IMO 2002 · Problem 2
\(BC\) is a diameter of a circle center \(O\). \(A\) is any point on the circle with \(\angle AOC > 60^\circ\). \(EF\) is the chord which is the perpendicular bisector of \(AO\). \(D\) is the midpoint of the minor arc \(AB\). The line through \(O\) parallel to \(AD\) meets \(AC\) at \(J\). Show that \(J\) is the incenter of triangle \(CEF\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
First suppose \(A\ne B\), so that the stated construction is nondegenerate. Let the circle have radius \(R\), and let \(I\) be the incenter of triangle \(CEF\). We will prove that \(OI\parallel AD\).
Since \(E\) and \(F\) lie on the perpendicular bisector of \(AO\), \[ AE=OE=R,\qquad AF=OF=R. \] Thus \(AOE\) and \(AOF\) are equilateral triangles on opposite sides of \(AO\). Consequently, \(A\) is the midpoint of the minor arc \(EF\), and the minor arcs \(EA\) and \(AF\) each measure \(60^\circ\).
The hypothesis \(\angle AOC>60^\circ\) places \(C\) on the open major arc \(EF\). Hence \[ \angle ECA=\angle ACF=\angle AEF=30^\circ. \] In particular, \(CA\) is the internal angle bisector at \(C\). Since \(A\) and \(C\) lie on opposite sides of \(EF\), the points \(C,I,A\) are collinear in that order.
Write \(\beta=\angle CEF\). Because \(EI\) bisects this angle and \(A\) lies on the opposite side of \(EF\) from \(I\), \[ \angle AEI=\angle AEF+\angle FEI =30^\circ+\frac{\beta}{2}. \] On the other hand, \(IA\) is the extension of \(CI\), so the exterior-angle theorem in triangle \(CEI\) gives \[ \angle EIA=\angle ECI+\angle CEI =30^\circ+\frac{\beta}{2}. \] Therefore triangle \(AEI\) is isosceles, and \[ AI=AE=R. \tag{1} \]
Now let \(M\) be the midpoint of \(AB\). Since \(D\) is the midpoint of the minor arc \(AB\), \(O,M,D\) are collinear, with \(M\) between \(O\) and \(D\). Also, because \(O\) and \(M\) are the midpoints of \(BC\) and \(BA\), \[ \overrightarrow{OM}=\frac12\overrightarrow{CA}. \] It follows that \(\overrightarrow{DO}\) has the same direction as \(\overrightarrow{AC}\). Its length is \(R\); by (1), and because \(I\) lies on segment \(AC\), we obtain \[ \overrightarrow{AI}=\overrightarrow{DO}. \] Thus \(ADOI\) is a parallelogram, so \(OI\parallel AD\). Since \(I\in AC\), the defining intersection \(J\) is precisely \(I\). This proves the result.
For completeness, \(A=C\) and \(C\in\{E,F\}\) are excluded by the strict angle hypothesis. If \(A=B\), then \(D=A\), so the line \(AD\) is undefined; this coincident case is implicitly excluded by the construction. Under its natural limiting interpretation, \(AD\) becomes the tangent at \(B\), giving \(J=O\). In that case all three sides of \(CEF\) have length \(\sqrt3R\), so \(CEF\) is equilateral with incenter \(O\), consistent with the conclusion.
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2002 · Aufgabe 2
\(BC\) ist ein Durchmesser eines Kreises mit Mittelpunkt \(O\). \(A\) ist ein beliebiger Punkt auf dem Kreis mit \(\angle AOC > 60^\circ\). \(EF\) ist die Sehne, die auf der Mittelsenkrechten von \(AO\) liegt. \(D\) ist der Mittelpunkt des kleineren Kreisbogens \(AB\). Die Gerade durch \(O\), die parallel zu \(AD\) ist, schneidet \(AC\) in \(J\). Zeige, dass \(J\) der Inkreismittelpunkt des Dreiecks \(CEF\) ist.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Nehmen wir zunächst \(A\ne B\) an, sodass die angegebene Konstruktion nicht entartet ist. Der Kreis habe den Radius \(R\), und es sei \(I\) der Inkreismittelpunkt des Dreiecks \(CEF\). Wir werden \(OI\parallel AD\) beweisen.
