IMO 1992 · Problem 4
In the plane let \(C\) be a circle, \(L\) a line tangent to the circle \(C\), and \(M\) a point on \(L\). Find the locus of all points \(P\) with the following property: there exists two points \(Q, R\) on \(L\) such that \(M\) is the midpoint of \(QR\) and \(C\) is the inscribed circle of triangle \(PQR\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
Let \(O\) be the centre of \(C\), let \(T\) be its point of tangency with \(L\), and let \(N\) be the point diametrically opposite \(T\).
The locus is the open ray starting at \(N\), parallel to and in the same direction as \(\overrightarrow{MO}\): \[ \boxed{\left\{P:\overrightarrow{NP}=t\,\overrightarrow{MO},\quad t>0\right\}.} \] The endpoint \(N\) is excluded.
Solution
Choose coordinates so that \[ L:\ y=0,\qquad T=(0,0),\qquad O=(0,r),\qquad M=(m,0), \] where \(r>0\) is the radius of \(C\). Thus \(N=(0,2r)\).
First suppose that \(PQR\) is a triangle satisfying the conditions. Since \(C\) is its incircle, \(P=(x,h)\) has \(h>0\), and \(T\) lies strictly between \(Q\) and \(R\). Interchanging \(Q\) and \(R\) if necessary, write \[ Q=(m-d,0),\qquad R=(m+d,0), \] where \(d>|m|\). Put \[ a=PQ,\qquad b=PR. \]
Let \(U,V\) be the points where \(C\) touches \(PQ,PR\), respectively. Equal tangent lengths give \[ QU=QT=d-m,\qquad RV=RT=d+m,\qquad PU=PV. \] Consequently, \[ a-b=-2m. \] On the other hand, the distance formula gives \[ a^2-b^2 =(x-m+d)^2+h^2-(x-m-d)^2-h^2 =4d(x-m). \] Therefore \[ 4d(x-m)=-2m(a+b), \] and hence \[ x=m-\frac{m(a+b)}{2d}. \tag{1} \]
The area of \(PQR\) is \(dh\). Joining \(O\) to the three vertices divides the triangle into three triangles whose altitudes to its sides are all \(r\). Thus \[ dh=\frac r2(2d+a+b), \] so \[ h=r\left(1+\frac{a+b}{2d}\right). \tag{2} \] The strict triangle inequality \(a+b>QR=2d\) implies \[ h>2r. \] Combining (1) and (2), we obtain \[ x=-\frac mr(h-2r). \] Setting \(t=(h-2r)/r>0\), this becomes \[ P=(-mt,\,2r+rt). \] Since \(\overrightarrow{MO}=(-m,r)\), we have \[ \overrightarrow{NP}=t\,\overrightarrow{MO}. \] This proves that every admissible point lies on the stated open ray.
Conversely, take any point \[ P=(-mt,\,2r+rt),\qquad t>0. \] Its height is strictly greater than \(2r\), so \(P\) lies above the entire circle. Draw the two tangents from \(P\) to \(C\). Neither is parallel to \(L\), because the only tangents to \(C\) parallel to \(L\) are \(y=0\) and \(y=2r\), neither of which contains \(P\). Let these tangents meet \(L\) at \(Q\) and \(R\).
The two tangency points lie strictly between heights \(0\) and \(2r\): a tangency point at either extreme would have a horizontal tangent. Thus the rays from \(P\) through the tangency points meet \(L\) beyond those points. The disk bounded by \(C\) lies in the angle between these rays and above \(L\), hence inside triangle \(PQR\). The points \(Q,R\) are distinct, since two distinct lines through \(P\) cannot have another common point. Therefore \(PQR\) is nondegenerate and \(C\) is its incircle.
Let the midpoint of \(QR\) be \(M'=(m',0)\). Applying the relation already proved to this triangle yields \[ x=-\frac{m'}r(h-2r). \] But our chosen \(P\) satisfies \[ x=-\frac mr(h-2r). \] Since \(h-2r>0\), it follows that \(m'=m\). Thus \(M'=M\), as required.
The endpoint \(N\) is impossible because every admissible triangle has \(h>2r\). The argument also includes \(M=T\); in that case the locus is the open ray perpendicular to \(L\), starting at \(N\) and directed away from \(L\).
