IMO 1995 · Problem 3
Determine all integers \(n>3\) for which there exist \(n\) points \(A_1,\ldots,A_n\) in the plane, no three collinear, and real numbers \(r_1,\ldots,r_n\) such that for \(1\le i<j<k\le n\), the area of \(\triangle A_iA_jA_k\) is \(r_i+r_j+r_k\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{n=4}. \]
Solution
For \(n=4\), take the vertices of a unit square and set \[ r_1=r_2=r_3=r_4=\frac16. \] Every triangle formed by three vertices has area \(\frac12\), so this satisfies the requirements.
We prove that five points cannot satisfy the condition. This also excludes every \(n>5\), since any five points of such a configuration would inherit the condition.
Write \([XYZ]\) for the area of \(\triangle XYZ\), and denote the real number assigned to a point by the corresponding lowercase letter. Thus \[ [XYZ]=x+y+z. \] All these triangle areas are strictly positive.
We first record two consequences.
-
If \(X,Y,Z,W\) form a convex quadrilateral in that cyclic order, its two diagonal decompositions give \[ [XYZ]+[XZW]=[XYW]+[YZW], \] and hence \[ x+z=y+w. \tag{1} \]
-
If \(P\) lies strictly inside \(\triangle XYZ\), then \[ [XYZ]=[PXY]+[PYZ]+[PZX]. \] Substitution gives \[ x+y+z+3p=0. \tag{2} \] In particular, \(p<0\).
The convex hull of five points with no three collinear has three, four, or five vertices. We treat each possibility.
Case 1: The convex hull is a triangle \(ABC\).
The remaining points \(P,Q\) lie strictly inside it. Put \[ T=a+b+c=[ABC]>0. \] By (2), \[ p=q=-\frac{T}{3}. \] Consequently, \[ [APQ]+[BPQ]+[CPQ] =a+b+c+3p+3q =-T<0, \] contradicting the positivity of the three areas.
Case 2: The convex hull is a quadrilateral \(ABCD\).
Let \(P\) be the remaining point and let \(O=AC\cap BD\). Since no three points are collinear, \(P\) lies on neither diagonal. The diagonals partition the quadrilateral into four triangles, so, after cyclically relabelling the vertices, we may assume that \(P\) lies strictly inside \(\triangle ABO\). It therefore lies strictly inside both \(\triangle ABC\) and \(\triangle ABD\).
Applying (2) to those two triangles gives \[ a+b+c+3p=0,\qquad a+b+d+3p=0, \] so \(c=d\). Equation (1) for \(ABCD\) then gives \(a=b\).
Write \[ a=b=x,\qquad c=d=y. \] We have \[ 2x+y+3p=0,\qquad p<0. \tag{3} \] On the other hand, calculating the quadrilateral’s area using diagonal \(AC\) gives \[ [ABCD]=[ABC]+[ACD]=3(x+y). \] Calculating it using the four triangles with vertex \(P\) gives \[ \begin{aligned} [ABCD] &=[ABP]+[BCP]+[CDP]+[DAP]\\ &=(2x+p)+(x+y+p)+(2y+p)+(x+y+p)\\ &=4(x+y+p). \end{aligned} \] Therefore \[ x+y+4p=0. \] Subtracting this equation from (3) yields \(x=p\). But then \[ [ABP]=2x+p=3p<0, \] again a contradiction.
Case 3: The convex hull is a pentagon \(ABCDE\).
The vertices are listed in cyclic order. Applying (1) to the quadrilaterals \(ABCD\), \(ABCE\), \(ABDE\), and \(ACDE\), respectively, gives \[ \begin{aligned} a+c&=b+d,\\ a+c&=b+e,\\ a+d&=b+e,\\ a+d&=c+e. \end{aligned} \] The first two equations give \(d=e\). The third then gives \(a=b\), and the fourth gives \(a=c\). Substitution into the first gives \(c=d\). Thus \[ a=b=c=d=e. \] In particular, \[ [ABC]=[ABD]=[ABE]. \] These triangles have the same base \(AB\), and \(C,D,E\) all lie on the same side of the line \(AB\), because \(AB\) is an edge of the convex hull. Their equal areas therefore imply that \(C,D,E\) have equal perpendicular distances from \(AB\). They lie on one line parallel to \(AB\), contradicting the assumption that no three points are collinear.
All possible configurations of five points have been excluded. Together with the square construction, this proves that the only answer is \(n=4\).
