IMO 2000 · Problem 6
\(A_1A_2A_3\) is an acute-angled triangle. The foot of the altitude from \(A_i\) is \(K_i\) and the incircle touches the side opposite \(A_i\) at \(L_i\). The line \(K_1K_2\) is reflected in the line \(L_1L_2\). Similarly, the line \(K_2K_3\) is reflected in \(L_2L_3\) and \(K_3K_1\) is reflected in \(L_3L_1\). Show that the three new lines form a triangle with vertices on the incircle.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let \(I,O\) be the incenter and circumcenter, and let \(r,R\) be the inradius and circumradius. Define points \(P_1,P_2,P_3\) by \[ \overrightarrow{IP_i}=-\frac rR\,\overrightarrow{OA_i}. \] Then \(IP_i=r\), so all three points lie on the incircle. Moreover, the map \[ X\longmapsto I-\frac rR(X-O) \] is a similarity of nonzero ratio. Thus \(P_1,P_2,P_3\) are distinct and noncollinear.
We shall prove that reflection in \(L_1L_2\) takes the line \(K_1K_2\) to \(P_1P_2\). The other two assertions will follow cyclically.
Write \[ A=A_1,\qquad B=A_2,\qquad C=A_3,\qquad \gamma=\angle ACB,\qquad q=\cos\gamma>0. \] Let \(\sigma\) be reflection in the internal angle bisector \(CI\), and let \(\tau\) be reflection in \(L_1L_2\).
First we determine the reflected line. For this calculation, take \(C\) as the origin and regard points as position vectors. Since \(\sigma\) interchanges the rays \(CA,CB\), the altitude projections give \[ K_1=q\,\sigma(A),\qquad K_2=q\,\sigma(B). \] Indeed, \(CK_1=CA\cos\gamma\) and \(CK_2=CB\cos\gamma\).
Let \(M\) be the midpoint of \(L_1L_2\). Symmetry about \(CI\) shows that \(M\in CI\) and \(L_1L_2\perp CI\). Put \(t=\gamma/2\). The right triangles \(CIL_1\) and \(CML_1\) yield \[ CL_1=CI\cos t,\qquad CM=CL_1\cos t=CI\cos^2t. \] Consequently, in our vector coordinates, \[ 2M=(1+q)I. \] Because the two reflection axes are perpendicular and meet at \(M\), \[ \tau(X)=2M-\sigma(X). \] For example, with \(CI\) as the horizontal axis, this identity is simply \((x,y)\mapsto(2CM-x,y)\). Therefore \[ \begin{aligned} \tau(K_1) &=2M-\sigma\bigl(q\,\sigma(A)\bigr)\\ &=(1+q)I-qA =I-q(A-I), \end{aligned} \] and similarly \[ \tau(K_2)=I-q(B-I). \] Thus the reflected line is the image of \(AB\) under the homothety with center \(I\) and ratio \(-q\).
To identify this line precisely, let \(\mathbf n\) be the unit normal to \(AB\) pointing into the triangle. Tangency of the incircle gives \[ \mathbf n\cdot(A-I)=\mathbf n\cdot(B-I)=-r. \] Hence the reflected line has equation \[ \mathbf n\cdot(X-I)=rq. \tag{1} \]
Since the triangle is acute, \(O\) lies inside it. Its distance from \(AB\) is \(R\cos\gamma=Rq\): the chord \(AB\) subtends the central angle \(2\gamma\), so bisecting the isosceles triangle \(OAB\) gives this distance. Thus \[ \mathbf n\cdot(O-A)=\mathbf n\cdot(O-B)=Rq. \] By the definitions of \(P_1,P_2\), \[ \mathbf n\cdot(P_1-I) =\frac rR\,\mathbf n\cdot(O-A) =rq, \] and likewise \(\mathbf n\cdot(P_2-I)=rq\). Therefore both points satisfy (1), and the reflected line is exactly \(P_1P_2\).
Cyclically, the other reflected lines are \(P_2P_3\) and \(P_3P_1\). These form the nondegenerate triangle \(P_1P_2P_3\), whose vertices all lie on the incircle, as required.
