IMO 1999 · Problem 5
Two circles \(G_1\) and \(G_2\) are contained inside the circle \(G\), and are tangent to \(G\) at the distinct points \(M\) and \(N\), respectively. \(G_1\) passes through the center of \(G_2\). The line passing through the two points of intersection of \(G_1\) and \(G_2\) meets \(G\) at \(A\) and \(B\). The lines \(MA\) and \(MB\) meet \(G_1\) at \(C\) and \(D\), respectively.
Prove that \(CD\) is tangent to \(G_2\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let \(O,O_1,O_2\) be the centers of \(G,G_1,G_2\), and let their radii be \(R,r,s\), respectively. Internal tangency gives \[ 0<r,s<R,\qquad OO_1=R-r,\qquad OO_2=R-s. \] Since \(O_2\) lies on \(G_1\), we also have \(O_1O_2=r\).
First, the construction is nondegenerate. The point \(M\) lies strictly outside \(G_2\), since \(G_2\) meets the boundary of \(G\) only at \(N\ne M\). Hence \[ s<O_2M\le O_2O_1+O_1M=2r. \] Consequently, \[ |r-s|<O_1O_2=r<r+s, \] so \(G_1\) and \(G_2\) intersect at two distinct points. Both points lie strictly inside \(G\); therefore their line \(\ell\) meets \(G\) at two distinct points \(A,B\).
Take \(O\) as the origin, and denote the position vectors of \(O_1,O_2,M\) by \(\mathbf p,\mathbf q,\mathbf m\). The internal tangency at \(M\) gives \[ \mathbf p=\left(1-\frac rR\right)\mathbf m. \] Put \(\mathbf v=\mathbf q-\mathbf p\), so that \(|\mathbf v|=r\).
At either common point of \(G_1\) and \(G_2\), with position vector \(\mathbf x\), we have \[ |\mathbf x-\mathbf p|^2-r^2 = |\mathbf x-\mathbf q|^2-s^2. \] Expanding gives \[ 2\mathbf v\cdot\mathbf x =|\mathbf q|^2-|\mathbf p|^2+r^2-s^2 =(R-s)^2-(R-r)^2+r^2-s^2 =2R(r-s). \] Thus the line \(\ell=AB\) has equation \[ \mathbf v\cdot\mathbf x=R(r-s). \tag{1} \] Moreover, \(M\notin\ell\): otherwise the equality of powers above, together with \(M\in G_1\), would imply \(M\in G_2\), a contradiction.
Now consider the homothety with center \(M\) and ratio \(r/R\). In vector form it is \[ H(\mathbf x) =\mathbf m+\frac rR(\mathbf x-\mathbf m) =\mathbf p+\frac rR\mathbf x. \] It sends the circle \(G\) onto \(G_1\) and preserves every line through \(M\). Since \(A,B\ne M\), it therefore sends \(A\) to \(C\) and \(B\) to \(D\). In particular, \(C,D\) are distinct.
Applying this homothety to (1), we find that \(CD\) has equation \[ \mathbf v\cdot(\mathbf y-\mathbf p)=r(r-s). \] The perpendicular distance from \(O_2\) to this line is consequently \[ \frac{\left|\mathbf v\cdot(\mathbf q-\mathbf p)-r(r-s)\right|} {|\mathbf v|} = \frac{|r^2-r(r-s)|}{r} =s. \] This equals the radius of \(G_2\), so \(CD\) is tangent to \(G_2\). \(\square\)
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 1999 · Aufgabe 5
Zwei Kreise \(G_1\) und \(G_2\) liegen innerhalb des Kreises \(G\) und berühren \(G\) in den verschiedenen Punkten \(M\) bzw. \(N\). \(G_1\) geht durch den Mittelpunkt von \(G_2\). Die Gerade durch die beiden Schnittpunkte von \(G_1\) und \(G_2\) schneidet \(G\) in \(A\) und \(B\). Die Geraden \(MA\) und \(MB\) schneiden \(G_1\) in \(C\) bzw. \(D\).
