IMO 1993 · Problem 4
For three points \(P,Q,R\) in the plane, we define \(m(PQR)\) as the minimum length of the three altitudes of \(\triangle PQR\). (If the points are collinear, we set \(m(PQR)=0\).)
Prove that for points \(A,B,C,X\) in the plane, \[ m(ABC)\leq m(ABX)+m(AXC)+m(XBC). \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Write \([T]\) for the area of a triangle \(T\). If \(T\) is nondegenerate and its longest side has length \(L\), then \[ m(T)=\frac{2[T]}{L}. \]
We first prove that if a triangle \(T\) is contained in a triangle \(T'\), then \(m(T)\leq m(T')\).
To do so, consider any nondegenerate triangle \(PQR\) contained in a strip of width \(w\). Label its vertices so that \(P\) and \(R\) have the smallest and largest coordinates in the direction perpendicular to the strip. Let their separation in that direction be \(h\leq w\). The line through \(Q\) parallel to the strip meets \(PR\) at a point \(S\). Splitting the triangle along \(QS\) gives \[ 2[PQR]=h\cdot QS. \] Since \(S\) lies on \(PR\), write \(S=(1-t)P+tR\), where \(0\leq t\leq1\). The triangle inequality gives \[ QS\leq(1-t)QP+tQR\leq\max(QP,QR). \] Consequently, if \(L\) is the longest side of \(PQR\), \[ m(PQR)=\frac{h\cdot QS}{L}\leq h\leq w. \] This also holds for degenerate triangles, whose \(m\)-value is zero.
Now a nondegenerate triangle \(T'\) lies in the strip bounded by its longest side and the parallel line through its opposite vertex. This strip has width \(m(T')\), so every triangle \(T\subseteq T'\) satisfies \(m(T)\leq m(T')\). If \(T'\) is degenerate, so is \(T\), proving the claim in all cases.
We turn to the required inequality. If \(A,B,C\) are collinear, its left-hand side is zero, so it holds. Henceforth assume that \(ABC\) is nondegenerate, and put \[ L=\max(AB,BC,CA). \]
First suppose that \(X\) lies in the closed triangle \(ABC\). Every side of \(ABX,AXC,XBC\) has length at most \(L\). Indeed, writing \[ X=\alpha A+\beta B+\gamma C,\qquad \alpha,\beta,\gamma\geq0,\qquad \alpha+\beta+\gamma=1, \] we obtain \[ AX\leq\beta AB+\gamma AC\leq L, \] and similarly \(BX,CX\leq L\). Thus, using the area formula above, with degenerate subtriangles contributing zero, \[ \begin{aligned} m(ABX)+m(AXC)+m(XBC) &\geq \frac{2[ABX]+2[AXC]+2[XBC]}{L}\\ &=\frac{2[ABC]}{L}\\ &=m(ABC). \end{aligned} \]
It remains to consider \(X\) outside \(ABC\). If one of \(A,B,C\) lies in the closed triangle formed by the other three points, the containment claim proves the result immediately. For example, if \(C\in\triangle ABX\), then \[ \triangle ABC\subseteq\triangle ABX, \qquad m(ABC)\leq m(ABX), \] which is sufficient.
Otherwise, none of the four points lies in the triangle formed by the other three. Their convex hull is therefore a convex quadrilateral. Relabel \(A,B,C\), if necessary, so that its vertices occur in the order \(A,B,X,C\). Its diagonals \(AX\) and \(BC\) intersect at a point \(Y\).
Apply the already proved case to \(Y\in\triangle ABC\). Since \(B,Y,C\) are collinear, \[ m(ABC)\leq m(ABY)+m(AYC). \] Moreover, \(Y\in AX\), so \[ \triangle ABY\subseteq\triangle ABX, \qquad \triangle AYC\subseteq\triangle AXC. \] The containment claim now yields \[ m(ABC) \leq m(ABX)+m(AXC) \leq m(ABX)+m(AXC)+m(XBC). \] All configurations have been covered. \(\square\)
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1993 · Aufgabe 4
Für drei Punkte \(P,Q,R\) in der Ebene definieren wir \(m(PQR)\) als die kleinste Länge der drei Höhen von \(\triangle PQR\). (Sind die Punkte kollinear, so setzen wir \(m(PQR)=0\).)
