IMO 1994 · Problem 2
\(ABC\) is an isosceles triangle with \(AB = AC\). Suppose that
- \(M\) is the midpoint of \(BC\) and \(O\) is the point on the line \(AM\) such that \(OB\) is perpendicular to \(AB\);
- \(Q\) is an arbitrary point on the segment \(BC\) different from \(B\) and \(C\);
- \(E\) lies on the line \(AB\) and \(F\) lies on the line \(AC\) such that \(E, Q, F\) are distinct and collinear.
Prove that \(OQ\) is perpendicular to \(EF\) if and only if \(QE = QF\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Choose Cartesian coordinates, scaling lengths so that \[ B=(-1,0),\qquad C=(1,0),\qquad A=(0,a),\qquad a>0. \] Then \(M=(0,0)\). Write \(O=(0,o)\). Since \(OB\perp AB\), \[ (1,o)\cdot(1,a)=0, \] so \(o=-1/a\). Thus \[ O=\left(0,-\frac1a\right),\qquad Q=(q,0),\qquad -1<q<1. \]
Take any nonzero direction vector \((u,v)\) of \(EF\). Because \(E,Q,F\) are distinct and collinear, there are distinct nonzero real numbers \(s,t\) such that \[ E=(q+su,sv),\qquad F=(q+tu,tv). \] The equations of \(AB\) and \(AC\) are respectively \[ x-\frac ya=-1,\qquad x+\frac ya=1. \] Consequently, \[ s\left(u-\frac va\right)=-(1+q), \qquad t\left(u+\frac va\right)=1-q. \] Both right-hand sides are nonzero, so both factors \(u-v/a\) and \(u+v/a\) are nonzero. We may therefore calculate \[ \begin{aligned} s+t &=-\frac{1+q}{u-v/a}+\frac{1-q}{u+v/a}\\ &=\frac{-2(qu+v/a)}{u^2-v^2/a^2}. \end{aligned} \] It follows that \[ s+t=0\quad\Longleftrightarrow\quad qu+\frac va=0. \]
On the one hand, \[ QE=|s|\sqrt{u^2+v^2},\qquad QF=|t|\sqrt{u^2+v^2}. \] Since \(s\ne t\), equality of these lengths is equivalent to \(s=-t\), or \(s+t=0\).
On the other hand, \(\overrightarrow{OQ}=(q,1/a)\), so \[ OQ\perp EF \quad\Longleftrightarrow\quad (q,1/a)\cdot(u,v)=0 \quad\Longleftrightarrow\quad qu+\frac va=0. \] Combining these equivalences proves the assertion. The parametrization imposes no restriction on the direction of \(EF\) or on whether \(E,F\) lie on the sides or their extensions. \(\square\)
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1994 · Aufgabe 2
\(ABC\) ist ein gleichschenkliges Dreieck mit \(AB = AC\). Es gelte:
- \(M\) ist der Mittelpunkt von \(BC\), und \(O\) ist derjenige Punkt auf der Geraden \(AM\), für den \(OB\) senkrecht auf \(AB\) steht;
- \(Q\) ist ein beliebiger Punkt auf der Strecke \(BC\), der von \(B\) und \(C\) verschieden ist;
- \(E\) liegt auf der Geraden \(AB\) und \(F\) auf der Geraden \(AC\), wobei \(E, Q, F\) verschieden sind und auf einer Geraden liegen.
