IMO 1996 · Problem 5
Let \(ABCDEF\) be a convex hexagon such that \(AB\) is parallel to \(DE\), \(BC\) is parallel to \(EF\), and \(CD\) is parallel to \(FA\). Let \(R_A,R_C,R_E\) denote the circumradii of triangles \(FAB,BCD,DEF\), respectively, and let \(P\) denote the perimeter of the hexagon. Prove that \[ R_A+R_C+R_E\ge \frac{P}{2}. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Write \[ a=AB,\quad b=BC,\quad c=CD,\quad d=DE,\quad e=EF,\quad f=FA. \] Orient the boundary counterclockwise. Convexity and the parallelisms imply that the successive directed sides have directions \[ 0,\quad \alpha,\quad \alpha+\beta,\quad \pi,\quad \pi+\alpha,\quad \pi+\alpha+\beta, \] where \[ \alpha>0,\qquad \beta>0,\qquad \gamma:=\pi-\alpha-\beta>0. \] Indeed, opposite parallel sides have opposite directions. The exterior angles therefore repeat in opposite pairs. These angles are positive because the triangles whose circumradii occur are nondegenerate.
Put \[ x=\sin\alpha,\qquad y=\sin\beta,\qquad z=\sin\gamma, \] so \(x,y,z>0\).
First, projecting \(FB\), \(BD\), and \(DF\) onto lines perpendicular to \(BC\), \(AB\), and \(CD\), respectively, gives \[ FB\ge ax+fy,\qquad BD\ge bx+cz,\qquad DF\ge dz+ey. \] For example, \(\overrightarrow{FB}=\overrightarrow{FA}+\overrightarrow{AB}\), and its two summands have components \(fy\) and \(ax\) in the same direction perpendicular to \(BC\).
The interior angles at \(A,C,E\) are respectively \(\pi-\gamma,\pi-\beta,\pi-\alpha\). Hence the extended sine rule yields \[ 2(R_A+R_C+R_E) =\frac{FB}{z}+\frac{BD}{y}+\frac{DF}{x} \ge S, \] where \[ S:=\frac{ax+fy}{z}+\frac{bx+cz}{y}+\frac{dz+ey}{x}. \] We will prove \(S\ge P\).
Let \(\mathbf u,\mathbf v,\mathbf w\) be unit vectors in the directions of \(AB,BC,CD\). Closure of the hexagon gives \[ (a-d)\mathbf u+(b-e)\mathbf v+(c-f)\mathbf w=\mathbf0. \] Taking components perpendicular to \(\mathbf u\) and \(\mathbf v\), respectively, gives \[ (b-e)x+(c-f)z=0,\qquad -(a-d)x+(c-f)y=0. \] Consequently, for some real number \(t\), \[ a-d=ty,\qquad e-b=tz,\qquad c-f=tx. \tag{1} \]
Set \[ a_0=\min(a,d),\qquad b_0=\min(b,e),\qquad c_0=\min(c,f),\qquad h=|t|. \] Equation (1) implies \[ P=2(a_0+b_0+c_0)+h(x+y+z). \tag{2} \] Also, regrouping the terms of \(S\) by opposite sides gives \[ S=a\frac{x}{z}+d\frac{z}{x} +b\frac{x}{y}+e\frac{y}{x} +c\frac{z}{y}+f\frac{y}{z}. \] If \(t\ge0\), the excesses over the three minima occur in \(a,e,c\); if \(t\le0\), they occur in \(d,b,f\). In either case, substitution from (1) gives \[ \begin{aligned} S={}&a_0\left(\frac{x}{z}+\frac{z}{x}\right) +b_0\left(\frac{x}{y}+\frac{y}{x}\right) +c_0\left(\frac{z}{y}+\frac{y}{z}\right)\\ &+h\left(\frac{xy}{z}+\frac{yz}{x}+\frac{zx}{y}\right). \end{aligned} \] Each parenthesis on the first line is at least \(2\). Moreover, \[ \frac{xy}{z}+\frac{yz}{x}+\frac{zx}{y}-(x+y+z) = \frac{(xy-yz)^2+(yz-zx)^2+(zx-xy)^2}{2xyz} \ge0. \] Together with (2), these inequalities show that \(S\ge P\). Therefore \[ \boxed{R_A+R_C+R_E\ge\frac{P}{2}}. \]