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1995 · Aufgabe 3
Man bestimme alle ganzen Zahlen \(n>3\), für die es \(n\) Punkte \(A_1,\ldots,A_n\) in der Ebene, von denen keine drei auf einer Geraden liegen, und reelle Zahlen \(r_1,\ldots,r_n\) gibt, sodass für \(1\le i<j<k\le n\) der Flächeninhalt von \(\triangle A_iA_jA_k\) gleich \(r_i+r_j+r_k\) ist.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{n=4}. \]
Lösung
Für \(n=4\) wählen wir die Eckpunkte eines Einheitsquadrats und setzen \[ r_1=r_2=r_3=r_4=\frac16. \] Jedes von drei Eckpunkten gebildete Dreieck hat den Flächeninhalt \(\frac12\), sodass die Anforderungen erfüllt sind.
Wir beweisen, dass fünf Punkte die Bedingung nicht erfüllen können. Damit ist auch jedes \(n>5\) ausgeschlossen, da je fünf Punkte einer solchen Konfiguration die Bedingung ebenfalls erfüllen würden.
Wir schreiben \([XYZ]\) für den Flächeninhalt von \(\triangle XYZ\) und bezeichnen die einem Punkt zugeordnete reelle Zahl mit dem entsprechenden Kleinbuchstaben. Somit gilt \[ [XYZ]=x+y+z. \] Alle diese Dreiecksflächeninhalte sind strikt positiv.
Zunächst halten wir zwei Folgerungen fest.
-
Bilden \(X,Y,Z,W\) in dieser umlaufenden Reihenfolge ein konvexes Viereck, so ergeben seine beiden Zerlegungen entlang der Diagonalen \[ [XYZ]+[XZW]=[XYW]+[YZW], \] und damit \[ x+z=y+w. \tag{1} \]
-
Liegt \(P\) strikt im Inneren von \(\triangle XYZ\), so gilt \[ [XYZ]=[PXY]+[PYZ]+[PZX]. \] Einsetzen ergibt \[ x+y+z+3p=0. \tag{2} \] Insbesondere gilt \(p<0\).
Die konvexe Hülle von fünf Punkten, von denen keine drei auf einer Geraden liegen, hat drei, vier oder fünf Eckpunkte. Wir behandeln jede dieser Möglichkeiten.
Fall 1: Die konvexe Hülle ist ein Dreieck \(ABC\).
Die übrigen Punkte \(P,Q\) liegen strikt in seinem Inneren. Wir setzen \[ T=a+b+c=[ABC]>0. \] Nach (2) gilt \[ p=q=-\frac{T}{3}. \] Folglich ist \[ [APQ]+[BPQ]+[CPQ] =a+b+c+3p+3q =-T<0, \] im Widerspruch zur Positivität der drei Flächeninhalte.
Fall 2: Die konvexe Hülle ist ein Viereck \(ABCD\).
Es sei \(P\) der übrige Punkt und \(O=AC\cap BD\). Da keine drei Punkte auf einer Geraden liegen, liegt \(P\) auf keiner der beiden Diagonalen. Die Diagonalen zerlegen das Viereck in vier Dreiecke, sodass wir nach zyklischer Umbenennung der Eckpunkte annehmen dürfen, dass \(P\) strikt im Inneren von \(\triangle ABO\) liegt. Somit liegt er strikt im Inneren sowohl von \(\triangle ABC\) als auch von \(\triangle ABD\).
Die Anwendung von (2) auf diese beiden Dreiecke ergibt \[ a+b+c+3p=0,\qquad a+b+d+3p=0, \] also \(c=d\). Aus Gleichung (1) für \(ABCD\) folgt dann \(a=b\).
Wir schreiben \[ a=b=x,\qquad c=d=y. \] Es gilt \[ 2x+y+3p=0,\qquad p<0. \tag{3} \] Andererseits ergibt die Berechnung des Flächeninhalts des Vierecks mithilfe der Diagonalen \(AC\) \[ [ABCD]=[ABC]+[ACD]=3(x+y). \] Die Berechnung mithilfe der vier Dreiecke mit dem Eckpunkt \(P\) ergibt \[ \begin{aligned} [ABCD] &=[ABP]+[BCP]+[CDP]+[DAP]\\ &=(2x+p)+(x+y+p)+(2y+p)+(x+y+p)\\ &=4(x+y+p). \end{aligned} \] Daher gilt \[ x+y+4p=0. \] Subtrahieren wir diese Gleichung von (3), so erhalten wir \(x=p\). Dann gilt jedoch \[ [ABP]=2x+p=3p<0, \] was erneut einen Widerspruch ergibt.
Fall 3: Die konvexe Hülle ist ein Fünfeck \(ABCDE\).
