IMO 1999 · Problem 1
Determine all finite sets \(S\) of at least three points in the plane which satisfy the following condition:
for any two distinct points \(A\) and \(B\) in \(S\), the perpendicular bisector of the line segment \(AB\) is an axis of symmetry for \(S\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
Precisely the vertex sets of regular \(n\)-gons, for every integer \(n\ge 3\).
Solution
Let \(S=\{P_1,\ldots,P_n\}\), where \(n\ge 3\), and let \(O\) be its centroid: \[ O=\frac1n\sum_{k=1}^{n}P_k. \] Every reflection preserving \(S\) fixes \(O\). Indeed, a reflection \(\sigma\) is an affine map, and it permutes the points of \(S\), so \[ \sigma(O)=\frac1n\sum_{k=1}^{n}\sigma(P_k) =\frac1n\sum_{k=1}^{n}P_k=O. \]
Thus, for any distinct \(A,B\in S\), the point \(O\) lies on the perpendicular bisector of \(AB\), giving \(OA=OB\). Consequently, all points of \(S\) lie on a circle \(\Gamma\) with centre \(O\). Its radius is positive because the points are distinct.
Label the points \(P_1,\ldots,P_n\) in counterclockwise order around \(\Gamma\), taking indices modulo \(n\). Fix an index \(i\), and consider the arc from \(P_i\) to \(P_{i+2}\) that passes through \(P_{i+1}\) in counterclockwise order. The only point of \(S\) in the interior of this arc is \(P_{i+1}\).
Let \(\sigma\) be reflection in the perpendicular bisector of \(P_iP_{i+2}\). By hypothesis, \(\sigma\) preserves \(S\). It also preserves \(\Gamma\), because its axis passes through \(O\). Moreover, it preserves each of the two arcs joining \(P_i\) and \(P_{i+2}\): its axis is perpendicular to the line \(P_iP_{i+2}\), so reflection preserves each half-plane bounded by that line.
Therefore \(\sigma\) maps the interior of our chosen arc to itself. Since \(P_{i+1}\) is its only point belonging to \(S\), we have \[ \sigma(P_{i+1})=P_{i+1}. \] As \(\sigma\) exchanges \(P_i\) and \(P_{i+2}\), it exchanges the two subarcs from \(P_i\) to \(P_{i+1}\) and from \(P_{i+1}\) to \(P_{i+2}\). These subarcs consequently have equal lengths.
This holds for every \(i\), so all \(n\) consecutive arcs between points of \(S\) have equal lengths. Their central angles are therefore all \(2\pi/n\), proving that \(S\) is the vertex set of a regular \(n\)-gon.
Conversely, suppose \(S\) is the vertex set of a regular \(n\)-gon. Write its vertices as \[ P_k=O+R\left( \cos\left(\alpha+\frac{2\pi k}{n}\right), \sin\left(\alpha+\frac{2\pi k}{n}\right) \right), \qquad k=0,\ldots,n-1. \] For distinct \(i,j\), the perpendicular bisector of \(P_iP_j\) is the line through \(O\) with direction angle \[ \alpha+\frac{\pi(i+j)}{n}\pmod{\pi}. \] Reflection in this line sends the polar angle of \(P_k\) to \[ 2\left(\alpha+\frac{\pi(i+j)}n\right) -\left(\alpha+\frac{2\pi k}n\right) =\alpha+\frac{2\pi(i+j-k)}n. \] It therefore sends \(P_k\) to \(P_{i+j-k}\), with indices taken modulo \(n\), and preserves \(S\). This also covers antipodal pairs when \(n\) is even. Hence every stated set satisfies the required condition.
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 1999 · Aufgabe 1
Bestimme alle endlichen Mengen \(S\) aus mindestens drei Punkten der Ebene, die folgende Bedingung erfüllen:
Für je zwei verschiedene Punkte \(A\) und \(B\) aus \(S\) ist die Mittelsenkrechte der Strecke \(AB\) eine Symmetrieachse von \(S\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Genau die Eckpunktmengen regelmäßiger \(n\)-Ecke für jede ganze Zahl \(n\ge 3\).