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2000 · Aufgabe 6
\(A_1A_2A_3\) ist ein spitzwinkliges Dreieck. Der Fußpunkt der Höhe von \(A_i\) ist \(K_i\), und der Inkreis berührt die \(A_i\) gegenüberliegende Seite in \(L_i\). Die Gerade \(K_1K_2\) wird an der Geraden \(L_1L_2\) gespiegelt. Ebenso wird die Gerade \(K_2K_3\) an \(L_2L_3\) und \(K_3K_1\) an \(L_3L_1\) gespiegelt. Man zeige, dass die drei neuen Geraden ein Dreieck bilden, dessen Eckpunkte auf dem Inkreis liegen.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Seien \(I,O\) der Inkreismittelpunkt beziehungsweise der Umkreismittelpunkt und \(r,R\) der Inkreisradius beziehungsweise der Umkreisradius. Wir definieren die Punkte \(P_1,P_2,P_3\) durch \[ \overrightarrow{IP_i}=-\frac rR\,\overrightarrow{OA_i}. \] Dann gilt \(IP_i=r\), also liegen alle drei Punkte auf dem Inkreis. Außerdem ist die Abbildung \[ X\longmapsto I-\frac rR(X-O) \] eine Ähnlichkeitsabbildung mit einem von null verschiedenen Faktor. Somit sind \(P_1,P_2,P_3\) verschieden und nicht kollinear.
Wir werden zeigen, dass die Spiegelung an \(L_1L_2\) die Gerade \(K_1K_2\) auf \(P_1P_2\) abbildet. Die beiden anderen Aussagen folgen dann durch zyklische Vertauschung.
Wir schreiben \[ A=A_1,\qquad B=A_2,\qquad C=A_3,\qquad \gamma=\angle ACB,\qquad q=\cos\gamma>0. \] Sei \(\sigma\) die Spiegelung an der inneren Winkelhalbierenden \(CI\) und \(\tau\) die Spiegelung an \(L_1L_2\).
Zunächst bestimmen wir die gespiegelte Gerade. Für diese Rechnung wählen wir \(C\) als Ursprung und fassen Punkte als Ortsvektoren auf. Da \(\sigma\) die Strahlen \(CA,CB\) vertauscht, ergibt sich aus den Höhenprojektionen \[ K_1=q\,\sigma(A),\qquad K_2=q\,\sigma(B). \] In der Tat gilt \(CK_1=CA\cos\gamma\) und \(CK_2=CB\cos\gamma\).
Sei \(M\) der Mittelpunkt von \(L_1L_2\). Aus der Symmetrie bezüglich \(CI\) folgt \(M\in CI\) und \(L_1L_2\perp CI\). Wir setzen \(t=\gamma/2\). Die rechtwinkligen Dreiecke \(CIL_1\) und \(CML_1\) liefern \[ CL_1=CI\cos t,\qquad CM=CL_1\cos t=CI\cos^2t. \] Folglich gilt in unseren Vektorkoordinaten \[ 2M=(1+q)I. \] Da die beiden Spiegelachsen senkrecht aufeinander stehen und sich in \(M\) schneiden, gilt \[ \tau(X)=2M-\sigma(X). \] Wählt man beispielsweise \(CI\) als waagerechte Achse, so lautet diese Identität einfach \((x,y)\mapsto(2CM-x,y)\). Daher ist \[ \begin{aligned} \tau(K_1) &=2M-\sigma\bigl(q\,\sigma(A)\bigr)\\ &=(1+q)I-qA =I-q(A-I), \end{aligned} \] und ebenso \[ \tau(K_2)=I-q(B-I). \] Somit ist die gespiegelte Gerade das Bild von \(AB\) unter der zentrischen Streckung mit Zentrum \(I\) und Faktor \(-q\).
Um diese Gerade genau zu bestimmen, sei \(\mathbf n\) der ins Innere des Dreiecks weisende Einheitsnormalenvektor zu \(AB\). Da der Inkreis die Seite berührt, gilt \[ \mathbf n\cdot(A-I)=\mathbf n\cdot(B-I)=-r. \] Die gespiegelte Gerade hat daher die Gleichung \[ \mathbf n\cdot(X-I)=rq. \tag{1} \]
Da das Dreieck spitzwinklig ist, liegt \(O\) in seinem Inneren. Sein Abstand von \(AB\) ist \(R\cos\gamma=Rq\): Die Sehne \(AB\) gehört zum Mittelpunktswinkel \(2\gamma\), sodass sich dieser Abstand durch Halbieren des gleichschenkligen Dreiecks \(OAB\) ergibt. Somit gilt \[ \mathbf n\cdot(O-A)=\mathbf n\cdot(O-B)=Rq. \] Nach der Definition von \(P_1,P_2\) gilt \[ \mathbf n\cdot(P_1-I) =\frac rR\,\mathbf n\cdot(O-A) =rq, \] und ebenso \(\mathbf n\cdot(P_2-I)=rq\). Daher erfüllen beide Punkte (1), und die gespiegelte Gerade ist genau \(P_1P_2\).
