IMO 2002 · Problem 6
\(n>2\) circles of radius \(1\) are drawn in the plane so that no line meets more than two of the circles. Their centers are \(O_1,O_2,\cdots,O_n\). Show that \[ \sum_{i<j}1/O_iO_j\le (n-1)\pi/4. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Write \(d_{ij}=O_iO_j\). First, \(d_{ij}>2\) for every pair. Indeed, if \(d_{ij}\le2\), choose a third center \(O_k\) and a line containing both \(O_k\) and the midpoint \(M\) of \(O_iO_j\). Its distance from each of \(O_i,O_j\) is at most \(d_{ij}/2\le1\), so it meets all three circles, a contradiction.
We count directions of tangent lines. For \(0\le\theta<2\pi\), put \[ u_\theta=(\cos\theta,\sin\theta), \] and let \[ L_i(\theta)=\{X:(X-O_i)\cdot u_\theta=1\}. \] This is the tangent to the \(i\)-th circle with outward unit normal \(u_\theta\). For sets of directions, write \(|S|\) for their angular length, measured in radians.
For \(i\ne j\), define \[ A_{ij}=\{\theta:L_i(\theta)\text{ meets the }j\text{-th circle}\}. \] If \(O_j-O_i=d_{ij}(\cos\alpha,\sin\alpha)\), the distance from \(O_j\) to \(L_i(\theta)\) is \[ \left|d_{ij}\cos(\theta-\alpha)-1\right|. \] Consequently, \[ \theta\in A_{ij} \quad\Longleftrightarrow\quad 0\le\cos(\theta-\alpha)\le\frac{2}{d_{ij}}. \] Because \(d_{ij}>2\), these directions form two arcs, each of angular length \(\arcsin(2/d_{ij})\). Thus \[ |A_{ij}|=2\arcsin\frac{2}{d_{ij}}. \tag{1} \] For each fixed \(i\), the sets \(A_{ij}\), \(j\ne i\), are pairwise disjoint: a direction belonging to two of them would give a tangent line meeting three circles.
There are also directions in which an outermost circle has a tangent meeting no other circle. More precisely, define \[ B_i=\{\theta:O_i\cdot u_\theta>O_j\cdot u_\theta \text{ for every }j\ne i\}. \] For \(\theta\in B_i\), every other center satisfies \[ (O_j-O_i)\cdot u_\theta<0, \] so its distance from \(L_i(\theta)\) is greater than \(1\). Hence \(B_i\) is disjoint from every \(A_{ij}\).
The sets \(B_i\) are pairwise disjoint and together contain all directions except possibly finitely many. Indeed, failure of a unique maximum among the projections \(O_i\cdot u_\theta\) requires \[ (O_i-O_j)\cdot u_\theta=0 \] for some pair \(i\ne j\); each pair gives only two directions. Therefore \[ \sum_{i=1}^n|B_i|=2\pi. \tag{2} \]
For each \(i\), disjointness gives \[ |B_i|+\sum_{j\ne i}|A_{ij}|\le2\pi. \] Summing over \(i\) and using (1) and (2), we obtain \[ 2\pi+4\sum_{i<j}\arcsin\frac{2}{d_{ij}}\le2\pi n. \] Thus \[ \sum_{i<j}\arcsin\frac{2}{d_{ij}} \le\frac{(n-1)\pi}{2}. \] Finally, the elementary inequality \(\sin t\le t\) implies \(\arcsin x\ge x\) for \(0\le x\le1\). It follows that \[ \boxed{\displaystyle \sum_{i<j}\frac1{O_iO_j} \le\frac12\sum_{i<j}\arcsin\frac{2}{d_{ij}} \le\frac{(n-1)\pi}{4}.} \]
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2002 · Aufgabe 6
In der Ebene sind \(n>2\) Kreise mit Radius \(1\) so gezeichnet, dass keine Gerade mehr als zwei der Kreise trifft. Ihre Mittelpunkte sind \(O_1,O_2,\cdots,O_n\). Zeige, dass \[ \sum_{i<j}1/O_iO_j\le (n-1)\pi/4. \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Setzen wir \(d_{ij}=O_iO_j\). Zunächst gilt \(d_{ij}>2\) für jedes Paar. Wäre nämlich \(d_{ij}\le2\), so könnten wir einen dritten Mittelpunkt \(O_k\) und eine Gerade wählen, die sowohl \(O_k\) als auch den Mittelpunkt \(M\) von \(O_iO_j\) enthält. Ihr Abstand von jedem der Punkte \(O_i,O_j\) beträgt höchstens \(d_{ij}/2\le1\), sodass sie alle drei Kreise trifft, ein Widerspruch.