Equality is attained for a regular hexagon.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1996 · Aufgabe 5
Sei \(ABCDEF\) ein konvexes Sechseck, in dem \(AB\) parallel zu \(DE\), \(BC\) parallel zu \(EF\) und \(CD\) parallel zu \(FA\) ist. Seien \(R_A,R_C,R_E\) die Umkreisradien der Dreiecke \(FAB,BCD,DEF\) in dieser Reihenfolge, und sei \(P\) der Umfang des Sechsecks. Beweise, dass \[ R_A+R_C+R_E\ge \frac{P}{2}. \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir schreiben \[ a=AB,\quad b=BC,\quad c=CD,\quad d=DE,\quad e=EF,\quad f=FA. \] Wir orientieren den Rand gegen den Uhrzeigersinn. Aus der Konvexität und den Parallelitäten folgt, dass die aufeinanderfolgenden gerichteten Seiten die Richtungswinkel \[ 0,\quad \alpha,\quad \alpha+\beta,\quad \pi,\quad \pi+\alpha,\quad \pi+\alpha+\beta, \] haben, wobei \[ \alpha>0,\qquad \beta>0,\qquad \gamma:=\pi-\alpha-\beta>0. \] Gegenüberliegende parallele Seiten sind nämlich entgegengesetzt gerichtet. Die Außenwinkel sind daher an gegenüberliegenden Ecken paarweise gleich. Diese Winkel sind positiv, da die Dreiecke, deren Umkreisradien vorkommen, nicht entartet sind.
Wir setzen \[ x=\sin\alpha,\qquad y=\sin\beta,\qquad z=\sin\gamma, \] also gilt \(x,y,z>0\).
Zunächst ergibt die Projektion von \(FB\), \(BD\) und \(DF\) auf Geraden, die senkrecht zu \(BC\), \(AB\) bzw. \(CD\) sind, \[ FB\ge ax+fy,\qquad BD\ge bx+cz,\qquad DF\ge dz+ey. \] Zum Beispiel gilt \(\overrightarrow{FB}=\overrightarrow{FA}+\overrightarrow{AB}\), und die beiden Summanden haben senkrecht zu \(BC\) die gleichgerichteten Komponenten \(fy\) und \(ax\).
Die Innenwinkel bei \(A,C,E\) sind der Reihe nach \(\pi-\gamma,\pi-\beta,\pi-\alpha\). Daher liefert der erweiterte Sinussatz \[ 2(R_A+R_C+R_E) =\frac{FB}{z}+\frac{BD}{y}+\frac{DF}{x} \ge S, \] wobei \[ S:=\frac{ax+fy}{z}+\frac{bx+cz}{y}+\frac{dz+ey}{x}. \] Wir beweisen \(S\ge P\).
Seien \(\mathbf u,\mathbf v,\mathbf w\) Einheitsvektoren in den Richtungen von \(AB,BC,CD\). Da das Sechseck geschlossen ist, gilt \[ (a-d)\mathbf u+(b-e)\mathbf v+(c-f)\mathbf w=\mathbf0. \] Die Betrachtung der Komponenten senkrecht zu \(\mathbf u\) bzw. \(\mathbf v\) ergibt \[ (b-e)x+(c-f)z=0,\qquad -(a-d)x+(c-f)y=0. \] Folglich gilt für eine reelle Zahl \(t\) \[ a-d=ty,\qquad e-b=tz,\qquad c-f=tx. \tag{1} \]
Wir setzen \[ a_0=\min(a,d),\qquad b_0=\min(b,e),\qquad c_0=\min(c,f),\qquad h=|t|. \] Aus Gleichung (1) folgt \[ P=2(a_0+b_0+c_0)+h(x+y+z). \tag{2} \] Außerdem ergibt das Zusammenfassen der Terme von \(S\) nach gegenüberliegenden Seiten \[ S=a\frac{x}{z}+d\frac{z}{x} +b\frac{x}{y}+e\frac{y}{x} +c\frac{z}{y}+f\frac{y}{z}. \] Für \(t\ge0\) treten die Überschüsse über die drei Minima bei \(a,e,c\) auf; für \(t\le0\) treten sie bei \(d,b,f\) auf. In beiden