son negativos.
Así pues, todo vértice distinto de los extremos de cada lado se encuentra estrictamente a la izquierda de la recta orientada de ese lado. En particular, todos los vértices son distintos y cada lado es una arista de su envolvente convexa. Por tanto, la línea poligonal forma un polígono convexo de \(1990\) lados.
Finalmente, las direcciones de lados consecutivos difieren en \(2\pi/1990\), por lo que cada ángulo interior es igual a \[ \pi-\frac{2\pi}{1990}. \] Las longitudes de sus lados son precisamente \(1^2,2^2,\ldots,1990^2\), como se pedía. \(\square\)
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1990 · 问题 6
证明存在一个凸 1990 边形,具有以下两个性质:
(a) 所有内角相等。
(b) 1990 条边的长度按某种顺序排列,恰为 \(1^2, 2^2, 3^2, \ldots, 1990^2\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
将平面视为复平面。我们将构造 \(1990\) 个向量,使它们具有所要求的长度、方向等角间隔且向量和为零,然后证明它们构成一个凸多边形。
令 \[ \alpha=e^{2\pi \mathrm{i}/5},\qquad \beta=e^{2\pi \mathrm{i}/199}. \] 于是 \[ \sum_{p=0}^{4}\alpha^p=0, \qquad \sum_{q=0}^{198}\beta^q=0. \] 对每一对 \(0\le p\le4\)、\(0\le q\le198\),令 \[ r_{pq}=199p+q+1,\qquad u_{pq}=\alpha^p\beta^q, \] 并取两个向量 \[ r_{pq}^{\,2}u_{pq}, \qquad -(1991-r_{pq})^2u_{pq}. \] 数 \(r_{pq}\) 恰好将 \(1,\ldots,995\) 各取一次,而它们的补数 \(1991-r_{pq}\) 则遍历 \(996,\ldots,1990\)。因此,这些向量的长度恰好符合要求。
它们的向量和为零。事实上, \[ r_{pq}^{\,2}-(1991-r_{pq})^2 =1991(398p+2q-1989), \] 所以它们的总和等于 \[ \begin{aligned} &1991\sum_{p=0}^{4}\sum_{q=0}^{198} (398p+2q-1989)\alpha^p\beta^q\\ &\quad=1991\left[ \left(\sum_{p=0}^{4}(398p-1989)\alpha^p\right) \left(\sum_{q=0}^{198}\beta^q\right) + 2\left(\sum_{p=0}^{4}\alpha^p\right) \left(\sum_{q=0}^{198}q\beta^q\right) \right] =0. \end{aligned} \]
接下来,\(995\) 个方向 \(u_{pq}\) 恰好是全部 \(995\) 次单位根。它们都是这样的单位根,且互不相同:若 \[ \alpha^p\beta^q=\alpha^{p'}\beta^{q'}, \] 则 \(\alpha^{p-p'}=\beta^{q'-q}\) 既是五次单位根,又是 \(199\) 次单位根。由于 \(5\) 与 \(199\) 互素,它只能等于 \(1\),从而 \(p=p'\) 且 \(q=q'\)。
由于 \(995\) 为奇数,这些单位根及其相反数合起来恰好是全部 \(1990\) 次单位根。因此,可以将这些向量按辐角递增的顺序排列为 \[ v_k=\ell_k e^{2\pi\mathrm{i}k/1990}, \qquad 0\le k<1990, \] 其中每个 \(\ell_k>0\)。定义 \[ P_0=0,\qquad P_{k+1}=P_k+v_k. \] 由向量和为零,得 \(P_{1990}=P_0\)。
现在验证凸性,同时验证这条闭合折线没有重合的顶点,也没有交叉。固定任意一条边 \(P_kP_{k+1}\),下标按循环方式理解。\(P_{k+r}\) 到该边所在有向直线的有向垂直距离为 \[ h_r=\sum_{t=0}^{r-1}\ell_{k+t} \sin\left(\frac{2\pi t}{1990}\right). \] 当 \(2\le r\le995\) 时,这个量严格为正,因为 \(1\le t\le994\) 对应的各项均为正。当 \(996\le r\le1989\) 时,由折线闭合可得 \[ h_r=-\sum_{t=r}^{1989}\ell_{k+t} \sin\left(\frac{2\pi t}{1990}\right)>0, \] 因为最后这个和式中的每个正弦值均为负。
因此,对于每条边,除其两个端点以外的所有顶点都严格位于该边所在有向直线的左侧。特别地,所有顶点互不相同,且每条边都是这些顶点的凸包的一条边。因此,这条折线构成一个凸 \(1990\) 边形。
最后,相邻两条边的方向之差为 \(2\pi/1990\),所以每个内角均等于 \[ \pi-\frac{2\pi}{1990}. \] 其边长恰好为 \(1^2,2^2,\ldots,1990^2\),符合要求。\(\square\)
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1990 · Задача 6
Докажите, что существует выпуклый 1990-угольник со следующими двумя свойствами:
(a) Все углы равны.