Wir zählen Richtungen von Tangenten. Für \(0\le\theta<2\pi\) setzen wir \[ u_\theta=(\cos\theta,\sin\theta), \] und definieren \[ L_i(\theta)=\{X:(X-O_i)\cdot u_\theta=1\}. \] Dies ist die Tangente an den \(i\)-ten Kreis mit nach außen gerichtetem Einheitsnormalenvektor \(u_\theta\). Für Mengen von Richtungen bezeichne \(|S|\) ihre im Bogenmaß gemessene Winkellänge.
Für \(i\ne j\) definieren wir \[ A_{ij}=\{\theta:L_i(\theta)\text{ trifft den }j\text{-ten Kreis}\}. \] Ist \(O_j-O_i=d_{ij}(\cos\alpha,\sin\alpha)\), so beträgt der Abstand von \(O_j\) zu \(L_i(\theta)\) \[ \left|d_{ij}\cos(\theta-\alpha)-1\right|. \] Folglich gilt \[ \theta\in A_{ij} \quad\Longleftrightarrow\quad 0\le\cos(\theta-\alpha)\le\frac{2}{d_{ij}}. \] Wegen \(d_{ij}>2\) bilden diese Richtungen zwei Bögen, die jeweils die Winkellänge \(\arcsin(2/d_{ij})\) haben. Somit gilt \[ |A_{ij}|=2\arcsin\frac{2}{d_{ij}}. \tag{1} \] Für jedes feste \(i\) sind die Mengen \(A_{ij}\), \(j\ne i\), paarweise disjunkt: Eine Richtung, die zu zweien von ihnen gehörte, würde eine Tangente ergeben, die drei Kreise trifft.
Es gibt auch Richtungen, in denen ein äußerster Kreis eine Tangente besitzt, die keinen anderen Kreis trifft. Genauer definieren wir \[ B_i=\{\theta:O_i\cdot u_\theta>O_j\cdot u_\theta \text{ für jedes }j\ne i\}. \] Für \(\theta\in B_i\) erfüllt jeder andere Mittelpunkt \[ (O_j-O_i)\cdot u_\theta<0, \] sodass sein Abstand von \(L_i(\theta)\) größer als \(1\) ist. Daher ist \(B_i\) zu jeder Menge \(A_{ij}\) disjunkt.
Die Mengen \(B_i\) sind paarweise disjunkt und enthalten zusammen alle Richtungen mit Ausnahme möglicherweise endlich vieler. Wenn nämlich das Maximum unter den Projektionen \(O_i\cdot u_\theta\) nicht eindeutig angenommen wird, muss \[ (O_i-O_j)\cdot u_\theta=0 \] für ein Paar \(i\ne j\) gelten; jedes Paar liefert nur zwei Richtungen. Daher gilt \[ \sum_{i=1}^n|B_i|=2\pi. \tag{2} \]
Für jedes \(i\) folgt aus der Disjunktheit \[ |B_i|+\sum_{j\ne i}|A_{ij}|\le2\pi. \] Durch Summieren über \(i\) und Anwenden von (1) und (2) erhalten wir \[ 2\pi+4\sum_{i<j}\arcsin\frac{2}{d_{ij}}\le2\pi n. \] Somit gilt \[ \sum_{i<j}\arcsin\frac{2}{d_{ij}} \le\frac{(n-1)\pi}{2}. \] Schließlich folgt aus der elementaren Ungleichung \(\sin t\le t\), dass \(\arcsin x\ge x\) für \(0\le x\le1\) gilt. Daraus ergibt sich \[ \boxed{\displaystyle \sum_{i<j}\frac1{O_iO_j} \le\frac12\sum_{i<j}\arcsin\frac{2}{d_{ij}} \le\frac{(n-1)\pi}{4}.} \]
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2002 · Soru 6
Düzlemde, hiçbir doğru ikiden fazla çemberle kesişmeyecek şekilde, yarıçapları \(1\) olan \(n>2\) çember çizilmiştir. Merkezleri \(O_1,O_2,\cdots,O_n\)'dir. \[ \sum_{i<j}1/O_iO_j\le (n-1)\pi/4 \] olduğunu gösteriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(d_{ij}=O_iO_j\) yazalım. Öncelikle her çift için \(d_{ij}>2\)'dir. Gerçekten de, \(d_{ij}\le2\) ise üçüncü bir merkez \(O_k\) ve hem \(O_k\)'dan hem de \(O_iO_j\)'nin orta noktası \(M\)'den geçen bir doğru seçelim. Bu doğrunun \(O_i,O_j\) noktalarının her birine uzaklığı en çok \(d_{ij}/2\le1\) olduğundan, üç çemberle de kesişir; bu bir çelişkidir.