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1992 · Aufgabe 4
In der Ebene seien \(C\) ein Kreis, \(L\) eine Tangente an den Kreis \(C\) und \(M\) ein Punkt auf \(L\). Bestimme den geometrischen Ort aller Punkte \(P\) mit folgender Eigenschaft: Es gibt zwei Punkte \(Q, R\) auf \(L\), sodass \(M\) der Mittelpunkt von \(QR\) und \(C\) der Inkreis des Dreiecks \(PQR\) ist.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Sei \(O\) der Mittelpunkt von \(C\), sei \(T\) sein Berührpunkt mit \(L\), und sei \(N\) der \(T\) diametral gegenüberliegende Punkt.
Der geometrische Ort ist die offene Halbgerade mit Anfangspunkt \(N\), die parallel zu \(\overrightarrow{MO}\) und gleichgerichtet zu diesem Vektor ist: \[ \boxed{\left\{P:\overrightarrow{NP}=t\,\overrightarrow{MO},\quad t>0\right\}.} \] Der Anfangspunkt \(N\) ist ausgeschlossen.
Lösung
Wir wählen die Koordinaten so, dass \[ L:\ y=0,\qquad T=(0,0),\qquad O=(0,r),\qquad M=(m,0), \] wobei \(r>0\) der Radius von \(C\) ist. Somit ist \(N=(0,2r)\).
Zunächst sei \(PQR\) ein Dreieck, das die Bedingungen erfüllt. Da \(C\) sein Inkreis ist, gilt für \(P=(x,h)\), dass \(h>0\) ist, und \(T\) liegt strikt zwischen \(Q\) und \(R\). Indem wir bei Bedarf \(Q\) und \(R\) vertauschen, können wir schreiben \[ Q=(m-d,0),\qquad R=(m+d,0), \] wobei \(d>|m|\) gilt. Setze \[ a=PQ,\qquad b=PR. \]
Seien \(U,V\) die Punkte, in denen \(C\) die Seiten \(PQ\) bzw. \(PR\) berührt. Aus der Gleichheit der Tangentenabschnitte folgt \[ QU=QT=d-m,\qquad RV=RT=d+m,\qquad PU=PV. \] Folglich gilt \[ a-b=-2m. \] Andererseits liefert die Abstandsformel \[ a^2-b^2 =(x-m+d)^2+h^2-(x-m-d)^2-h^2 =4d(x-m). \] Also gilt \[ 4d(x-m)=-2m(a+b), \] und damit \[ x=m-\frac{m(a+b)}{2d}. \tag{1} \]
Der Flächeninhalt von \(PQR\) ist \(dh\). Verbindet man \(O\) mit den drei Eckpunkten, so wird das Dreieck in drei Dreiecke zerlegt, deren Höhen auf die Seiten des ursprünglichen Dreiecks alle \(r\) betragen. Somit gilt \[ dh=\frac r2(2d+a+b), \] also \[ h=r\left(1+\frac{a+b}{2d}\right). \tag{2} \] Aus der strengen Dreiecksungleichung \(a+b>QR=2d\) folgt \[ h>2r. \] Aus (1) und (2) erhalten wir \[ x=-\frac mr(h-2r). \] Mit \(t=(h-2r)/r>0\) wird dies zu \[ P=(-mt,\,2r+rt). \] Wegen \(\overrightarrow{MO}=(-m,r)\) gilt \[ \overrightarrow{NP}=t\,\overrightarrow{MO}. \] Damit ist bewiesen, dass jeder zulässige Punkt auf der angegebenen offenen Halbgeraden liegt.
Umgekehrt wählen wir einen beliebigen Punkt \[ P=(-mt,\,2r+rt),\qquad t>0. \] Seine Höhe ist strikt größer als \(2r\), also liegt \(P\) oberhalb des gesamten Kreises. Wir zeichnen die beiden Tangenten von \(P\) an \(C\). Keine von ihnen ist parallel zu \(L\), denn die einzigen zu \(L\) parallelen Tangenten an \(C\) sind \(y=0\) und \(y=2r\), und keine davon enthält \(P\). Diese Tangenten mögen \(L\) in \(Q\) und \(R\) schneiden.
Die beiden Berührpunkte liegen strikt zwischen den Höhen \(0\) und \(2r\): Ein Berührpunkt auf einer dieser beiden Höhen hätte eine waagerechte Tangente. Somit treffen die von \(P\) durch die Berührpunkte verlaufenden Strahlen die Gerade \(L\) jenseits dieser Punkte. Die von \(C\) begrenzte Kreisscheibe liegt im Winkel zwischen diesen Strahlen und oberhalb von \(L\), also innerhalb des Dreiecks \(PQR\). Die Punkte \(Q,R\) sind verschieden, da zwei verschiedene Geraden durch \(P\) keinen weiteren gemeinsamen Punkt haben können. Daher ist \(PQR\) nicht entartet, und \(C\) ist sein Inkreis.