Beweise, dass für Punkte \(A,B,C,X\) in der Ebene \[ m(ABC)\leq m(ABX)+m(AXC)+m(XBC) \] gilt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Bezeichne mit \([T]\) den Flächeninhalt eines Dreiecks \(T\). Ist \(T\) nicht entartet und hat seine längste Seite die Länge \(L\), so gilt \[ m(T)=\frac{2[T]}{L}. \]
Wir beweisen zunächst: Ist ein Dreieck \(T\) in einem Dreieck \(T'\) enthalten, so gilt \(m(T)\leq m(T')\).
Betrachte dazu ein beliebiges nicht entartetes Dreieck \(PQR\), das in einem Streifen der Breite \(w\) enthalten ist. Bezeichne seine Eckpunkte so, dass \(P\) und \(R\) in der Richtung senkrecht zum Streifen die kleinste beziehungsweise größte Koordinate haben. Ihr Abstand in dieser Richtung sei \(h\leq w\). Die Gerade durch \(Q\) parallel zum Streifen schneidet \(PR\) in einem Punkt \(S\). Durch Zerlegung des Dreiecks entlang \(QS\) erhalten wir \[ 2[PQR]=h\cdot QS. \] Da \(S\) auf \(PR\) liegt, schreiben wir \(S=(1-t)P+tR\), wobei \(0\leq t\leq1\). Die Dreiecksungleichung liefert \[ QS\leq(1-t)QP+tQR\leq\max(QP,QR). \] Ist also \(L\) die Länge der längsten Seite von \(PQR\), so gilt \[ m(PQR)=\frac{h\cdot QS}{L}\leq h\leq w. \] Dies gilt auch für entartete Dreiecke, deren \(m\)-Wert null ist.
Nun liegt ein nicht entartetes Dreieck \(T'\) in dem Streifen, der von der Geraden durch seine längste Seite und der parallelen Geraden durch den gegenüberliegenden Eckpunkt begrenzt wird. Dieser Streifen hat die Breite \(m(T')\), sodass für jedes Dreieck \(T\subseteq T'\) die Ungleichung \(m(T)\leq m(T')\) gilt. Ist \(T'\) entartet, so ist auch \(T\) entartet; damit ist die Behauptung in allen Fällen bewiesen.
Wir wenden uns der zu beweisenden Ungleichung zu. Sind \(A,B,C\) kollinear, so ist ihre linke Seite null und die Ungleichung gilt. Im Folgenden nehmen wir an, dass \(ABC\) nicht entartet ist, und setzen \[ L=\max(AB,BC,CA). \]
Nehmen wir zunächst an, dass \(X\) im abgeschlossenen Dreieck \(ABC\) liegt. Jede Seite von \(ABX,AXC,XBC\) hat höchstens die Länge \(L\). Schreiben wir nämlich \[ X=\alpha A+\beta B+\gamma C,\qquad \alpha,\beta,\gamma\geq0,\qquad \alpha+\beta+\gamma=1, \] so erhalten wir \[ AX\leq\beta AB+\gamma AC\leq L, \] und ebenso \(BX,CX\leq L\). Mit der obigen Flächenformel ergibt sich daher, wobei entartete Teildreiecke null beitragen, \[ \begin{aligned} m(ABX)+m(AXC)+m(XBC) &\geq \frac{2[ABX]+2[AXC]+2[XBC]}{L}\\ &=\frac{2[ABC]}{L}\\ &=m(ABC). \end{aligned} \]
Es bleibt der Fall zu betrachten, dass \(X\) außerhalb von \(ABC\) liegt. Liegt einer der Punkte \(A,B,C\) im abgeschlossenen Dreieck, das von den anderen drei Punkten gebildet wird, so folgt das Ergebnis unmittelbar aus der Behauptung über enthaltene Dreiecke. Ist beispielsweise \(C\in\triangle ABX\), so gilt \[ \triangle ABC\subseteq\triangle ABX, \qquad m(ABC)\leq m(ABX), \] was genügt.
Andernfalls liegt keiner der vier Punkte in dem von den anderen drei gebildeten Dreieck. Ihre konvexe Hülle ist daher ein konvexes Viereck. Bezeichne \(A,B,C\) gegebenenfalls so um, dass seine Eckpunkte in der Reihenfolge \(A,B,X,C\) auftreten. Seine Diagonalen \(AX\) und \(BC\) schneiden sich in einem Punkt \(Y\).
