IMO 1991 · Problem 5
Let \(ABC\) be a triangle and \(P\) an interior point of \(ABC\). Show that at least one of the angles \(\angle PAB,\angle PBC,\angle PCA\) is less than or equal to \(30^\circ\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Put \[ \alpha=\angle PAB,\qquad \beta=\angle PBC,\qquad \gamma=\angle PCA, \] and \[ x=\angle PAC,\qquad y=\angle PBA,\qquad z=\angle PCB. \] Since \(P\) is interior, all six angles are positive, and \[ \alpha+\beta+\gamma+x+y+z=180^\circ. \]
Applying the sine rule in triangles \(APB\), \(BPC\), and \(CPA\), respectively, gives \[ \frac{PB}{PA}=\frac{\sin\alpha}{\sin y},\qquad \frac{PC}{PB}=\frac{\sin\beta}{\sin z},\qquad \frac{PA}{PC}=\frac{\sin\gamma}{\sin x}. \] Multiplication yields \[ \sin\alpha\sin\beta\sin\gamma=\sin x\sin y\sin z. \tag{1} \]
Suppose, for a contradiction, that \(\alpha,\beta,\gamma>30^\circ\). Their sum is less than \(180^\circ\), so each is also less than \(120^\circ\). Thus each of their sines exceeds \(1/2\), and consequently \[ \sin\alpha\sin\beta\sin\gamma>\frac18. \tag{2} \]
On the other hand, \[ x+y+z=180^\circ-(\alpha+\beta+\gamma)<90^\circ. \] Therefore \(0<x+y<90^\circ-z<90^\circ\), so \[ \cos(x+y)>\cos(90^\circ-z)=\sin z. \] Using the product-to-sum identity and \(\cos(x-y)\le1\), we obtain \[ \begin{aligned} \sin x\sin y\sin z &=\frac{\sin z}{2}\bigl(\cos(x-y)-\cos(x+y)\bigr)\\ &<\frac{\sin z}{2}(1-\sin z)\\ &\le\frac18. \end{aligned} \] The last inequality follows from \[ t(1-t)=\frac14-\left(t-\frac12\right)^2\le\frac14 \] with \(t=\sin z\).
This contradicts (1) and (2). Hence at least one of \(\angle PAB,\angle PBC,\angle PCA\) is at most \(30^\circ\). \(\square\)
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1991 · Aufgabe 5
Es sei \(ABC\) ein Dreieck und \(P\) ein Punkt im Inneren von \(ABC\). Man zeige, dass mindestens einer der Winkel \(\angle PAB,\angle PBC,\angle PCA\) kleiner oder gleich \(30^\circ\) ist.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir setzen \[ \alpha=\angle PAB,\qquad \beta=\angle PBC,\qquad \gamma=\angle PCA, \] und \[ x=\angle PAC,\qquad y=\angle PBA,\qquad z=\angle PCB. \] Da \(P\) im Inneren liegt, sind alle sechs Winkel positiv, und es gilt \[ \alpha+\beta+\gamma+x+y+z=180^\circ. \]
Die Anwendung des Sinussatzes in den Dreiecken \(APB\), \(BPC\) bzw. \(CPA\) ergibt \[ \frac{PB}{PA}=\frac{\sin\alpha}{\sin y},\qquad \frac{PC}{PB}=\frac{\sin\beta}{\sin z},\qquad \frac{PA}{PC}=\frac{\sin\gamma}{\sin x}. \] Durch Multiplikation erhalten wir \[ \sin\alpha\sin\beta\sin\gamma=\sin x\sin y\sin z. \tag{1} \]
Wir nehmen zum Widerspruch an, dass \(\alpha,\beta,\gamma>30^\circ\). Ihre Summe ist kleiner als \(180^\circ\), also ist jeder dieser Winkel auch kleiner als \(120^\circ\). Somit ist der Sinus jedes dieser Winkel größer als \(1/2\), und folglich gilt \[ \sin\alpha\sin\beta\sin\gamma>\frac18. \tag{2} \]
Andererseits gilt \[ x+y+z=180^\circ-(\alpha+\beta+\gamma)<90^\circ. \] Daher ist \(0<x+y<90^\circ-z<90^\circ\), also gilt \[ \cos(x+y)>\cos(90^\circ-z)=\sin z. \] Mithilfe der Formel zur Umwandlung eines Produkts in eine Summe und \(\cos(x-y)\le1\) erhalten wir \[ \begin{aligned} \sin x\sin y\sin z &=\frac{\sin z}{2}\bigl(\cos(x-y)-\cos(x+y)\bigr)\\ &<\frac{\sin z}{2}(1-\sin z)\\ &\le\frac18. \end{aligned} \] Die letzte Ungleichung folgt aus \[ t(1-t)=\frac14-\left(t-\frac12\right)^2\le\frac14 \] mit \(t=\sin z\).