Durch zyklische Vertauschung ergibt sich, dass die anderen gespiegelten Geraden \(P_2P_3\) und \(P_3P_1\) sind. Diese bilden das nicht entartete Dreieck \(P_1P_2P_3\), dessen Eckpunkte alle auf dem Inkreis liegen, wie gefordert.
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2000 · Soru 6
\(A_1A_2A_3\) dar açılı bir üçgendir. \(A_i\)'den indirilen yüksekliğin ayağı \(K_i\)'dir ve iç teğet çemberi, \(A_i\)'nin karşısındaki kenara \(L_i\)'de teğettir. \(K_1K_2\) doğrusu \(L_1L_2\) doğrusuna göre yansıtılıyor. Benzer şekilde, \(K_2K_3\) doğrusu \(L_2L_3\)'e ve \(K_3K_1\) doğrusu \(L_3L_1\)'e göre yansıtılıyor. Elde edilen üç doğrunun, köşeleri iç teğet çemberi üzerinde bulunan bir üçgen oluşturduğunu gösteriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(I,O\) sırasıyla iç teğet çemberinin ve çevrel çemberin merkezleri, \(r,R\) de bu çemberlerin yarıçapları olsun. \(P_1,P_2,P_3\) noktalarını \[ \overrightarrow{IP_i}=-\frac rR\,\overrightarrow{OA_i} \] eşitliğiyle tanımlayalım. O zaman \(IP_i=r\) olur; dolayısıyla üç noktanın tümü iç teğet çemberi üzerinde bulunur. Üstelik \[ X\longmapsto I-\frac rR(X-O) \] dönüşümü, oranı sıfırdan farklı olan bir benzerliktir. Dolayısıyla \(P_1,P_2,P_3\) birbirinden farklıdır ve doğrusal değildir.
\(L_1L_2\)'ye göre yansımanın \(K_1K_2\) doğrusunu \(P_1P_2\)'ye götürdüğünü kanıtlayacağız. Diğer iki iddia, indislerin döngüsel olarak değiştirilmesiyle elde edilecektir.
\[ A=A_1,\qquad B=A_2,\qquad C=A_3,\qquad \gamma=\angle ACB,\qquad q=\cos\gamma>0 \] yazalım. \(CI\) iç açıortayına göre yansımaya \(\sigma\), \(L_1L_2\)'ye göre yansımaya da \(\tau\) diyelim.
Önce yansıma sonucu elde edilen doğruyu belirleyelim. Bu hesap için \(C\)'yi başlangıç noktası alalım ve noktaları konum vektörleri olarak ele alalım. \(\sigma\), \(CA,CB\) ışınlarını birbiriyle değiştirdiğinden, yükseklik ayaklarına dik izdüşüm yoluyla \[ K_1=q\,\sigma(A),\qquad K_2=q\,\sigma(B) \] elde edilir. Gerçekten de \(CK_1=CA\cos\gamma\) ve \(CK_2=CB\cos\gamma\)'dır.
\(M\), \(L_1L_2\)'nin orta noktası olsun. \(CI\)'ye göre simetri, \(M\in CI\) ve \(L_1L_2\perp CI\) olduğunu gösterir. \(t=\gamma/2\) diyelim. \(CIL_1\) ve \(CML_1\) dik üçgenlerinden \[ CL_1=CI\cos t,\qquad CM=CL_1\cos t=CI\cos^2t \] elde edilir. Sonuç olarak, vektörel koordinatlarımızda, \[ 2M=(1+q)I. \] İki yansıma ekseni birbirine dik olduğundan ve \(M\)'de kesiştiğinden, \[ \tau(X)=2M-\sigma(X). \] Örneğin \(CI\) yatay eksen olarak alındığında, bu özdeşlik yalnızca \((x,y)\mapsto(2CM-x,y)\) biçimindedir. Dolayısıyla \[ \begin{aligned} \tau(K_1) &=2M-\sigma\bigl(q\,\sigma(A)\bigr)\\ &=(1+q)I-qA =I-q(A-I), \end{aligned} \] ve benzer şekilde \[ \tau(K_2)=I-q(B-I). \] Böylece yansıma sonucu elde edilen doğru, \(AB\)'nin \(I\) merkezli ve \(-q\) oranlı homoteti altındaki görüntüsüdür.