Lösung
Sei \(S=\{P_1,\ldots,P_n\}\) mit \(n\ge 3\), und sei \(O\) ihr Schwerpunkt: \[ O=\frac1n\sum_{k=1}^{n}P_k. \] Jede Spiegelung, die \(S\) auf sich selbst abbildet, lässt \(O\) fest. Tatsächlich ist eine Spiegelung \(\sigma\) eine affine Abbildung, und sie permutiert die Punkte von \(S\), also gilt \[ \sigma(O)=\frac1n\sum_{k=1}^{n}\sigma(P_k) =\frac1n\sum_{k=1}^{n}P_k=O. \]
Somit liegt \(O\) für je zwei verschiedene Punkte \(A,B\in S\) auf der Mittelsenkrechten von \(AB\), woraus \(OA=OB\) folgt. Folglich liegen alle Punkte von \(S\) auf einem Kreis \(\Gamma\) mit Mittelpunkt \(O\). Sein Radius ist positiv, da die Punkte verschieden sind.
Bezeichne die Punkte auf \(\Gamma\) in der Reihenfolge gegen den Uhrzeigersinn mit \(P_1,\ldots,P_n\), wobei die Indizes modulo \(n\) zu verstehen sind. Fixiere einen Index \(i\) und betrachte den Bogen von \(P_i\) nach \(P_{i+2}\), der gegen den Uhrzeigersinn durch \(P_{i+1}\) verläuft. Der einzige Punkt von \(S\) im Inneren dieses Bogens ist \(P_{i+1}\).
Sei \(\sigma\) die Spiegelung an der Mittelsenkrechten von \(P_iP_{i+2}\). Nach Voraussetzung bildet \(\sigma\) die Menge \(S\) auf sich selbst ab. Sie bildet auch \(\Gamma\) auf sich selbst ab, da ihre Achse durch \(O\) verläuft. Außerdem bildet sie jeden der beiden Bögen zwischen \(P_i\) und \(P_{i+2}\) auf sich selbst ab: Ihre Achse steht senkrecht auf der Geraden \(P_iP_{i+2}\), sodass die Spiegelung jede der von dieser Geraden begrenzten Halbebenen auf sich selbst abbildet.
Daher bildet \(\sigma\) das Innere des gewählten Bogens auf sich selbst ab. Da \(P_{i+1}\) der einzige darin liegende Punkt von \(S\) ist, gilt \[ \sigma(P_{i+1})=P_{i+1}. \] Da \(\sigma\) die Punkte \(P_i\) und \(P_{i+2}\) vertauscht, vertauscht sie die beiden Teilbögen von \(P_i\) nach \(P_{i+1}\) und von \(P_{i+1}\) nach \(P_{i+2}\). Diese Teilbögen sind folglich gleich lang.
Dies gilt für jedes \(i\), also sind alle \(n\) aufeinanderfolgenden Bögen zwischen Punkten von \(S\) gleich lang. Ihre Mittelpunktswinkel sind daher alle gleich \(2\pi/n\), womit bewiesen ist, dass \(S\) die Eckpunktmenge eines regelmäßigen \(n\)-Ecks ist.