Da \(E\) und \(F\) auf der Mittelsenkrechten von \(AO\) liegen, gilt \[ AE=OE=R,\qquad AF=OF=R. \] Somit sind \(AOE\) und \(AOF\) gleichseitige Dreiecke auf gegenüberliegenden Seiten von \(AO\). Folglich ist \(A\) der Mittelpunkt des kleineren Kreisbogens \(EF\), und die kleineren Kreisbögen \(EA\) und \(AF\) haben jeweils das Winkelmaß \(60^\circ\).
Wegen der Voraussetzung \(\angle AOC>60^\circ\) liegt \(C\) im Inneren des größeren Kreisbogens \(EF\). Daher gilt \[ \angle ECA=\angle ACF=\angle AEF=30^\circ. \] Insbesondere ist \(CA\) die innere Winkelhalbierende bei \(C\). Da \(A\) und \(C\) auf gegenüberliegenden Seiten von \(EF\) liegen, liegen die Punkte \(C,I,A\) in dieser Reihenfolge auf einer Geraden.
Setzen wir \(\beta=\angle CEF\). Da \(EI\) diesen Winkel halbiert und \(A\) auf der gegenüberliegenden Seite von \(EF\) wie \(I\) liegt, gilt \[ \angle AEI=\angle AEF+\angle FEI =30^\circ+\frac{\beta}{2}. \] Andererseits ist \(IA\) die Verlängerung von \(CI\), sodass der Außenwinkelsatz im Dreieck \(CEI\) ergibt: \[ \angle EIA=\angle ECI+\angle CEI =30^\circ+\frac{\beta}{2}. \] Also ist das Dreieck \(AEI\) gleichschenklig, und es gilt \[ AI=AE=R. \tag{1} \]
Sei nun \(M\) der Mittelpunkt von \(AB\). Da \(D\) der Mittelpunkt des kleineren Kreisbogens \(AB\) ist, liegen \(O,M,D\) auf einer Geraden, wobei \(M\) zwischen \(O\) und \(D\) liegt. Da außerdem \(O\) und \(M\) die Mittelpunkte von \(BC\) bzw. \(BA\) sind, gilt \[ \overrightarrow{OM}=\frac12\overrightarrow{CA}. \] Daraus folgt, dass \(\overrightarrow{DO}\) dieselbe Richtung wie \(\overrightarrow{AC}\) hat. Seine Länge ist \(R\); nach (1) und da \(I\) auf der Strecke \(AC\) liegt, erhalten wir \[ \overrightarrow{AI}=\overrightarrow{DO}. \] Somit ist \(ADOI\) ein Parallelogramm, also gilt \(OI\parallel AD\). Wegen \(I\in AC\) ist der durch die Konstruktion definierte Schnittpunkt \(J\) genau \(I\). Damit ist die Behauptung bewiesen.
Der Vollständigkeit halber sei angemerkt, dass \(A=C\) und \(C\in\{E,F\}\) durch die strenge Winkelbedingung ausgeschlossen sind. Falls \(A=B\), ist \(D=A\), sodass die Gerade \(AD\) nicht definiert ist; dieser Fall zusammenfallender Punkte ist durch die Konstruktion implizit ausgeschlossen. Bei der natürlichen Interpretation als Grenzfall wird \(AD\) zur Tangente in \(B\), woraus \(J=O\) folgt. In diesem Fall haben alle drei Seiten von \(CEF\) die Länge \(\sqrt3R\), sodass \(CEF\) gleichseitig ist und den Inkreismittelpunkt \(O\) hat, im Einklang mit der Behauptung.