Dies widerspricht (1) und (2). Also ist mindestens einer der Winkel \(\angle PAB,\angle PBC,\angle PCA\) höchstens \(30^\circ\). \(\square\)
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1991 · Soru 5
\(ABC\) bir üçgen ve \(P\), \(ABC\)'nin bir iç noktası olsun. \(\angle PAB,\angle PBC,\angle PCA\) açılarından en az birinin \(30^\circ\)'den küçük veya eşit olduğunu gösteriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\[ \alpha=\angle PAB,\qquad \beta=\angle PBC,\qquad \gamma=\angle PCA, \] ve \[ x=\angle PAC,\qquad y=\angle PBA,\qquad z=\angle PCB \] olsun. \(P\) bir iç nokta olduğundan, bu altı açının tümü pozitiftir ve \[ \alpha+\beta+\gamma+x+y+z=180^\circ. \]
Sırasıyla \(APB\), \(BPC\) ve \(CPA\) üçgenlerinde sinüs teoremini uygulayarak \[ \frac{PB}{PA}=\frac{\sin\alpha}{\sin y},\qquad \frac{PC}{PB}=\frac{\sin\beta}{\sin z},\qquad \frac{PA}{PC}=\frac{\sin\gamma}{\sin x} \] elde ederiz. Bu eşitlikleri çarparak \[ \sin\alpha\sin\beta\sin\gamma=\sin x\sin y\sin z \tag{1} \] buluruz.
Bir çelişki elde etmek üzere \(\alpha,\beta,\gamma>30^\circ\) olduğunu varsayalım. Toplamları \(180^\circ\)'den küçük olduğundan, her biri aynı zamanda \(120^\circ\)'den küçüktür. Dolayısıyla her birinin sinüsü \(1/2\)'den büyüktür ve bunun sonucunda \[ \sin\alpha\sin\beta\sin\gamma>\frac18. \tag{2} \]
Öte yandan, \[ x+y+z=180^\circ-(\alpha+\beta+\gamma)<90^\circ. \] Bu nedenle \(0<x+y<90^\circ-z<90^\circ\) olur; dolayısıyla \[ \cos(x+y)>\cos(90^\circ-z)=\sin z. \] Çarpımı toplama dönüştürme özdeşliğini ve \(\cos(x-y)\le1\) eşitsizliğini kullanarak \[ \begin{aligned} \sin x\sin y\sin z &=\frac{\sin z}{2}\bigl(\cos(x-y)-\cos(x+y)\bigr)\\ &<\frac{\sin z}{2}(1-\sin z)\\ &\le\frac18 \end{aligned} \] elde ederiz. Son eşitsizlik, \[ t(1-t)=\frac14-\left(t-\frac12\right)^2\le\frac14 \] eşitsizliğinde \(t=\sin z\) alınarak elde edilir.
Bu, (1) ve (2) ile çelişir. O hâlde \(\angle PAB,\angle PBC,\angle PCA\) açılarından en az biri en fazla \(30^\circ\)'dir. \(\square\)
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1991 · Problema 5
Sea \(ABC\) un triángulo y \(P\) un punto interior de \(ABC\). Demostrar que al menos uno de los ángulos \(\angle PAB,\angle PBC,\angle PCA\) es menor o igual que \(30^\circ\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Pongamos \[ \alpha=\angle PAB,\qquad \beta=\angle PBC,\qquad \gamma=\angle PCA, \] y \[ x=\angle PAC,\qquad y=\angle PBA,\qquad z=\angle PCB. \] Como \(P\) es interior, los seis ángulos son positivos, y \[ \alpha+\beta+\gamma+x+y+z=180^\circ. \]
Al aplicar el teorema de los senos en los triángulos \(APB\), \(BPC\) y \(CPA\), respectivamente, obtenemos \[ \frac{PB}{PA}=\frac{\sin\alpha}{\sin y},\qquad \frac{PC}{PB}=\frac{\sin\beta}{\sin z},\qquad \frac{PA}{PC}=\frac{\sin\gamma}{\sin x}. \] Al multiplicar, resulta \[ \sin\alpha\sin\beta\sin\gamma=\sin x\sin y\sin z. \tag{1} \]
Supongamos, por reducción al absurdo, que \(\alpha,\beta,\gamma>30^\circ\). Su suma es menor que \(180^\circ\), por lo que cada uno de ellos es también menor que \(120^\circ\). Así, cada uno de sus senos es mayor que \(1/2\) y, por consiguiente, \[ \sin\alpha\sin\beta\sin\gamma>\frac18. \tag{2} \]
Por otra parte, \[ x+y+z=180^\circ-(\alpha+\beta+\gamma)<90^\circ. \] Por tanto, \(0<x+y<90^\circ-z<90^\circ\), de modo que \[ \cos(x+y)>\cos(90^\circ-z)=\sin z. \] Usando la identidad de transformación de productos en sumas y \(\cos(x-y)\le1\), obtenemos \[ \begin{aligned} \sin x\sin y\sin z &=\frac{\sin z}{2}\bigl(\cos(x-y)-\cos(x+y)\bigr)\\ &<\frac{\sin z}{2}(1-\sin z)\\ &\le\frac18. \end{aligned} \] La última desigualdad se deduce de \[ t(1-t)=\frac14-\left(t-\frac12\right)^2\le\frac14 \] con \(t=\sin z\).