Fällen liefert das Einsetzen aus (1) \[ \begin{aligned} S={}&a_0\left(\frac{x}{z}+\frac{z}{x}\right) +b_0\left(\frac{x}{y}+\frac{y}{x}\right) +c_0\left(\frac{z}{y}+\frac{y}{z}\right)\\ &+h\left(\frac{xy}{z}+\frac{yz}{x}+\frac{zx}{y}\right). \end{aligned} \] Jeder Klammerausdruck in der ersten Zeile ist mindestens \(2\). Darüber hinaus gilt \[ \frac{xy}{z}+\frac{yz}{x}+\frac{zx}{y}-(x+y+z) = \frac{(xy-yz)^2+(yz-zx)^2+(zx-xy)^2}{2xyz} \ge0. \] Zusammen mit (2) zeigen diese Ungleichungen, dass \(S\ge P\) gilt. Daher ist \[ \boxed{R_A+R_C+R_E\ge\frac{P}{2}}. \]
Gleichheit wird bei einem regelmäßigen Sechseck erreicht.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1996 · Soru 5
\(ABCDEF\), \(AB\) kenarı \(DE\) kenarına, \(BC\) kenarı \(EF\) kenarına ve \(CD\) kenarı \(FA\) kenarına paralel olan bir dışbükey altıgen olsun. \(R_A,R_C,R_E\), sırasıyla \(FAB,BCD,DEF\) üçgenlerinin çevrel çemberlerinin yarıçaplarını, \(P\) ise altıgenin çevresini göstersin. \[ R_A+R_C+R_E\ge \frac{P}{2} \] olduğunu kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Şu tanımları yapalım: \[ a=AB,\quad b=BC,\quad c=CD,\quad d=DE,\quad e=EF,\quad f=FA. \] Altıgenin sınırını saat yönünün tersine yönlendirelim. Dışbükeylik ve paralellikler, ardışık yönlü kenarların doğrultu açılarının \[ 0,\quad \alpha,\quad \alpha+\beta,\quad \pi,\quad \pi+\alpha,\quad \pi+\alpha+\beta, \] olmasını gerektirir; burada \[ \alpha>0,\qquad \beta>0,\qquad \gamma:=\pi-\alpha-\beta>0. \] Gerçekten de karşılıklı paralel kenarlar zıt yönlüdür. Dolayısıyla dış açılar karşılıklı çiftler hâlinde tekrarlanır. Çevrel çember yarıçapları kullanılan üçgenler dejenere olmadığından bu açılar pozitiftir.
Şöyle tanımlayalım: \[ x=\sin\alpha,\qquad y=\sin\beta,\qquad z=\sin\gamma, \] böylece \(x,y,z>0\) olur.
Önce \(FB\), \(BD\) ve \(DF\) doğru parçalarının sırasıyla \(BC\), \(AB\) ve \(CD\) kenarlarına dik doğrular üzerindeki izdüşümlerini alarak \[ FB\ge ax+fy,\qquad BD\ge bx+cz,\qquad DF\ge dz+ey \] elde ederiz. Örneğin, \(\overrightarrow{FB}=\overrightarrow{FA}+\overrightarrow{AB}\) olup sağdaki iki vektörün \(BC\) kenarına dik aynı yöndeki bileşenleri \(fy\) ve \(ax\) olur.
\(A,C,E\) köşelerindeki iç açılar sırasıyla \(\pi-\gamma,\pi-\beta,\pi-\alpha\) olur. Dolayısıyla genişletilmiş sinüs teoremi \[ 2(R_A+R_C+R_E) =\frac{FB}{z}+\frac{BD}{y}+\frac{DF}{x} \ge S, \] sonucunu verir; burada \[ S:=\frac{ax+fy}{z}+\frac{bx+cz}{y}+\frac{dz+ey}{x}. \] \(S\ge P\) olduğunu kanıtlayacağız.
\(\mathbf u,\mathbf v,\mathbf w\), \(AB,BC,CD\) kenarları yönündeki birim vektörler olsun. Altıgenin kapalı olması \[ (a-d)\mathbf u+(b-e)\mathbf v+(c-f)\mathbf w=\mathbf0 \] eşitliğini verir. Sırasıyla \(\mathbf u\) ve \(\mathbf v\) vektörlerine dik bileşenleri alarak \[ (b-e)x+(c-f)z=0,\qquad -(a-d)x+(c-f)y=0 \] elde ederiz. Sonuç olarak, bir \(t\) gerçel sayısı için \[ a-d=ty,\qquad e-b=tz,\qquad c-f=tx \tag{1} \] olur.