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2002 · Soru 2
\(BC\), merkezi \(O\) olan bir çemberin çapıdır. \(A\), çember üzerinde \(\angle AOC > 60^\circ\) koşulunu sağlayan herhangi bir noktadır. \(EF\), \(AO\)'nun orta dikmesi üzerinde bulunan kiriştir. \(D\), küçük \(AB\) yayının orta noktasıdır. \(O\)'dan geçen ve \(AD\)'ye paralel olan doğru, \(AC\)'yi \(J\) noktasında keser. \(J\)'nin \(CEF\) üçgeninin içteğet çemberinin merkezi olduğunu gösteriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Önce \(A\ne B\) olduğunu varsayalım; böylece verilen geometrik inşa dejenere değildir. Çemberin yarıçapı \(R\), \(CEF\) üçgeninin içteğet çemberinin merkezi ise \(I\) olsun. \(OI\parallel AD\) olduğunu kanıtlayacağız.
\(E\) ve \(F\), \(AO\)'nun orta dikmesi üzerinde olduğundan, \[ AE=OE=R,\qquad AF=OF=R. \] Dolayısıyla \(AOE\) ve \(AOF\), \(AO\)'nun farklı taraflarında bulunan eşkenar üçgenlerdir. Bunun sonucunda \(A\), küçük \(EF\) yayının orta noktasıdır ve küçük \(EA\) ve \(AF\) yaylarının her birinin ölçüsü \(60^\circ\)'dir.
\(\angle AOC>60^\circ\) varsayımı gereği \(C\), büyük \(EF\) yayının uç noktaları dışında kalan kısmındadır. Bu nedenle \[ \angle ECA=\angle ACF=\angle AEF=30^\circ. \] Özellikle \(CA\), \(C\) köşesindeki iç açıortaydır. \(A\) ve \(C\), \(EF\)'nin farklı taraflarında bulunduğundan, \(C,I,A\) noktaları bu sırayla doğrusaldır.
\(\beta=\angle CEF\) yazalım. \(EI\) bu açıyı ortaladığından ve \(A\) ile \(I\), \(EF\)'nin farklı taraflarında bulunduğundan, \[ \angle AEI=\angle AEF+\angle FEI =30^\circ+\frac{\beta}{2}. \] Öte yandan \(IA\), \(CI\)'nin uzantısı olduğundan, \(CEI\) üçgeninde dış açı teoremi ile \[ \angle EIA=\angle ECI+\angle CEI =30^\circ+\frac{\beta}{2}. \] Dolayısıyla \(AEI\) üçgeni ikizkenardır ve \[ AI=AE=R. \tag{1} \]
Şimdi \(M\), \(AB\)'nin orta noktası olsun. \(D\), küçük \(AB\) yayının orta noktası olduğundan, \(O,M,D\) doğrusaldır ve \(M\), \(O\) ile \(D\) arasındadır. Ayrıca \(O\) ve \(M\), sırasıyla \(BC\) ve \(BA\)'nın orta noktaları olduğundan, \[ \overrightarrow{OM}=\frac12\overrightarrow{CA}. \] Buradan \(\overrightarrow{DO}\)'nun \(\overrightarrow{AC}\) ile aynı yönde olduğu çıkar. Uzunluğu \(R\)'dir; (1) ve \(I\)'nın \(AC\) doğru parçası üzerinde olması nedeniyle \[ \overrightarrow{AI}=\overrightarrow{DO}. \] Böylece \(ADOI\) bir paralelkenardır; dolayısıyla \(OI\parallel AD\). \(I\in AC\) olduğundan, tanımda verilen kesişim noktası \(J\), tam olarak \(I\)'dır. Bu, sonucu kanıtlar.