Beweise, dass \(CD\) eine Tangente an \(G_2\) ist.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Seien \(O,O_1,O_2\) die Mittelpunkte von \(G,G_1,G_2\) und \(R,r,s\) ihre jeweiligen Radien. Aus der inneren Berührung folgt \[ 0<r,s<R,\qquad OO_1=R-r,\qquad OO_2=R-s. \] Da \(O_2\) auf \(G_1\) liegt, gilt außerdem \(O_1O_2=r\).
Zunächst ist die Konstruktion nicht entartet. Der Punkt \(M\) liegt echt außerhalb von \(G_2\), da \(G_2\) den Rand von \(G\) nur in \(N\ne M\) trifft. Daher gilt \[ s<O_2M\le O_2O_1+O_1M=2r. \] Folglich gilt \[ |r-s|<O_1O_2=r<r+s, \] also schneiden sich \(G_1\) und \(G_2\) in zwei verschiedenen Punkten. Beide Punkte liegen echt innerhalb von \(G\); daher schneidet ihre Verbindungsgerade \(\ell\) den Kreis \(G\) in zwei verschiedenen Punkten \(A,B\).
Wähle \(O\) als Ursprung und bezeichne die Ortsvektoren von \(O_1,O_2,M\) mit \(\mathbf p,\mathbf q,\mathbf m\). Aus der inneren Berührung in \(M\) folgt \[ \mathbf p=\left(1-\frac rR\right)\mathbf m. \] Setze \(\mathbf v=\mathbf q-\mathbf p\), sodass \(|\mathbf v|=r\) gilt.
Für jeden der beiden gemeinsamen Punkte von \(G_1\) und \(G_2\) mit Ortsvektor \(\mathbf x\) gilt \[ |\mathbf x-\mathbf p|^2-r^2 = |\mathbf x-\mathbf q|^2-s^2. \] Ausmultiplizieren ergibt \[ 2\mathbf v\cdot\mathbf x =|\mathbf q|^2-|\mathbf p|^2+r^2-s^2 =(R-s)^2-(R-r)^2+r^2-s^2 =2R(r-s). \] Somit hat die Gerade \(\ell=AB\) die Gleichung \[ \mathbf v\cdot\mathbf x=R(r-s). \tag{1} \] Außerdem gilt \(M\notin\ell\): Andernfalls würde aus der obigen Gleichheit der Potenzen zusammen mit \(M\in G_1\) folgen, dass \(M\in G_2\) gilt, ein Widerspruch.
Betrachte nun die zentrische Streckung mit Zentrum \(M\) und Streckfaktor \(r/R\). In Vektorform lautet sie \[ H(\mathbf x) =\mathbf m+\frac rR(\mathbf x-\mathbf m) =\mathbf p+\frac rR\mathbf x. \] Sie bildet den Kreis \(G\) auf \(G_1\) ab und jede Gerade durch \(M\) auf sich selbst. Da \(A,B\ne M\), bildet sie daher \(A\) auf \(C\) und \(B\) auf \(D\) ab. Insbesondere sind \(C,D\) verschieden.
Wenden wir diese zentrische Streckung auf (1) an, so erhalten wir für \(CD\) die Gleichung \[ \mathbf v\cdot(\mathbf y-\mathbf p)=r(r-s). \] Der senkrechte Abstand von \(O_2\) zu dieser Geraden ist folglich \[ \frac{\left|\mathbf v\cdot(\mathbf q-\mathbf p)-r(r-s)\right|} {|\mathbf v|} = \frac{|r^2-r(r-s)|}{r} =s. \] Dieser ist gleich dem Radius von \(G_2\), also ist \(CD\) eine Tangente an \(G_2\). \(\square\)
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 1999 · Soru 5
\(G_1\) ve \(G_2\) çemberleri, \(G\) çemberinin içinde bulunmakta ve \(G\) çemberine sırasıyla birbirinden farklı \(M\) ve \(N\) noktalarında teğet olmaktadır. \(G_1\), \(G_2\) çemberinin merkezinden geçmektedir. \(G_1\) ve \(G_2\) çemberlerinin iki kesişim noktasından geçen doğru, \(G\) çemberini \(A\) ve \(B\) noktalarında kesmektedir. \(MA\) ve \(MB\) doğruları, \(G_1\) çemberini sırasıyla \(C\) ve \(D\) noktalarında kesmektedir.