Sei umgekehrt \(S\) die Eckpunktmenge eines regelmäßigen \(n\)-Ecks. Wir schreiben seine Eckpunkte als \[ P_k=O+R\left( \cos\left(\alpha+\frac{2\pi k}{n}\right), \sin\left(\alpha+\frac{2\pi k}{n}\right) \right), \qquad k=0,\ldots,n-1. \] Für verschiedene \(i,j\) ist die Mittelsenkrechte von \(P_iP_j\) die Gerade durch \(O\) mit Richtungswinkel \[ \alpha+\frac{\pi(i+j)}{n}\pmod{\pi}. \] Die Spiegelung an dieser Geraden bildet den Polarwinkel von \(P_k\) auf \[ 2\left(\alpha+\frac{\pi(i+j)}n\right) -\left(\alpha+\frac{2\pi k}n\right) =\alpha+\frac{2\pi(i+j-k)}n \] ab. Sie bildet daher \(P_k\) auf \(P_{i+j-k}\) ab, wobei die Indizes modulo \(n\) zu verstehen sind, und bildet \(S\) auf sich selbst ab. Dies umfasst auch diametral gegenüberliegende Punktpaare bei geradem \(n\). Somit erfüllt jede angegebene Menge die geforderte Bedingung.
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 1999 · Soru 1
Düzlemde en az üç noktadan oluşan ve aşağıdaki koşulu sağlayan tüm sonlu \(S\) kümelerini belirleyiniz:
\(S\) kümesindeki herhangi iki farklı \(A\) ve \(B\) noktası için, \(AB\) doğru parçasının orta dikmesi \(S\) kümesinin bir simetri eksenidir.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Tam olarak, her \(n\ge 3\) tam sayısı için düzgün \(n\)-genlerin köşe kümeleridir.
Çözüm
\(n\ge 3\) olmak üzere \(S=\{P_1,\ldots,P_n\}\) olsun ve bu kümenin ağırlık merkezi \(O\) olsun: \[ O=\frac1n\sum_{k=1}^{n}P_k. \] \(S\) kümesini koruyan her yansıma \(O\) noktasını sabit bırakır. Gerçekten de bir \(\sigma\) yansıması afin bir dönüşümdür ve \(S\) kümesinin noktalarını kendi aralarında yer değiştirir; dolayısıyla \[ \sigma(O)=\frac1n\sum_{k=1}^{n}\sigma(P_k) =\frac1n\sum_{k=1}^{n}P_k=O. \]
Böylece, herhangi iki farklı \(A,B\in S\) için \(O\) noktası \(AB\) doğru parçasının orta dikmesi üzerinde bulunur ve buradan \(OA=OB\) elde edilir. Sonuç olarak \(S\) kümesinin tüm noktaları, merkezi \(O\) olan bir \(\Gamma\) çemberi üzerinde bulunur. Noktalar farklı olduğundan bu çemberin yarıçapı pozitiftir.
Noktaları \(\Gamma\) üzerinde saat yönünün tersine sıralayarak \(P_1,\ldots,P_n\) diye adlandıralım ve indisleri \(n\) modülünde alalım. Bir \(i\) indisini sabitleyelim ve \(P_i\) noktasından \(P_{i+2}\) noktasına saat yönünün tersine giderken \(P_{i+1}\) noktasından geçen yayı ele alalım. Bu yayın iç kısmında bulunan tek \(S\) noktası \(P_{i+1}\) noktasıdır.
\(P_iP_{i+2}\) doğru parçasının orta dikmesine göre yansıma \(\sigma\) olsun. Varsayım gereği \(\sigma\), \(S\) kümesini korur. Ekseni \(O\) noktasından geçtiği için \(\Gamma\) çemberini de korur. Ayrıca, \(P_i\) ve \(P_{i+2}\) noktalarını birleştiren iki yayın her birini korur: ekseni \(P_iP_{i+2}\) doğrusuna dik olduğundan, yansıma bu doğrunun sınırladığı yarı düzlemlerin her birini korur.
Bu nedenle \(\sigma\), seçtiğimiz yayın iç kısmını kendisine götürür. Bu kısımda \(S\) kümesine ait tek nokta \(P_{i+1}\) olduğundan \[ \sigma(P_{i+1})=P_{i+1}. \] \(\sigma\), \(P_i\) ile \(P_{i+2}\) noktalarını yer değiştirdiği için, \(P_i\) noktasından \(P_{i+1}\) noktasına ve \(P_{i+1}\) noktasından \(P_{i+2}\) noktasına uzanan iki alt yayı da yer değiştirir. Dolayısıyla bu alt yayların uzunlukları eşittir.