Man beweise, dass \(OQ\) genau dann senkrecht auf \(EF\) steht, wenn \(QE = QF\) gilt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir wählen kartesische Koordinaten und skalieren die Längen so, dass \[ B=(-1,0),\qquad C=(1,0),\qquad A=(0,a),\qquad a>0. \] Dann ist \(M=(0,0)\). Schreiben wir \(O=(0,o)\). Wegen \(OB\perp AB\) gilt \[ (1,o)\cdot(1,a)=0, \] also \(o=-1/a\). Somit ist \[ O=\left(0,-\frac1a\right),\qquad Q=(q,0),\qquad -1<q<1. \]
Wir wählen einen beliebigen von null verschiedenen Richtungsvektor \((u,v)\) von \(EF\). Da \(E,Q,F\) verschieden sind und auf einer Geraden liegen, gibt es verschiedene, von null verschiedene reelle Zahlen \(s,t\), sodass \[ E=(q+su,sv),\qquad F=(q+tu,tv). \] Die Gleichungen von \(AB\) bzw. \(AC\) lauten \[ x-\frac ya=-1,\qquad x+\frac ya=1. \] Folglich gilt \[ s\left(u-\frac va\right)=-(1+q), \qquad t\left(u+\frac va\right)=1-q. \] Beide rechten Seiten sind von null verschieden, also sind auch die beiden Faktoren \(u-v/a\) und \(u+v/a\) von null verschieden. Daher können wir berechnen: \[ \begin{aligned} s+t &=-\frac{1+q}{u-v/a}+\frac{1-q}{u+v/a}\\ &=\frac{-2(qu+v/a)}{u^2-v^2/a^2}. \end{aligned} \] Daraus folgt \[ s+t=0\quad\Longleftrightarrow\quad qu+\frac va=0. \]
Einerseits gilt \[ QE=|s|\sqrt{u^2+v^2},\qquad QF=|t|\sqrt{u^2+v^2}. \] Wegen \(s\ne t\) ist die Gleichheit dieser Längen äquivalent zu \(s=-t\), also zu \(s+t=0\).
Andererseits ist \(\overrightarrow{OQ}=(q,1/a)\), also \[ OQ\perp EF \quad\Longleftrightarrow\quad (q,1/a)\cdot(u,v)=0 \quad\Longleftrightarrow\quad qu+\frac va=0. \] Die Verknüpfung dieser Äquivalenzen beweist die Behauptung. Die Parametrisierung schränkt weder die Richtung von \(EF\) ein noch die Möglichkeit, dass \(E,F\) auf den Seiten oder deren Verlängerungen liegen. \(\square\)
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1994 · Soru 2
\(ABC\), \(AB = AC\) olan bir ikizkenar üçgendir. Aşağıdakiler sağlansın:
- \(M\), \(BC\)'nin orta noktası ve \(O\), \(AM\) doğrusu üzerinde \(OB\)'nin \(AB\)'ye dik olduğu noktadır;
- \(Q\), \(BC\) doğru parçası üzerinde \(B\) ve \(C\)'den farklı herhangi bir noktadır;
- \(E\), \(AB\) doğrusu üzerinde ve \(F\), \(AC\) doğrusu üzerinde olup \(E, Q, F\) birbirinden farklı ve doğrudaştır.
\(OQ\)'nun \(EF\)'ye dik olması için gerek ve yeter koşulun \(QE = QF\) olduğunu kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Uzunlukları ölçeklendirerek Kartezyen koordinatları \[ B=(-1,0),\qquad C=(1,0),\qquad A=(0,a),\qquad a>0 \] olacak biçimde seçelim. Bu durumda \(M=(0,0)\)'dır. \(O=(0,o)\) yazalım. \(OB\perp AB\) olduğundan \[ (1,o)\cdot(1,a)=0, \] dolayısıyla \(o=-1/a\)'dır. Böylece \[ O=\left(0,-\frac1a\right),\qquad Q=(q,0),\qquad -1<q<1. \]
\(EF\)'nin sıfırdan farklı herhangi bir \((u,v)\) doğrultu vektörünü alalım. \(E,Q,F\) birbirinden farklı ve doğrudaş olduğundan, \[ E=(q+su,sv),\qquad F=(q+tu,tv) \] olacak biçimde birbirinden farklı, sıfırdan farklı \(s,t\) gerçel sayıları vardır. \(AB\) ve \(AC\) doğrularının denklemleri sırasıyla \[ x-\frac ya=-1,\qquad x+\frac ya=1 \] şeklindedir. Buna göre, \[ s\left(u-\frac va\right)=-(1+q), \qquad t\left(u+\frac va\right)=1-q. \] Her iki sağ taraf da sıfırdan farklı olduğundan \(u-v/a\) ve \(u+v/a\) çarpanlarının ikisi de sıfırdan farklıdır. Dolayısıyla şu hesabı yapabiliriz: \[ \begin{aligned} s+t &=-\frac{1+q}{u-v/a}+\frac{1-q}{u+v/a}\\ &=\frac{-2(qu+v/a)}{u^2-v^2/a^2}. \end{aligned} \] Buradan \[ s+t=0\quad\Longleftrightarrow\quad qu+\frac va=0 \] elde edilir.