Şöyle tanımlayalım: \[ a_0=\min(a,d),\qquad b_0=\min(b,e),\qquad c_0=\min(c,f),\qquad h=|t|. \] (1) eşitliğinden \[ P=2(a_0+b_0+c_0)+h(x+y+z) \tag{2} \] elde edilir. Ayrıca, \(S\) ifadesinin terimlerini karşılıklı kenarlara göre yeniden gruplayarak \[ S=a\frac{x}{z}+d\frac{z}{x} +b\frac{x}{y}+e\frac{y}{x} +c\frac{z}{y}+f\frac{y}{z} \] buluruz. \(t\ge0\) ise bu üç minimumu aşan miktarlar \(a,e,c\) kenarlarında, \(t\le0\) ise \(d,b,f\) kenarlarında ortaya çıkar. Her iki durumda da (1) eşitliğinden yerine koyarak \[ \begin{aligned} S={}&a_0\left(\frac{x}{z}+\frac{z}{x}\right) +b_0\left(\frac{x}{y}+\frac{y}{x}\right) +c_0\left(\frac{z}{y}+\frac{y}{z}\right)\\ &+h\left(\frac{xy}{z}+\frac{yz}{x}+\frac{zx}{y}\right) \end{aligned} \] elde ederiz. İlk satırdaki her bir parantezin içindeki ifade en az \(2\) olur. Ayrıca, \[ \frac{xy}{z}+\frac{yz}{x}+\frac{zx}{y}-(x+y+z) = \frac{(xy-yz)^2+(yz-zx)^2+(zx-xy)^2}{2xyz} \ge0. \] Bu eşitsizlikler, (2) ile birlikte \(S\ge P\) olduğunu gösterir. Dolayısıyla \[ \boxed{R_A+R_C+R_E\ge\frac{P}{2}}. \]
Eşitlik, düzgün altıgen için sağlanır.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1996 · Problema 5
Sea \(ABCDEF\) un hexágono convexo tal que \(AB\) es paralelo a \(DE\), \(BC\) es paralelo a \(EF\), y \(CD\) es paralelo a \(FA\). Sean \(R_A,R_C,R_E\) los radios de las circunferencias circunscritas a los triángulos \(FAB,BCD,DEF\), respectivamente, y sea \(P\) el perímetro del hexágono. Demostrar que \[ R_A+R_C+R_E\ge \frac{P}{2}. \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Escribimos \[ a=AB,\quad b=BC,\quad c=CD,\quad d=DE,\quad e=EF,\quad f=FA. \] Orientamos el contorno en sentido antihorario. La convexidad y los paralelismos implican que los lados orientados sucesivos tienen direcciones \[ 0,\quad \alpha,\quad \alpha+\beta,\quad \pi,\quad \pi+\alpha,\quad \pi+\alpha+\beta, \] donde \[ \alpha>0,\qquad \beta>0,\qquad \gamma:=\pi-\alpha-\beta>0. \] En efecto, los lados opuestos paralelos tienen sentidos opuestos. Por tanto, los ángulos exteriores se repiten en pares opuestos. Estos ángulos son positivos porque los triángulos cuyos radios de las circunferencias circunscritas aparecen en el enunciado no son degenerados.
Sean \[ x=\sin\alpha,\qquad y=\sin\beta,\qquad z=\sin\gamma, \] de modo que \(x,y,z>0\).
En primer lugar, al proyectar \(FB\), \(BD\) y \(DF\) sobre rectas perpendiculares a \(BC\), \(AB\) y \(CD\), respectivamente, obtenemos \[ FB\ge ax+fy,\qquad BD\ge bx+cz,\qquad DF\ge dz+ey. \] Por ejemplo, \(\overrightarrow{FB}=\overrightarrow{FA}+\overrightarrow{AB}\), y sus dos sumandos tienen componentes \(fy\) y \(ax\) en el mismo sentido perpendicular a \(BC\).