Die Eckpunkte sind in umlaufender Reihenfolge aufgeführt. Die Anwendung von (1) auf die Vierecke \(ABCD\), \(ABCE\), \(ABDE\) bzw. \(ACDE\) ergibt \[ \begin{aligned} a+c&=b+d,\\ a+c&=b+e,\\ a+d&=b+e,\\ a+d&=c+e. \end{aligned} \] Aus den ersten beiden Gleichungen folgt \(d=e\). Die dritte liefert dann \(a=b\), und die vierte liefert \(a=c\). Einsetzen in die erste ergibt \(c=d\). Somit gilt \[ a=b=c=d=e. \] Insbesondere gilt \[ [ABC]=[ABD]=[ABE]. \] Diese Dreiecke haben dieselbe Grundseite \(AB\), und \(C,D,E\) liegen alle auf derselben Seite der Geraden \(AB\), da \(AB\) eine Seite der konvexen Hülle ist. Aus ihren gleichen Flächeninhalten folgt daher, dass \(C,D,E\) denselben senkrechten Abstand von \(AB\) haben. Sie liegen auf einer zu \(AB\) parallelen Geraden, im Widerspruch zur Annahme, dass keine drei Punkte auf einer Geraden liegen.
Damit sind alle möglichen Konfigurationen von fünf Punkten ausgeschlossen. Zusammen mit der Konstruktion mithilfe des Quadrats beweist dies, dass die einzige Antwort \(n=4\) ist.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1995 · Soru 3
Düzlemde herhangi üçü doğrusal olmayan \(n\) tane \(A_1,\ldots,A_n\) noktası ve \(1\le i<j<k\le n\) için \(\triangle A_iA_jA_k\)'nın alanı \(r_i+r_j+r_k\) olacak şekilde \(r_1,\ldots,r_n\) gerçel sayılarının bulunabildiği tüm \(n>3\) tam sayılarını belirleyiniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{n=4}. \]
Çözüm
\(n=4\) için birim karenin köşelerini alalım ve \[ r_1=r_2=r_3=r_4=\frac16 \] olarak seçelim. Üç köşenin oluşturduğu her üçgenin alanı \(\frac12\) olduğundan bu seçim istenen koşulları sağlar.
Beş noktanın bu koşulu sağlayamayacağını kanıtlayacağız. Böyle bir düzende seçilen herhangi beş nokta da aynı koşulu sağlayacağından bu, tüm \(n>5\) değerlerini de eler.
\(\triangle XYZ\)'nin alanını \([XYZ]\) ile, bir noktaya atanan gerçel sayıyı da o noktaya karşılık gelen küçük harfle gösterelim. Böylece \[ [XYZ]=x+y+z. \] Bu üçgen alanlarının tümü kesinlikle pozitiftir.
Önce iki sonuç elde edelim.
-
\(X,Y,Z,W\), çevresi boyunca bu sırayla dizilmiş bir dışbükey dörtgenin köşeleri ise, dörtgenin iki köşegeni boyunca yapılan ayrışımlarından \[ [XYZ]+[XZW]=[XYW]+[YZW], \] ve dolayısıyla \[ x+z=y+w \tag{1} \] elde edilir.
-
\(P\), \(\triangle XYZ\)'nin iç bölgesinde ise \[ [XYZ]=[PXY]+[PYZ]+[PZX]. \] Yerine koyarak \[ x+y+z+3p=0 \tag{2} \] elde ederiz. Özellikle, \(p<0\)'dır.
Herhangi üçü doğrusal olmayan beş noktanın dışbükey örtüsünün üç, dört veya beş köşesi vardır. Her olasılığı ele alalım.
Durum 1: Dışbükey örtü bir \(ABC\) üçgenidir.
Geriye kalan \(P,Q\) noktaları bu üçgenin iç bölgesindedir. \[ T=a+b+c=[ABC]>0 \] olsun. (2)'ye göre, \[ p=q=-\frac{T}{3}. \] Dolayısıyla, \[ [APQ]+[BPQ]+[CPQ] =a+b+c+3p+3q =-T<0, \] bu ise üç alanın da pozitif olmasıyla çelişir.
Durum 2: Dışbükey örtü bir \(ABCD\) dörtgenidir.
Geriye kalan nokta \(P\) ve \(O=AC\cap BD\) olsun. Herhangi üç nokta doğrusal olmadığından \(P\), köşegenlerin hiçbiri üzerinde değildir. Köşegenler dörtgeni dört üçgene ayırır; dolayısıyla köşeleri çevresel sıralarını koruyarak yeniden adlandırdıktan sonra \(P\)'nin \(\triangle ABO\)'nun iç bölgesinde olduğunu varsayabiliriz. Bu durumda \(P\), hem \(\triangle ABC\)'nin hem de \(\triangle ABD\)'nin iç bölgesindedir.