(b) Длины его 1990 сторон равны числам \(1^2, 2^2, 3^2, \ldots, 1990^2\) в некотором порядке.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Отождествим плоскость с комплексными числами. Мы построим \(1990\) векторов требуемых длин, направления которых образуют равные угловые промежутки, а сумма равна нулю, и затем докажем, что они образуют выпуклый многоугольник.
Положим \[ \alpha=e^{2\pi \mathrm{i}/5},\qquad \beta=e^{2\pi \mathrm{i}/199}. \] Тогда \[ \sum_{p=0}^{4}\alpha^p=0, \qquad \sum_{q=0}^{198}\beta^q=0. \] Для каждой пары \(0\le p\le4\), \(0\le q\le198\) положим \[ r_{pq}=199p+q+1,\qquad u_{pq}=\alpha^p\beta^q, \] и возьмём два вектора \[ r_{pq}^{\,2}u_{pq}, \qquad -(1991-r_{pq})^2u_{pq}. \] Числа \(r_{pq}\) принимают все значения \(1,\ldots,995\) ровно по одному разу, а дополняющие их числа \(1991-r_{pq}\) принимают все значения \(996,\ldots,1990\). Следовательно, длины этих векторов в точности совпадают с требуемыми.
Их сумма равна нулю. Действительно, \[ r_{pq}^{\,2}-(1991-r_{pq})^2 =1991(398p+2q-1989), \] поэтому их общая сумма равна \[ \begin{aligned} &1991\sum_{p=0}^{4}\sum_{q=0}^{198} (398p+2q-1989)\alpha^p\beta^q\\ &\quad=1991\left[ \left(\sum_{p=0}^{4}(398p-1989)\alpha^p\right) \left(\sum_{q=0}^{198}\beta^q\right) + 2\left(\sum_{p=0}^{4}\alpha^p\right) \left(\sum_{q=0}^{198}q\beta^q\right) \right] =0. \end{aligned} \]
Далее, \(995\) направлений \(u_{pq}\) — это в точности корни \(995\)-й степени из единицы. Все они являются такими корнями и попарно различны: если \[ \alpha^p\beta^q=\alpha^{p'}\beta^{q'}, \] то \(\alpha^{p-p'}=\beta^{q'-q}\) является одновременно корнем пятой и \(199\)-й степени из единицы. Поскольку \(5\) и \(199\) взаимно просты, это число равно \(1\), откуда \(p=p'\) и \(q=q'\).
Так как \(995\) нечётно, эти корни вместе с противоположными им числами составляют в точности все корни \(1990\)-й степени из единицы. Поэтому наши векторы можно расположить в порядке возрастания аргумента как \[ v_k=\ell_k e^{2\pi\mathrm{i}k/1990}, \qquad 0\le k<1990, \] где каждое \(\ell_k>0\). Определим \[ P_0=0,\qquad P_{k+1}=P_k+v_k. \] Равенство суммы векторов нулю даёт \(P_{1990}=P_0\).
Теперь проверим выпуклость, в том числе то, что эта замкнутая ломаная не имеет повторяющихся вершин и самопересечений. Зафиксируем любую сторону \(P_kP_{k+1}\), считая индексы циклически. Расстояние со знаком от \(P_{k+r}\) до ориентированной прямой, содержащей эту сторону, равно \[ h_r=\sum_{t=0}^{r-1}\ell_{k+t} \sin\left(\frac{2\pi t}{1990}\right). \] При \(2\le r\le995\) оно строго положительно, поскольку слагаемые с \(1\le t\le994\) положительны. При \(996\le r\le1989\) из замкнутости получаем \[ h_r=-\sum_{t=r}^{1989}\ell_{k+t} \sin\left(\frac{2\pi t}{1990}\right)>0, \] поскольку каждый синус в последней сумме отрицателен.
Таким образом, для каждой стороны все вершины, кроме её концов, лежат строго слева от ориентированной прямой, содержащей эту сторону. В частности, все вершины различны, а каждая сторона является ребром их выпуклой оболочки. Следовательно, ломаная образует выпуклый \(1990\)-угольник.
Наконец, направления последовательных сторон отличаются на \(2\pi/1990\), поэтому каждый внутренний угол равен \[ \pi-\frac{2\pi}{1990}. \] Длины его сторон равны в точности \(1^2,2^2,\ldots,1990^2\), что и требовалось. \(\square\)
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1990 · المسألة 6
أثبت أنه يوجد مضلع محدب ذو 1990 ضلعًا له الخاصيتان الآتيتان:
(a) جميع زواياه متساوية.
(b) أطوال أضلاعه الـ 1990 هي الأعداد \(1^2, 2^2, 3^2, \ldots, 1990^2\) بترتيب ما.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نطابق المستوى مع مجموعة الأعداد العقدية. سننشئ \(1990\) متجهًا بأطوال مطلوبة، واتجاهات متساوية التباعد، ومجموع يساوي الصفر، ثم نثبت أنها تشكل مضلعًا محدبًا.
