IMO 1995 · Problem 5
Let \(ABCDEF\) be a convex hexagon with \(AB = BC = CD\) and \(DE = EF = FA\), such that \(\angle BCD = \angle EFA = \pi/3\). Suppose \(G\) and \(H\) are points in the interior of the hexagon such that \(\angle AGB = \angle DHE = 2\pi/3\). Prove that \(AG + GB + GH + DH + HE \ge CF\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Since \(BC=CD\) and \(\angle BCD=\pi/3\), triangle \(BCD\) is equilateral. Similarly, triangle \(EFA\) is equilateral. Consequently, \[ AB=BD,\qquad EA=ED. \] Thus \(B\) and \(E\) both lie on the perpendicular bisector of \(AD\), so reflection in \(BE\) interchanges \(A\) and \(D\).
Let \(P\) and \(Q\) be the reflections of \(C\) and \(F\), respectively, in \(BE\). Reflecting the equilateral triangles \(BCD\) and \(EFA\), we see that \(ABP\) and \(DEQ\) are equilateral. Also, \[ PQ=CF. \]
Rotate about \(A\) through an angle of magnitude \(\pi/3\), in the direction that takes \(B\) to \(P\), and let \(G_1\) be the image of \(G\). The rotation preserves distances, so \[ PG_1=BG. \] Moreover, \(AG=AG_1\) and \(\angle GAG_1=\pi/3\); hence triangle \(AGG_1\) is equilateral, giving \[ G_1G=AG. \]
Similarly, rotate about \(D\) through an angle of magnitude \(\pi/3\) taking \(E\) to \(Q\), and let \(H_1\) be the image of \(H\). Then \[ H_1Q=HE,\qquad HH_1=DH. \]
The triangle inequality along the polygonal path \(P,G_1,G,H,H_1,Q\) now gives \[ \begin{aligned} CF=PQ &\le PG_1+G_1G+GH+HH_1+H_1Q\\ &=GB+AG+GH+DH+HE, \end{aligned} \] as required. This argument remains valid if intermediate points coincide, including \(G=H\).
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1995 · Aufgabe 5
Es sei \(ABCDEF\) ein konvexes Sechseck mit \(AB = BC = CD\) und \(DE = EF = FA\), für das \(\angle BCD = \angle EFA = \pi/3\) gilt. Es seien \(G\) und \(H\) Punkte im Inneren des Sechsecks mit \(\angle AGB = \angle DHE = 2\pi/3\). Man beweise, dass \(AG + GB + GH + DH + HE \ge CF\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wegen \(BC=CD\) und \(\angle BCD=\pi/3\) ist das Dreieck \(BCD\) gleichseitig. Ebenso ist das Dreieck \(EFA\) gleichseitig. Folglich gilt \[ AB=BD,\qquad EA=ED. \] Somit liegen sowohl \(B\) als auch \(E\) auf der Mittelsenkrechten von \(AD\), sodass die Spiegelung an \(BE\) die Punkte \(A\) und \(D\) vertauscht.
Es seien \(P\) und \(Q\) die Spiegelbilder von \(C\) bzw. \(F\) an \(BE\). Durch Spiegelung der gleichseitigen Dreiecke \(BCD\) und \(EFA\) erkennen wir, dass \(ABP\) und \(DEQ\) gleichseitig sind. Außerdem gilt \[ PQ=CF. \]
Wir drehen um \(A\) um einen Winkel vom Betrag \(\pi/3\) in der Richtung, die \(B\) auf \(P\) abbildet, und bezeichnen das Bild von \(G\) mit \(G_1\). Die Drehung erhält die Abstände, also gilt \[ PG_1=BG. \] Außerdem gelten \(AG=AG_1\) und \(\angle GAG_1=\pi/3\); daher ist das Dreieck \(AGG_1\) gleichseitig, und es folgt \[ G_1G=AG. \]
Entsprechend drehen wir um \(D\) um einen Winkel vom Betrag \(\pi/3\) in der Richtung, die \(E\) auf \(Q\) abbildet, und bezeichnen das Bild von \(H\) mit \(H_1\). Dann gilt \[ H_1Q=HE,\qquad HH_1=DH. \]
Die Dreiecksungleichung entlang des Streckenzugs \(P,G_1,G,H,H_1,Q\) ergibt nun \[ \begin{aligned} CF=PQ &\le PG_1+G_1G+GH+HH_1+H_1Q\\ &=GB+AG+GH+DH+HE, \end{aligned} \] wie behauptet. Dieser Beweis bleibt gültig, wenn Zwischenpunkte zusammenfallen, insbesondere auch für \(G=H\).