Bir yandan, \[ QE=|s|\sqrt{u^2+v^2},\qquad QF=|t|\sqrt{u^2+v^2}. \] \(s\ne t\) olduğundan, bu uzunlukların eşit olması \(s=-t\), yani \(s+t=0\) olmasıyla eşdeğerdir.
Öte yandan, \(\overrightarrow{OQ}=(q,1/a)\) olduğundan \[ OQ\perp EF \quad\Longleftrightarrow\quad (q,1/a)\cdot(u,v)=0 \quad\Longleftrightarrow\quad qu+\frac va=0. \] Bu eşdeğerlikler birleştirildiğinde iddia kanıtlanır. Kullanılan parametrizasyon, \(EF\)'nin doğrultusu veya \(E,F\)'nin kenarlar ya da kenarların uzantıları üzerinde bulunması bakımından hiçbir kısıtlama getirmez. \(\square\)
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1994 · Problema 2
\(ABC\) es un triángulo isósceles con \(AB = AC\). Supongamos que
- \(M\) es el punto medio de \(BC\) y \(O\) es el punto de la recta \(AM\) tal que \(OB\) es perpendicular a \(AB\);
- \(Q\) es un punto arbitrario del segmento \(BC\) distinto de \(B\) y de \(C\);
- \(E\) está en la recta \(AB\) y \(F\) está en la recta \(AC\), de modo que \(E, Q, F\) son distintos y están alineados.
Demostrar que \(OQ\) es perpendicular a \(EF\) si y solo si \(QE = QF\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Elijamos coordenadas cartesianas, ajustando la escala de las longitudes de modo que \[ B=(-1,0),\qquad C=(1,0),\qquad A=(0,a),\qquad a>0. \] Entonces \(M=(0,0)\). Escribamos \(O=(0,o)\). Como \(OB\perp AB\), \[ (1,o)\cdot(1,a)=0, \] por lo que \(o=-1/a\). Así, \[ O=\left(0,-\frac1a\right),\qquad Q=(q,0),\qquad -1<q<1. \]
Tomemos un vector director no nulo cualquiera \((u,v)\) de \(EF\). Como \(E,Q,F\) son distintos y están alineados, existen números reales no nulos y distintos \(s,t\) tales que \[ E=(q+su,sv),\qquad F=(q+tu,tv). \] Las ecuaciones de \(AB\) y \(AC\) son, respectivamente, \[ x-\frac ya=-1,\qquad x+\frac ya=1. \] Por consiguiente, \[ s\left(u-\frac va\right)=-(1+q), \qquad t\left(u+\frac va\right)=1-q. \] Ambos miembros derechos son no nulos, por lo que los dos factores \(u-v/a\) y \(u+v/a\) son no nulos. Por tanto, podemos calcular \[ \begin{aligned} s+t &=-\frac{1+q}{u-v/a}+\frac{1-q}{u+v/a}\\ &=\frac{-2(qu+v/a)}{u^2-v^2/a^2}. \end{aligned} \] Se deduce que \[ s+t=0\quad\Longleftrightarrow\quad qu+\frac va=0. \]
Por una parte, \[ QE=|s|\sqrt{u^2+v^2},\qquad QF=|t|\sqrt{u^2+v^2}. \] Como \(s\ne t\), la igualdad de estas longitudes equivale a \(s=-t\), o a \(s+t=0\).