نضع \[ \alpha=e^{2\pi \mathrm{i}/5},\qquad \beta=e^{2\pi \mathrm{i}/199}. \] إذن \[ \sum_{p=0}^{4}\alpha^p=0, \qquad \sum_{q=0}^{198}\beta^q=0. \] لكل زوج \(0\le p\le4\)، \(0\le q\le198\)، نضع \[ r_{pq}=199p+q+1,\qquad u_{pq}=\alpha^p\beta^q, \] ونأخذ المتجهين \[ r_{pq}^{\,2}u_{pq}, \qquad -(1991-r_{pq})^2u_{pq}. \] تأخذ الأعداد \(r_{pq}\) القيم \(1,\ldots,995\) مرة واحدة بالضبط، وتأخذ متمماتها \(1991-r_{pq}\) القيم \(996,\ldots,1990\). وبالتالي، فإن أطوال هذه المتجهات هي بالضبط الأطوال المطلوبة.
مجموعها يساوي الصفر. بالفعل، \[ r_{pq}^{\,2}-(1991-r_{pq})^2 =1991(398p+2q-1989), \] ومن ثم فإن مجموعها الكلي يساوي \[ \begin{aligned} &1991\sum_{p=0}^{4}\sum_{q=0}^{198} (398p+2q-1989)\alpha^p\beta^q\\ &\quad=1991\left[ \left(\sum_{p=0}^{4}(398p-1989)\alpha^p\right) \left(\sum_{q=0}^{198}\beta^q\right) + 2\left(\sum_{p=0}^{4}\alpha^p\right) \left(\sum_{q=0}^{198}q\beta^q\right) \right] =0. \end{aligned} \]
بعد ذلك، فإن الاتجاهات الـ \(995\) المعطاة بـ \(u_{pq}\) هي بالضبط الجذور ذات الرتبة \(995\) للوحدة. فجميعها جذور من هذه الرتبة، وهي متميزة: إذا كان \[ \alpha^p\beta^q=\alpha^{p'}\beta^{q'}, \] فإن \(\alpha^{p-p'}=\beta^{q'-q}\) جذر للوحدة من الرتبة الخامسة ومن الرتبة \(199\) في آن واحد. وبما أن \(5\) و\(199\) أوليان فيما بينهما، فإنه يساوي \(1\)، فنحصل على \(p=p'\) و\(q=q'\).
بما أن \(995\) فردي، فإن هذه الجذور وأضدادها معًا هي بالضبط الجذور ذات الرتبة \(1990\) للوحدة. ومن ثم يمكننا ترتيب متجهاتنا بحسب تزايد زوايا اتجاهاتها كما يلي: \[ v_k=\ell_k e^{2\pi\mathrm{i}k/1990}, \qquad 0\le k<1990, \] حيث كل \(\ell_k>0\). نعرّف \[ P_0=0,\qquad P_{k+1}=P_k+v_k. \] وبما أن مجموع المتجهات يساوي الصفر، فإن \(P_{1990}=P_0\).
نتحقق الآن من التحدب، بما في ذلك خلو هذا المسار المغلق من الرؤوس المتكررة والتقاطعات. نثبت أي ضلع \(P_kP_{k+1}\)، مع اعتبار المؤشرات دوريًا. الإزاحة العمودية ذات الإشارة للنقطة \(P_{k+r}\) عن المستقيم الموجه لهذا الضلع هي \[ h_r=\sum_{t=0}^{r-1}\ell_{k+t} \sin\left(\frac{2\pi t}{1990}\right). \] عندما \(2\le r\le995\)، تكون هذه الكمية موجبة تمامًا، لأن الحدود التي تحقق \(1\le t\le994\) موجبة. وعندما \(996\le r\le1989\)، يعطينا انغلاق المسار \[ h_r=-\sum_{t=r}^{1989}\ell_{k+t} \sin\left(\frac{2\pi t}{1990}\right)>0, \] لأن كل قيمة للجيب في هذا المجموع الأخير سالبة.
إذن يقع كل رأس غير طرفي أي ضلع إلى يسار المستقيم الموجه لذلك الضلع تمامًا. وبوجه خاص، جميع الرؤوس متميزة، وكل ضلع هو ضلع في غلافها المحدب. ولذلك يشكل المسار مضلعًا محدبًا ذا \(1990\) ضلعًا.
وأخيرًا، فإن الفرق بين اتجاهي كل ضلعين متتاليين هو \(2\pi/1990\)، ومن ثم فإن كل زاوية داخلية تساوي \[ \pi-\frac{2\pi}{1990}. \] وأطوال أضلاعه هي بالضبط \(1^2,2^2,\ldots,1990^2\)، وهو المطلوب. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).