Eksiksizlik açısından, \(A=C\) ve \(C\in\{E,F\}\) durumlarının açıya ilişkin kesin eşitsizlik varsayımıyla dışlandığını belirtelim. \(A=B\) ise \(D=A\) olur; bu nedenle \(AD\) doğrusu tanımsızdır ve bu çakışma durumu geometrik inşada örtük olarak dışlanmıştır. Doğal limit yorumunda \(AD\), \(B\) noktasındaki teğete dönüşür ve \(J=O\) elde edilir. Bu durumda \(CEF\)'nin üç kenarının da uzunluğu \(\sqrt3R\) olduğundan, \(CEF\), içteğet çemberinin merkezi \(O\) olan bir eşkenar üçgendir ve bu da sonuçla uyumludur.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2002 · Problema 2
\(BC\) es un diámetro de una circunferencia de centro \(O\). \(A\) es un punto cualquiera de la circunferencia tal que \(\angle AOC > 60^\circ\). \(EF\) es la cuerda que está sobre la mediatriz de \(AO\). \(D\) es el punto medio del arco menor \(AB\). La recta que pasa por \(O\) y es paralela a \(AD\) corta a \(AC\) en \(J\). Demostrar que \(J\) es el incentro del triángulo \(CEF\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Supongamos primero que \(A\ne B\), de modo que la construcción indicada no es degenerada. Sea \(R\) el radio de la circunferencia y sea \(I\) el incentro del triángulo \(CEF\). Demostraremos que \(OI\parallel AD\).
Como \(E\) y \(F\) pertenecen a la mediatriz de \(AO\), \[ AE=OE=R,\qquad AF=OF=R. \] Así, \(AOE\) y \(AOF\) son triángulos equiláteros situados a lados opuestos de \(AO\). En consecuencia, \(A\) es el punto medio del arco menor \(EF\), y los arcos menores \(EA\) y \(AF\) miden \(60^\circ\) cada uno.
La hipótesis \(\angle AOC>60^\circ\) sitúa a \(C\) en el arco mayor abierto \(EF\). Por tanto, \[ \angle ECA=\angle ACF=\angle AEF=30^\circ. \] En particular, \(CA\) es la bisectriz interior del ángulo en \(C\). Como \(A\) y \(C\) están a lados opuestos de \(EF\), los puntos \(C,I,A\) están alineados en ese orden.
Escribamos \(\beta=\angle CEF\). Como \(EI\) es la bisectriz de este ángulo y \(A\) está al lado opuesto de \(EF\) respecto de \(I\), \[ \angle AEI=\angle AEF+\angle FEI =30^\circ+\frac{\beta}{2}. \] Por otro lado, \(IA\) es la prolongación de \(CI\), por lo que el teorema del ángulo exterior aplicado al triángulo \(CEI\) da \[ \angle EIA=\angle ECI+\angle CEI =30^\circ+\frac{\beta}{2}. \] Por tanto, el triángulo \(AEI\) es isósceles, y \[ AI=AE=R. \tag{1} \]
Sea ahora \(M\) el punto medio de \(AB\). Como \(D\) es el punto medio del arco menor \(AB\), \(O,M,D\) están alineados, con \(M\) entre \(O\) y \(D\). Además, como \(O\) y \(M\) son los puntos medios de \(BC\) y \(BA\), \[ \overrightarrow{OM}=\frac12\overrightarrow{CA}. \] Se deduce que \(\overrightarrow{DO}\) tiene la misma dirección y el mismo sentido que \(\overrightarrow{AC}\). Su longitud es \(R\); por (1), y como \(I\) pertenece al segmento \(AC\), obtenemos \[ \overrightarrow{AI}=\overrightarrow{DO}. \] Así, \(ADOI\) es un paralelogramo, de modo que \(OI\parallel AD\). Como \(I\in AC\), la intersección que define a \(J\) es precisamente \(I\). Esto demuestra el resultado.
Para completar la discusión, los casos \(A=C\) y \(C\in\{E,F\}\) quedan excluidos por la hipótesis estricta sobre el ángulo. Si \(A=B\), entonces \(D=A\), por lo que la recta \(AD\) no está definida; este caso de coincidencia queda implícitamente excluido por la construcción. Bajo su interpretación natural como caso límite, \(AD\) se convierte en la tangente en \(B\), lo que da \(J=O\). En ese caso, los tres lados de \(CEF\) tienen longitud \(\sqrt3R\), por lo que \(CEF\) es equilátero con incentro \(O\), en consonancia con la conclusión.