Bu doğruyu tam olarak belirlemek için, \(\mathbf n\), \(AB\)'ye dik ve üçgenin içine yönelen birim normal vektör olsun. İç teğet çemberinin teğetliğinden \[ \mathbf n\cdot(A-I)=\mathbf n\cdot(B-I)=-r \] elde edilir. Dolayısıyla yansıma sonucu elde edilen doğrunun denklemi \[ \mathbf n\cdot(X-I)=rq \tag{1} \] olur.
Üçgen dar açılı olduğundan \(O\), üçgenin içindedir. \(O\)'nun \(AB\)'ye uzaklığı \(R\cos\gamma=Rq\)'dur: \(AB\) kirişi \(2\gamma\) merkez açısını gördüğünden, \(OAB\) ikizkenar üçgenini iki eş parçaya ayırarak bu uzaklık elde edilir. Dolayısıyla \[ \mathbf n\cdot(O-A)=\mathbf n\cdot(O-B)=Rq. \] \(P_1,P_2\)'nin tanımlarından, \[ \mathbf n\cdot(P_1-I) =\frac rR\,\mathbf n\cdot(O-A) =rq, \] ve benzer şekilde \(\mathbf n\cdot(P_2-I)=rq\) olur. Dolayısıyla her iki nokta da (1)'i sağlar ve yansıma sonucu elde edilen doğru tam olarak \(P_1P_2\)'dir.
İndisler döngüsel olarak değiştirilerek, diğer yansıma doğrularının \(P_2P_3\) ve \(P_3P_1\) olduğu görülür. Bunlar, köşelerinin tümü iç teğet çemberi üzerinde bulunan, dejenere olmayan \(P_1P_2P_3\) üçgenini oluşturur; istenen de budur.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2000 · Problema 6
\(A_1A_2A_3\) es un triángulo acutángulo. El pie de la altura trazada desde \(A_i\) es \(K_i\) y la circunferencia inscrita toca el lado opuesto a \(A_i\) en \(L_i\). La recta \(K_1K_2\) se refleja respecto de la recta \(L_1L_2\). Análogamente, la recta \(K_2K_3\) se refleja respecto de \(L_2L_3\) y \(K_3K_1\) se refleja respecto de \(L_3L_1\). Demostrar que las tres nuevas rectas forman un triángulo cuyos vértices están en la circunferencia inscrita.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sean \(I,O\) el incentro y el circuncentro, y sean \(r,R\) los radios de las circunferencias inscrita y circunscrita. Definamos los puntos \(P_1,P_2,P_3\) mediante \[ \overrightarrow{IP_i}=-\frac rR\,\overrightarrow{OA_i}. \] Entonces \(IP_i=r\), por lo que los tres puntos pertenecen a la circunferencia inscrita. Además, la aplicación \[ X\longmapsto I-\frac rR(X-O) \] es una semejanza de razón no nula. Por tanto, \(P_1,P_2,P_3\) son distintos y no colineales.
Demostraremos que la reflexión respecto de \(L_1L_2\) transforma la recta \(K_1K_2\) en \(P_1P_2\). Las otras dos afirmaciones se deducirán por permutación cíclica.
Escribamos \[ A=A_1,\qquad B=A_2,\qquad C=A_3,\qquad \gamma=\angle ACB,\qquad q=\cos\gamma>0. \] Sea \(\sigma\) la reflexión respecto de la bisectriz interior \(CI\), y sea \(\tau\) la reflexión respecto de \(L_1L_2\).
Primero determinamos la recta reflejada. Para este cálculo, tomemos \(C\) como origen e identifiquemos los puntos con sus vectores de posición. Como \(\sigma\) intercambia las semirrectas \(CA,CB\), las proyecciones que definen los pies de las alturas dan \[ K_1=q\,\sigma(A),\qquad K_2=q\,\sigma(B). \] En efecto, \(CK_1=CA\cos\gamma\) y \(CK_2=CB\cos\gamma\).