Bu sonuç her \(i\) için geçerli olduğundan, \(S\) kümesinin noktaları arasındaki ardışık \(n\) yayın tümünün uzunlukları eşittir. O hâlde bu yayların merkez açıları hep \(2\pi/n\) olur; bu da \(S\) kümesinin düzgün bir \(n\)-genin köşe kümesi olduğunu kanıtlar.
Tersine, \(S\) kümesinin düzgün bir \(n\)-genin köşe kümesi olduğunu varsayalım. Köşelerini \[ P_k=O+R\left( \cos\left(\alpha+\frac{2\pi k}{n}\right), \sin\left(\alpha+\frac{2\pi k}{n}\right) \right), \qquad k=0,\ldots,n-1 \] biçiminde yazalım. Farklı \(i,j\) için \(P_iP_j\) doğru parçasının orta dikmesi, \(O\) noktasından geçen ve doğrultu açısı \[ \alpha+\frac{\pi(i+j)}{n}\pmod{\pi} \] olan doğrudur. Bu doğruya göre yansıma, \(P_k\) noktasının kutupsal açısını \[ 2\left(\alpha+\frac{\pi(i+j)}n\right) -\left(\alpha+\frac{2\pi k}n\right) =\alpha+\frac{2\pi(i+j-k)}n \] açısına götürür. Dolayısıyla, indisler \(n\) modülünde alınmak üzere, \(P_k\) noktasını \(P_{i+j-k}\) noktasına götürür ve \(S\) kümesini korur. Bu, \(n\) çift olduğunda çapın karşılıklı uçlarında bulunan nokta çiftlerini de kapsar. Böylece belirtilen her küme istenen koşulu sağlar.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1999 · Problema 1
Determinar todos los conjuntos finitos \(S\) de al menos tres puntos del plano que satisfacen la siguiente condición:
para cualesquiera dos puntos distintos \(A\) y \(B\) de \(S\), la mediatriz del segmento \(AB\) es un eje de simetría de \(S\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Exactamente los conjuntos de vértices de los polígonos regulares de \(n\) lados, para todo entero \(n\ge 3\).
Solución
Sea \(S=\{P_1,\ldots,P_n\}\), donde \(n\ge 3\), y sea \(O\) su baricentro: \[ O=\frac1n\sum_{k=1}^{n}P_k. \] Toda reflexión que deja invariante \(S\) fija \(O\). En efecto, una reflexión \(\sigma\) es una transformación afín y permuta los puntos de \(S\), por lo que \[ \sigma(O)=\frac1n\sum_{k=1}^{n}\sigma(P_k) =\frac1n\sum_{k=1}^{n}P_k=O. \]
Así pues, para cualesquiera \(A,B\in S\) distintos, el punto \(O\) pertenece a la mediatriz de \(AB\), de donde \(OA=OB\). Por consiguiente, todos los puntos de \(S\) pertenecen a una circunferencia \(\Gamma\) de centro \(O\). Su radio es positivo porque los puntos son distintos.
Numeremos los puntos \(P_1,\ldots,P_n\) en sentido antihorario alrededor de \(\Gamma\), tomando los índices módulo \(n\). Fijemos un índice \(i\) y consideremos el arco de \(P_i\) a \(P_{i+2}\) que pasa por \(P_{i+1}\) en sentido antihorario. El único punto de \(S\) en el interior de este arco es \(P_{i+1}\).
Sea \(\sigma\) la reflexión respecto de la mediatriz de \(P_iP_{i+2}\). Por hipótesis, \(\sigma\) deja invariante \(S\). También deja invariante \(\Gamma\), porque su eje pasa por \(O\). Además, deja invariante cada uno de los dos arcos que unen \(P_i\) y \(P_{i+2}\): su eje es perpendicular a la recta \(P_iP_{i+2}\), por lo que la reflexión deja invariante cada semiplano delimitado por dicha recta.