Teğet doğruların yönlerini sayacağız. \(0\le\theta<2\pi\) için \[ u_\theta=(\cos\theta,\sin\theta), \] alalım ve \[ L_i(\theta)=\{X:(X-O_i)\cdot u_\theta=1\} \] olsun. Bu, \(i\). çemberin dışa dönük birim normal vektörü \(u_\theta\) olan teğetidir. Yön kümeleri için \(|S|\) ile, radyan cinsinden ölçülen açısal uzunluklarını gösterelim.
\(i\ne j\) için \[ A_{ij}=\{\theta:L_i(\theta)\text{ doğrusu }j\text{. çemberle kesişir}\} \] olarak tanımlayalım. \(O_j-O_i=d_{ij}(\cos\alpha,\sin\alpha)\) ise \(O_j\)'nin \(L_i(\theta)\)'ya uzaklığı \[ \left|d_{ij}\cos(\theta-\alpha)-1\right| \] olur. Bunun sonucunda, \[ \theta\in A_{ij} \quad\Longleftrightarrow\quad 0\le\cos(\theta-\alpha)\le\frac{2}{d_{ij}}. \] \(d_{ij}>2\) olduğundan bu yönler, her birinin açısal uzunluğu \(\arcsin(2/d_{ij})\) olan iki yay oluşturur. Dolayısıyla \[ |A_{ij}|=2\arcsin\frac{2}{d_{ij}}. \tag{1} \] Her sabit \(i\) için \(A_{ij}\), \(j\ne i\), kümeleri ikişer ikişer ayrıktır: bunlardan ikisine ait olan bir yön, üç çemberle kesişen bir teğet doğru verirdi.
Ayrıca en dışta bulunan bir çemberin, başka hiçbir çemberle kesişmeyen bir teğetinin olduğu yönler de vardır. Daha açık olarak, \[ B_i=\{\theta:O_i\cdot u_\theta>O_j\cdot u_\theta \text{ her }j\ne i\} \] olarak tanımlayalım. \(\theta\in B_i\) için diğer her merkez \[ (O_j-O_i)\cdot u_\theta<0, \] koşulunu sağlar; dolayısıyla \(L_i(\theta)\)'ya uzaklığı \(1\)'den büyüktür. Bu nedenle \(B_i\), her \(A_{ij}\) ile ayrıktır.
\(B_i\) kümeleri ikişer ikişer ayrıktır ve birleşimleri, olası sonlu sayıdaki istisna dışında tüm yönleri içerir. Gerçekten de, \(O_i\cdot u_\theta\) izdüşümleri arasında en büyük değerin tek bir noktada alınmaması için, bir \(i\ne j\) çifti için \[ (O_i-O_j)\cdot u_\theta=0 \] olması gerekir; her çift yalnızca iki yön verir. Bu nedenle \[ \sum_{i=1}^n|B_i|=2\pi. \tag{2} \]
Her \(i\) için, ayrıklık nedeniyle \[ |B_i|+\sum_{j\ne i}|A_{ij}|\le2\pi. \] \(i\) üzerinden toplayıp (1) ve (2)'yi kullanarak \[ 2\pi+4\sum_{i<j}\arcsin\frac{2}{d_{ij}}\le2\pi n \] elde ederiz. Dolayısıyla \[ \sum_{i<j}\arcsin\frac{2}{d_{ij}} \le\frac{(n-1)\pi}{2}. \] Son olarak, temel \(\sin t\le t\) eşitsizliğinden \(0\le x\le1\) için \(\arcsin x\ge x\) elde edilir. Buradan \[ \boxed{\displaystyle \sum_{i<j}\frac1{O_iO_j} \le\frac12\sum_{i<j}\arcsin\frac{2}{d_{ij}} \le\frac{(n-1)\pi}{4}} \] sonucuna ulaşılır.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2002 · Problema 6
Se dibujan en el plano \(n>2\) circunferencias de radio \(1\), de modo que ninguna recta corta a más de dos de ellas. Sus centros son \(O_1,O_2,\cdots,O_n\). Demostrar que \[ \sum_{i<j}1/O_iO_j\le (n-1)\pi/4. \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Escribamos \(d_{ij}=O_iO_j\). En primer lugar, \(d_{ij}>2\) para cada par. En efecto, si \(d_{ij}\le2\), elijamos un tercer centro \(O_k\) y una recta que contenga tanto a \(O_k\) como al punto medio \(M\) de \(O_iO_j\). Su distancia a cada uno de los puntos \(O_i,O_j\) es a lo sumo \(d_{ij}/2\le1\), por lo que corta a las tres circunferencias, lo que es una contradicción.