Los ángulos interiores en \(A,C,E\) son, respectivamente, \(\pi-\gamma,\pi-\beta,\pi-\alpha\). Por tanto, el teorema del seno extendido da \[ 2(R_A+R_C+R_E) =\frac{FB}{z}+\frac{BD}{y}+\frac{DF}{x} \ge S, \] donde \[ S:=\frac{ax+fy}{z}+\frac{bx+cz}{y}+\frac{dz+ey}{x}. \] Demostraremos que \(S\ge P\).
Sean \(\mathbf u,\mathbf v,\mathbf w\) vectores unitarios en las direcciones y sentidos de \(AB,BC,CD\). El cierre del hexágono da \[ (a-d)\mathbf u+(b-e)\mathbf v+(c-f)\mathbf w=\mathbf0. \] Tomando las componentes perpendiculares a \(\mathbf u\) y a \(\mathbf v\), respectivamente, obtenemos \[ (b-e)x+(c-f)z=0,\qquad -(a-d)x+(c-f)y=0. \] Por consiguiente, para algún número real \(t\), \[ a-d=ty,\qquad e-b=tz,\qquad c-f=tx. \tag{1} \]
Definimos \[ a_0=\min(a,d),\qquad b_0=\min(b,e),\qquad c_0=\min(c,f),\qquad h=|t|. \] La ecuación (1) implica \[ P=2(a_0+b_0+c_0)+h(x+y+z). \tag{2} \] Además, al reagrupar los términos de \(S\) por lados opuestos, obtenemos \[ S=a\frac{x}{z}+d\frac{z}{x} +b\frac{x}{y}+e\frac{y}{x} +c\frac{z}{y}+f\frac{y}{z}. \] Si \(t\ge0\), los excesos sobre los tres mínimos se dan en \(a,e,c\); si \(t\le0\), se dan en \(d,b,f\). En ambos casos, al sustituir a partir de (1), obtenemos \[ \begin{aligned} S={}&a_0\left(\frac{x}{z}+\frac{z}{x}\right) +b_0\left(\frac{x}{y}+\frac{y}{x}\right) +c_0\left(\frac{z}{y}+\frac{y}{z}\right)\\ &+h\left(\frac{xy}{z}+\frac{yz}{x}+\frac{zx}{y}\right). \end{aligned} \] Cada expresión entre paréntesis de la primera línea es al menos \(2\). Además, \[ \frac{xy}{z}+\frac{yz}{x}+\frac{zx}{y}-(x+y+z) = \frac{(xy-yz)^2+(yz-zx)^2+(zx-xy)^2}{2xyz} \ge0. \] Junto con (2), estas desigualdades muestran que \(S\ge P\). Por tanto, \[ \boxed{R_A+R_C+R_E\ge\frac{P}{2}}. \]
La igualdad se alcanza para un hexágono regular.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1996 · 问题 5
设 \(ABCDEF\) 是一个凸六边形,满足 \(AB\) 平行于 \(DE\),\(BC\) 平行于 \(EF\),且 \(CD\) 平行于 \(FA\)。用 \(R_A,R_C,R_E\) 分别表示三角形 \(FAB,BCD,DEF\) 的外接圆半径,用 \(P\) 表示该六边形的周长。证明: \[ R_A+R_C+R_E\ge \frac{P}{2}. \]
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
记 \[ a=AB,\quad b=BC,\quad c=CD,\quad d=DE,\quad e=EF,\quad f=FA. \] 沿逆时针方向给边界定向。由凸性和平行条件可知,依次各条有向边的方向角为 \[ 0,\quad \alpha,\quad \alpha+\beta,\quad \pi,\quad \pi+\alpha,\quad \pi+\alpha+\beta, \] 其中 \[ \alpha>0,\qquad \beta>0,\qquad \gamma:=\pi-\alpha-\beta>0. \] 事实上,相互平行的对边方向相反。因此,相对顶点处的外角两两相等。这些角都为正,因为题目中涉及外接圆半径的三角形都是非退化的。
令 \[ x=\sin\alpha,\qquad y=\sin\beta,\qquad z=\sin\gamma, \] 于是 \(x,y,z>0\)。