Bu iki üçgene (2)'yi uygulayarak \[ a+b+c+3p=0,\qquad a+b+d+3p=0, \] elde ederiz; dolayısıyla \(c=d\)'dir. Ardından \(ABCD\) için (1) denklemi \(a=b\) verir.
\[ a=b=x,\qquad c=d=y \] yazalım. Elimizde \[ 2x+y+3p=0,\qquad p<0 \tag{3} \] vardır. Öte yandan, dörtgenin alanını \(AC\) köşegenini kullanarak hesapladığımızda \[ [ABCD]=[ABC]+[ACD]=3(x+y) \] elde ederiz. Alanı bir köşesi \(P\) olan dört üçgeni kullanarak hesapladığımızda ise \[ \begin{aligned} [ABCD] &=[ABP]+[BCP]+[CDP]+[DAP]\\ &=(2x+p)+(x+y+p)+(2y+p)+(x+y+p)\\ &=4(x+y+p) \end{aligned} \] elde ederiz. Dolayısıyla \[ x+y+4p=0. \] Bu denklemi (3)'ten çıkarınca \(x=p\) bulunur. Ancak bu durumda \[ [ABP]=2x+p=3p<0, \] yine bir çelişki elde edilir.
Durum 3: Dışbükey örtü bir \(ABCDE\) beşgenidir.
Köşeler çevresel sırayla verilmiştir. Sırasıyla \(ABCD\), \(ABCE\), \(ABDE\) ve \(ACDE\) dörtgenlerine (1)'i uygulayarak \[ \begin{aligned} a+c&=b+d,\\ a+c&=b+e,\\ a+d&=b+e,\\ a+d&=c+e \end{aligned} \] elde ederiz. İlk iki denklem \(d=e\) verir. Ardından üçüncü denklem \(a=b\), dördüncü denklem de \(a=c\) verir. İlk denklemde yerine koyunca \(c=d\) elde edilir. Böylece \[ a=b=c=d=e. \] Özellikle, \[ [ABC]=[ABD]=[ABE]. \] Bu üçgenlerin \(AB\) tabanı ortaktır ve \(AB\) dışbükey örtünün bir kenarı olduğundan \(C,D,E\) noktalarının tümü \(AB\) doğrusunun aynı tarafındadır. Dolayısıyla alanlarının eşit olması, \(C,D,E\)'nin \(AB\)'ye olan dik uzaklıklarının eşit olmasını gerektirir. Bu noktalar \(AB\)'ye paralel bir doğru üzerinde bulunur; bu ise herhangi üç noktanın doğrusal olmadığı varsayımıyla çelişir.
Beş noktanın tüm olası düzenleri elenmiştir. Kare ile yapılan seçimle birlikte bu, tek cevabın \(n=4\) olduğunu kanıtlar.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1995 · Problema 3
Determine todos los enteros \(n>3\) para los que existen \(n\) puntos \(A_1,\ldots,A_n\) en el plano, sin que haya tres colineales, y números reales \(r_1,\ldots,r_n\) tales que, para \(1\le i<j<k\le n\), el área de \(\triangle A_iA_jA_k\) es \(r_i+r_j+r_k\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{n=4}. \]
Solución
Para \(n=4\), tomamos los vértices de un cuadrado de lado uno y hacemos \[ r_1=r_2=r_3=r_4=\frac16. \] Todo triángulo formado por tres vértices tiene área \(\frac12\), por lo que se cumplen los requisitos.
Demostraremos que cinco puntos no pueden satisfacer la condición. Esto también descarta todo \(n>5\), pues cualesquiera cinco puntos de una configuración así heredarían la condición.
Escribimos \([XYZ]\) para denotar el área de \(\triangle XYZ\), y denotamos el número real asignado a un punto por la letra minúscula correspondiente. Así, \[ [XYZ]=x+y+z. \] Todas estas áreas de triángulos son estrictamente positivas.
En primer lugar, establecemos dos consecuencias.
-
Si \(X,Y,Z,W\) forman un cuadrilátero convexo en ese orden cíclico, sus dos descomposiciones por las diagonales dan \[ [XYZ]+[XZW]=[XYW]+[YZW], \] y, por tanto, \[ x+z=y+w. \tag{1} \]
-
Si \(P\) está estrictamente en el interior de \(\triangle XYZ\), entonces \[ [XYZ]=[PXY]+[PYZ]+[PZX]. \] Al sustituir, obtenemos \[ x+y+z+3p=0. \tag{2} \] En particular, \(p<0\).
La envolvente convexa de cinco puntos sin tres colineales tiene tres, cuatro o cinco vértices. Consideramos cada posibilidad.
Caso 1: La envolvente convexa es un triángulo \(ABC\).
Los puntos restantes \(P,Q\) están estrictamente en su interior. Sea \[ T=a+b+c=[ABC]>0. \] Por (2), \[ p=q=-\frac{T}{3}. \] Por consiguiente, \[ [APQ]+[BPQ]+[CPQ] =a+b+c+3p+3q =-T<0, \] lo que contradice la positividad de las tres áreas.