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1995 · Soru 5
\(ABCDEF\), \(AB = BC = CD\) ve \(DE = EF = FA\) eşitliklerini ve \(\angle BCD = \angle EFA = \pi/3\) koşulunu sağlayan bir dışbükey altıgen olsun. \(G\) ve \(H\), altıgenin iç bölgesinde bulunan ve \(\angle AGB = \angle DHE = 2\pi/3\) koşulunu sağlayan noktalar olsun. \(AG + GB + GH + DH + HE \ge CF\) olduğunu kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(BC=CD\) ve \(\angle BCD=\pi/3\) olduğundan \(BCD\) üçgeni eşkenardır. Benzer şekilde, \(EFA\) üçgeni de eşkenardır. Dolayısıyla, \[ AB=BD,\qquad EA=ED. \] Böylece hem \(B\) hem de \(E\), \(AD\)'nin orta dikmesi üzerinde bulunur; dolayısıyla \(BE\)'ye göre yansıma \(A\) ile \(D\)'yi birbirine götürür.
\(P\) ve \(Q\), sırasıyla \(C\) ve \(F\)'nin \(BE\)'ye göre yansımaları olsun. \(BCD\) ve \(EFA\) eşkenar üçgenlerini yansıtarak \(ABP\) ve \(DEQ\)'nun eşkenar olduğunu görürüz. Ayrıca, \[ PQ=CF. \]
\(A\) merkezi etrafında, \(B\)'yi \(P\)'ye götüren yönde \(\pi/3\) büyüklüğünde bir açıyla döndürme yapalım ve \(G\)'nin görüntüsü \(G_1\) olsun. Döndürme uzaklıkları koruduğundan \[ PG_1=BG. \] Ayrıca, \(AG=AG_1\) ve \(\angle GAG_1=\pi/3\)'tür; dolayısıyla \(AGG_1\) üçgeni eşkenardır ve \[ G_1G=AG \] elde edilir.
Benzer şekilde, \(D\) merkezi etrafında, \(E\)'yi \(Q\)'ya götüren \(\pi/3\) büyüklüğünde bir açıyla döndürme yapalım ve \(H\)'nin görüntüsü \(H_1\) olsun. Bu durumda \[ H_1Q=HE,\qquad HH_1=DH. \]
Şimdi \(P,G_1,G,H,H_1,Q\) kırık çizgisi boyunca üçgen eşitsizliğini uygulayarak \[ \begin{aligned} CF=PQ &\le PG_1+G_1G+GH+HH_1+H_1Q\\ &=GB+AG+GH+DH+HE, \end{aligned} \] elde ederiz; bu da istenen sonuçtur. Bu akıl yürütme, \(G=H\) dâhil olmak üzere ara noktaların çakışması durumunda da geçerlidir.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1995 · Problema 5
Sea \(ABCDEF\) un hexágono convexo con \(AB = BC = CD\) y \(DE = EF = FA\), tal que \(\angle BCD = \angle EFA = \pi/3\). Suponga que \(G\) y \(H\) son puntos del interior del hexágono tales que \(\angle AGB = \angle DHE = 2\pi/3\). Demuestre que \(AG + GB + GH + DH + HE \ge CF\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Como \(BC=CD\) y \(\angle BCD=\pi/3\), el triángulo \(BCD\) es equilátero. Análogamente, el triángulo \(EFA\) es equilátero. Por consiguiente, \[ AB=BD,\qquad EA=ED. \] Así, tanto \(B\) como \(E\) pertenecen a la mediatriz de \(AD\), por lo que la reflexión respecto de \(BE\) intercambia \(A\) y \(D\).