首先,将 \(FB\)、\(BD\) 和 \(DF\) 分别投影到垂直于 \(BC\)、\(AB\) 和 \(CD\) 的直线上,得到 \[ FB\ge ax+fy,\qquad BD\ge bx+cz,\qquad DF\ge dz+ey. \] 例如,\(\overrightarrow{FB}=\overrightarrow{FA}+\overrightarrow{AB}\),且右边的两个向量在垂直于 \(BC\) 的同一方向上的分量分别为 \(fy\) 和 \(ax\)。
\(A,C,E\) 处的内角分别为 \(\pi-\gamma,\pi-\beta,\pi-\alpha\)。因此,由扩展正弦定理可得 \[ 2(R_A+R_C+R_E) =\frac{FB}{z}+\frac{BD}{y}+\frac{DF}{x} \ge S, \] 其中 \[ S:=\frac{ax+fy}{z}+\frac{bx+cz}{y}+\frac{dz+ey}{x}. \] 我们将证明 \(S\ge P\)。
设 \(\mathbf u,\mathbf v,\mathbf w\) 分别为沿 \(AB,BC,CD\) 方向的单位向量。由六边形的封闭性可得 \[ (a-d)\mathbf u+(b-e)\mathbf v+(c-f)\mathbf w=\mathbf0. \] 分别取垂直于 \(\mathbf u\) 和 \(\mathbf v\) 的分量,得到 \[ (b-e)x+(c-f)z=0,\qquad -(a-d)x+(c-f)y=0. \] 因此,存在某个实数 \(t\),使得 \[ a-d=ty,\qquad e-b=tz,\qquad c-f=tx. \tag{1} \]
令 \[ a_0=\min(a,d),\qquad b_0=\min(b,e),\qquad c_0=\min(c,f),\qquad h=|t|. \] 由 (1) 可得 \[ P=2(a_0+b_0+c_0)+h(x+y+z). \tag{2} \] 此外,将 \(S\) 的各项按对边重新分组,得到 \[ S=a\frac{x}{z}+d\frac{z}{x} +b\frac{x}{y}+e\frac{y}{x} +c\frac{z}{y}+f\frac{y}{z}. \] 若 \(t\ge0\),则超出三个最小值的部分出现在 \(a,e,c\) 中;若 \(t\le0\),则出现在 \(d,b,f\) 中。在这两种情况下,利用 (1) 代入均得 \[ \begin{aligned} S={}&a_0\left(\frac{x}{z}+\frac{z}{x}\right) +b_0\left(\frac{x}{y}+\frac{y}{x}\right) +c_0\left(\frac{z}{y}+\frac{y}{z}\right)\\ &+h\left(\frac{xy}{z}+\frac{yz}{x}+\frac{zx}{y}\right). \end{aligned} \] 第一行中每个括号内的式子都不小于 \(2\)。此外, \[ \frac{xy}{z}+\frac{yz}{x}+\frac{zx}{y}-(x+y+z) = \frac{(xy-yz)^2+(yz-zx)^2+(zx-xy)^2}{2xyz} \ge0. \] 结合 (2),这些不等式表明 \(S\ge P\)。因此 \[ \boxed{R_A+R_C+R_E\ge\frac{P}{2}}. \]
当六边形为正六边形时,等号成立。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1996 · Задача 5
Пусть \(ABCDEF\) — выпуклый шестиугольник, в котором \(AB\) параллельна \(DE\), \(BC\) параллельна \(EF\), а \(CD\) параллельна \(FA\). Пусть \(R_A,R_C,R_E\) — радиусы описанных окружностей треугольников \(FAB,BCD,DEF\) соответственно, а \(P\) — периметр шестиугольника. Докажите, что \[ R_A+R_C+R_E\ge \frac{P}{2}. \]
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Обозначим \[ a=AB,\quad b=BC,\quad c=CD,\quad d=DE,\quad e=EF,\quad f=FA. \] Ориентируем границу против часовой стрелки. Из выпуклости и условий параллельности следует, что последовательные ориентированные стороны имеют направления \[ 0,\quad \alpha,\quad \alpha+\beta,\quad \pi,\quad \pi+\alpha,\quad \pi+\alpha+\beta, \] где \[ \alpha>0,\qquad \beta>0,\qquad \gamma:=\pi-\alpha-\beta>0. \] Действительно, противоположные параллельные стороны имеют противоположные направления. Поэтому внешние углы при противоположных вершинах попарно равны. Эти углы положительны, поскольку треугольники, радиусы описанных окружностей которых рассматриваются, невырождены.
Положим \[ x=\sin\alpha,\qquad y=\sin\beta,\qquad z=\sin\gamma, \] так что \(x,y,z>0\).