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2002 · 问题 2
\(BC\) 是以 \(O\) 为圆心的圆的一条直径。\(A\) 是圆上满足 \(\angle AOC > 60^\circ\) 的任意一点。\(EF\) 是位于 \(AO\) 的垂直平分线上的弦。\(D\) 是劣弧 \(AB\) 的中点。过 \(O\) 作平行于 \(AD\) 的直线,与 \(AC\) 交于 \(J\)。证明:\(J\) 是三角形 \(CEF\) 的内心。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
先假设 \(A\ne B\),从而题述作图不退化。设圆的半径为 \(R\),三角形 \(CEF\) 的内心为 \(I\)。我们将证明 \(OI\parallel AD\)。
由于 \(E\) 和 \(F\) 位于 \(AO\) 的垂直平分线上, \[ AE=OE=R,\qquad AF=OF=R. \] 因此,\(AOE\) 和 \(AOF\) 是位于 \(AO\) 两侧的等边三角形。所以,\(A\) 是劣弧 \(EF\) 的中点,且劣弧 \(EA\) 和 \(AF\) 的度数均为 \(60^\circ\)。
由条件 \(\angle AOC>60^\circ\) 可知,\(C\) 位于优弧 \(EF\) 上且不在端点处。因此 \[ \angle ECA=\angle ACF=\angle AEF=30^\circ. \] 特别地,\(CA\) 是顶点 \(C\) 处的内角平分线。由于 \(A\) 和 \(C\) 位于 \(EF\) 的两侧,点 \(C,I,A\) 依此次序共线。
记 \(\beta=\angle CEF\)。由于 \(EI\) 平分此角,且 \(A\) 与 \(I\) 位于 \(EF\) 的两侧, \[ \angle AEI=\angle AEF+\angle FEI =30^\circ+\frac{\beta}{2}. \] 另一方面,\(IA\) 是 \(CI\) 的延长线,因此由三角形 \(CEI\) 的外角定理得 \[ \angle EIA=\angle ECI+\angle CEI =30^\circ+\frac{\beta}{2}. \] 所以三角形 \(AEI\) 是等腰三角形,且 \[ AI=AE=R. \tag{1} \]
现在设 \(M\) 为 \(AB\) 的中点。由于 \(D\) 是劣弧 \(AB\) 的中点,\(O,M,D\) 共线,且 \(M\) 位于 \(O\) 与 \(D\) 之间。又因为 \(O\) 和 \(M\) 分别为 \(BC\) 和 \(BA\) 的中点, \[ \overrightarrow{OM}=\frac12\overrightarrow{CA}. \] 由此可知,\(\overrightarrow{DO}\) 与 \(\overrightarrow{AC}\) 同向。它的长度为 \(R\);由 (1),再结合 \(I\) 在线段 \(AC\) 上,得到 \[ \overrightarrow{AI}=\overrightarrow{DO}. \] 因此,\(ADOI\) 是平行四边形,所以 \(OI\parallel AD\)。由于 \(I\in AC\),按定义得到的交点 \(J\) 正是 \(I\)。结论得证。
为完整起见,严格的角度条件排除了 \(A=C\) 和 \(C\in\{E,F\}\) 的情形。如果 \(A=B\),则 \(D=A\),因此直线 \(AD\) 无法定义;题述作图已隐含地排除了这种重合情形。若按自然的极限意义理解,\(AD\) 成为圆在 \(B\) 点的切线,从而 \(J=O\)。此时,\(CEF\) 的三条边长均为 \(\sqrt3R\),所以 \(CEF\) 是内心为 \(O\) 的等边三角形,与结论一致。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2002 · Задача 2
\(BC\) — диаметр окружности с центром \(O\). \(A\) — произвольная точка этой окружности, для которой \(\angle AOC > 60^\circ\). \(EF\) — хорда, лежащая на серединном перпендикуляре к \(AO\). \(D\) — середина меньшей дуги \(AB\). Прямая, проходящая через \(O\) параллельно \(AD\), пересекает \(AC\) в точке \(J\). Докажите, что \(J\) — центр вписанной окружности треугольника \(CEF\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Сначала предположим, что \(A\ne B\), так что указанное построение невырождено. Пусть радиус окружности равен \(R\), а \(I\) — центр вписанной окружности треугольника \(CEF\). Докажем, что \(OI\parallel AD\).