Sei \(M'=(m',0)\) der Mittelpunkt von \(QR\). Wenden wir die bereits bewiesene Beziehung auf dieses Dreieck an, so erhalten wir \[ x=-\frac{m'}r(h-2r). \] Unser gewählter Punkt \(P\) erfüllt jedoch \[ x=-\frac mr(h-2r). \] Wegen \(h-2r>0\) folgt \(m'=m\). Somit ist \(M'=M\), wie gefordert.
Der Anfangspunkt \(N\) ist nicht möglich, da für jedes zulässige Dreieck \(h>2r\) gilt. Das Argument schließt auch \(M=T\) ein; in diesem Fall ist der geometrische Ort die offene Halbgerade, die senkrecht zu \(L\) steht, in \(N\) beginnt und von \(L\) weg gerichtet ist.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1992 · Soru 4
Düzlemde bir \(C\) çemberi, \(C\) çemberine teğet bir \(L\) doğrusu ve \(L\) üzerinde bir \(M\) noktası veriliyor. Şu özelliği taşıyan tüm \(P\) noktalarının geometrik yerini bulunuz: \(L\) üzerinde, \(M\) noktası \(QR\)'nin orta noktası ve \(C\) çemberi \(PQR\) üçgeninin içteğet çemberi olacak şekilde iki \(Q, R\) noktası vardır.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\(C\)'nin merkezi \(O\), \(L\) ile teğet noktası \(T\) ve \(T\)'nin çap üzerindeki karşı noktası \(N\) olsun.
Geometrik yer, \(N\)'den başlayan, \(\overrightarrow{MO}\)'ya paralel ve onunla aynı yönde olan açık ışındır: \[ \boxed{\left\{P:\overrightarrow{NP}=t\,\overrightarrow{MO},\quad t>0\right\}.} \] \(N\) uç noktası bu kümeye dâhil değildir.
Çözüm
Koordinatları \[ L:\ y=0,\qquad T=(0,0),\qquad O=(0,r),\qquad M=(m,0), \] olacak şekilde seçelim; burada \(r>0\), \(C\)'nin yarıçapıdır. Böylece \(N=(0,2r)\) olur.
Önce \(PQR\)'nin koşulları sağlayan bir üçgen olduğunu varsayalım. \(C\) bu üçgenin içteğet çemberi olduğundan \(P=(x,h)\) için \(h>0\) olur ve \(T\), \(Q\) ile \(R\)'nin kesin olarak arasında bulunur. Gerekirse \(Q\) ile \(R\)'nin yerlerini değiştirerek \[ Q=(m-d,0),\qquad R=(m+d,0), \] yazalım; burada \(d>|m|\) olur. \[ a=PQ,\qquad b=PR \] olsun.
\(C\)'nin sırasıyla \(PQ,PR\)'ye değdiği noktalar \(U,V\) olsun. Teğet uzunluklarının eşitliğinden \[ QU=QT=d-m,\qquad RV=RT=d+m,\qquad PU=PV. \] Bunun sonucunda \[ a-b=-2m. \] Öte yandan, uzaklık formülünden \[ a^2-b^2 =(x-m+d)^2+h^2-(x-m-d)^2-h^2 =4d(x-m). \] Dolayısıyla \[ 4d(x-m)=-2m(a+b), \] ve buradan \[ x=m-\frac{m(a+b)}{2d}. \tag{1} \]
\(PQR\)'nin alanı \(dh\)'dir. \(O\)'yu üç köşeye birleştirmek, üçgeni bu üçgenin kenarlarına ait yüksekliklerinin her biri \(r\) olan üç üçgene ayırır. Böylece \[ dh=\frac r2(2d+a+b), \] dolayısıyla \[ h=r\left(1+\frac{a+b}{2d}\right). \tag{2} \] Kesin üçgen eşitsizliği \(a+b>QR=2d\)'den \[ h>2r. \] (1) ve (2)'yi birleştirerek \[ x=-\frac mr(h-2r) \] elde ederiz. \(t=(h-2r)/r>0\) alırsak bu eşitlik \[ P=(-mt,\,2r+rt) \] biçimini alır. \(\overrightarrow{MO}=(-m,r)\) olduğundan \[ \overrightarrow{NP}=t\,\overrightarrow{MO}. \] Bu, koşulları sağlayan her noktanın belirtilen açık ışın üzerinde bulunduğunu kanıtlar.