\(CD\) doğrusunun \(G_2\) çemberine teğet olduğunu kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(G,G_1,G_2\) çemberlerinin merkezleri \(O,O_1,O_2\), yarıçapları da sırasıyla \(R,r,s\) olsun. İçten teğetlikten \[ 0<r,s<R,\qquad OO_1=R-r,\qquad OO_2=R-s \] elde edilir. \(O_2\) noktası \(G_1\) üzerinde bulunduğundan, ayrıca \(O_1O_2=r\) olur.
Öncelikle, oluşturulan şekil dejenere değildir. \(G_2\), \(G\) çemberinin sınırıyla yalnızca \(N\ne M\) noktasında buluştuğundan, \(M\) noktası \(G_2\) çemberinin kesin olarak dışında bulunur. Bu nedenle \[ s<O_2M\le O_2O_1+O_1M=2r. \] Dolayısıyla, \[ |r-s|<O_1O_2=r<r+s, \] olduğundan \(G_1\) ve \(G_2\) iki farklı noktada kesişir. Her iki nokta da \(G\) çemberinin kesin olarak içinde bulunur; dolayısıyla bu noktalardan geçen \(\ell\) doğrusu, \(G\) çemberini iki farklı \(A,B\) noktasında keser.
\(O\) noktasını başlangıç noktası olarak alalım ve \(O_1,O_2,M\) noktalarının konum vektörlerini \(\mathbf p,\mathbf q,\mathbf m\) ile gösterelim. \(M\) noktasındaki içten teğetlikten \[ \mathbf p=\left(1-\frac rR\right)\mathbf m \] elde edilir. \(\mathbf v=\mathbf q-\mathbf p\) koyalım; böylece \(|\mathbf v|=r\) olur.
\(G_1\) ve \(G_2\) çemberlerinin ortak noktalarından herhangi birinin konum vektörü \(\mathbf x\) ise \[ |\mathbf x-\mathbf p|^2-r^2 = |\mathbf x-\mathbf q|^2-s^2 \] olur. Açılım yapılarak \[ 2\mathbf v\cdot\mathbf x =|\mathbf q|^2-|\mathbf p|^2+r^2-s^2 =(R-s)^2-(R-r)^2+r^2-s^2 =2R(r-s) \] elde edilir. Böylece \(\ell=AB\) doğrusunun denklemi \[ \mathbf v\cdot\mathbf x=R(r-s) \tag{1} \] olur. Ayrıca \(M\notin\ell\) olur: aksi hâlde, yukarıdaki kuvvet eşitliği \(M\in G_1\) ile birlikte \(M\in G_2\) sonucunu verirdi; bu ise bir çelişkidir.
Şimdi merkezi \(M\) ve oranı \(r/R\) olan homotetiyi ele alalım. Vektörel biçimde bu dönüşüm \[ H(\mathbf x) =\mathbf m+\frac rR(\mathbf x-\mathbf m) =\mathbf p+\frac rR\mathbf x \] olarak yazılır. Bu dönüşüm \(G\) çemberini \(G_1\) çemberine götürür ve \(M\) noktasından geçen her doğruyu korur. \(A,B\ne M\) olduğundan, dolayısıyla \(A\) noktasını \(C\) noktasına ve \(B\) noktasını \(D\) noktasına götürür. Özellikle \(C,D\) farklı noktalardır.