Contaremos las direcciones de las rectas tangentes. Para \(0\le\theta<2\pi\), sea \[ u_\theta=(\cos\theta,\sin\theta), \] y sea \[ L_i(\theta)=\{X:(X-O_i)\cdot u_\theta=1\}. \] Esta es la tangente a la \(i\)-ésima circunferencia con vector normal unitario exterior \(u_\theta\). Para los conjuntos de direcciones, denotaremos por \(|S|\) su longitud angular, medida en radianes.
Para \(i\ne j\), definamos \[ A_{ij}=\{\theta:L_i(\theta)\text{ corta a la circunferencia }j\text{-ésima}\}. \] Si \(O_j-O_i=d_{ij}(\cos\alpha,\sin\alpha)\), la distancia de \(O_j\) a \(L_i(\theta)\) es \[ \left|d_{ij}\cos(\theta-\alpha)-1\right|. \] En consecuencia, \[ \theta\in A_{ij} \quad\Longleftrightarrow\quad 0\le\cos(\theta-\alpha)\le\frac{2}{d_{ij}}. \] Como \(d_{ij}>2\), estas direcciones forman dos arcos, cada uno de longitud angular \(\arcsin(2/d_{ij})\). Así, \[ |A_{ij}|=2\arcsin\frac{2}{d_{ij}}. \tag{1} \] Para cada \(i\) fijo, los conjuntos \(A_{ij}\), \(j\ne i\), son disjuntos dos a dos: una dirección que perteneciera a dos de ellos daría una recta tangente que cortaría a tres circunferencias.
También hay direcciones en las que una circunferencia situada en un extremo tiene una tangente que no corta a ninguna otra circunferencia. Más precisamente, definamos \[ B_i=\{\theta:O_i\cdot u_\theta>O_j\cdot u_\theta \text{ para todo }j\ne i\}. \] Para \(\theta\in B_i\), todos los demás centros satisfacen \[ (O_j-O_i)\cdot u_\theta<0, \] por lo que su distancia a \(L_i(\theta)\) es mayor que \(1\). Por tanto, \(B_i\) es disjunto de cada \(A_{ij}\).
Los conjuntos \(B_i\) son disjuntos dos a dos y, en conjunto, contienen todas las direcciones salvo, posiblemente, un número finito de ellas. En efecto, para que no haya un máximo único entre las proyecciones \(O_i\cdot u_\theta\), debe cumplirse \[ (O_i-O_j)\cdot u_\theta=0 \] para algún par \(i\ne j\); cada par da solo dos direcciones. Por tanto, \[ \sum_{i=1}^n|B_i|=2\pi. \tag{2} \]
Para cada \(i\), el hecho de que los conjuntos sean disjuntos da \[ |B_i|+\sum_{j\ne i}|A_{ij}|\le2\pi. \] Sumando sobre \(i\) y usando (1) y (2), obtenemos \[ 2\pi+4\sum_{i<j}\arcsin\frac{2}{d_{ij}}\le2\pi n. \] Así, \[ \sum_{i<j}\arcsin\frac{2}{d_{ij}} \le\frac{(n-1)\pi}{2}. \] Por último, la desigualdad elemental \(\sin t\le t\) implica \(\arcsin x\ge x\) para \(0\le x\le1\). Se deduce que \[ \boxed{\displaystyle \sum_{i<j}\frac1{O_iO_j} \le\frac12\sum_{i<j}\arcsin\frac{2}{d_{ij}} \le\frac{(n-1)\pi}{4}.} \]
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2002 · 问题 6