Поскольку \(E\) и \(F\) лежат на серединном перпендикуляре к \(AO\), \[ AE=OE=R,\qquad AF=OF=R. \] Таким образом, \(AOE\) и \(AOF\) — равносторонние треугольники, расположенные по разные стороны от \(AO\). Следовательно, \(A\) — середина меньшей дуги \(EF\), а меньшие дуги \(EA\) и \(AF\) имеют градусную меру \(60^\circ\) каждая.
Из условия \(\angle AOC>60^\circ\) следует, что \(C\) лежит на большей дуге \(EF\), не совпадая с её концами. Поэтому \[ \angle ECA=\angle ACF=\angle AEF=30^\circ. \] В частности, \(CA\) — биссектриса внутреннего угла при вершине \(C\). Поскольку \(A\) и \(C\) лежат по разные стороны от \(EF\), точки \(C,I,A\) лежат на одной прямой именно в этом порядке.
Положим \(\beta=\angle CEF\). Поскольку \(EI\) — биссектриса этого угла, а \(A\) лежит по другую сторону от \(EF\), чем \(I\), \[ \angle AEI=\angle AEF+\angle FEI =30^\circ+\frac{\beta}{2}. \] С другой стороны, \(IA\) является продолжением \(CI\), поэтому по теореме о внешнем угле треугольника \(CEI\) \[ \angle EIA=\angle ECI+\angle CEI =30^\circ+\frac{\beta}{2}. \] Следовательно, треугольник \(AEI\) равнобедренный и \[ AI=AE=R. \tag{1} \]
Теперь пусть \(M\) — середина \(AB\). Поскольку \(D\) — середина меньшей дуги \(AB\), точки \(O,M,D\) лежат на одной прямой, причём \(M\) находится между \(O\) и \(D\). Кроме того, поскольку \(O\) и \(M\) — середины \(BC\) и \(BA\), \[ \overrightarrow{OM}=\frac12\overrightarrow{CA}. \] Отсюда следует, что \(\overrightarrow{DO}\) сонаправлен с \(\overrightarrow{AC}\). Его длина равна \(R\); из (1) и того, что \(I\) лежит на отрезке \(AC\), получаем \[ \overrightarrow{AI}=\overrightarrow{DO}. \] Таким образом, \(ADOI\) — параллелограмм, поэтому \(OI\parallel AD\). Поскольку \(I\in AC\), точка пересечения \(J\), заданная в условии, совпадает с \(I\). Утверждение доказано.
Для полноты отметим, что случаи \(A=C\) и \(C\in\{E,F\}\) исключены строгим неравенством для угла в условии. Если \(A=B\), то \(D=A\), поэтому прямая \(AD\) не определена; этот случай совпадения точек неявно исключён самим построением. При естественной предельной интерпретации \(AD\) становится касательной в точке \(B\), откуда \(J=O\). В этом случае все три стороны треугольника \(CEF\) имеют длину \(\sqrt3R\), так что \(CEF\) — равносторонний треугольник с центром вписанной окружности \(O\), что согласуется с утверждением задачи.
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2002 · المسألة 2
ليكن \(BC\) قطرًا لدائرة مركزها \(O\). ولتكن \(A\) أي نقطة على الدائرة تحقق \(\angle AOC > 60^\circ\). وليكن \(EF\) الوتر الذي يكون مستقيمه المنصف العمودي للقطعة \(AO\). ولتكن \(D\) منتصف القوس الأصغر \(AB\). يقطع المستقيم المار بـ \(O\) والموازي لـ \(AD\) المستقيم \(AC\) عند \(J\). أثبت أن \(J\) مركز الدائرة الداخلية للمثلث \(CEF\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لنفترض أولًا أن \(A\ne B\)، بحيث يكون الإنشاء المذكور غير منحل. ليكن نصف قطر الدائرة \(R\)، ولتكن \(I\) مركز الدائرة الداخلية للمثلث \(CEF\). سنثبت أن \(OI\parallel AD\).