Wende den bereits bewiesenen Fall auf \(Y\in\triangle ABC\) an. Da \(B,Y,C\) kollinear sind, gilt \[ m(ABC)\leq m(ABY)+m(AYC). \] Außerdem ist \(Y\in AX\), also gilt \[ \triangle ABY\subseteq\triangle ABX, \qquad \triangle AYC\subseteq\triangle AXC. \] Die Behauptung über enthaltene Dreiecke liefert nun \[ m(ABC) \leq m(ABX)+m(AXC) \leq m(ABX)+m(AXC)+m(XBC). \] Damit sind alle Anordnungen erfasst. \(\square\)
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1993 · Soru 4
Düzlemdeki üç \(P,Q,R\) noktası için \(m(PQR)\)'yi, \(\triangle PQR\)'nin üç yüksekliğinin uzunluklarının en küçüğü olarak tanımlayalım. (Noktalar doğrusal ise \(m(PQR)=0\) alalım.)
Düzlemdeki \(A,B,C,X\) noktaları için \[ m(ABC)\leq m(ABX)+m(AXC)+m(XBC) \] olduğunu kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Bir \(T\) üçgeninin alanını \([T]\) ile gösterelim. \(T\) dejenere değilse ve en uzun kenarının uzunluğu \(L\) ise \[ m(T)=\frac{2[T]}{L}. \]
Önce bir \(T\) üçgeni bir \(T'\) üçgeninin içinde bulunuyorsa, \(m(T)\leq m(T')\) olduğunu kanıtlayalım.
Bunun için, genişliği \(w\) olan bir şeridin içinde bulunan, dejenere olmayan herhangi bir \(PQR\) üçgenini ele alalım. Köşelerini, şeride dik yöndeki koordinatı en küçük olan köşe \(P\), en büyük olan köşe ise \(R\) olacak şekilde adlandıralım. Bu yöndeki uzaklıkları \(h\leq w\) olsun. \(Q\)'dan geçen ve şeride paralel olan doğru, \(PR\)'yi bir \(S\) noktasında keser. Üçgeni \(QS\) boyunca ayırarak \[ 2[PQR]=h\cdot QS \] elde ederiz. \(S\), \(PR\) üzerinde olduğundan, \(0\leq t\leq1\) olmak üzere \(S=(1-t)P+tR\) yazalım. Üçgen eşitsizliğinden \[ QS\leq(1-t)QP+tQR\leq\max(QP,QR) \] elde edilir. Sonuç olarak, \(L\), \(PQR\)'nin en uzun kenarı ise \[ m(PQR)=\frac{h\cdot QS}{L}\leq h\leq w. \] Bu, \(m\) değeri sıfır olan dejenere üçgenler için de geçerlidir.
Şimdi, dejenere olmayan bir \(T'\) üçgeni, en uzun kenarı ile karşı köşesinden geçen paralel doğru arasında kalan şeridin içinde bulunur. Bu şeridin genişliği \(m(T')\)'dir; dolayısıyla her \(T\subseteq T'\) üçgeni için \(m(T)\leq m(T')\) sağlanır. \(T'\) dejenere ise \(T\) de dejeneredir; böylece iddia tüm durumlarda kanıtlanmış olur.
İstenen eşitsizliğe dönelim. \(A,B,C\) doğrusal ise sol taraf sıfırdır, dolayısıyla eşitsizlik sağlanır. Bundan sonra \(ABC\)'nin dejenere olmadığını varsayalım ve \[ L=\max(AB,BC,CA) \] olsun.
Önce \(X\)'in kapalı \(ABC\) üçgeninin içinde bulunduğunu varsayalım. \(ABX,AXC,XBC\) üçgenlerinin her bir kenarının uzunluğu en fazla \(L\)'dir. Gerçekten de, \[ X=\alpha A+\beta B+\gamma C,\qquad \alpha,\beta,\gamma\geq0,\qquad \alpha+\beta+\gamma=1, \] yazarak \[ AX\leq\beta AB+\gamma AC\leq L, \] ve benzer şekilde \(BX,CX\leq L\) elde ederiz. Dolayısıyla yukarıdaki alan formülünü kullanarak, dejenere alt üçgenlerin katkısı sıfır olmak üzere, \[ \begin{aligned} m(ABX)+m(AXC)+m(XBC) &\geq \frac{2[ABX]+2[AXC]+2[XBC]}{L}\\ &=\frac{2[ABC]}{L}\\ &=m(ABC) \end{aligned} \] elde ederiz.