Bu homotetiyi (1) denklemine uyguladığımızda \(CD\) doğrusunun denklemini \[ \mathbf v\cdot(\mathbf y-\mathbf p)=r(r-s) \] olarak buluruz. Dolayısıyla \(O_2\) noktasının bu doğruya dik uzaklığı \[ \frac{\left|\mathbf v\cdot(\mathbf q-\mathbf p)-r(r-s)\right|} {|\mathbf v|} = \frac{|r^2-r(r-s)|}{r} =s \] olur. Bu, \(G_2\) çemberinin yarıçapına eşittir; o hâlde \(CD\), \(G_2\) çemberine teğettir. \(\square\)
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1999 · Problema 5
Dos circunferencias \(G_1\) y \(G_2\) están contenidas en el interior de la circunferencia \(G\), y son tangentes a \(G\) en los puntos distintos \(M\) y \(N\), respectivamente. \(G_1\) pasa por el centro de \(G_2\). La recta que pasa por los dos puntos de intersección de \(G_1\) y \(G_2\) corta a \(G\) en \(A\) y \(B\). Las rectas \(MA\) y \(MB\) cortan a \(G_1\) en \(C\) y \(D\), respectivamente.
Demostrar que \(CD\) es tangente a \(G_2\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sean \(O,O_1,O_2\) los centros de \(G,G_1,G_2\), y sean sus radios \(R,r,s\), respectivamente. La tangencia interior da \[ 0<r,s<R,\qquad OO_1=R-r,\qquad OO_2=R-s. \] Como \(O_2\) pertenece a \(G_1\), también tenemos \(O_1O_2=r\).
En primer lugar, la construcción no es degenerada. El punto \(M\) es estrictamente exterior a \(G_2\), ya que \(G_2\) solo toca el borde de \(G\) en \(N\ne M\). Por tanto, \[ s<O_2M\le O_2O_1+O_1M=2r. \] Por consiguiente, \[ |r-s|<O_1O_2=r<r+s, \] de modo que \(G_1\) y \(G_2\) se cortan en dos puntos distintos. Ambos puntos están estrictamente en el interior de \(G\); por tanto, la recta \(\ell\) que los une corta a \(G\) en dos puntos distintos \(A,B\).
Tomemos \(O\) como origen y denotemos los vectores de posición de \(O_1,O_2,M\) por \(\mathbf p,\mathbf q,\mathbf m\). La tangencia interior en \(M\) da \[ \mathbf p=\left(1-\frac rR\right)\mathbf m. \] Pongamos \(\mathbf v=\mathbf q-\mathbf p\), de modo que \(|\mathbf v|=r\).
En cualquiera de los puntos comunes de \(G_1\) y \(G_2\), con vector de posición \(\mathbf x\), tenemos \[ |\mathbf x-\mathbf p|^2-r^2 = |\mathbf x-\mathbf q|^2-s^2. \] Al desarrollar se obtiene \[ 2\mathbf v\cdot\mathbf x =|\mathbf q|^2-|\mathbf p|^2+r^2-s^2 =(R-s)^2-(R-r)^2+r^2-s^2 =2R(r-s). \] Así pues, la recta \(\ell=AB\) tiene ecuación \[ \mathbf v\cdot\mathbf x=R(r-s). \tag{1} \] Además, \(M\notin\ell\): de lo contrario, la igualdad de potencias anterior, junto con \(M\in G_1\), implicaría \(M\in G_2\), una contradicción.
Consideremos ahora la homotecia de centro \(M\) y razón \(r/R\). En forma vectorial es \[ H(\mathbf x) =\mathbf m+\frac rR(\mathbf x-\mathbf m) =\mathbf p+\frac rR\mathbf x. \] Esta transforma la circunferencia \(G\) en \(G_1\) y deja invariante toda recta que pasa por \(M\). Como \(A,B\ne M\), transforma, por tanto, \(A\) en \(C\) y \(B\) en \(D\). En particular, \(C,D\) son distintos.