Tersine, herhangi bir \[ P=(-mt,\,2r+rt),\qquad t>0 \] noktası alalım. Bu noktanın yüksekliği \(2r\)'den kesin olarak büyüktür; dolayısıyla \(P\), çemberin tamamının üstünde bulunur. \(P\)'den \(C\)'ye iki teğet çizelim. Bu teğetlerin hiçbiri \(L\)'ye paralel değildir; çünkü \(C\)'ye \(L\)'ye paralel olan tek teğetler \(y=0\) ve \(y=2r\) doğrularıdır ve bunların hiçbiri \(P\)'yi içermez. Bu teğetler \(L\)'yi \(Q\) ve \(R\)'de kessin.
İki teğet noktasının yükseklikleri kesin olarak \(0\) ile \(2r\) arasındadır: uç yüksekliklerden birindeki teğet noktasının teğeti yatay olurdu. Dolayısıyla \(P\)'den teğet noktaları üzerinden geçen ışınlar, \(L\)'yi bu noktaların ötesinde keser. \(C\)'nin sınırladığı daire, bu ışınlar arasındaki açının içinde ve \(L\)'nin üstünde, dolayısıyla \(PQR\) üçgeninin içinde bulunur. \(Q,R\) noktaları farklıdır; çünkü \(P\)'den geçen iki farklı doğrunun başka bir ortak noktası olamaz. Bu nedenle \(PQR\) dejenere değildir ve \(C\) onun içteğet çemberidir.
\(QR\)'nin orta noktası \(M'=(m',0)\) olsun. Daha önce kanıtladığımız bağıntıyı bu üçgene uygularsak \[ x=-\frac{m'}r(h-2r). \] Ancak seçtiğimiz \(P\) noktası \[ x=-\frac mr(h-2r) \] eşitliğini sağlar. \(h-2r>0\) olduğundan \(m'=m\) elde edilir. Böylece istendiği gibi \(M'=M\) olur.
Koşulları sağlayan her üçgen için \(h>2r\) olduğundan \(N\) uç noktası mümkün değildir. Bu akıl yürütme \(M=T\) durumunu da kapsar; bu durumda geometrik yer, \(N\)'den başlayan, \(L\)'ye dik ve \(L\)'den uzaklaşan yöndeki açık ışındır.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1992 · Problema 4
En el plano, sean \(C\) una circunferencia, \(L\) una recta tangente a la circunferencia \(C\) y \(M\) un punto de \(L\). Hallar el lugar geométrico de todos los puntos \(P\) con la siguiente propiedad: existen dos puntos \(Q, R\) en \(L\) tales que \(M\) es el punto medio de \(QR\) y \(C\) es la circunferencia inscrita del triángulo \(PQR\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Sea \(O\) el centro de \(C\), sea \(T\) su punto de tangencia con \(L\) y sea \(N\) el punto diametralmente opuesto a \(T\).
El lugar geométrico es la semirrecta abierta con origen en \(N\), paralela a \(\overrightarrow{MO}\) y con su mismo sentido: \[ \boxed{\left\{P:\overrightarrow{NP}=t\,\overrightarrow{MO},\quad t>0\right\}.} \] El extremo \(N\) queda excluido.
Solución
Elijamos coordenadas de modo que \[ L:\ y=0,\qquad T=(0,0),\qquad O=(0,r),\qquad M=(m,0), \] donde \(r>0\) es el radio de \(C\). Así, \(N=(0,2r)\).
Supongamos primero que \(PQR\) es un triángulo que satisface las condiciones. Como \(C\) es su circunferencia inscrita, \(P=(x,h)\) cumple \(h>0\), y \(T\) se encuentra estrictamente entre \(Q\) y \(R\). Intercambiando \(Q\) y \(R\) si es necesario, escribamos \[ Q=(m-d,0),\qquad R=(m+d,0), \] donde \(d>|m|\). Sean \[ a=PQ,\qquad b=PR. \]
Sean \(U,V\) los puntos en los que \(C\) es tangente a \(PQ,PR\), respectivamente. La igualdad de las longitudes de los segmentos tangentes da \[ QU=QT=d-m,\qquad RV=RT=d+m,\qquad PU=PV. \] En consecuencia, \[ a-b=-2m. \] Por otra parte, la fórmula de la distancia da \[ a^2-b^2 =(x-m+d)^2+h^2-(x-m-d)^2-h^2 =4d(x-m). \] Por tanto, \[ 4d(x-m)=-2m(a+b), \] y de ahí \[ x=m-\frac{m(a+b)}{2d}. \tag{1} \]
El área de \(PQR\) es \(dh\). Al unir \(O\) con los tres vértices, el triángulo queda dividido en tres triángulos cuyas alturas sobre los lados de \(PQR\) son todas iguales a \(r\). Por tanto, \[ dh=\frac r2(2d+a+b), \] de modo que \[ h=r\left(1+\frac{a+b}{2d}\right). \tag{2} \] La desigualdad triangular estricta \(a+b>QR=2d\) implica \[ h>2r. \] Combinando (1) y (2), obtenemos \[ x=-\frac mr(h-2r). \] Tomando \(t=(h-2r)/r>0\), esto se convierte en \[ P=(-mt,\,2r+rt). \] Como \(\overrightarrow{MO}=(-m,r)\), tenemos \[ \overrightarrow{NP}=t\,\overrightarrow{MO}. \] Esto demuestra que todo punto admisible pertenece a la semirrecta abierta indicada.