Sea \(M\) el punto medio de \(L_1L_2\). La simetría respecto de \(CI\) muestra que \(M\in CI\) y \(L_1L_2\perp CI\). Pongamos \(t=\gamma/2\). Los triángulos rectángulos \(CIL_1\) y \(CML_1\) dan \[ CL_1=CI\cos t,\qquad CM=CL_1\cos t=CI\cos^2t. \] En consecuencia, en nuestras coordenadas vectoriales, \[ 2M=(1+q)I. \] Como los dos ejes de reflexión son perpendiculares y se cortan en \(M\), \[ \tau(X)=2M-\sigma(X). \] Por ejemplo, tomando \(CI\) como eje horizontal, esta identidad es simplemente \((x,y)\mapsto(2CM-x,y)\). Por tanto, \[ \begin{aligned} \tau(K_1) &=2M-\sigma\bigl(q\,\sigma(A)\bigr)\\ &=(1+q)I-qA =I-q(A-I), \end{aligned} \] y, análogamente, \[ \tau(K_2)=I-q(B-I). \] Así, la recta reflejada es la imagen de \(AB\) por la homotecia de centro \(I\) y razón \(-q\).
Para identificar esta recta con precisión, sea \(\mathbf n\) el vector normal unitario a \(AB\) que apunta hacia el interior del triángulo. La tangencia de la circunferencia inscrita da \[ \mathbf n\cdot(A-I)=\mathbf n\cdot(B-I)=-r. \] Por tanto, la recta reflejada tiene ecuación \[ \mathbf n\cdot(X-I)=rq. \tag{1} \]
Como el triángulo es acutángulo, \(O\) está en su interior. Su distancia a \(AB\) es \(R\cos\gamma=Rq\): la cuerda \(AB\) subtiende el ángulo central \(2\gamma\), por lo que, al dividir el triángulo isósceles \(OAB\) en dos mitades, se obtiene esta distancia. Así, \[ \mathbf n\cdot(O-A)=\mathbf n\cdot(O-B)=Rq. \] Por las definiciones de \(P_1,P_2\), \[ \mathbf n\cdot(P_1-I) =\frac rR\,\mathbf n\cdot(O-A) =rq, \] y, del mismo modo, \(\mathbf n\cdot(P_2-I)=rq\). Por tanto, ambos puntos satisfacen (1), y la recta reflejada es exactamente \(P_1P_2\).
Por permutación cíclica, las otras rectas reflejadas son \(P_2P_3\) y \(P_3P_1\). Estas forman el triángulo no degenerado \(P_1P_2P_3\), cuyos vértices pertenecen todos a la circunferencia inscrita, como se quería demostrar.
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2000 · 问题 6
\(A_1A_2A_3\) 是一个锐角三角形。从 \(A_i\) 引出的高的垂足为 \(K_i\),内切圆与 \(A_i\) 的对边相切于 \(L_i\)。将直线 \(K_1K_2\) 关于直线 \(L_1L_2\) 作轴对称。同样地,将直线 \(K_2K_3\) 关于 \(L_2L_3\) 作轴对称,将直线 \(K_3K_1\) 关于 \(L_3L_1\) 作轴对称。证明:所得的三条新直线构成一个三角形,其顶点均在内切圆上。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
设 \(I,O\) 分别为内心和外心,\(r,R\) 分别为内切圆半径和外接圆半径。由 \[ \overrightarrow{IP_i}=-\frac rR\,\overrightarrow{OA_i}. \] 定义点 \(P_1,P_2,P_3\)。于是 \(IP_i=r\),所以这三个点均在内切圆上。而且,映射 \[ X\longmapsto I-\frac rR(X-O) \] 是相似比非零的相似变换。因此,\(P_1,P_2,P_3\) 两两不同且不共线。
我们将证明,关于 \(L_1L_2\) 的轴对称变换将直线 \(K_1K_2\) 映为 \(P_1P_2\)。其余两个结论将由循环置换得到。