Caso 2: La envolvente convexa es un cuadrilátero \(ABCD\).
Sea \(P\) el punto restante y sea \(O=AC\cap BD\). Como no hay tres puntos colineales, \(P\) no pertenece a ninguna de las diagonales. Las diagonales dividen el cuadrilátero en cuatro triángulos, por lo que, tras renombrar cíclicamente los vértices, podemos suponer que \(P\) está estrictamente en el interior de \(\triangle ABO\). Por tanto, está estrictamente en el interior tanto de \(\triangle ABC\) como de \(\triangle ABD\).
Al aplicar (2) a esos dos triángulos, obtenemos \[ a+b+c+3p=0,\qquad a+b+d+3p=0, \] por lo que \(c=d\). La ecuación (1) para \(ABCD\) da entonces \(a=b\).
Escribimos \[ a=b=x,\qquad c=d=y. \] Tenemos \[ 2x+y+3p=0,\qquad p<0. \tag{3} \] Por otra parte, al calcular el área del cuadrilátero mediante la diagonal \(AC\), obtenemos \[ [ABCD]=[ABC]+[ACD]=3(x+y). \] Al calcularla mediante los cuatro triángulos con vértice \(P\), obtenemos \[ \begin{aligned} [ABCD] &=[ABP]+[BCP]+[CDP]+[DAP]\\ &=(2x+p)+(x+y+p)+(2y+p)+(x+y+p)\\ &=4(x+y+p). \end{aligned} \] Por tanto, \[ x+y+4p=0. \] Al restar esta ecuación de (3), obtenemos \(x=p\). Pero entonces \[ [ABP]=2x+p=3p<0, \] de nuevo una contradicción.
Caso 3: La envolvente convexa es un pentágono \(ABCDE\).
Los vértices están enumerados en orden cíclico. Al aplicar (1) a los cuadriláteros \(ABCD\), \(ABCE\), \(ABDE\) y \(ACDE\), respectivamente, obtenemos \[ \begin{aligned} a+c&=b+d,\\ a+c&=b+e,\\ a+d&=b+e,\\ a+d&=c+e. \end{aligned} \] Las dos primeras ecuaciones dan \(d=e\). La tercera da entonces \(a=b\), y la cuarta da \(a=c\). Al sustituir en la primera, obtenemos \(c=d\). Así, \[ a=b=c=d=e. \] En particular, \[ [ABC]=[ABD]=[ABE]. \] Estos triángulos tienen la misma base \(AB\), y \(C,D,E\) están todos en el mismo lado de la recta \(AB\), porque \(AB\) es un lado de la envolvente convexa. Por tanto, la igualdad de sus áreas implica que \(C,D,E\) tienen la misma distancia perpendicular a \(AB\). Pertenecen a una misma recta paralela a \(AB\), lo que contradice la hipótesis de que no hay tres puntos colineales.
Se han descartado todas las configuraciones posibles de cinco puntos. Junto con la construcción del cuadrado, esto demuestra que la única respuesta es \(n=4\).
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1995 · 问题 3
求所有整数 \(n>3\),使得平面上存在 \(n\) 个点 \(A_1,\ldots,A_n\),其中任意三点不共线,并且存在实数 \(r_1,\ldots,r_n\),使得对 \(1\le i<j<k\le n\),\(\triangle A_iA_jA_k\) 的面积为 \(r_i+r_j+r_k\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{n=4}. \]
解答
当 \(n=4\) 时,取单位正方形的四个顶点,并令 \[ r_1=r_2=r_3=r_4=\frac16. \] 任意三个顶点构成的三角形面积均为 \(\frac12\),因此满足题目要求。
下面证明,五个点不可能满足条件。这也排除了所有 \(n>5\) 的情形,因为从这样的构型中任取五个点,仍然满足该条件。
用 \([XYZ]\) 表示 \(\triangle XYZ\) 的面积,并用相应的小写字母表示赋予各点的实数。于是 \[ [XYZ]=x+y+z. \] 所有这些三角形的面积都严格为正。
先给出两个推论。
-
若 \(X,Y,Z,W\) 按此顺序构成凸四边形,则沿两条对角线分别分割其面积,得到 \[ [XYZ]+[XZW]=[XYW]+[YZW], \] 从而 \[ x+z=y+w. \tag{1} \]
-