Por tanto, \(\sigma\) transforma el interior del arco elegido en sí mismo. Como \(P_{i+1}\) es su único punto perteneciente a \(S\), tenemos \[ \sigma(P_{i+1})=P_{i+1}. \] Como \(\sigma\) intercambia \(P_i\) y \(P_{i+2}\), intercambia los dos subarcos de \(P_i\) a \(P_{i+1}\) y de \(P_{i+1}\) a \(P_{i+2}\). Por consiguiente, estos subarcos tienen la misma longitud.
Esto se cumple para todo \(i\), de modo que los \(n\) arcos consecutivos entre puntos de \(S\) tienen la misma longitud. Por tanto, todos sus ángulos centrales son \(2\pi/n\), lo que demuestra que \(S\) es el conjunto de vértices de un polígono regular de \(n\) lados.
Recíprocamente, supongamos que \(S\) es el conjunto de vértices de un polígono regular de \(n\) lados. Escribamos sus vértices como \[ P_k=O+R\left( \cos\left(\alpha+\frac{2\pi k}{n}\right), \sin\left(\alpha+\frac{2\pi k}{n}\right) \right), \qquad k=0,\ldots,n-1. \] Para \(i,j\) distintos, la mediatriz de \(P_iP_j\) es la recta que pasa por \(O\) y cuyo ángulo de dirección es \[ \alpha+\frac{\pi(i+j)}{n}\pmod{\pi}. \] La reflexión respecto de esta recta transforma el ángulo polar de \(P_k\) en \[ 2\left(\alpha+\frac{\pi(i+j)}n\right) -\left(\alpha+\frac{2\pi k}n\right) =\alpha+\frac{2\pi(i+j-k)}n. \] Por tanto, transforma \(P_k\) en \(P_{i+j-k}\), con los índices tomados módulo \(n\), y deja invariante \(S\). Esto también incluye los pares de puntos antípodas cuando \(n\) es par. Así pues, todos los conjuntos indicados satisfacen la condición requerida.
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 1999 · 问题 1
求平面内所有至少含有三个点且满足下列条件的有限点集 \(S\):
对于 \(S\) 中任意两个不同的点 \(A\) 和 \(B\),线段 \(AB\) 的垂直平分线都是 \(S\) 的一条对称轴。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
恰为所有正 \(n\) 边形的顶点集,其中 \(n\ge 3\) 为任意整数。
解答
设 \(S=\{P_1,\ldots,P_n\}\),其中 \(n\ge 3\),并设 \(O\) 为其重心: \[ O=\frac1n\sum_{k=1}^{n}P_k. \] 每个保持 \(S\) 不变的轴对称变换都固定 \(O\)。事实上,轴对称变换 \(\sigma\) 是仿射变换,且将 \(S\) 中的点作一个置换,因此 \[ \sigma(O)=\frac1n\sum_{k=1}^{n}\sigma(P_k) =\frac1n\sum_{k=1}^{n}P_k=O. \]
因此,对于任意不同的 \(A,B\in S\),点 \(O\) 都在线段 \(AB\) 的垂直平分线上,从而 \(OA=OB\)。所以,\(S\) 中的所有点都在以 \(O\) 为圆心的圆 \(\Gamma\) 上。由于这些点互不相同,该圆的半径为正。
沿 \(\Gamma\) 按逆时针顺序将这些点标记为 \(P_1,\ldots,P_n\),下标按模 \(n\) 计算。固定一个下标 \(i\),考虑从 \(P_i\) 出发,按逆时针方向经过 \(P_{i+1}\) 到达 \(P_{i+2}\) 的圆弧。这条弧内部唯一属于 \(S\) 的点是 \(P_{i+1}\)。