记 \[ A=A_1,\qquad B=A_2,\qquad C=A_3,\qquad \gamma=\angle ACB,\qquad q=\cos\gamma>0. \] 设 \(\sigma\) 为关于内角平分线 \(CI\) 的轴对称变换,\(\tau\) 为关于 \(L_1L_2\) 的轴对称变换。
首先确定对称后的直线。为进行这一计算,以 \(C\) 为原点,并将各点视为位置向量。由于 \(\sigma\) 交换射线 \(CA,CB\),由高的垂足所对应的投影关系可得 \[ K_1=q\,\sigma(A),\qquad K_2=q\,\sigma(B). \] 事实上,\(CK_1=CA\cos\gamma\),且 \(CK_2=CB\cos\gamma\)。
设 \(M\) 为 \(L_1L_2\) 的中点。由关于 \(CI\) 的对称性可知,\(M\in CI\),且 \(L_1L_2\perp CI\)。令 \(t=\gamma/2\)。由直角三角形 \(CIL_1\) 和 \(CML_1\) 可得 \[ CL_1=CI\cos t,\qquad CM=CL_1\cos t=CI\cos^2t. \] 因此,在我们所取的向量坐标中, \[ 2M=(1+q)I. \] 由于这两条对称轴互相垂直且交于 \(M\), \[ \tau(X)=2M-\sigma(X). \] 例如,以 \(CI\) 为横轴时,这个恒等式就是 \((x,y)\mapsto(2CM-x,y)\)。因此 \[ \begin{aligned} \tau(K_1) &=2M-\sigma\bigl(q\,\sigma(A)\bigr)\\ &=(1+q)I-qA =I-q(A-I), \end{aligned} \] 类似地, \[ \tau(K_2)=I-q(B-I). \] 因此,对称后的直线是 \(AB\) 在以 \(I\) 为中心、位似比为 \(-q\) 的位似变换下的像。
为了精确确定这条直线,设 \(\mathbf n\) 为指向三角形内部的 \(AB\) 的单位法向量。由内切圆与边的相切关系可得 \[ \mathbf n\cdot(A-I)=\mathbf n\cdot(B-I)=-r. \] 因此,对称后的直线的方程为 \[ \mathbf n\cdot(X-I)=rq. \tag{1} \]
由于该三角形为锐角三角形,\(O\) 位于其内部。它到 \(AB\) 的距离为 \(R\cos\gamma=Rq\):弦 \(AB\) 所对的圆心角为 \(2\gamma\),因此将等腰三角形 \(OAB\) 对半分开即可得到这一距离。于是 \[ \mathbf n\cdot(O-A)=\mathbf n\cdot(O-B)=Rq. \] 由 \(P_1,P_2\) 的定义, \[ \mathbf n\cdot(P_1-I) =\frac rR\,\mathbf n\cdot(O-A) =rq, \] 同样地,\(\mathbf n\cdot(P_2-I)=rq\)。因此,这两个点都满足 (1),所以对称后的直线恰为 \(P_1P_2\)。
循环置换可得,另外两条对称后的直线为 \(P_2P_3\) 和 \(P_3P_1\)。它们构成非退化三角形 \(P_1P_2P_3\),其顶点均位于内切圆上,结论得证。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2000 · Задача 6
\(A_1A_2A_3\) — остроугольный треугольник. Основание высоты, проведённой из \(A_i\), обозначено через \(K_i\), а вписанная окружность касается стороны, противоположной \(A_i\), в точке \(L_i\). Прямую \(K_1K_2\) отражают относительно прямой \(L_1L_2\). Аналогично прямую \(K_2K_3\) отражают относительно \(L_2L_3\), а \(K_3K_1\) — относительно \(L_3L_1\). Докажите, что три полученные прямые образуют треугольник, вершины которого лежат на вписанной окружности.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Пусть \(I,O\) — центры вписанной и описанной окружностей, а \(r,R\) — их радиусы соответственно. Определим точки \(P_1,P_2,P_3\) равенствами \[ \overrightarrow{IP_i}=-\frac rR\,\overrightarrow{OA_i}. \] Тогда \(IP_i=r\), поэтому все три точки лежат на вписанной окружности. Кроме того, отображение \[ X\longmapsto I-\frac rR(X-O) \] является подобием с ненулевым коэффициентом. Следовательно, точки \(P_1,P_2,P_3\) различны и не лежат на одной прямой.
Докажем, что отражение относительно \(L_1L_2\) переводит прямую \(K_1K_2\) в \(P_1P_2\). Два остальных утверждения будут следовать циклической перестановкой индексов.