Recíprocamente, tomemos un punto cualquiera \[ P=(-mt,\,2r+rt),\qquad t>0. \] Su altura es estrictamente mayor que \(2r\), por lo que \(P\) está por encima de toda la circunferencia. Tracemos las dos tangentes desde \(P\) a \(C\). Ninguna es paralela a \(L\), porque las únicas tangentes a \(C\) paralelas a \(L\) son \(y=0\) e \(y=2r\), y ninguna de ellas contiene a \(P\). Sean \(Q\) y \(R\) las intersecciones de estas tangentes con \(L\).
Los dos puntos de tangencia se encuentran a alturas estrictamente comprendidas entre \(0\) y \(2r\): un punto de tangencia en cualquiera de los extremos tendría una tangente horizontal. Por tanto, las semirrectas que parten de \(P\) y pasan por los puntos de tangencia cortan a \(L\) más allá de dichos puntos. El disco delimitado por \(C\) está en el ángulo comprendido entre estas semirrectas y por encima de \(L\), y, por tanto, dentro del triángulo \(PQR\). Los puntos \(Q,R\) son distintos, pues dos rectas distintas que pasan por \(P\) no pueden tener otro punto en común. Por tanto, \(PQR\) es no degenerado y \(C\) es su circunferencia inscrita.
Sea \(M'=(m',0)\) el punto medio de \(QR\). Aplicando a este triángulo la relación ya demostrada, obtenemos \[ x=-\frac{m'}r(h-2r). \] Pero el punto \(P\) que hemos elegido satisface \[ x=-\frac mr(h-2r). \] Como \(h-2r>0\), se deduce que \(m'=m\). Así, \(M'=M\), como se requería.
El extremo \(N\) no es posible porque todo triángulo admisible cumple \(h>2r\). El argumento también incluye el caso \(M=T\); en ese caso, el lugar geométrico es la semirrecta abierta perpendicular a \(L\), con origen en \(N\) y dirigida alejándose de \(L\).
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1992 · 问题 4
在平面内,设 \(C\) 为一个圆,\(L\) 为圆 \(C\) 的一条切线,\(M\) 为 \(L\) 上的一点。求所有具有下述性质的点 \(P\) 的轨迹:在 \(L\) 上存在两点 \(Q, R\),使得 \(M\) 是 \(QR\) 的中点,且 \(C\) 是三角形 \(PQR\) 的内切圆。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
设 \(O\) 为圆 \(C\) 的圆心,\(T\) 为它与 \(L\) 的切点,\(N\) 为圆上与 \(T\) 位于同一直径两端的点。
轨迹为以 \(N\) 为端点,与 \(\overrightarrow{MO}\) 平行且同向的射线(不含端点): \[ \boxed{\left\{P:\overrightarrow{NP}=t\,\overrightarrow{MO},\quad t>0\right\}.} \] 端点 \(N\) 不在轨迹上。
解答
选取坐标系,使得 \[ L:\ y=0,\qquad T=(0,0),\qquad O=(0,r),\qquad M=(m,0), \] 其中 \(r>0\) 为圆 \(C\) 的半径。于是 \(N=(0,2r)\)。
先设 \(PQR\) 为满足条件的三角形。由于 \(C\) 是其内切圆,点 \(P=(x,h)\) 满足 \(h>0\),且 \(T\) 严格位于 \(Q\) 与 \(R\) 之间。必要时交换 \(Q\) 和 \(R\),可设 \[ Q=(m-d,0),\qquad R=(m+d,0), \] 其中 \(d>|m|\)。令 \[ a=PQ,\qquad b=PR. \]