Geriye \(X\)'in \(ABC\)'nin dışında olduğu durum kalır. \(A,B,C\) noktalarından biri diğer üç noktanın oluşturduğu kapalı üçgenin içinde bulunuyorsa, içerilmeye ilişkin iddia sonucu hemen verir. Örneğin, \(C\in\triangle ABX\) ise \[ \triangle ABC\subseteq\triangle ABX, \qquad m(ABC)\leq m(ABX), \] olur ve bu yeterlidir.
Aksi hâlde dört noktadan hiçbiri diğer üçünün oluşturduğu üçgenin içinde bulunmaz. Dolayısıyla dışbükey zarfları bir dışbükey dörtgendir. Gerekirse \(A,B,C\)'yi yeniden adlandırarak köşelerin \(A,B,X,C\) sırasıyla gelmesini sağlayalım. Bu dörtgenin \(AX\) ve \(BC\) köşegenleri bir \(Y\) noktasında kesişir.
Daha önce kanıtlanan durumu \(Y\in\triangle ABC\) için uygulayalım. \(B,Y,C\) doğrusal olduğundan \[ m(ABC)\leq m(ABY)+m(AYC). \] Ayrıca \(Y\in AX\) olduğundan \[ \triangle ABY\subseteq\triangle ABX, \qquad \triangle AYC\subseteq\triangle AXC. \] İçerilmeye ilişkin iddia şimdi \[ m(ABC) \leq m(ABX)+m(AXC) \leq m(ABX)+m(AXC)+m(XBC) \] sonucunu verir. Tüm durumlar ele alınmıştır. \(\square\)
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1993 · Problema 4
Para tres puntos \(P,Q,R\) del plano, definimos \(m(PQR)\) como la menor de las longitudes de las tres alturas de \(\triangle PQR\). (Si los puntos son colineales, tomamos \(m(PQR)=0\).)
Demostrar que, para puntos \(A,B,C,X\) del plano, \[ m(ABC)\leq m(ABX)+m(AXC)+m(XBC). \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Denotemos por \([T]\) el área de un triángulo \(T\). Si \(T\) es no degenerado y su lado más largo tiene longitud \(L\), entonces \[ m(T)=\frac{2[T]}{L}. \]
Primero demostraremos que si un triángulo \(T\) está contenido en un triángulo \(T'\), entonces \(m(T)\leq m(T')\).
Para ello, consideremos un triángulo no degenerado cualquiera \(PQR\) contenido en una franja de anchura \(w\). Nombremos sus vértices de modo que \(P\) y \(R\) tengan la menor y la mayor coordenada en la dirección perpendicular a la franja. Sea \(h\leq w\) su separación en esa dirección. La recta que pasa por \(Q\) y es paralela a la franja corta a \(PR\) en un punto \(S\). Al dividir el triángulo por \(QS\), obtenemos \[ 2[PQR]=h\cdot QS. \] Como \(S\) pertenece a \(PR\), escribimos \(S=(1-t)P+tR\), donde \(0\leq t\leq1\). La desigualdad triangular da \[ QS\leq(1-t)QP+tQR\leq\max(QP,QR). \] En consecuencia, si \(L\) es el lado más largo de \(PQR\), \[ m(PQR)=\frac{h\cdot QS}{L}\leq h\leq w. \] Esto también se cumple para los triángulos degenerados, cuyo valor de \(m\) es cero.
Ahora bien, un triángulo no degenerado \(T'\) está contenido en la franja delimitada por su lado más largo y la recta paralela que pasa por el vértice opuesto. Esta franja tiene anchura \(m(T')\), por lo que todo triángulo \(T\subseteq T'\) satisface \(m(T)\leq m(T')\). Si \(T'\) es degenerado, también lo es \(T\), lo que demuestra la afirmación en todos los casos.