Положим \[ A=A_1,\qquad B=A_2,\qquad C=A_3,\qquad \gamma=\angle ACB,\qquad q=\cos\gamma>0. \] Обозначим через \(\sigma\) отражение относительно биссектрисы внутреннего угла \(CI\), а через \(\tau\) — отражение относительно \(L_1L_2\).
Сначала определим отражённую прямую. Для этого вычисления выберем \(C\) в качестве начала координат и будем отождествлять точки с их радиус-векторами. Поскольку \(\sigma\) меняет местами лучи \(CA,CB\), из свойств оснований высот получаем \[ K_1=q\,\sigma(A),\qquad K_2=q\,\sigma(B). \] Действительно, \(CK_1=CA\cos\gamma\) и \(CK_2=CB\cos\gamma\).
Пусть \(M\) — середина \(L_1L_2\). Из симметрии относительно \(CI\) следует, что \(M\in CI\) и \(L_1L_2\perp CI\). Положим \(t=\gamma/2\). Из прямоугольных треугольников \(CIL_1\) и \(CML_1\) получаем \[ CL_1=CI\cos t,\qquad CM=CL_1\cos t=CI\cos^2t. \] Следовательно, в выбранных векторных координатах \[ 2M=(1+q)I. \] Поскольку оси двух отражений перпендикулярны и пересекаются в \(M\), \[ \tau(X)=2M-\sigma(X). \] Например, если принять \(CI\) за горизонтальную ось, это тождество имеет простой вид \((x,y)\mapsto(2CM-x,y)\). Поэтому \[ \begin{aligned} \tau(K_1) &=2M-\sigma\bigl(q\,\sigma(A)\bigr)\\ &=(1+q)I-qA =I-q(A-I), \end{aligned} \] и аналогично \[ \tau(K_2)=I-q(B-I). \] Таким образом, отражённая прямая является образом \(AB\) при гомотетии с центром \(I\) и коэффициентом \(-q\).
Чтобы точно определить эту прямую, обозначим через \(\mathbf n\) единичную нормаль к \(AB\), направленную внутрь треугольника. Из условия касания вписанной окружности следует \[ \mathbf n\cdot(A-I)=\mathbf n\cdot(B-I)=-r. \] Поэтому отражённая прямая задаётся уравнением \[ \mathbf n\cdot(X-I)=rq. \tag{1} \]
Поскольку треугольник остроугольный, \(O\) лежит внутри него. Расстояние от этой точки до \(AB\) равно \(R\cos\gamma=Rq\): хорда \(AB\) стягивает центральный угол \(2\gamma\), поэтому, разделив равнобедренный треугольник \(OAB\) пополам, получаем это расстояние. Таким образом, \[ \mathbf n\cdot(O-A)=\mathbf n\cdot(O-B)=Rq. \] По определению \(P_1,P_2\), \[ \mathbf n\cdot(P_1-I) =\frac rR\,\mathbf n\cdot(O-A) =rq, \] и аналогично \(\mathbf n\cdot(P_2-I)=rq\). Следовательно, обе точки удовлетворяют (1), и отражённая прямая — в точности \(P_1P_2\).
Циклической перестановкой индексов получаем, что две другие отражённые прямые — это \(P_2P_3\) и \(P_3P_1\). Они образуют невырожденный треугольник \(P_1P_2P_3\), все вершины которого лежат на вписанной окружности, что и требовалось доказать.
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2000 · المسألة 6
المثلث \(A_1A_2A_3\) حاد الزوايا. قدم الارتفاع النازل من \(A_i\) هي \(K_i\)، وتمس الدائرة الداخلية الضلع المقابل للرأس \(A_i\) عند \(L_i\). يُعكس المستقيم \(K_1K_2\) حول المستقيم \(L_1L_2\). وبالمثل، يُعكس المستقيم \(K_2K_3\) حول \(L_2L_3\)، والمستقيم \(K_3K_1\) حول \(L_3L_1\). أثبت أن المستقيمات الثلاثة الجديدة تشكّل مثلثًا تقع رؤوسه على الدائرة الداخلية.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لتكن \(I,O\) مركزي الدائرتين الداخلية والمحيطة، ولتكن \(r,R\) نصفي قطري الدائرتين الداخلية والمحيطة، على الترتيب. نعرّف النقاط \(P_1,P_2,P_3\) بالعلاقة \[ \overrightarrow{IP_i}=-\frac rR\,\overrightarrow{OA_i}. \] عندئذ \(IP_i=r\)، فتقع النقاط الثلاث جميعًا على الدائرة الداخلية. وفضلًا عن ذلك، فإن التحويل \[ X\longmapsto I-\frac rR(X-O) \] تشابه ذو نسبة غير صفرية. إذن \(P_1,P_2,P_3\) نقاط متمايزة وغير واقعة على استقامة واحدة.