设 \(\sigma\) 为关于 \(P_iP_{i+2}\) 的垂直平分线的轴对称变换。由题设,\(\sigma\) 保持 \(S\) 不变。由于其对称轴经过 \(O\),它也保持 \(\Gamma\) 不变。此外,它分别保持连接 \(P_i\) 与 \(P_{i+2}\) 的两条弧不变:其对称轴垂直于直线 \(P_iP_{i+2}\),所以该轴对称变换分别保持以这条直线为边界的两个半平面不变。
因此,\(\sigma\) 将所选圆弧的内部映到自身。由于 \(P_{i+1}\) 是其中唯一属于 \(S\) 的点,我们有 \[ \sigma(P_{i+1})=P_{i+1}. \] 由于 \(\sigma\) 交换 \(P_i\) 与 \(P_{i+2}\),它也交换从 \(P_i\) 到 \(P_{i+1}\) 和从 \(P_{i+1}\) 到 \(P_{i+2}\) 的两条子弧。因此,这两条子弧的长度相等。
这对每个 \(i\) 都成立,所以 \(S\) 中相邻点之间的全部 \(n\) 条弧的长度都相等。因此,它们所对的圆心角都为 \(2\pi/n\),这就证明了 \(S\) 是一个正 \(n\) 边形的顶点集。
反过来,设 \(S\) 是一个正 \(n\) 边形的顶点集。将其顶点写为 \[ P_k=O+R\left( \cos\left(\alpha+\frac{2\pi k}{n}\right), \sin\left(\alpha+\frac{2\pi k}{n}\right) \right), \qquad k=0,\ldots,n-1. \] 对于不同的 \(i,j\),\(P_iP_j\) 的垂直平分线是经过 \(O\)、方向角为 \[ \alpha+\frac{\pi(i+j)}{n}\pmod{\pi} \] 的直线。关于这条直线的轴对称变换将 \(P_k\) 的极角变为 \[ 2\left(\alpha+\frac{\pi(i+j)}n\right) -\left(\alpha+\frac{2\pi k}n\right) =\alpha+\frac{2\pi(i+j-k)}n. \] 因此,它将 \(P_k\) 映为 \(P_{i+j-k}\),其中下标按模 \(n\) 计算,并保持 \(S\) 不变。这也涵盖了 \(n\) 为偶数时互为直径端点的点对。因此,答案中给出的每个点集都满足所要求的条件。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 1999 · Задача 1
Найдите все конечные множества \(S\), состоящие не менее чем из трёх точек плоскости и удовлетворяющие следующему условию:
для любых двух различных точек \(A\) и \(B\) множества \(S\) серединный перпендикуляр к отрезку \(AB\) является осью симметрии множества \(S\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
В точности множества вершин правильных \(n\)-угольников для всех целых \(n\ge 3\).
Решение
Пусть \(S=\{P_1,\ldots,P_n\}\), где \(n\ge 3\), и пусть \(O\) — его центр масс: \[ O=\frac1n\sum_{k=1}^{n}P_k. \] Любая осевая симметрия, переводящая \(S\) в себя, оставляет \(O\) неподвижной. Действительно, осевая симметрия \(\sigma\) является аффинным отображением и переставляет точки множества \(S\), поэтому \[ \sigma(O)=\frac1n\sum_{k=1}^{n}\sigma(P_k) =\frac1n\sum_{k=1}^{n}P_k=O. \]
Таким образом, для любых различных \(A,B\in S\) точка \(O\) лежит на серединном перпендикуляре к \(AB\), откуда \(OA=OB\). Следовательно, все точки множества \(S\) лежат на окружности \(\Gamma\) с центром \(O\). Её радиус положителен, поскольку точки различны.