Sean \(P\) y \(Q\) los simétricos de \(C\) y \(F\), respectivamente, respecto de \(BE\). Al reflejar los triángulos equiláteros \(BCD\) y \(EFA\), vemos que \(ABP\) y \(DEQ\) son equiláteros. Además, \[ PQ=CF. \]
Aplicamos un giro de centro \(A\) y ángulo de magnitud \(\pi/3\), en el sentido que lleva \(B\) a \(P\), y sea \(G_1\) la imagen de \(G\). El giro conserva las distancias, por lo que \[ PG_1=BG. \] Además, \(AG=AG_1\) y \(\angle GAG_1=\pi/3\); por tanto, el triángulo \(AGG_1\) es equilátero, de donde \[ G_1G=AG. \]
Análogamente, aplicamos un giro de centro \(D\) y ángulo de magnitud \(\pi/3\) que lleva \(E\) a \(Q\), y sea \(H_1\) la imagen de \(H\). Entonces \[ H_1Q=HE,\qquad HH_1=DH. \]
La desigualdad triangular aplicada a la línea poligonal \(P,G_1,G,H,H_1,Q\) da ahora \[ \begin{aligned} CF=PQ &\le PG_1+G_1G+GH+HH_1+H_1Q\\ &=GB+AG+GH+DH+HE, \end{aligned} \] como se quería demostrar. Este argumento sigue siendo válido si coinciden algunos puntos intermedios, incluido el caso \(G=H\).
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1995 · 问题 5
设 \(ABCDEF\) 是一个凸六边形,满足 \(AB = BC = CD\)、\(DE = EF = FA\),且 \(\angle BCD = \angle EFA = \pi/3\)。设 \(G\) 和 \(H\) 是六边形内部的点,满足 \(\angle AGB = \angle DHE = 2\pi/3\)。证明:\(AG + GB + GH + DH + HE \ge CF\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
由于 \(BC=CD\) 且 \(\angle BCD=\pi/3\),三角形 \(BCD\) 是等边三角形。同理,三角形 \(EFA\) 也是等边三角形。因此, \[ AB=BD,\qquad EA=ED. \] 于是,\(B\) 和 \(E\) 都在 \(AD\) 的垂直平分线上,所以关于 \(BE\) 的轴对称变换将 \(A\) 与 \(D\) 互换。
设 \(P\) 和 \(Q\) 分别是 \(C\) 和 \(F\) 关于 \(BE\) 的对称点。将等边三角形 \(BCD\) 和 \(EFA\) 关于 \(BE\) 作轴对称,可知 \(ABP\) 和 \(DEQ\) 都是等边三角形。此外, \[ PQ=CF. \]
以 \(A\) 为中心,沿将 \(B\) 转到 \(P\) 的方向旋转大小为 \(\pi/3\) 的角,设 \(G\) 的像为 \(G_1\)。旋转保持距离不变,所以 \[ PG_1=BG. \] 又有 \(AG=AG_1\) 且 \(\angle GAG_1=\pi/3\),因此三角形 \(AGG_1\) 是等边三角形,从而 \[ G_1G=AG. \]
同理,以 \(D\) 为中心,旋转大小为 \(\pi/3\) 的角,将 \(E\) 转到 \(Q\),设 \(H\) 的像为 \(H_1\)。则 \[ H_1Q=HE,\qquad HH_1=DH. \]
沿折线路径 \(P,G_1,G,H,H_1,Q\) 应用三角不等式,得 \[ \begin{aligned} CF=PQ &\le PG_1+G_1G+GH+HH_1+H_1Q\\ &=GB+AG+GH+DH+HE, \end{aligned} \] 即为所证。即使中间的点有重合,包括 \(G=H\) 的情形,上述论证仍然成立。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1995 · Задача 5
Пусть \(ABCDEF\) — выпуклый шестиугольник, в котором \(AB = BC = CD\) и \(DE = EF = FA\), причём \(\angle BCD = \angle EFA = \pi/3\). Пусть \(G\) и \(H\) — точки внутри шестиугольника, для которых \(\angle AGB = \angle DHE = 2\pi/3\). Докажите, что \(AG + GB + GH + DH + HE \ge CF\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Поскольку \(BC=CD\) и \(\angle BCD=\pi/3\), треугольник \(BCD\) равносторонний. Аналогично, треугольник \(EFA\) равносторонний. Следовательно, \[ AB=BD,\qquad EA=ED. \] Таким образом, обе точки \(B\) и \(E\) лежат на серединном перпендикуляре к \(AD\), поэтому симметрия относительно \(BE\) меняет местами \(A\) и \(D\).