Pasemos a la desigualdad pedida. Si \(A,B,C\) son colineales, su miembro izquierdo es cero, por lo que se cumple. En adelante, supongamos que \(ABC\) es no degenerado y sea \[ L=\max(AB,BC,CA). \]
Supongamos primero que \(X\) pertenece al triángulo cerrado \(ABC\). Todos los lados de \(ABX,AXC,XBC\) tienen longitud a lo sumo \(L\). En efecto, escribiendo \[ X=\alpha A+\beta B+\gamma C,\qquad \alpha,\beta,\gamma\geq0,\qquad \alpha+\beta+\gamma=1, \] obtenemos \[ AX\leq\beta AB+\gamma AC\leq L, \] y, análogamente, \(BX,CX\leq L\). Así, usando la fórmula del área anterior y teniendo en cuenta que los subtriángulos degenerados aportan cero, \[ \begin{aligned} m(ABX)+m(AXC)+m(XBC) &\geq \frac{2[ABX]+2[AXC]+2[XBC]}{L}\\ &=\frac{2[ABC]}{L}\\ &=m(ABC). \end{aligned} \]
Queda por considerar el caso en que \(X\) está fuera de \(ABC\). Si uno de los puntos \(A,B,C\) pertenece al triángulo cerrado formado por los otros tres puntos, la afirmación sobre la inclusión demuestra el resultado inmediatamente. Por ejemplo, si \(C\in\triangle ABX\), entonces \[ \triangle ABC\subseteq\triangle ABX, \qquad m(ABC)\leq m(ABX), \] lo cual es suficiente.
En caso contrario, ninguno de los cuatro puntos pertenece al triángulo formado por los otros tres. Por tanto, su envolvente convexa es un cuadrilátero convexo. Renombremos \(A,B,C\), si es necesario, de modo que sus vértices aparezcan en el orden \(A,B,X,C\). Sus diagonales \(AX\) y \(BC\) se cortan en un punto \(Y\).
Apliquemos el caso ya demostrado a \(Y\in\triangle ABC\). Como \(B,Y,C\) son colineales, \[ m(ABC)\leq m(ABY)+m(AYC). \] Además, \(Y\in AX\), por lo que \[ \triangle ABY\subseteq\triangle ABX, \qquad \triangle AYC\subseteq\triangle AXC. \] La afirmación sobre la inclusión da ahora \[ m(ABC) \leq m(ABX)+m(AXC) \leq m(ABX)+m(AXC)+m(XBC). \] Se han considerado todas las configuraciones. \(\square\)
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1993 · 问题 4
对于平面上的三个点 \(P,Q,R\),定义 \(m(PQR)\) 为 \(\triangle PQR\) 的三条高的长度中的最小值。(若三点共线,则规定 \(m(PQR)=0\)。)
证明:对于平面上的点 \(A,B,C,X\),有 \[ m(ABC)\leq m(ABX)+m(AXC)+m(XBC). \]
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
用 \([T]\) 表示三角形 \(T\) 的面积。若 \(T\) 非退化,且其最长边的长度为 \(L\),则 \[ m(T)=\frac{2[T]}{L}. \]
我们先证明:若三角形 \(T\) 包含于三角形 \(T'\),则 \(m(T)\leq m(T')\)。
为此,考虑包含于一个宽为 \(w\) 的带状区域内的任意非退化三角形 \(PQR\)。适当标记其顶点,使 \(P\) 和 \(R\) 在垂直于带状区域的方向上的坐标分别最小和最大。设它们在该方向上的距离为 \(h\leq w\)。过 \(Q\) 作平行于带状区域的直线,与 \(PR\) 交于点 \(S\)。沿 \(QS\) 将三角形分割,得到 \[ 2[PQR]=h\cdot QS. \] 由于 \(S\) 在线段 \(PR\) 上,可写成 \(S=(1-t)P+tR\),其中 \(0\leq t\leq1\)。由三角不等式得 \[ QS\leq(1-t)QP+tQR\leq\max(QP,QR). \] 因此,若 \(L\) 为 \(PQR\) 的最长边长,则 \[ m(PQR)=\frac{h\cdot QS}{L}\leq h\leq w. \] 对于退化三角形,由于其 \(m\) 值为零,该结论同样成立。