Aplicando esta homotecia a (1), obtenemos que \(CD\) tiene ecuación \[ \mathbf v\cdot(\mathbf y-\mathbf p)=r(r-s). \] Por consiguiente, la distancia perpendicular de \(O_2\) a esta recta es \[ \frac{\left|\mathbf v\cdot(\mathbf q-\mathbf p)-r(r-s)\right|} {|\mathbf v|} = \frac{|r^2-r(r-s)|}{r} =s. \] Esta es igual al radio de \(G_2\), por lo que \(CD\) es tangente a \(G_2\). \(\square\)
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 1999 · 问题 5
两圆 \(G_1\) 和 \(G_2\) 位于圆 \(G\) 内,分别在两个不同的点 \(M\) 和 \(N\) 处与 \(G\) 相切。\(G_1\) 经过 \(G_2\) 的圆心。经过 \(G_1\) 与 \(G_2\) 的两个交点的直线与 \(G\) 交于 \(A\) 和 \(B\)。直线 \(MA\) 和 \(MB\) 分别与 \(G_1\) 交于 \(C\) 和 \(D\)。
证明:\(CD\) 与 \(G_2\) 相切。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
设 \(O,O_1,O_2\) 分别为 \(G,G_1,G_2\) 的圆心,它们的半径分别为 \(R,r,s\)。由内切关系可得 \[ 0<r,s<R,\qquad OO_1=R-r,\qquad OO_2=R-s. \] 由于 \(O_2\) 在 \(G_1\) 上,还有 \(O_1O_2=r\)。
首先,该构造是非退化的。点 \(M\) 严格位于 \(G_2\) 外部,因为 \(G_2\) 与 \(G\) 的边界仅在 \(N\ne M\) 处相交。因此 \[ s<O_2M\le O_2O_1+O_1M=2r. \] 于是, \[ |r-s|<O_1O_2=r<r+s, \] 所以 \(G_1\) 与 \(G_2\) 相交于两个不同的点。这两个点都严格位于 \(G\) 内部,因此经过它们的直线 \(\ell\) 与 \(G\) 相交于两个不同的点 \(A,B\)。
取 \(O\) 为原点,将 \(O_1,O_2,M\) 的位置向量分别记为 \(\mathbf p,\mathbf q,\mathbf m\)。由在 \(M\) 处的内切关系可得 \[ \mathbf p=\left(1-\frac rR\right)\mathbf m. \] 令 \(\mathbf v=\mathbf q-\mathbf p\),则 \(|\mathbf v|=r\)。
对于 \(G_1\) 与 \(G_2\) 的任一公共点,设其位置向量为 \(\mathbf x\),则有 \[ |\mathbf x-\mathbf p|^2-r^2 = |\mathbf x-\mathbf q|^2-s^2. \] 展开得到 \[ 2\mathbf v\cdot\mathbf x =|\mathbf q|^2-|\mathbf p|^2+r^2-s^2 =(R-s)^2-(R-r)^2+r^2-s^2 =2R(r-s). \] 因此,直线 \(\ell=AB\) 的方程为 \[ \mathbf v\cdot\mathbf x=R(r-s). \tag{1} \] 此外,\(M\notin\ell\):否则,由上述两圆的圆幂相等,再结合 \(M\in G_1\),便可推出 \(M\in G_2\),矛盾。
现在考虑以 \(M\) 为中心、比为 \(r/R\) 的位似变换。其向量形式为 \[ H(\mathbf x) =\mathbf m+\frac rR(\mathbf x-\mathbf m) =\mathbf p+\frac rR\mathbf x. \] 它将圆 \(G\) 映为 \(G_1\),并保持每条经过 \(M\) 的直线不变。由于 \(A,B\ne M\),它因而将 \(A\) 映为 \(C\),将 \(B\) 映为 \(D\)。特别地,\(C,D\) 互不相同。
对 (1) 应用这个位似变换,得到 \(CD\) 的方程为 \[ \mathbf v\cdot(\mathbf y-\mathbf p)=r(r-s). \] 因此,\(O_2\) 到这条直线的垂直距离为 \[ \frac{\left|\mathbf v\cdot(\mathbf q-\mathbf p)-r(r-s)\right|} {|\mathbf v|} = \frac{|r^2-r(r-s)|}{r} =s. \] 这个距离等于 \(G_2\) 的半径,所以 \(CD\) 与 \(G_2\) 相切。\(\square\)
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 1999 · Задача 5
Две окружности \(G_1\) и \(G_2\) расположены внутри окружности \(G\) и касаются \(G\) в различных точках \(M\) и \(N\) соответственно. Окружность \(G_1\) проходит через центр \(G_2\). Прямая, проходящая через две точки пересечения \(G_1\) и \(G_2\), пересекает \(G\) в точках \(A\) и \(B\). Прямые \(MA\) и \(MB\) пересекают \(G_1\) в точках \(C\) и \(D\) соответственно.