Сначала, проектируя \(FB\), \(BD\) и \(DF\) на прямые, перпендикулярные соответственно \(BC\), \(AB\) и \(CD\), получаем \[ FB\ge ax+fy,\qquad BD\ge bx+cz,\qquad DF\ge dz+ey. \] Например, \(\overrightarrow{FB}=\overrightarrow{FA}+\overrightarrow{AB}\), и проекции двух слагаемых на прямую, перпендикулярную \(BC\), направлены в одну сторону и имеют длины \(fy\) и \(ax\).
Внутренние углы при вершинах \(A,C,E\) равны соответственно \(\pi-\gamma,\pi-\beta,\pi-\alpha\). Поэтому по расширенной теореме синусов \[ 2(R_A+R_C+R_E) =\frac{FB}{z}+\frac{BD}{y}+\frac{DF}{x} \ge S, \] где \[ S:=\frac{ax+fy}{z}+\frac{bx+cz}{y}+\frac{dz+ey}{x}. \] Докажем, что \(S\ge P\).
Пусть \(\mathbf u,\mathbf v,\mathbf w\) — единичные векторы в направлениях \(AB,BC,CD\). Из замкнутости шестиугольника следует \[ (a-d)\mathbf u+(b-e)\mathbf v+(c-f)\mathbf w=\mathbf0. \] Проектируя на направления, перпендикулярные соответственно \(\mathbf u\) и \(\mathbf v\), получаем \[ (b-e)x+(c-f)z=0,\qquad -(a-d)x+(c-f)y=0. \] Следовательно, для некоторого действительного числа \(t\) \[ a-d=ty,\qquad e-b=tz,\qquad c-f=tx. \tag{1} \]
Положим \[ a_0=\min(a,d),\qquad b_0=\min(b,e),\qquad c_0=\min(c,f),\qquad h=|t|. \] Из равенств (1) следует \[ P=2(a_0+b_0+c_0)+h(x+y+z). \tag{2} \] Кроме того, группируя слагаемые в \(S\) по противоположным сторонам, получаем \[ S=a\frac{x}{z}+d\frac{z}{x} +b\frac{x}{y}+e\frac{y}{x} +c\frac{z}{y}+f\frac{y}{z}. \] Если \(t\ge0\), то превышения над тремя минимумами приходятся на \(a,e,c\); если \(t\le0\), то на \(d,b,f\). В обоих случаях подстановка из (1) даёт \[ \begin{aligned} S={}&a_0\left(\frac{x}{z}+\frac{z}{x}\right) +b_0\left(\frac{x}{y}+\frac{y}{x}\right) +c_0\left(\frac{z}{y}+\frac{y}{z}\right)\\ &+h\left(\frac{xy}{z}+\frac{yz}{x}+\frac{zx}{y}\right). \end{aligned} \] Каждое выражение в скобках в первой строке не меньше \(2\). Кроме того, \[ \frac{xy}{z}+\frac{yz}{x}+\frac{zx}{y}-(x+y+z) = \frac{(xy-yz)^2+(yz-zx)^2+(zx-xy)^2}{2xyz} \ge0. \] Вместе с (2) эти неравенства показывают, что \(S\ge P\). Поэтому \[ \boxed{R_A+R_C+R_E\ge\frac{P}{2}}. \]
Равенство достигается для правильного шестиугольника.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1996 · المسألة 5
ليكن \(ABCDEF\) مسدسًا محدبًا بحيث \(AB\) يوازي \(DE\)، و\(BC\) يوازي \(EF\)، و\(CD\) يوازي \(FA\). ولترمز \(R_A,R_C,R_E\) إلى أنصاف أقطار الدوائر المحيطة بالمثلثات \(FAB,BCD,DEF\)، على الترتيب، وليرمز \(P\) إلى محيط المسدس. أثبت أن \[ R_A+R_C+R_E\ge \frac{P}{2}. \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نكتب \[ a=AB,\quad b=BC,\quad c=CD,\quad d=DE,\quad e=EF,\quad f=FA. \] نوجّه حدود المسدس عكس اتجاه عقارب الساعة. ويستلزم التحدب وعلاقات التوازي أن تكون اتجاهات الأضلاع الموجّهة المتتالية \[ 0,\quad \alpha,\quad \alpha+\beta,\quad \pi,\quad \pi+\alpha,\quad \pi+\alpha+\beta, \] حيث \[ \alpha>0,\qquad \beta>0,\qquad \gamma:=\pi-\alpha-\beta>0. \] وبالفعل، فإن الأضلاع المتقابلة المتوازية لها اتجاهات متعاكسة. ولذلك تتساوى الزوايا الخارجية في أزواج متقابلة. وهذه الزوايا موجبة لأن المثلثات التي ترد أنصاف أقطار دوائرها المحيطة غير منعدمة المساحة.