Por otra parte, \(\overrightarrow{OQ}=(q,1/a)\), por lo que \[ OQ\perp EF \quad\Longleftrightarrow\quad (q,1/a)\cdot(u,v)=0 \quad\Longleftrightarrow\quad qu+\frac va=0. \] Combinando estas equivalencias, queda demostrada la afirmación. La parametrización no impone ninguna restricción sobre la dirección de \(EF\) ni sobre si \(E,F\) están en los lados o en sus prolongaciones. \(\square\)
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1994 · 问题 2
\(ABC\) 是等腰三角形,其中 \(AB = AC\)。设
- \(M\) 是 \(BC\) 的中点,\(O\) 是直线 \(AM\) 上满足 \(OB\) 垂直于 \(AB\) 的点;
- \(Q\) 是线段 \(BC\) 上不同于 \(B\) 和 \(C\) 的任意一点;
- \(E\) 在直线 \(AB\) 上,\(F\) 在直线 \(AC\) 上,且 \(E, Q, F\) 是互不相同的共线三点。
证明:\(OQ\) 垂直于 \(EF\) 当且仅当 \(QE = QF\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
选取平面直角坐标系,并适当选取长度单位,使得 \[ B=(-1,0),\qquad C=(1,0),\qquad A=(0,a),\qquad a>0. \] 于是 \(M=(0,0)\)。记 \(O=(0,o)\)。因为 \(OB\perp AB\),所以 \[ (1,o)\cdot(1,a)=0, \] 故 \(o=-1/a\)。因此 \[ O=\left(0,-\frac1a\right),\qquad Q=(q,0),\qquad -1<q<1. \]
任取 \(EF\) 的一个非零方向向量 \((u,v)\)。由于 \(E,Q,F\) 互不相同且共线,存在互不相同的非零实数 \(s,t\),使得 \[ E=(q+su,sv),\qquad F=(q+tu,tv). \] 直线 \(AB\) 和 \(AC\) 的方程分别为 \[ x-\frac ya=-1,\qquad x+\frac ya=1. \] 因此, \[ s\left(u-\frac va\right)=-(1+q), \qquad t\left(u+\frac va\right)=1-q. \] 两个等式的右端都非零,故因子 \(u-v/a\) 和 \(u+v/a\) 都非零。因此可以计算得 \[ \begin{aligned} s+t &=-\frac{1+q}{u-v/a}+\frac{1-q}{u+v/a}\\ &=\frac{-2(qu+v/a)}{u^2-v^2/a^2}. \end{aligned} \] 从而 \[ s+t=0\quad\Longleftrightarrow\quad qu+\frac va=0. \]
一方面, \[ QE=|s|\sqrt{u^2+v^2},\qquad QF=|t|\sqrt{u^2+v^2}. \] 由于 \(s\ne t\),这两个长度相等当且仅当 \(s=-t\),即 \(s+t=0\)。
另一方面,\(\overrightarrow{OQ}=(q,1/a)\),所以 \[ OQ\perp EF \quad\Longleftrightarrow\quad (q,1/a)\cdot(u,v)=0 \quad\Longleftrightarrow\quad qu+\frac va=0. \] 结合这些等价关系,即得所要证明的结论。上述参数表示既不限制 \(EF\) 的方向,也不限制 \(E,F\) 位于三角形的边上还是其延长线上。\(\square\)
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1994 · Задача 2
\(ABC\) — равнобедренный треугольник, в котором \(AB = AC\). Пусть
- \(M\) — середина \(BC\), а \(O\) — точка на прямой \(AM\), такая, что \(OB\) перпендикулярна \(AB\);
- \(Q\) — произвольная точка отрезка \(BC\), отличная от \(B\) и \(C\);
- \(E\) лежит на прямой \(AB\), а \(F\) — на прямой \(AC\), причём точки \(E, Q, F\) различны и лежат на одной прямой.
Докажите, что \(OQ\) перпендикулярна \(EF\) тогда и только тогда, когда \(QE = QF\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Выберем декартову систему координат и единицу длины так, чтобы \[ B=(-1,0),\qquad C=(1,0),\qquad A=(0,a),\qquad a>0. \] Тогда \(M=(0,0)\). Запишем \(O=(0,o)\). Поскольку \(OB\perp AB\), \[ (1,o)\cdot(1,a)=0, \] откуда \(o=-1/a\). Таким образом, \[ O=\left(0,-\frac1a\right),\qquad Q=(q,0),\qquad -1<q<1. \]
Возьмём любой ненулевой направляющий вектор \((u,v)\) прямой \(EF\). Поскольку точки \(E,Q,F\) различны и лежат на одной прямой, существуют различные ненулевые действительные числа \(s,t\), такие, что \[ E=(q+su,sv),\qquad F=(q+tu,tv). \] Уравнения прямых \(AB\) и \(AC\) имеют соответственно вид \[ x-\frac ya=-1,\qquad x+\frac ya=1. \] Следовательно, \[ s\left(u-\frac va\right)=-(1+q), \qquad t\left(u+\frac va\right)=1-q. \] Обе правые части отличны от нуля, поэтому оба множителя \(u-v/a\) и \(u+v/a\) отличны от нуля. Следовательно, можно вычислить \[ \begin{aligned} s+t &=-\frac{1+q}{u-v/a}+\frac{1-q}{u+v/a}\\ &=\frac{-2(qu+v/a)}{u^2-v^2/a^2}. \end{aligned} \] Отсюда следует, что \[ s+t=0\quad\Longleftrightarrow\quad qu+\frac va=0. \]
С одной стороны, \[ QE=|s|\sqrt{u^2+v^2},\qquad QF=|t|\sqrt{u^2+v^2}. \] Поскольку \(s\ne t\), равенство этих длин равносильно условию \(s=-t\), или \(s+t=0\).