سنثبت أن الانعكاس حول \(L_1L_2\) يحوّل المستقيم \(K_1K_2\) إلى \(P_1P_2\). وتنتج العبارتان الأخريان بالتبديل الدوري.
نكتب \[ A=A_1,\qquad B=A_2,\qquad C=A_3,\qquad \gamma=\angle ACB,\qquad q=\cos\gamma>0. \] ليكن \(\sigma\) الانعكاس حول منصف الزاوية الداخلية \(CI\)، وليكن \(\tau\) الانعكاس حول \(L_1L_2\).
نحدد أولًا المستقيم الناتج عن الانعكاس. لإجراء هذا الحساب، نتخذ \(C\) أصلًا للإحداثيات ونعدّ النقاط متجهات موضع. بما أن \(\sigma\) يبادل الشعاعين \(CA,CB\)، فإن الإسقاطين العموديين يعطيان \[ K_1=q\,\sigma(A),\qquad K_2=q\,\sigma(B). \] فبالفعل، \(CK_1=CA\cos\gamma\) و\(CK_2=CB\cos\gamma\).
لتكن \(M\) منتصف \(L_1L_2\). يبيّن التناظر حول \(CI\) أن \(M\in CI\) وأن \(L_1L_2\perp CI\). نضع \(t=\gamma/2\). يعطي المثلثان القائمان \(CIL_1\) و\(CML_1\) \[ CL_1=CI\cos t,\qquad CM=CL_1\cos t=CI\cos^2t. \] ومن ثم، في إحداثياتنا المتجهية، \[ 2M=(1+q)I. \] بما أن محوري الانعكاس متعامدان ويتقاطعان عند \(M\)، فإن \[ \tau(X)=2M-\sigma(X). \] فمثلًا، باتخاذ \(CI\) محورًا أفقيًا، تكون هذه الهوية ببساطة \((x,y)\mapsto(2CM-x,y)\). لذلك \[ \begin{aligned} \tau(K_1) &=2M-\sigma\bigl(q\,\sigma(A)\bigr)\\ &=(1+q)I-qA =I-q(A-I), \end{aligned} \] وبالمثل \[ \tau(K_2)=I-q(B-I). \] إذن المستقيم الناتج عن الانعكاس هو صورة \(AB\) بالتحاكي الذي مركزه \(I\) ونسبته \(-q\).
لتحديد هذا المستقيم بدقة، ليكن \(\mathbf n\) متجه وحدة عموديًا على \(AB\) ومتجهًا إلى داخل المثلث. يعطي تماس الدائرة الداخلية \[ \mathbf n\cdot(A-I)=\mathbf n\cdot(B-I)=-r. \] ومن ثم تكون معادلة المستقيم الناتج عن الانعكاس \[ \mathbf n\cdot(X-I)=rq. \tag{1} \]
بما أن المثلث حاد الزوايا، فإن \(O\) تقع داخله. وبعدها عن \(AB\) هو \(R\cos\gamma=Rq\): فالوتر \(AB\) يقابل الزاوية المركزية \(2\gamma\)، ومن ثم فإن تنصيف المثلث المتساوي الساقين \(OAB\) يعطي هذا البعد. إذن \[ \mathbf n\cdot(O-A)=\mathbf n\cdot(O-B)=Rq. \] من تعريف \(P_1,P_2\)، \[ \mathbf n\cdot(P_1-I) =\frac rR\,\mathbf n\cdot(O-A) =rq, \] وبالمثل \(\mathbf n\cdot(P_2-I)=rq\). لذلك تحقق النقطتان كلتاهما (1)، والمستقيم الناتج عن الانعكاس هو بالضبط \(P_1P_2\).
بالتبديل الدوري، يكون المستقيمان الآخران الناتجان عن الانعكاس هما \(P_2P_3\) و\(P_3P_1\). وتشكّل هذه المستقيمات المثلث غير المنعدم \(P_1P_2P_3\)، الذي تقع رؤوسه جميعًا على الدائرة الداخلية، كما هو مطلوب.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.