设 \(U,V\) 分别为圆 \(C\) 与 \(PQ,PR\) 的切点。由切线长相等,得 \[ QU=QT=d-m,\qquad RV=RT=d+m,\qquad PU=PV. \] 因此, \[ a-b=-2m. \] 另一方面,由距离公式得 \[ a^2-b^2 =(x-m+d)^2+h^2-(x-m-d)^2-h^2 =4d(x-m). \] 因此 \[ 4d(x-m)=-2m(a+b), \] 从而 \[ x=m-\frac{m(a+b)}{2d}. \tag{1} \]
三角形 \(PQR\) 的面积为 \(dh\)。连接 \(O\) 与三个顶点,将该三角形分成三个小三角形,它们以原三角形各边为底边的高均为 \(r\)。因此 \[ dh=\frac r2(2d+a+b), \] 所以 \[ h=r\left(1+\frac{a+b}{2d}\right). \tag{2} \] 由严格三角不等式 \(a+b>QR=2d\) 可得 \[ h>2r. \] 结合 (1) 和 (2),得到 \[ x=-\frac mr(h-2r). \] 令 \(t=(h-2r)/r>0\),上式可写为 \[ P=(-mt,\,2r+rt). \] 由于 \(\overrightarrow{MO}=(-m,r)\),有 \[ \overrightarrow{NP}=t\,\overrightarrow{MO}. \] 这就证明了每个符合条件的点都位于所述不含端点的射线上。
反过来,任取一点 \[ P=(-mt,\,2r+rt),\qquad t>0. \] 它的高度严格大于 \(2r\),故 \(P\) 位于整个圆的上方。从 \(P\) 向圆 \(C\) 作两条切线。这两条切线均不平行于 \(L\),因为圆 \(C\) 平行于 \(L\) 的切线只有 \(y=0\) 和 \(y=2r\),而这两条直线都不经过 \(P\)。设这两条切线与 \(L\) 分别交于 \(Q\) 和 \(R\)。
两个切点的高度均严格介于 \(0\) 与 \(2r\) 之间:若切点处于任一极端高度,其切线就会是水平的。因此,从 \(P\) 出发经过切点的射线均在越过切点后与 \(L\) 相交。圆 \(C\) 所围成的圆盘位于这两条射线之间的角内,且位于 \(L\) 上方,因而位于三角形 \(PQR\) 内。点 \(Q,R\) 互不相同,因为经过 \(P\) 的两条不同直线不可能再有另一个公共点。因此,\(PQR\) 非退化,且 \(C\) 是它的内切圆。
设 \(QR\) 的中点为 \(M'=(m',0)\)。将已经证明的关系用于这个三角形,得 \[ x=-\frac{m'}r(h-2r). \] 但所选的点 \(P\) 满足 \[ x=-\frac mr(h-2r). \] 由于 \(h-2r>0\),可得 \(m'=m\)。于是 \(M'=M\),符合要求。
端点 \(N\) 不可能符合条件,因为每个符合条件的三角形都有 \(h>2r\)。上述论证也包括 \(M=T\) 的情形;此时轨迹为以 \(N\) 为端点、垂直于 \(L\) 且指向远离 \(L\) 方向的射线,不含端点。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1992 · Задача 4
На плоскости даны окружность \(C\), прямая \(L\), касающаяся окружности \(C\), и точка \(M\) на \(L\). Найдите геометрическое место всех точек \(P\), обладающих следующим свойством: существуют две точки \(Q, R\) на \(L\), для которых \(M\) является серединой \(QR\), а \(C\) — вписанной окружностью треугольника \(PQR\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Пусть \(O\) — центр \(C\), \(T\) — её точка касания с \(L\), а \(N\) — точка, диаметрально противоположная \(T\).
Искомое геометрическое место — луч с началом в \(N\), без самой точки \(N\), параллельный и сонаправленный вектору \(\overrightarrow{MO}\): \[ \boxed{\left\{P:\overrightarrow{NP}=t\,\overrightarrow{MO},\quad t>0\right\}.} \] Начало луча \(N\) не включается.
Решение
Выберем координаты так, чтобы \[ L:\ y=0,\qquad T=(0,0),\qquad O=(0,r),\qquad M=(m,0), \] где \(r>0\) — радиус \(C\). Тогда \(N=(0,2r)\).