若 \(P\) 严格位于 \(\triangle XYZ\) 内部,则 \[ [XYZ]=[PXY]+[PYZ]+[PZX]. \] 代入得 \[ x+y+z+3p=0. \tag{2} \] 特别地,\(p<0\)。
五个任意三点不共线的点的凸包有三个、四个或五个顶点。下面分别讨论。
情形 1:凸包是三角形 \(ABC\)。
其余两点 \(P,Q\) 严格位于其内部。令 \[ T=a+b+c=[ABC]>0. \] 由 (2), \[ p=q=-\frac{T}{3}. \] 因此, \[ [APQ]+[BPQ]+[CPQ] =a+b+c+3p+3q =-T<0, \] 这与三个面积均为正矛盾。
情形 2:凸包是四边形 \(ABCD\)。
设 \(P\) 为剩下的点,并令 \(O=AC\cap BD\)。由于任意三点不共线,\(P\) 不在任何一条对角线上。两条对角线将四边形分成四个三角形,因此,在按循环顺序重新标记顶点后,可以假设 \(P\) 严格位于 \(\triangle ABO\) 内部。于是,它同时严格位于 \(\triangle ABC\) 和 \(\triangle ABD\) 内部。
对这两个三角形应用 (2),得 \[ a+b+c+3p=0,\qquad a+b+d+3p=0, \] 所以 \(c=d\)。再对 \(ABCD\) 应用等式 (1),得 \(a=b\)。
记 \[ a=b=x,\qquad c=d=y. \] 有 \[ 2x+y+3p=0,\qquad p<0. \tag{3} \] 另一方面,利用对角线 \(AC\) 计算四边形的面积,得 \[ [ABCD]=[ABC]+[ACD]=3(x+y). \] 利用以 \(P\) 为顶点的四个三角形计算其面积,得 \[ \begin{aligned} [ABCD] &=[ABP]+[BCP]+[CDP]+[DAP]\\ &=(2x+p)+(x+y+p)+(2y+p)+(x+y+p)\\ &=4(x+y+p). \end{aligned} \] 因此 \[ x+y+4p=0. \] 从 (3) 中减去此等式,得 \(x=p\)。但此时 \[ [ABP]=2x+p=3p<0, \] 再次得到矛盾。
情形 3:凸包是五边形 \(ABCDE\)。
各顶点按循环顺序列出。分别对四边形 \(ABCD\)、\(ABCE\)、\(ABDE\) 和 \(ACDE\) 应用 (1),得 \[ \begin{aligned} a+c&=b+d,\\ a+c&=b+e,\\ a+d&=b+e,\\ a+d&=c+e. \end{aligned} \] 前两个等式给出 \(d=e\)。第三个等式随即给出 \(a=b\),第四个等式给出 \(a=c\)。代入第一个等式,得 \(c=d\)。因此 \[ a=b=c=d=e. \] 特别地, \[ [ABC]=[ABD]=[ABE]. \] 这些三角形有公共底边 \(AB\),且由于 \(AB\) 是凸包的一条边,\(C,D,E\) 都位于直线 \(AB\) 的同一侧。因此,由它们的面积相等可知,\(C,D,E\) 到 \(AB\) 的垂直距离相等。它们位于同一条平行于 \(AB\) 的直线上,与任意三点不共线的假设矛盾。
五个点的所有可能构型都已排除。结合正方形的构造,便证明了唯一的答案是 \(n=4\)。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1995 · Задача 3
Найдите все целые числа \(n>3\), для которых существуют \(n\) точек \(A_1,\ldots,A_n\) на плоскости, никакие три из которых не лежат на одной прямой, и действительные числа \(r_1,\ldots,r_n\), такие, что при \(1\le i<j<k\le n\) площадь \(\triangle A_iA_jA_k\) равна \(r_i+r_j+r_k\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{n=4}. \]
Решение
При \(n=4\) возьмём вершины квадрата со стороной 1 и положим \[ r_1=r_2=r_3=r_4=\frac16. \] Каждый треугольник, образованный тремя вершинами, имеет площадь \(\frac12\), поэтому все условия выполнены.
Докажем, что пять точек не могут удовлетворять условию. Это исключает и все \(n>5\), поскольку любые пять точек такой конфигурации также удовлетворяли бы условию.
Обозначим через \([XYZ]\) площадь \(\triangle XYZ\), а действительное число, сопоставленное точке, — соответствующей строчной буквой. Таким образом, \[ [XYZ]=x+y+z. \] Площади всех этих треугольников строго положительны.
Сначала отметим два следствия.
-
Если \(X,Y,Z,W\) образуют выпуклый четырёхугольник и перечислены в порядке обхода его границы, то два разбиения этого четырёхугольника диагоналями дают \[ [XYZ]+[XZW]=[XYW]+[YZW], \] а значит, \[ x+z=y+w. \tag{1} \]
-
Если \(P\) лежит строго внутри \(\triangle XYZ\), то \[ [XYZ]=[PXY]+[PYZ]+[PZX]. \] Подстановка даёт \[ x+y+z+3p=0. \tag{2} \] В частности, \(p<0\).
Выпуклая оболочка пяти точек, никакие три из которых не лежат на одной прямой, имеет три, четыре или пять вершин. Рассмотрим каждую возможность.