在平面上画出 \(n>2\) 个半径为 \(1\) 的圆,使得没有任何直线与其中两个以上的圆有公共点。它们的圆心分别为 \(O_1,O_2,\cdots,O_n\)。证明 \[ \sum_{i<j}1/O_iO_j\le (n-1)\pi/4. \]
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
记 \(d_{ij}=O_iO_j\)。首先,每一对圆心都满足 \(d_{ij}>2\)。事实上,若 \(d_{ij}\le2\),选取第三个圆心 \(O_k\),并取一条同时经过 \(O_k\) 和 \(O_iO_j\) 的中点 \(M\) 的直线。\(O_i,O_j\) 到这条直线的距离均不超过 \(d_{ij}/2\le1\),所以它与这三个圆都有公共点,矛盾。
我们来计算切线方向所占的角度。对于 \(0\le\theta<2\pi\),令 \[ u_\theta=(\cos\theta,\sin\theta), \] 并令 \[ L_i(\theta)=\{X:(X-O_i)\cdot u_\theta=1\}. \] 这是第 \(i\) 个圆以 \(u_\theta\) 为外向单位法向量的切线。对于方向的集合,用 \(|S|\) 表示其以弧度计量的角度总长度。
对于 \(i\ne j\),定义 \[ A_{ij}=\{\theta:L_i(\theta)\text{ 与第 }j\text{ 个圆有公共点}\}. \] 若 \(O_j-O_i=d_{ij}(\cos\alpha,\sin\alpha)\),则 \(O_j\) 到 \(L_i(\theta)\) 的距离为 \[ \left|d_{ij}\cos(\theta-\alpha)-1\right|. \] 因此, \[ \theta\in A_{ij} \quad\Longleftrightarrow\quad 0\le\cos(\theta-\alpha)\le\frac{2}{d_{ij}}. \] 由于 \(d_{ij}>2\),这些方向组成两段弧,每段弧的角度长度为 \(\arcsin(2/d_{ij})\)。于是 \[ |A_{ij}|=2\arcsin\frac{2}{d_{ij}}. \tag{1} \] 对于每个固定的 \(i\),集合 \(A_{ij}\),\(j\ne i\),两两不交:若一个方向属于其中两个集合,就会得到一条与三个圆都有公共点的切线。
还存在一些方向,使得最外侧的一个圆有一条与其他圆均无公共点的切线。更确切地说,定义 \[ B_i=\{\theta:O_i\cdot u_\theta>O_j\cdot u_\theta \text{ 对所有 }j\ne i\}. \] 对于 \(\theta\in B_i\),其他每个圆心都满足 \[ (O_j-O_i)\cdot u_\theta<0, \] 所以它到 \(L_i(\theta)\) 的距离大于 \(1\)。因此,\(B_i\) 与每个 \(A_{ij}\) 都不相交。
集合 \(B_i\) 两两不交,且它们的并集包含除至多有限个方向以外的所有方向。事实上,投影 \(O_i\cdot u_\theta\) 的最大值不唯一时,必有 \[ (O_i-O_j)\cdot u_\theta=0 \] 对某一对 \(i\ne j\) 成立;每一对只给出两个方向。因此 \[ \sum_{i=1}^n|B_i|=2\pi. \tag{2} \]
对于每个 \(i\),由互不相交性可得 \[ |B_i|+\sum_{j\ne i}|A_{ij}|\le2\pi. \] 对 \(i\) 求和,并利用 (1) 和 (2),得到 \[ 2\pi+4\sum_{i<j}\arcsin\frac{2}{d_{ij}}\le2\pi n. \] 于是 \[ \sum_{i<j}\arcsin\frac{2}{d_{ij}} \le\frac{(n-1)\pi}{2}. \] 最后,由初等不等式 \(\sin t\le t\) 可知,当 \(0\le x\le1\) 时,有 \(\arcsin x\ge x\)。因此 \[ \boxed{\displaystyle \sum_{i<j}\frac1{O_iO_j} \le\frac12\sum_{i<j}\arcsin\frac{2}{d_{ij}} \le\frac{(n-1)\pi}{4}.} \]
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2002 · Задача 6
На плоскости проведены \(n>2\) окружностей радиуса \(1\) так, что никакая прямая не имеет общих точек более чем с двумя из этих окружностей. Их центры — \(O_1,O_2,\cdots,O_n\). Докажите, что \[ \sum_{i<j}1/O_iO_j\le (n-1)\pi/4. \]
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Обозначим \(d_{ij}=O_iO_j\). Прежде всего, \(d_{ij}>2\) для каждой пары. Действительно, если \(d_{ij}\le2\), выберем третий центр \(O_k\) и прямую, проходящую через \(O_k\) и середину \(M\) отрезка \(O_iO_j\). Расстояние от каждого из центров \(O_i,O_j\) до этой прямой не превосходит \(d_{ij}/2\le1\), поэтому она имеет общие точки со всеми тремя окружностями, что даёт противоречие.