现在,非退化三角形 \(T'\) 位于由其最长边所在直线及过对顶点且与之平行的直线所围成的带状区域中。该带状区域的宽为 \(m(T')\),因此每个三角形 \(T\subseteq T'\) 都满足 \(m(T)\leq m(T')\)。若 \(T'\) 退化,则 \(T\) 也退化,故上述结论在所有情形下都成立。
下面证明所要求的不等式。若 \(A,B,C\) 共线,则不等式左端为零,因而不等式成立。以下假设 \(ABC\) 非退化,并令 \[ L=\max(AB,BC,CA). \]
先假设 \(X\) 位于闭三角形 \(ABC\) 内。\(ABX,AXC,XBC\) 的每条边的长度均不超过 \(L\)。事实上,写成 \[ X=\alpha A+\beta B+\gamma C,\qquad \alpha,\beta,\gamma\geq0,\qquad \alpha+\beta+\gamma=1, \] 便得到 \[ AX\leq\beta AB+\gamma AC\leq L, \] 类似地有 \(BX,CX\leq L\)。因此,利用上面的面积公式,并将退化子三角形对应的项计为零,得到 \[ \begin{aligned} m(ABX)+m(AXC)+m(XBC) &\geq \frac{2[ABX]+2[AXC]+2[XBC]}{L}\\ &=\frac{2[ABC]}{L}\\ &=m(ABC). \end{aligned} \]
只需再考虑 \(X\) 位于 \(ABC\) 外部的情形。若 \(A,B,C\) 中有一点位于其余三点所构成的闭三角形内,则由上述关于包含关系的结论立即可得所求结果。例如,若 \(C\in\triangle ABX\),则 \[ \triangle ABC\subseteq\triangle ABX, \qquad m(ABC)\leq m(ABX), \] 这已足以证明所求不等式。
否则,四点中的任一点都不在其余三点所构成的三角形内。因此,它们的凸包是一个凸四边形。必要时重新标记 \(A,B,C\),使四边形的顶点依次为 \(A,B,X,C\)。其对角线 \(AX\) 和 \(BC\) 交于点 \(Y\)。
对 \(Y\in\triangle ABC\) 应用已证明的情形。由于 \(B,Y,C\) 共线, \[ m(ABC)\leq m(ABY)+m(AYC). \] 此外,\(Y\in AX\),故 \[ \triangle ABY\subseteq\triangle ABX, \qquad \triangle AYC\subseteq\triangle AXC. \] 由上述关于包含关系的结论可得 \[ m(ABC) \leq m(ABX)+m(AXC) \leq m(ABX)+m(AXC)+m(XBC). \] 至此,所有情形均已考虑完毕。\(\square\)
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1993 · Задача 4
Для трёх точек \(P,Q,R\) на плоскости определим \(m(PQR)\) как наименьшую из длин трёх высот \(\triangle PQR\). (Если точки лежат на одной прямой, положим \(m(PQR)=0\).)
Докажите, что для точек \(A,B,C,X\) на плоскости \[ m(ABC)\leq m(ABX)+m(AXC)+m(XBC). \]
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Обозначим через \([T]\) площадь треугольника \(T\). Если \(T\) невырожден и его наибольшая сторона имеет длину \(L\), то \[ m(T)=\frac{2[T]}{L}. \]
Сначала докажем, что если треугольник \(T\) содержится в треугольнике \(T'\), то \(m(T)\leq m(T')\).
Для этого рассмотрим произвольный невырожденный треугольник \(PQR\), содержащийся в полосе ширины \(w\). Обозначим его вершины так, чтобы \(P\) и \(R\) имели наименьшую и наибольшую координаты в направлении, перпендикулярном полосе. Пусть расстояние между ними в этом направлении равно \(h\leq w\). Прямая, проходящая через \(Q\) параллельно полосе, пересекает \(PR\) в точке \(S\). Разбивая треугольник отрезком \(QS\), получаем \[ 2[PQR]=h\cdot QS. \] Поскольку \(S\) лежит на \(PR\), запишем \(S=(1-t)P+tR\), где \(0\leq t\leq1\). Из неравенства треугольника следует \[ QS\leq(1-t)QP+tQR\leq\max(QP,QR). \] Следовательно, если \(L\) — длина наибольшей стороны \(PQR\), то \[ m(PQR)=\frac{h\cdot QS}{L}\leq h\leq w. \] Это верно и для вырожденных треугольников, для которых значение \(m\) равно нулю.