Случай 1: выпуклая оболочка — треугольник \(ABC\).
Оставшиеся точки \(P,Q\) лежат строго внутри него. Положим \[ T=a+b+c=[ABC]>0. \] В силу (2), \[ p=q=-\frac{T}{3}. \] Следовательно, \[ [APQ]+[BPQ]+[CPQ] =a+b+c+3p+3q =-T<0, \] что противоречит положительности трёх площадей.
Случай 2: выпуклая оболочка — четырёхугольник \(ABCD\).
Пусть \(P\) — оставшаяся точка и \(O=AC\cap BD\). Поскольку никакие три точки не лежат на одной прямой, \(P\) не лежит ни на одной из диагоналей. Диагонали разбивают четырёхугольник на четыре треугольника, поэтому, циклически переобозначив вершины, можно считать, что \(P\) лежит строго внутри \(\triangle ABO\). Следовательно, она лежит строго внутри как \(\triangle ABC\), так и \(\triangle ABD\).
Применяя (2) к этим двум треугольникам, получаем \[ a+b+c+3p=0,\qquad a+b+d+3p=0, \] откуда \(c=d\). Тогда равенство (1) для \(ABCD\) даёт \(a=b\).
Обозначим \[ a=b=x,\qquad c=d=y. \] Имеем \[ 2x+y+3p=0,\qquad p<0. \tag{3} \] С другой стороны, вычисляя площадь четырёхугольника с помощью диагонали \(AC\), получаем \[ [ABCD]=[ABC]+[ACD]=3(x+y). \] Вычисляя её с помощью четырёх треугольников с вершиной \(P\), получаем \[ \begin{aligned} [ABCD] &=[ABP]+[BCP]+[CDP]+[DAP]\\ &=(2x+p)+(x+y+p)+(2y+p)+(x+y+p)\\ &=4(x+y+p). \end{aligned} \] Следовательно, \[ x+y+4p=0. \] Вычитая это равенство из (3), получаем \(x=p\). Но тогда \[ [ABP]=2x+p=3p<0, \] и снова получаем противоречие.
Случай 3: выпуклая оболочка — пятиугольник \(ABCDE\).
Вершины перечислены в порядке обхода границы. Применяя (1) к четырёхугольникам \(ABCD\), \(ABCE\), \(ABDE\) и \(ACDE\) соответственно, получаем \[ \begin{aligned} a+c&=b+d,\\ a+c&=b+e,\\ a+d&=b+e,\\ a+d&=c+e. \end{aligned} \] Первые два равенства дают \(d=e\). Тогда третье даёт \(a=b\), а четвёртое — \(a=c\). Подстановка в первое равенство даёт \(c=d\). Таким образом, \[ a=b=c=d=e. \] В частности, \[ [ABC]=[ABD]=[ABE]. \] Эти треугольники имеют общее основание \(AB\), а точки \(C,D,E\) лежат по одну сторону от прямой \(AB\), поскольку \(AB\) — сторона выпуклой оболочки. Поэтому из равенства их площадей следует, что расстояния от \(C,D,E\) до прямой \(AB\) равны. Эти точки лежат на одной прямой, параллельной \(AB\), что противоречит условию, что никакие три точки не лежат на одной прямой.
Все возможные конфигурации пяти точек исключены. Вместе с примером квадрата это доказывает, что единственный ответ — \(n=4\).
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1995 · المسألة 3
أوجد جميع الأعداد الصحيحة \(n>3\) التي توجد من أجلها \(n\) نقطة \(A_1,\ldots,A_n\) في المستوى، لا تقع أي ثلاث منها على استقامة واحدة، وأعداد حقيقية \(r_1,\ldots,r_n\)، بحيث تكون مساحة \(\triangle A_iA_jA_k\) مساوية لـ \(r_i+r_j+r_k\) لكل \(1\le i<j<k\le n\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{n=4}. \]
الحل
من أجل \(n=4\)، نأخذ رؤوس مربع طول ضلعه وحدة واحدة، ونضع \[ r_1=r_2=r_3=r_4=\frac16. \] مساحة كل مثلث تشكله ثلاثة رؤوس هي \(\frac12\)، لذا يحقق هذا الشروط المطلوبة.
نثبت أن خمس نقاط لا يمكن أن تحقق الشرط. وهذا يستبعد أيضًا كل \(n>5\)، إذ إن أي خمس نقاط من مثل هذا التشكيل ستحقق الشرط نفسه.
نرمز بـ \([XYZ]\) إلى مساحة \(\triangle XYZ\)، ونرمز إلى العدد الحقيقي المرافق لكل نقطة بالحرف الصغير الموافق لها. ومن ثم \[ [XYZ]=x+y+z. \] وجميع مساحات هذه المثلثات موجبة تمامًا.