Докажите, что \(CD\) касается \(G_2\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Пусть \(O,O_1,O_2\) — центры окружностей \(G,G_1,G_2\), а их радиусы равны \(R,r,s\) соответственно. Из внутреннего касания следует \[ 0<r,s<R,\qquad OO_1=R-r,\qquad OO_2=R-s. \] Поскольку \(O_2\) лежит на \(G_1\), имеем также \(O_1O_2=r\).
Сначала убедимся, что построение невырождено. Точка \(M\) лежит строго вне \(G_2\), поскольку \(G_2\) имеет общую точку с границей круга \(G\) только в \(N\ne M\). Значит, \[ s<O_2M\le O_2O_1+O_1M=2r. \] Следовательно, \[ |r-s|<O_1O_2=r<r+s, \] поэтому \(G_1\) и \(G_2\) пересекаются в двух различных точках. Обе точки лежат строго внутри \(G\); следовательно, проходящая через них прямая \(\ell\) пересекает \(G\) в двух различных точках \(A,B\).
Возьмём \(O\) за начало координат и обозначим радиус-векторы точек \(O_1,O_2,M\) через \(\mathbf p,\mathbf q,\mathbf m\). Из внутреннего касания в \(M\) следует \[ \mathbf p=\left(1-\frac rR\right)\mathbf m. \] Положим \(\mathbf v=\mathbf q-\mathbf p\), так что \(|\mathbf v|=r\).
Для любой из двух общих точек \(G_1\) и \(G_2\) с радиус-вектором \(\mathbf x\) имеем \[ |\mathbf x-\mathbf p|^2-r^2 = |\mathbf x-\mathbf q|^2-s^2. \] Раскрывая скобки, получаем \[ 2\mathbf v\cdot\mathbf x =|\mathbf q|^2-|\mathbf p|^2+r^2-s^2 =(R-s)^2-(R-r)^2+r^2-s^2 =2R(r-s). \] Таким образом, прямая \(\ell=AB\) задаётся уравнением \[ \mathbf v\cdot\mathbf x=R(r-s). \tag{1} \] Кроме того, \(M\notin\ell\): иначе приведённое выше равенство степеней точки вместе с \(M\in G_1\) влекло бы \(M\in G_2\), что невозможно.
Теперь рассмотрим гомотетию с центром \(M\) и коэффициентом \(r/R\). В векторной форме она записывается так: \[ H(\mathbf x) =\mathbf m+\frac rR(\mathbf x-\mathbf m) =\mathbf p+\frac rR\mathbf x. \] Она переводит окружность \(G\) в \(G_1\) и сохраняет каждую прямую, проходящую через \(M\). Поскольку \(A,B\ne M\), она, следовательно, переводит \(A\) в \(C\), а \(B\) в \(D\). В частности, \(C,D\) различны.
Применяя эту гомотетию к (1), находим, что \(CD\) задаётся уравнением \[ \mathbf v\cdot(\mathbf y-\mathbf p)=r(r-s). \] Следовательно, расстояние от \(O_2\) до этой прямой равно \[ \frac{\left|\mathbf v\cdot(\mathbf q-\mathbf p)-r(r-s)\right|} {|\mathbf v|} = \frac{|r^2-r(r-s)|}{r} =s. \] Оно равно радиусу \(G_2\), поэтому \(CD\) касается \(G_2\). \(\square\)
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 1999 · المسألة 5
تقع دائرتان \(G_1\) و\(G_2\) داخل الدائرة \(G\)، وتمسان \(G\) عند النقطتين المختلفتين \(M\) و\(N\)، على الترتيب. تمر \(G_1\) بمركز \(G_2\). يقطع المستقيم المار بنقطتي تقاطع \(G_1\) و\(G_2\) الدائرة \(G\) عند \(A\) و\(B\). ويقطع المستقيمان \(MA\) و\(MB\) الدائرة \(G_1\) عند \(C\) و\(D\)، على الترتيب.