بما أن \(E\) و\(F\) تقعان على المنصف العمودي للقطعة \(AO\)، فإن \[ AE=OE=R,\qquad AF=OF=R. \] إذن \(AOE\) و\(AOF\) مثلثان متساويا الأضلاع يقعان على جهتين متقابلتين من \(AO\). وبناءً عليه، تكون \(A\) منتصف القوس الأصغر \(EF\)، ويكون قياس كل من القوسين الأصغرين \(EA\) و\(AF\) هو \(60^\circ\).
يفرض الشرط \(\angle AOC>60^\circ\) أن تقع \(C\) على القوس الأكبر المفتوح \(EF\). ومن ثم \[ \angle ECA=\angle ACF=\angle AEF=30^\circ. \] وعلى وجه الخصوص، يكون \(CA\) منصف الزاوية الداخلية عند \(C\). وبما أن \(A\) و\(C\) تقعان على جهتين متقابلتين من \(EF\)، فإن النقاط \(C,I,A\) تقع على استقامة واحدة بهذا الترتيب.
لنضع \(\beta=\angle CEF\). بما أن \(EI\) ينصف هذه الزاوية، وأن \(A\) تقع في الجهة المقابلة لـ \(I\) بالنسبة إلى \(EF\)، فإن \[ \angle AEI=\angle AEF+\angle FEI =30^\circ+\frac{\beta}{2}. \] ومن جهة أخرى، فإن \(IA\) امتداد لـ \(CI\)، لذا تعطينا نظرية الزاوية الخارجية في المثلث \(CEI\) \[ \angle EIA=\angle ECI+\angle CEI =30^\circ+\frac{\beta}{2}. \] إذن المثلث \(AEI\) متساوي الساقين، و \[ AI=AE=R. \tag{1} \]
لتكن الآن \(M\) منتصف \(AB\). بما أن \(D\) منتصف القوس الأصغر \(AB\)، فإن \(O,M,D\) تقع على استقامة واحدة، وتقع \(M\) بين \(O\) و\(D\). كذلك، بما أن \(O\) و\(M\) منتصفا \(BC\) و\(BA\)، فإن \[ \overrightarrow{OM}=\frac12\overrightarrow{CA}. \] يترتب على ذلك أن \(\overrightarrow{DO}\) له اتجاه \(\overrightarrow{AC}\) نفسه. وطوله \(R\)؛ ومن (1)، وبما أن \(I\) تقع على القطعة \(AC\)، نحصل على \[ \overrightarrow{AI}=\overrightarrow{DO}. \] إذن \(ADOI\) متوازي أضلاع، وبالتالي \(OI\parallel AD\). وبما أن \(I\in AC\)، فإن نقطة التقاطع \(J\) المحددة في المسألة هي \(I\) بالضبط. وهذا يثبت النتيجة.
استكمالًا للبيان، فإن الفرض الصارم على الزاوية يستبعد الحالتين \(A=C\) و\(C\in\{E,F\}\). وإذا كان \(A=B\)، فإن \(D=A\)، ومن ثم لا يكون المستقيم \(AD\) معرَّفًا؛ وهذه الحالة التي تتطابق فيها النقطتان مستبعدة ضمنًا من الإنشاء. ووفق تفسيرها الحدي الطبيعي، يصبح \(AD\) المماس عند \(B\)، فنحصل على \(J=O\). وفي هذه الحالة، يكون طول كل من الأضلاع الثلاثة للمثلث \(CEF\) هو \(\sqrt3R\)، ومن ثم يكون \(CEF\) متساوي الأضلاع ومركز دائرته الداخلية \(O\)، بما يتفق مع النتيجة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.