نسجل أولًا نتيجتين.
-
إذا شكلت \(X,Y,Z,W\) رباعيًا محدبًا بهذا الترتيب حول حدوده، فإن تقسيمه بكل من قطريه يعطي \[ [XYZ]+[XZW]=[XYW]+[YZW], \] ومن ثم \[ x+z=y+w. \tag{1} \]
-
إذا كانت \(P\) تقع داخل \(\triangle XYZ\) تمامًا، فإن \[ [XYZ]=[PXY]+[PYZ]+[PZX]. \] وبالتعويض نحصل على \[ x+y+z+3p=0. \tag{2} \] وعلى وجه الخصوص، \(p<0\).
الغلاف المحدب لخمس نقاط لا تقع أي ثلاث منها على استقامة واحدة له ثلاثة رؤوس أو أربعة أو خمسة. ندرس كل احتمال.
الحالة 1: الغلاف المحدب مثلث \(ABC\).
تقع النقطتان المتبقيتان \(P,Q\) داخله تمامًا. نضع \[ T=a+b+c=[ABC]>0. \] بموجب (2)، \[ p=q=-\frac{T}{3}. \] وبالتالي، \[ [APQ]+[BPQ]+[CPQ] =a+b+c+3p+3q =-T<0, \] وهذا يناقض إيجابية المساحات الثلاث.
الحالة 2: الغلاف المحدب رباعي \(ABCD\).
لتكن \(P\) النقطة المتبقية، ولتكن \(O=AC\cap BD\). بما أنه لا تقع أي ثلاث نقاط على استقامة واحدة، فإن \(P\) لا تقع على أي من القطرين. يقسم القطران الرباعي إلى أربعة مثلثات، ولذلك يمكننا، بعد إعادة تسمية الرؤوس دوريًا، أن نفترض أن \(P\) تقع داخل \(\triangle ABO\) تمامًا. ومن ثم فهي تقع داخل كل من \(\triangle ABC\) و\(\triangle ABD\) تمامًا.
بتطبيق (2) على هذين المثلثين نحصل على \[ a+b+c+3p=0,\qquad a+b+d+3p=0, \] ومن ثم \(c=d\). وتعطي المعادلة (1) للرباعي \(ABCD\) عندئذ \(a=b\).
نكتب \[ a=b=x,\qquad c=d=y. \] لدينا \[ 2x+y+3p=0,\qquad p<0. \tag{3} \] ومن جهة أخرى، فإن حساب مساحة الرباعي باستخدام القطر \(AC\) يعطي \[ [ABCD]=[ABC]+[ACD]=3(x+y). \] وحسابها باستخدام المثلثات الأربعة التي تشترك في الرأس \(P\) يعطي \[ \begin{aligned} [ABCD] &=[ABP]+[BCP]+[CDP]+[DAP]\\ &=(2x+p)+(x+y+p)+(2y+p)+(x+y+p)\\ &=4(x+y+p). \end{aligned} \] ولذلك \[ x+y+4p=0. \] بطرح هذه المعادلة من (3) نحصل على \(x=p\). ولكن عندئذ \[ [ABP]=2x+p=3p<0, \] وهذا تناقض مرة أخرى.
الحالة 3: الغلاف المحدب خماسي \(ABCDE\).
سُردت الرؤوس بحسب ترتيبها حول حدوده. بتطبيق (1) على الرباعيات \(ABCD\)، و\(ABCE\)، و\(ABDE\)، و\(ACDE\)، على الترتيب، نحصل على \[ \begin{aligned} a+c&=b+d,\\ a+c&=b+e,\\ a+d&=b+e,\\ a+d&=c+e. \end{aligned} \] تعطي المعادلتان الأوليان \(d=e\). ثم تعطي الثالثة \(a=b\)، وتعطي الرابعة \(a=c\). وبالتعويض في الأولى نحصل على \(c=d\). ومن ثم \[ a=b=c=d=e. \] وعلى وجه الخصوص، \[ [ABC]=[ABD]=[ABE]. \] لهذه المثلثات القاعدة نفسها \(AB\)، وتقع \(C,D,E\) جميعها في الجهة نفسها من المستقيم \(AB\)، لأن \(AB\) ضلع من أضلاع الغلاف المحدب. ولذلك فإن تساوي مساحاتها يستلزم تساوي المسافات العمودية للنقاط \(C,D,E\) عن \(AB\). فتقع هذه النقاط على مستقيم واحد موازٍ لـ \(AB\)، مما يناقض افتراض عدم وقوع أي ثلاث نقاط على استقامة واحدة.
استُبعدت جميع التشكيلات الممكنة لخمس نقاط. وبالاقتران مع إنشاء المربع، يثبت هذا أن الإجابة الوحيدة هي \(n=4\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).