С другой стороны, \(\overrightarrow{OQ}=(q,1/a)\), поэтому \[ OQ\perp EF \quad\Longleftrightarrow\quad (q,1/a)\cdot(u,v)=0 \quad\Longleftrightarrow\quad qu+\frac va=0. \] Объединяя эти равносильности, получаем требуемое утверждение. Использованная параметризация не накладывает ограничений ни на направление прямой \(EF\), ни на то, лежат ли точки \(E,F\) на сторонах или на их продолжениях. \(\square\)
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1994 · المسألة 2
\(ABC\) مثلث متساوي الساقين فيه \(AB = AC\). افترض أن
- \(M\) منتصف \(BC\)، و\(O\) النقطة الواقعة على المستقيم \(AM\) بحيث يكون \(OB\) عموديًا على \(AB\)؛
- \(Q\) نقطة كيفما اتفق على القطعة \(BC\)، تختلف عن \(B\) و\(C\)؛
- تقع \(E\) على المستقيم \(AB\)، وتقع \(F\) على المستقيم \(AC\)، بحيث تكون \(E, Q, F\) نقاطًا متمايزة وعلى استقامة واحدة.
أثبت أن \(OQ\) عمودي على \(EF\) إذا وفقط إذا كان \(QE = QF\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نختار إحداثيات ديكارتية، مع تغيير مقياس الأطوال بحيث \[ B=(-1,0),\qquad C=(1,0),\qquad A=(0,a),\qquad a>0. \] عندئذٍ \(M=(0,0)\). نكتب \(O=(0,o)\). وبما أن \(OB\perp AB\)، فإن \[ (1,o)\cdot(1,a)=0, \] ومن ثم \(o=-1/a\). إذن \[ O=\left(0,-\frac1a\right),\qquad Q=(q,0),\qquad -1<q<1. \]
نأخذ أي متجه توجيه غير صفري \((u,v)\) للمستقيم \(EF\). بما أن \(E,Q,F\) نقاط متمايزة وعلى استقامة واحدة، يوجد عددان حقيقيان متمايزان وغير صفريين \(s,t\) بحيث \[ E=(q+su,sv),\qquad F=(q+tu,tv). \] معادلتا \(AB\) و\(AC\) هما، على الترتيب، \[ x-\frac ya=-1,\qquad x+\frac ya=1. \] وبالتالي، \[ s\left(u-\frac va\right)=-(1+q), \qquad t\left(u+\frac va\right)=1-q. \] كلا الطرفين الأيمنين غير صفري، لذا فإن كلا العاملين \(u-v/a\) و\(u+v/a\) غير صفري. ومن ثم يمكننا حساب \[ \begin{aligned} s+t &=-\frac{1+q}{u-v/a}+\frac{1-q}{u+v/a}\\ &=\frac{-2(qu+v/a)}{u^2-v^2/a^2}. \end{aligned} \] ويترتب على ذلك أن \[ s+t=0\quad\Longleftrightarrow\quad qu+\frac va=0. \]
من جهة، \[ QE=|s|\sqrt{u^2+v^2},\qquad QF=|t|\sqrt{u^2+v^2}. \] وبما أن \(s\ne t\)، فإن تساوي هذين الطولين يكافئ \(s=-t\)، أي \(s+t=0\).
ومن جهة أخرى، \(\overrightarrow{OQ}=(q,1/a)\)، لذا \[ OQ\perp EF \quad\Longleftrightarrow\quad (q,1/a)\cdot(u,v)=0 \quad\Longleftrightarrow\quad qu+\frac va=0. \] بجمع هذه التكافؤات نحصل على المطلوب. ولا يفرض هذا التمثيل بالوسيط أي قيد على اتجاه \(EF\)، ولا على وقوع \(E,F\) على الضلعين أو على امتداديهما. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).