Теперь заметим, что невырожденный треугольник \(T'\) лежит в полосе, ограниченной прямой, содержащей его наибольшую сторону, и параллельной ей прямой, проходящей через противоположную вершину. Ширина этой полосы равна \(m(T')\), поэтому для любого треугольника \(T\subseteq T'\) выполняется \(m(T)\leq m(T')\). Если \(T'\) вырожден, то \(T\) также вырожден, что доказывает утверждение во всех случаях.
Перейдём к требуемому неравенству. Если \(A,B,C\) лежат на одной прямой, его левая часть равна нулю, так что оно верно. Далее будем считать, что \(ABC\) невырожден, и положим \[ L=\max(AB,BC,CA). \]
Сначала предположим, что \(X\) лежит в замкнутом треугольнике \(ABC\). Длина каждой стороны треугольников \(ABX,AXC,XBC\) не превосходит \(L\). Действительно, записав \[ X=\alpha A+\beta B+\gamma C,\qquad \alpha,\beta,\gamma\geq0,\qquad \alpha+\beta+\gamma=1, \] получаем \[ AX\leq\beta AB+\gamma AC\leq L, \] и аналогично \(BX,CX\leq L\). Поэтому, используя приведённую выше формулу через площадь и учитывая, что вырожденные треугольники дают нулевой вклад, получаем \[ \begin{aligned} m(ABX)+m(AXC)+m(XBC) &\geq \frac{2[ABX]+2[AXC]+2[XBC]}{L}\\ &=\frac{2[ABC]}{L}\\ &=m(ABC). \end{aligned} \]
Остаётся рассмотреть случай, когда \(X\) лежит вне \(ABC\). Если одна из точек \(A,B,C\) лежит в замкнутом треугольнике, образованном тремя остальными точками, утверждение о вложенных треугольниках сразу даёт требуемый результат. Например, если \(C\in\triangle ABX\), то \[ \triangle ABC\subseteq\triangle ABX, \qquad m(ABC)\leq m(ABX), \] чего достаточно.
В противном случае ни одна из четырёх точек не лежит в треугольнике, образованном тремя остальными. Поэтому их выпуклая оболочка является выпуклым четырёхугольником. При необходимости переобозначим \(A,B,C\) так, чтобы его вершины шли в порядке \(A,B,X,C\). Его диагонали \(AX\) и \(BC\) пересекаются в точке \(Y\).
Применим уже доказанный случай к \(Y\in\triangle ABC\). Поскольку \(B,Y,C\) лежат на одной прямой, \[ m(ABC)\leq m(ABY)+m(AYC). \] Кроме того, \(Y\in AX\), поэтому \[ \triangle ABY\subseteq\triangle ABX, \qquad \triangle AYC\subseteq\triangle AXC. \] Теперь утверждение о вложенных треугольниках даёт \[ m(ABC) \leq m(ABX)+m(AXC) \leq m(ABX)+m(AXC)+m(XBC). \] Все конфигурации рассмотрены. \(\square\)
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1993 · المسألة 4
لثلاث نقاط \(P,Q,R\) في المستوى، نعرّف \(m(PQR)\) بأنه أصغر أطوال الارتفاعات الثلاثة للمثلث \(\triangle PQR\). (إذا كانت النقاط على استقامة واحدة، نضع \(m(PQR)=0\).)
أثبت أنه لأي نقاط \(A,B,C,X\) في المستوى، \[ m(ABC)\leq m(ABX)+m(AXC)+m(XBC). \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لنرمز بـ \([T]\) إلى مساحة مثلث \(T\). إذا كان \(T\) غير منعدم المساحة وكان طول أطول أضلاعه \(L\)، فإن \[ m(T)=\frac{2[T]}{L}. \]
نثبت أولًا أنه إذا كان مثلث \(T\) محتوى في مثلث \(T'\)، فإن \(m(T)\leq m(T')\).