Сначала предположим, что треугольник \(PQR\) удовлетворяет условиям. Поскольку \(C\) — его вписанная окружность, для \(P=(x,h)\) выполнено \(h>0\), а \(T\) лежит строго между \(Q\) и \(R\). При необходимости поменяв обозначения \(Q\) и \(R\) местами, запишем \[ Q=(m-d,0),\qquad R=(m+d,0), \] где \(d>|m|\). Положим \[ a=PQ,\qquad b=PR. \]
Пусть \(U,V\) — точки касания \(C\) со сторонами \(PQ,PR\) соответственно. Из равенства отрезков касательных получаем \[ QU=QT=d-m,\qquad RV=RT=d+m,\qquad PU=PV. \] Следовательно, \[ a-b=-2m. \] С другой стороны, по формуле расстояния между точками \[ a^2-b^2 =(x-m+d)^2+h^2-(x-m-d)^2-h^2 =4d(x-m). \] Поэтому \[ 4d(x-m)=-2m(a+b), \] откуда \[ x=m-\frac{m(a+b)}{2d}. \tag{1} \]
Площадь \(PQR\) равна \(dh\). Соединив \(O\) с тремя вершинами, разобьём треугольник на три треугольника, высоты которых, проведённые к его сторонам, равны \(r\). Таким образом, \[ dh=\frac r2(2d+a+b), \] поэтому \[ h=r\left(1+\frac{a+b}{2d}\right). \tag{2} \] Из строгого неравенства треугольника \(a+b>QR=2d\) следует \[ h>2r. \] Объединяя (1) и (2), получаем \[ x=-\frac mr(h-2r). \] Положив \(t=(h-2r)/r>0\), запишем это в виде \[ P=(-mt,\,2r+rt). \] Так как \(\overrightarrow{MO}=(-m,r)\), имеем \[ \overrightarrow{NP}=t\,\overrightarrow{MO}. \] Тем самым доказано, что каждая допустимая точка лежит на указанном луче без его начала.
Обратно, возьмём произвольную точку \[ P=(-mt,\,2r+rt),\qquad t>0. \] Её высота строго больше \(2r\), поэтому \(P\) лежит выше всей окружности. Проведём из \(P\) две касательные к \(C\). Ни одна из них не параллельна \(L\), поскольку единственные касательные к \(C\), параллельные \(L\), — это \(y=0\) и \(y=2r\), и ни одна из них не проходит через \(P\). Пусть эти касательные пересекают \(L\) в точках \(Q\) и \(R\).
Обе точки касания лежат строго между высотами \(0\) и \(2r\): в точке касания на любой из этих крайних высот касательная была бы горизонтальной. Поэтому лучи из \(P\), проходящие через точки касания, пересекают \(L\) за этими точками. Круг, ограниченный \(C\), лежит в угле между этими лучами и выше \(L\), а значит, внутри треугольника \(PQR\). Точки \(Q,R\) различны, поскольку две различные прямые, проходящие через \(P\), не могут иметь ещё одну общую точку. Следовательно, \(PQR\) невырожден и \(C\) — его вписанная окружность.
Пусть середина \(QR\) — точка \(M'=(m',0)\). Применяя к этому треугольнику уже доказанное соотношение, получаем \[ x=-\frac{m'}r(h-2r). \] Но выбранная нами точка \(P\) удовлетворяет равенству \[ x=-\frac mr(h-2r). \] Так как \(h-2r>0\), отсюда следует \(m'=m\). Таким образом, \(M'=M\), что и требовалось.
Начало луча \(N\) не подходит, поскольку для любого допустимого треугольника выполнено \(h>2r\). Рассуждение охватывает и случай \(M=T\); в этом случае искомое геометрическое место — луч без начала, перпендикулярный \(L\), начинающийся в \(N\) и направленный от \(L\).
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1992 · المسألة 4
في المستوى، لتكن \(C\) دائرة، و\(L\) مستقيمًا مماسًا للدائرة \(C\)، و\(M\) نقطة على \(L\). أوجد المحل الهندسي لجميع النقاط \(P\) التي تتمتع بالخاصية الآتية: توجد نقطتان \(Q, R\) على \(L\) بحيث تكون \(M\) منتصف \(QR\)، وتكون \(C\) الدائرة الداخلية للمثلث \(PQR\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
ليكن \(O\) مركز \(C\)، ولتكن \(T\) نقطة تماسها مع \(L\)، ولتكن \(N\) النقطة المقابلة لـ\(T\) قطريًا.
المحل الهندسي هو الشعاع المفتوح الذي يبدأ من \(N\)، ويوازي \(\overrightarrow{MO}\) وله اتجاهه نفسه: \[ \boxed{\left\{P:\overrightarrow{NP}=t\,\overrightarrow{MO},\quad t>0\right\}.} \] نقطة البداية \(N\) مستبعدة.
الحل
نختار إحداثيات بحيث \[ L:\ y=0,\qquad T=(0,0),\qquad O=(0,r),\qquad M=(m,0), \] حيث \(r>0\) نصف قطر \(C\). إذن \(N=(0,2r)\).