Пронумеруем точки \(P_1,\ldots,P_n\) в порядке обхода окружности \(\Gamma\) против часовой стрелки, считая индексы по модулю \(n\). Зафиксируем индекс \(i\) и рассмотрим дугу от \(P_i\) до \(P_{i+2}\), проходящую через \(P_{i+1}\) при движении против часовой стрелки. Единственная точка множества \(S\) внутри этой дуги — \(P_{i+1}\).
Пусть \(\sigma\) — симметрия относительно серединного перпендикуляра к \(P_iP_{i+2}\). По условию \(\sigma\) переводит \(S\) в себя. Она также переводит \(\Gamma\) в себя, поскольку её ось проходит через \(O\). Более того, она переводит в себя каждую из двух дуг, соединяющих \(P_i\) и \(P_{i+2}\): её ось перпендикулярна прямой \(P_iP_{i+2}\), поэтому эта симметрия сохраняет каждую из полуплоскостей, ограниченных указанной прямой.
Следовательно, \(\sigma\) переводит внутреннюю часть выбранной дуги в себя. Поскольку \(P_{i+1}\) — единственная принадлежащая \(S\) точка этой внутренней части, получаем \[ \sigma(P_{i+1})=P_{i+1}. \] Так как \(\sigma\) меняет местами \(P_i\) и \(P_{i+2}\), она меняет местами две части дуги: от \(P_i\) до \(P_{i+1}\) и от \(P_{i+1}\) до \(P_{i+2}\). Следовательно, эти дуги имеют равные длины.
Это верно для каждого \(i\), поэтому все \(n\) последовательных дуг между точками множества \(S\) имеют равные длины. Значит, все их центральные углы равны \(2\pi/n\), что доказывает, что \(S\) является множеством вершин правильного \(n\)-угольника.
Обратно, пусть \(S\) — множество вершин правильного \(n\)-угольника. Запишем его вершины в виде \[ P_k=O+R\left( \cos\left(\alpha+\frac{2\pi k}{n}\right), \sin\left(\alpha+\frac{2\pi k}{n}\right) \right), \qquad k=0,\ldots,n-1. \] Для различных \(i,j\) серединный перпендикуляр к \(P_iP_j\) — это прямая, проходящая через \(O\) и образующая с осью абсцисс угол \[ \alpha+\frac{\pi(i+j)}{n}\pmod{\pi}. \] При симметрии относительно этой прямой полярный угол точки \(P_k\) переходит в \[ 2\left(\alpha+\frac{\pi(i+j)}n\right) -\left(\alpha+\frac{2\pi k}n\right) =\alpha+\frac{2\pi(i+j-k)}n. \] Таким образом, эта симметрия переводит \(P_k\) в \(P_{i+j-k}\), где индексы берутся по модулю \(n\), и переводит \(S\) в себя. Это рассуждение охватывает и пары диаметрально противоположных вершин при чётном \(n\). Следовательно, каждое из указанных множеств удовлетворяет требуемому условию.
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 1999 · المسألة 1
أوجد جميع المجموعات المنتهية \(S\) المؤلفة من ثلاث نقاط على الأقل في المستوى والتي تحقق الشرط الآتي:
لكل نقطتين مختلفتين \(A\) و\(B\) في \(S\)، يكون العمود المنصف للقطعة المستقيمة \(AB\) محور تناظر للمجموعة \(S\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
هي بالضبط مجموعات رؤوس المضلعات المنتظمة ذات \(n\) أضلاع، لكل عدد صحيح \(n\ge 3\).
الحل
لتكن \(S=\{P_1,\ldots,P_n\}\)، حيث \(n\ge 3\)، ولتكن \(O\) مركز ثقلها: \[ O=\frac1n\sum_{k=1}^{n}P_k. \] كل انعكاس يحفظ \(S\) يثبت \(O\). بالفعل، الانعكاس \(\sigma\) تحويل تآلفي، وهو يبدّل نقاط \(S\) فيما بينها، ولذلك \[ \sigma(O)=\frac1n\sum_{k=1}^{n}\sigma(P_k) =\frac1n\sum_{k=1}^{n}P_k=O. \]
إذن، لكل نقطتين مختلفتين \(A,B\in S\)، تقع النقطة \(O\) على العمود المنصف للقطعة \(AB\)، ومن ثم \(OA=OB\). وبالتالي تقع جميع نقاط \(S\) على دائرة \(\Gamma\) مركزها \(O\). ونصف قطرها موجب لأن النقاط مختلفة.