لهذا الغرض، لنعتبر أي مثلث غير منعدم المساحة \(PQR\) محتوى في شريط عرضه \(w\). نسمّي رؤوسه بحيث تكون لـ \(P\) و\(R\) أصغر وأكبر إحداثيين في الاتجاه العمودي على الشريط. ولتكن المسافة بينهما في ذلك الاتجاه \(h\leq w\). يلتقي المستقيم المار بـ \(Q\) والموازي للشريط مع \(PR\) في نقطة \(S\). وبتقسيم المثلث على طول \(QS\) نحصل على \[ 2[PQR]=h\cdot QS. \] بما أن \(S\) تقع على \(PR\)، نكتب \(S=(1-t)P+tR\)، حيث \(0\leq t\leq1\). وتعطي متباينة المثلث \[ QS\leq(1-t)QP+tQR\leq\max(QP,QR). \] وبالتالي، إذا كان \(L\) طول أطول ضلع في \(PQR\)، فإن \[ m(PQR)=\frac{h\cdot QS}{L}\leq h\leq w. \] ويصح هذا أيضًا للمثلثات المنعدمة المساحة، التي تساوي قيمة \(m\) لها صفرًا.
والآن، يقع أي مثلث غير منعدم المساحة \(T'\) في الشريط المحصور بين المستقيم الحامل لأطول أضلاعه والمستقيم الموازي له المار بالرأس المقابل. عرض هذا الشريط هو \(m(T')\)، لذا فإن كل مثلث \(T\subseteq T'\) يحقق \(m(T)\leq m(T')\). وإذا كان \(T'\) منعدم المساحة، فإن \(T\) كذلك أيضًا، مما يثبت الادعاء في جميع الحالات.
ننتقل إلى المتباينة المطلوبة. إذا كانت \(A,B,C\) على استقامة واحدة، فإن طرفها الأيسر يساوي صفرًا، فتكون صحيحة. نفترض من الآن فصاعدًا أن \(ABC\) غير منعدم المساحة، ونضع \[ L=\max(AB,BC,CA). \]
لنفترض أولًا أن \(X\) تقع في المثلث المغلق \(ABC\). طول كل ضلع من أضلاع \(ABX,AXC,XBC\) لا يتجاوز \(L\). فبالفعل، بكتابة \[ X=\alpha A+\beta B+\gamma C,\qquad \alpha,\beta,\gamma\geq0,\qquad \alpha+\beta+\gamma=1, \] نحصل على \[ AX\leq\beta AB+\gamma AC\leq L, \] وبالمثل \(BX,CX\leq L\). لذا، باستخدام صيغة المساحة أعلاه، مع اعتبار مساهمة المثلثات الفرعية المنعدمة المساحة صفرًا، \[ \begin{aligned} m(ABX)+m(AXC)+m(XBC) &\geq \frac{2[ABX]+2[AXC]+2[XBC]}{L}\\ &=\frac{2[ABC]}{L}\\ &=m(ABC). \end{aligned} \]
يبقى أن ننظر في حالة وقوع \(X\) خارج \(ABC\). إذا وقعت إحدى النقاط \(A,B,C\) في المثلث المغلق الذي تشكله النقاط الثلاث الأخرى، فإن ادعاء الاحتواء يثبت النتيجة مباشرة. مثلًا، إذا كان \(C\in\triangle ABX\)، فإن \[ \triangle ABC\subseteq\triangle ABX, \qquad m(ABC)\leq m(ABX), \] وهذا يكفي.
وإلا، فلا تقع أي من النقاط الأربع في المثلث الذي تشكله النقاط الثلاث الأخرى. ومن ثم فإن غلافها المحدب رباعي محدب. نعيد تسمية \(A,B,C\)، عند الحاجة، بحيث تظهر رؤوسه بالترتيب \(A,B,X,C\). يتقاطع قطراه \(AX\) و\(BC\) في نقطة \(Y\).
نطبق الحالة التي أثبتناها على \(Y\in\triangle ABC\). وبما أن \(B,Y,C\) على استقامة واحدة، فإن \[ m(ABC)\leq m(ABY)+m(AYC). \] وعلاوة على ذلك، \(Y\in AX\)، لذا \[ \triangle ABY\subseteq\triangle ABX, \qquad \triangle AYC\subseteq\triangle AXC. \] ويعطي ادعاء الاحتواء الآن \[ m(ABC) \leq m(ABX)+m(AXC) \leq m(ABX)+m(AXC)+m(XBC). \] وهكذا شملنا جميع الأوضاع. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).