Пусть \(P\) и \(Q\) — точки, симметричные \(C\) и \(F\) соответственно относительно \(BE\). Отражая равносторонние треугольники \(BCD\) и \(EFA\), видим, что \(ABP\) и \(DEQ\) — равносторонние треугольники. Кроме того, \[ PQ=CF. \]
Выполним поворот вокруг \(A\) на угол величины \(\pi/3\) в направлении, при котором \(B\) переходит в \(P\), и обозначим образ \(G\) через \(G_1\). Поворот сохраняет расстояния, поэтому \[ PG_1=BG. \] Кроме того, \(AG=AG_1\) и \(\angle GAG_1=\pi/3\); следовательно, треугольник \(AGG_1\) равносторонний, откуда \[ G_1G=AG. \]
Аналогично выполним поворот вокруг \(D\) на угол величины \(\pi/3\), переводящий \(E\) в \(Q\), и обозначим образ \(H\) через \(H_1\). Тогда \[ H_1Q=HE,\qquad HH_1=DH. \]
Применяя неравенство треугольника к ломаной \(P,G_1,G,H,H_1,Q\), получаем \[ \begin{aligned} CF=PQ &\le PG_1+G_1G+GH+HH_1+H_1Q\\ &=GB+AG+GH+DH+HE, \end{aligned} \] что и требовалось доказать. Это рассуждение остаётся верным и при совпадении промежуточных точек, в том числе при \(G=H\).
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1995 · المسألة 5
ليكن \(ABCDEF\) سداسيًا محدبًا يحقق \(AB = BC = CD\) و\(DE = EF = FA\)، بحيث \(\angle BCD = \angle EFA = \pi/3\). افترض أن \(G\) و\(H\) نقطتان داخل السداسي بحيث \(\angle AGB = \angle DHE = 2\pi/3\). أثبت أن \(AG + GB + GH + DH + HE \ge CF\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
بما أن \(BC=CD\) و\(\angle BCD=\pi/3\)، فإن المثلث \(BCD\) متساوي الأضلاع. وبالمثل، فإن المثلث \(EFA\) متساوي الأضلاع. وبالتالي، \[ AB=BD,\qquad EA=ED. \] ومن ثم تقع كل من \(B\) و\(E\) على العمود المنصف للقطعة \(AD\)، ولذلك فإن الانعكاس حول \(BE\) يبادل بين \(A\) و\(D\).
لتكن \(P\) و\(Q\) صورتي \(C\) و\(F\)، على الترتيب، بالانعكاس حول \(BE\). بعكس المثلثين المتساويي الأضلاع \(BCD\) و\(EFA\)، نرى أن \(ABP\) و\(DEQ\) متساويا الأضلاع. كذلك، \[ PQ=CF. \]
نجري دورانًا مركزه \(A\) بزاوية مقدارها \(\pi/3\)، في الاتجاه الذي ينقل \(B\) إلى \(P\)، ولتكن \(G_1\) صورة \(G\). يحفظ الدوران المسافات، ولذلك \[ PG_1=BG. \] علاوة على ذلك، فإن \(AG=AG_1\) و\(\angle GAG_1=\pi/3\)؛ ومن ثم يكون المثلث \(AGG_1\) متساوي الأضلاع، مما يعطي \[ G_1G=AG. \]
وبالمثل، نجري دورانًا مركزه \(D\) بزاوية مقدارها \(\pi/3\) ينقل \(E\) إلى \(Q\)، ولتكن \(H_1\) صورة \(H\). عندئذ \[ H_1Q=HE,\qquad HH_1=DH. \]
تعطي متباينة المثلث على امتداد الخط المنكسر \(P,G_1,G,H,H_1,Q\) الآن \[ \begin{aligned} CF=PQ &\le PG_1+G_1G+GH+HH_1+H_1Q\\ &=GB+AG+GH+DH+HE, \end{aligned} \] كما هو مطلوب. ويظل هذا البرهان صحيحًا إذا تطابقت نقاط وسيطة، بما في ذلك \(G=H\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).