لنسمِّ النقاط \(P_1,\ldots,P_n\) حسب ترتيبها حول \(\Gamma\) عكس اتجاه عقارب الساعة، مع اعتبار المؤشرات بترديد \(n\). نثبت مؤشرًا \(i\)، وننظر إلى القوس الممتد من \(P_i\) إلى \(P_{i+2}\) مرورًا بـ\(P_{i+1}\) عكس اتجاه عقارب الساعة. النقطة الوحيدة من \(S\) في داخل هذا القوس هي \(P_{i+1}\).
ليكن \(\sigma\) الانعكاس حول العمود المنصف للقطعة \(P_iP_{i+2}\). بحسب الفرض، يحفظ \(\sigma\) المجموعة \(S\). وهو يحفظ أيضًا \(\Gamma\)، لأن محوره يمر بالنقطة \(O\). كذلك يحفظ كلًّا من القوسين الواصلين بين \(P_i\) و\(P_{i+2}\): فمحوره عمودي على المستقيم \(P_iP_{i+2}\)، ولذلك يحفظ الانعكاس كل نصف مستوى يحده ذلك المستقيم.
ومن ثم يحوّل \(\sigma\) داخل القوس المختار إلى نفسه. ولما كانت \(P_{i+1}\) نقطته الوحيدة التي تنتمي إلى \(S\)، فإن \[ \sigma(P_{i+1})=P_{i+1}. \] وبما أن \(\sigma\) يبادل بين \(P_i\) و\(P_{i+2}\)، فإنه يبادل بين القوسين الجزئيين من \(P_i\) إلى \(P_{i+1}\) ومن \(P_{i+1}\) إلى \(P_{i+2}\). وبالتالي فإن هذين القوسين متساويان في الطول.
يصح ذلك لكل \(i\)، ومن ثم فإن الأقواس المتتالية الـ\(n\) بين نقاط \(S\) متساوية الأطوال. لذا فإن زواياها المركزية تساوي جميعًا \(2\pi/n\)، وهذا يثبت أن \(S\) هي مجموعة رؤوس مضلع منتظم ذي \(n\) أضلاع.
وعكسًا، لنفترض أن \(S\) هي مجموعة رؤوس مضلع منتظم ذي \(n\) أضلاع. نكتب رؤوسه على الصورة \[ P_k=O+R\left( \cos\left(\alpha+\frac{2\pi k}{n}\right), \sin\left(\alpha+\frac{2\pi k}{n}\right) \right), \qquad k=0,\ldots,n-1. \] لكل \(i,j\) مختلفين، يكون العمود المنصف للقطعة \(P_iP_j\) هو المستقيم المار بالنقطة \(O\) وزاوية اتجاهه \[ \alpha+\frac{\pi(i+j)}{n}\pmod{\pi}. \] يحوّل الانعكاس حول هذا المستقيم الزاوية القطبية للنقطة \(P_k\) إلى \[ 2\left(\alpha+\frac{\pi(i+j)}n\right) -\left(\alpha+\frac{2\pi k}n\right) =\alpha+\frac{2\pi(i+j-k)}n. \] ومن ثم يحوّل \(P_k\) إلى \(P_{i+j-k}\)، مع اعتبار المؤشرات بترديد \(n\)، ويحفظ \(S\). ويشمل هذا أيضًا أزواج النقاط المتقابلة قطريًّا عندما يكون \(n\) زوجيًّا. وهكذا تحقق كل مجموعة مذكورة الشرط المطلوب.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.