Esto contradice (1) y (2). Por tanto, al menos uno de los ángulos \(\angle PAB,\angle PBC,\angle PCA\) es a lo sumo \(30^\circ\). \(\square\)
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1991 · 问题 5
设 \(ABC\) 为三角形,\(P\) 为 \(ABC\) 的一个内点。证明:\(\angle PAB,\angle PBC,\angle PCA\) 中至少有一个角小于或等于 \(30^\circ\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
令 \[ \alpha=\angle PAB,\qquad \beta=\angle PBC,\qquad \gamma=\angle PCA, \] 并令 \[ x=\angle PAC,\qquad y=\angle PBA,\qquad z=\angle PCB. \] 由于 \(P\) 为内点,这六个角都为正,且 \[ \alpha+\beta+\gamma+x+y+z=180^\circ. \]
分别在三角形 \(APB\)、\(BPC\) 和 \(CPA\) 中应用正弦定理,得到 \[ \frac{PB}{PA}=\frac{\sin\alpha}{\sin y},\qquad \frac{PC}{PB}=\frac{\sin\beta}{\sin z},\qquad \frac{PA}{PC}=\frac{\sin\gamma}{\sin x}. \] 将三式相乘,得 \[ \sin\alpha\sin\beta\sin\gamma=\sin x\sin y\sin z. \tag{1} \]
用反证法,假设 \(\alpha,\beta,\gamma>30^\circ\)。它们的和小于 \(180^\circ\),因此每个角也都小于 \(120^\circ\)。于是它们各自的正弦值都大于 \(1/2\),从而 \[ \sin\alpha\sin\beta\sin\gamma>\frac18. \tag{2} \]
另一方面, \[ x+y+z=180^\circ-(\alpha+\beta+\gamma)<90^\circ. \] 因此 \(0<x+y<90^\circ-z<90^\circ\),故 \[ \cos(x+y)>\cos(90^\circ-z)=\sin z. \] 利用积化和差公式以及 \(\cos(x-y)\le1\),可得 \[ \begin{aligned} \sin x\sin y\sin z &=\frac{\sin z}{2}\bigl(\cos(x-y)-\cos(x+y)\bigr)\\ &<\frac{\sin z}{2}(1-\sin z)\\ &\le\frac18. \end{aligned} \] 最后一个不等式由 \[ t(1-t)=\frac14-\left(t-\frac12\right)^2\le\frac14 \] 中取 \(t=\sin z\) 得到。
这与 (1) 和 (2) 矛盾。因此,\(\angle PAB,\angle PBC,\angle PCA\) 中至少有一个角不超过 \(30^\circ\)。\(\square\)
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1991 · Задача 5
Пусть \(ABC\) — треугольник, а \(P\) — точка внутри него. Докажите, что хотя бы один из углов \(\angle PAB,\angle PBC,\angle PCA\) не превосходит \(30^\circ\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Положим \[ \alpha=\angle PAB,\qquad \beta=\angle PBC,\qquad \gamma=\angle PCA, \] и \[ x=\angle PAC,\qquad y=\angle PBA,\qquad z=\angle PCB. \] Поскольку \(P\) лежит внутри треугольника, все шесть углов положительны и \[ \alpha+\beta+\gamma+x+y+z=180^\circ. \]
Применяя теорему синусов к треугольникам \(APB\), \(BPC\) и \(CPA\) соответственно, получаем \[ \frac{PB}{PA}=\frac{\sin\alpha}{\sin y},\qquad \frac{PC}{PB}=\frac{\sin\beta}{\sin z},\qquad \frac{PA}{PC}=\frac{\sin\gamma}{\sin x}. \] Перемножая эти равенства, получаем \[ \sin\alpha\sin\beta\sin\gamma=\sin x\sin y\sin z. \tag{1} \]
Предположим противное: \(\alpha,\beta,\gamma>30^\circ\). Их сумма меньше \(180^\circ\), поэтому каждый из них также меньше \(120^\circ\). Значит, синус каждого из этих углов больше \(1/2\), и потому \[ \sin\alpha\sin\beta\sin\gamma>\frac18. \tag{2} \]