لنفترض أولًا أن \(PQR\) مثلث يحقق الشروط. بما أن \(C\) دائرته الداخلية، فإن \(P=(x,h)\) تحقق \(h>0\)، وتقع \(T\) بين \(Q\) و\(R\) تمامًا. بتبادل \(Q\) و\(R\) عند الحاجة، نكتب \[ Q=(m-d,0),\qquad R=(m+d,0), \] حيث \(d>|m|\). لنضع \[ a=PQ,\qquad b=PR. \]
لتكن \(U,V\) نقطتي تماس \(C\) مع \(PQ,PR\)، على الترتيب. من تساوي طولي المماسين المرسومين من نقطة واحدة نحصل على \[ QU=QT=d-m,\qquad RV=RT=d+m,\qquad PU=PV. \] وبالتالي، \[ a-b=-2m. \] ومن جهة أخرى، تعطي صيغة المسافة \[ a^2-b^2 =(x-m+d)^2+h^2-(x-m-d)^2-h^2 =4d(x-m). \] وعليه \[ 4d(x-m)=-2m(a+b), \] ومن ثم \[ x=m-\frac{m(a+b)}{2d}. \tag{1} \]
مساحة \(PQR\) هي \(dh\). بوصل \(O\) بالرؤوس الثلاثة، ينقسم المثلث إلى ثلاثة مثلثات ارتفاعاتها على أضلاعه تساوي جميعها \(r\). إذن \[ dh=\frac r2(2d+a+b), \] ومن ثم \[ h=r\left(1+\frac{a+b}{2d}\right). \tag{2} \] تقتضي متباينة المثلث الصارمة \(a+b>QR=2d\) أن \[ h>2r. \] بالجمع بين (1) و(2)، نحصل على \[ x=-\frac mr(h-2r). \] بوضع \(t=(h-2r)/r>0\)، تصبح هذه العلاقة \[ P=(-mt,\,2r+rt). \] وبما أن \(\overrightarrow{MO}=(-m,r)\)، فإن \[ \overrightarrow{NP}=t\,\overrightarrow{MO}. \] وهذا يثبت أن كل نقطة تحقق الشروط تقع على الشعاع المفتوح المذكور.
وعكسًا، نأخذ أي نقطة \[ P=(-mt,\,2r+rt),\qquad t>0. \] ارتفاعها أكبر قطعًا من \(2r\)، لذا تقع \(P\) فوق الدائرة بأكملها. نرسم المماسين من \(P\) إلى \(C\). لا يوازي أي منهما \(L\)، لأن المماسين الوحيدين للدائرة \(C\) الموازيين لـ\(L\) هما \(y=0\) و\(y=2r\)، ولا يمر أي منهما بـ\(P\). لتكن نقطتا تقاطع هذين المماسين مع \(L\) هما \(Q\) و\(R\).
يقع ارتفاع كل من نقطتي التماس بين \(0\) و\(2r\) تمامًا: إذ لو كانت نقطة التماس عند أي من هذين الارتفاعين الطرفيين لكان المماس أفقيًا. لذلك يلتقي الشعاعان المنطلقان من \(P\) والماران بنقطتي التماس مع \(L\) بعد هاتين النقطتين. يقع القرص الذي تحده \(C\) في الزاوية بين هذين الشعاعين وفوق \(L\)، ومن ثم داخل المثلث \(PQR\). والنقطتان \(Q,R\) مختلفتان، لأن مستقيمين مختلفين يمران بـ\(P\) لا يمكن أن تكون لهما نقطة مشتركة أخرى. إذن \(PQR\) مثلث غير منعدم المساحة، و\(C\) دائرته الداخلية.
ليكن منتصف \(QR\) هو \(M'=(m',0)\). بتطبيق العلاقة التي أثبتناها على هذا المثلث نحصل على \[ x=-\frac{m'}r(h-2r). \] لكن النقطة \(P\) التي اخترناها تحقق \[ x=-\frac mr(h-2r). \] وبما أن \(h-2r>0\)، ينتج أن \(m'=m\). إذن \(M'=M\)، كما هو مطلوب.
نقطة البداية \(N\) غير ممكنة لأن كل مثلث يحقق الشروط يحقق \(h>2r\). ويشمل البرهان أيضًا الحالة \(M=T\)؛ وفي هذه الحالة يكون المحل الهندسي الشعاع المفتوح العمودي على \(L\)، الذي يبدأ من \(N\) ويتجه مبتعدًا عن \(L\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).