نضع \[ x=\sin\alpha,\qquad y=\sin\beta,\qquad z=\sin\gamma, \] ومن ثم \(x,y,z>0\).
أولًا، بإسقاط \(FB\) و\(BD\) و\(DF\) على مستقيمات عمودية على \(BC\) و\(AB\) و\(CD\)، على الترتيب، نحصل على \[ FB\ge ax+fy,\qquad BD\ge bx+cz,\qquad DF\ge dz+ey. \] فعلى سبيل المثال، \(\overrightarrow{FB}=\overrightarrow{FA}+\overrightarrow{AB}\)، ولمتجهي المجموع مركبتان \(fy\) و\(ax\) في الاتجاه نفسه العمودي على \(BC\).
الزوايا الداخلية عند \(A,C,E\) هي على الترتيب \(\pi-\gamma,\pi-\beta,\pi-\alpha\). ومن ثم يعطي قانون الجيوب الموسّع \[ 2(R_A+R_C+R_E) =\frac{FB}{z}+\frac{BD}{y}+\frac{DF}{x} \ge S, \] حيث \[ S:=\frac{ax+fy}{z}+\frac{bx+cz}{y}+\frac{dz+ey}{x}. \] سنثبت أن \(S\ge P\).
لتكن \(\mathbf u,\mathbf v,\mathbf w\) متجهات وحدة في اتجاهات \(AB,BC,CD\). بما أن المسدس مغلق، فإن \[ (a-d)\mathbf u+(b-e)\mathbf v+(c-f)\mathbf w=\mathbf0. \] وبأخذ المركبات العمودية على \(\mathbf u\) و\(\mathbf v\)، على الترتيب، نحصل على \[ (b-e)x+(c-f)z=0,\qquad -(a-d)x+(c-f)y=0. \] وبالتالي، يوجد عدد حقيقي \(t\) بحيث \[ a-d=ty,\qquad e-b=tz,\qquad c-f=tx. \tag{1} \]
نضع \[ a_0=\min(a,d),\qquad b_0=\min(b,e),\qquad c_0=\min(c,f),\qquad h=|t|. \] تستلزم المعادلة (1) أن \[ P=2(a_0+b_0+c_0)+h(x+y+z). \tag{2} \] كذلك، بإعادة تجميع حدود \(S\) بحسب الأضلاع المتقابلة، نحصل على \[ S=a\frac{x}{z}+d\frac{z}{x} +b\frac{x}{y}+e\frac{y}{x} +c\frac{z}{y}+f\frac{y}{z}. \] إذا كان \(t\ge0\)، فإن الزيادات على القيم الصغرى الثلاث تقع في \(a,e,c\)؛ وإذا كان \(t\le0\)، فإنها تقع في \(d,b,f\). وفي كلتا الحالتين، يعطي التعويض من (1) \[ \begin{aligned} S={}&a_0\left(\frac{x}{z}+\frac{z}{x}\right) +b_0\left(\frac{x}{y}+\frac{y}{x}\right) +c_0\left(\frac{z}{y}+\frac{y}{z}\right)\\ &+h\left(\frac{xy}{z}+\frac{yz}{x}+\frac{zx}{y}\right). \end{aligned} \] كل تعبير بين قوسين في السطر الأول لا يقل عن \(2\). وعلاوة على ذلك، \[ \frac{xy}{z}+\frac{yz}{x}+\frac{zx}{y}-(x+y+z) = \frac{(xy-yz)^2+(yz-zx)^2+(zx-xy)^2}{2xyz} \ge0. \] بالاقتران مع (2)، تبيّن هذه المتباينات أن \(S\ge P\). ولذلك \[ \boxed{R_A+R_C+R_E\ge\frac{P}{2}}. \]
تتحقق المساواة في حالة المسدس المنتظم.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).