С другой стороны, \[ x+y+z=180^\circ-(\alpha+\beta+\gamma)<90^\circ. \] Следовательно, \(0<x+y<90^\circ-z<90^\circ\), откуда \[ \cos(x+y)>\cos(90^\circ-z)=\sin z. \] Используя формулу преобразования произведения в сумму и неравенство \(\cos(x-y)\le1\), получаем \[ \begin{aligned} \sin x\sin y\sin z &=\frac{\sin z}{2}\bigl(\cos(x-y)-\cos(x+y)\bigr)\\ &<\frac{\sin z}{2}(1-\sin z)\\ &\le\frac18. \end{aligned} \] Последнее неравенство следует из \[ t(1-t)=\frac14-\left(t-\frac12\right)^2\le\frac14 \] при \(t=\sin z\).
Это противоречит (1) и (2). Следовательно, хотя бы один из углов \(\angle PAB,\angle PBC,\angle PCA\) не превосходит \(30^\circ\). \(\square\)
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1991 · المسألة 5
ليكن \(ABC\) مثلثًا، ولتكن \(P\) نقطة داخلية فيه. أثبت أن واحدة على الأقل من الزوايا \(\angle PAB,\angle PBC,\angle PCA\) أصغر من أو تساوي \(30^\circ\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نضع \[ \alpha=\angle PAB,\qquad \beta=\angle PBC,\qquad \gamma=\angle PCA, \] و \[ x=\angle PAC,\qquad y=\angle PBA,\qquad z=\angle PCB. \] بما أن \(P\) نقطة داخلية، فإن الزوايا الست كلها موجبة، ولدينا \[ \alpha+\beta+\gamma+x+y+z=180^\circ. \]
بتطبيق قانون الجيوب في المثلثات \(APB\)، و\(BPC\)، و\(CPA\)، على الترتيب، نحصل على \[ \frac{PB}{PA}=\frac{\sin\alpha}{\sin y},\qquad \frac{PC}{PB}=\frac{\sin\beta}{\sin z},\qquad \frac{PA}{PC}=\frac{\sin\gamma}{\sin x}. \] وبالضرب نحصل على \[ \sin\alpha\sin\beta\sin\gamma=\sin x\sin y\sin z. \tag{1} \]
لنفترض، طلبًا للتناقض، أن \(\alpha,\beta,\gamma>30^\circ\). مجموعها أصغر من \(180^\circ\)، لذا فإن كلًا منها أصغر أيضًا من \(120^\circ\). ومن ثم فإن جيب كل منها أكبر من \(1/2\)، وبالتالي \[ \sin\alpha\sin\beta\sin\gamma>\frac18. \tag{2} \]
من جهة أخرى، \[ x+y+z=180^\circ-(\alpha+\beta+\gamma)<90^\circ. \] لذلك \(0<x+y<90^\circ-z<90^\circ\)، ومن ثم \[ \cos(x+y)>\cos(90^\circ-z)=\sin z. \] باستخدام متطابقة تحويل حاصل الضرب إلى مجموع، و\(\cos(x-y)\le1\)، نحصل على \[ \begin{aligned} \sin x\sin y\sin z &=\frac{\sin z}{2}\bigl(\cos(x-y)-\cos(x+y)\bigr)\\ &<\frac{\sin z}{2}(1-\sin z)\\ &\le\frac18. \end{aligned} \] تنتج المتباينة الأخيرة من \[ t(1-t)=\frac14-\left(t-\frac12\right)^2\le\frac14 \] بوضع \(t=\sin z\).
وهذا يناقض (1) و(2). إذن واحدة على الأقل من \(\angle PAB,\angle PBC,\angle PCA\) لا تتجاوز \(30^\circ\). \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).