أثبت أن \(CD\) مماس للدائرة \(G_2\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لتكن \(O,O_1,O_2\) مراكز الدوائر \(G,G_1,G_2\)، ولتكن أنصاف أقطارها \(R,r,s\)، على الترتيب. يعطي التماس الداخلي \[ 0<r,s<R,\qquad OO_1=R-r,\qquad OO_2=R-s. \] وبما أن \(O_2\) تقع على \(G_1\)، فإن لدينا أيضًا \(O_1O_2=r\).
أولًا، الإنشاء غير منحل. تقع النقطة \(M\) خارج \(G_2\) تمامًا، لأن \(G_2\) لا تلتقي بمحيط \(G\) إلا عند \(N\ne M\). ومن ثم \[ s<O_2M\le O_2O_1+O_1M=2r. \] وبالتالي، \[ |r-s|<O_1O_2=r<r+s, \] فتتقاطع \(G_1\) و\(G_2\) في نقطتين مختلفتين. تقع النقطتان كلتاهما داخل \(G\) تمامًا؛ ولذلك يقطع المستقيم \(\ell\) المار بهما الدائرة \(G\) في نقطتين مختلفتين \(A,B\).
نتخذ \(O\) مبدأً للإحداثيات، ونرمز إلى متجهات مواضع \(O_1,O_2,M\) بـ\(\mathbf p,\mathbf q,\mathbf m\). يعطي التماس الداخلي عند \(M\) \[ \mathbf p=\left(1-\frac rR\right)\mathbf m. \] نضع \(\mathbf v=\mathbf q-\mathbf p\)، فيكون \(|\mathbf v|=r\).
عند أيٍّ من النقطتين المشتركتين للدائرتين \(G_1\) و\(G_2\)، ذات متجه الموضع \(\mathbf x\)، لدينا \[ |\mathbf x-\mathbf p|^2-r^2 = |\mathbf x-\mathbf q|^2-s^2. \] بنشر الطرفين نحصل على \[ 2\mathbf v\cdot\mathbf x =|\mathbf q|^2-|\mathbf p|^2+r^2-s^2 =(R-s)^2-(R-r)^2+r^2-s^2 =2R(r-s). \] إذن معادلة المستقيم \(\ell=AB\) هي \[ \mathbf v\cdot\mathbf x=R(r-s). \tag{1} \] وفضلًا عن ذلك، \(M\notin\ell\): وإلا فإن تساوي قوتي النقطة الوارد أعلاه، مع \(M\in G_1\)، يستلزم \(M\in G_2\)، وهذا تناقض.
ننظر الآن في التحاكي ذي المركز \(M\) والنسبة \(r/R\). وصيغته المتجهية هي \[ H(\mathbf x) =\mathbf m+\frac rR(\mathbf x-\mathbf m) =\mathbf p+\frac rR\mathbf x. \] يحوّل هذا التحاكي الدائرة \(G\) إلى الدائرة \(G_1\)، ويحفظ كل مستقيم يمر بالنقطة \(M\). وبما أن \(A,B\ne M\)، فإنه يحوّل \(A\) إلى \(C\) و\(B\) إلى \(D\). وعلى وجه الخصوص، فإن \(C,D\) مختلفتان.
بتطبيق هذا التحاكي على (1)، نجد أن معادلة \(CD\) هي \[ \mathbf v\cdot(\mathbf y-\mathbf p)=r(r-s). \] ومن ثم فإن المسافة العمودية من \(O_2\) إلى هذا المستقيم هي \[ \frac{\left|\mathbf v\cdot(\mathbf q-\mathbf p)-r(r-s)\right|} {|\mathbf v|} = \frac{|r^2-r(r-s)|}{r} =s. \] وهي تساوي نصف قطر \(G_2\)، ولذلك يكون \(CD\) مماسًّا للدائرة \(G_2\). \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.