Рассмотрим направления касательных прямых. Для \(0\le\theta<2\pi\) положим \[ u_\theta=(\cos\theta,\sin\theta), \] и пусть \[ L_i(\theta)=\{X:(X-O_i)\cdot u_\theta=1\}. \] Это касательная к \(i\)-й окружности с внешней единичной нормалью \(u_\theta\). Для множества направлений \(S\) обозначим через \(|S|\) его угловую длину, измеренную в радианах.
Для \(i\ne j\) определим \[ A_{ij}=\{\theta:L_i(\theta)\text{ имеет общие точки с }j\text{-й окружностью}\}. \] Если \(O_j-O_i=d_{ij}(\cos\alpha,\sin\alpha)\), то расстояние от \(O_j\) до \(L_i(\theta)\) равно \[ \left|d_{ij}\cos(\theta-\alpha)-1\right|. \] Следовательно, \[ \theta\in A_{ij} \quad\Longleftrightarrow\quad 0\le\cos(\theta-\alpha)\le\frac{2}{d_{ij}}. \] Поскольку \(d_{ij}>2\), эти направления образуют две дуги, каждая угловой длины \(\arcsin(2/d_{ij})\). Таким образом, \[ |A_{ij}|=2\arcsin\frac{2}{d_{ij}}. \tag{1} \] При каждом фиксированном \(i\) множества \(A_{ij}\), \(j\ne i\), попарно не пересекаются: направление, принадлежащее двум из них, задавало бы касательную, имеющую общие точки с тремя окружностями.
Существуют также направления, для которых у крайней окружности есть касательная, не имеющая общих точек ни с одной другой окружностью. Точнее, определим \[ B_i=\{\theta:O_i\cdot u_\theta>O_j\cdot u_\theta \text{ для каждого }j\ne i\}. \] При \(\theta\in B_i\) для каждого другого центра выполняется \[ (O_j-O_i)\cdot u_\theta<0, \] поэтому расстояние от него до \(L_i(\theta)\) больше \(1\). Следовательно, \(B_i\) не пересекается ни с одним \(A_{ij}\).
Множества \(B_i\) попарно не пересекаются и в совокупности содержат все направления, кроме, возможно, конечного числа. Действительно, если максимум среди проекций \(O_i\cdot u_\theta\) достигается не единственным образом, то \[ (O_i-O_j)\cdot u_\theta=0 \] для некоторой пары \(i\ne j\); каждая пара даёт лишь два направления. Поэтому \[ \sum_{i=1}^n|B_i|=2\pi. \tag{2} \]
Для каждого \(i\) из непересечения множеств следует \[ |B_i|+\sum_{j\ne i}|A_{ij}|\le2\pi. \] Суммируя по \(i\) и используя (1) и (2), получаем \[ 2\pi+4\sum_{i<j}\arcsin\frac{2}{d_{ij}}\le2\pi n. \] Таким образом, \[ \sum_{i<j}\arcsin\frac{2}{d_{ij}} \le\frac{(n-1)\pi}{2}. \] Наконец, из элементарного неравенства \(\sin t\le t\) следует \(\arcsin x\ge x\) при \(0\le x\le1\). Отсюда получаем \[ \boxed{\displaystyle \sum_{i<j}\frac1{O_iO_j} \le\frac12\sum_{i<j}\arcsin\frac{2}{d_{ij}} \le\frac{(n-1)\pi}{4}.} \]
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2002 · المسألة 6
رُسمت في المستوى \(n>2\) دوائر نصف قطر كل منها \(1\)، بحيث لا يلتقي أي مستقيم أكثر من دائرتين منها. مراكزها هي \(O_1,O_2,\cdots,O_n\). أثبت أن \[ \sum_{i<j}1/O_iO_j\le (n-1)\pi/4. \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لنكتب \(d_{ij}=O_iO_j\). أولًا، \(d_{ij}>2\) لكل زوج. بالفعل، إذا كان \(d_{ij}\le2\)، نختار مركزًا ثالثًا \(O_k\) ومستقيمًا يمر بكل من \(O_k\) ومنتصف \(O_iO_j\)، الذي نرمز إليه بـ \(M\). بُعد هذا المستقيم عن كل من \(O_i,O_j\) لا يتجاوز \(d_{ij}/2\le1\)، لذا يلتقي الدوائر الثلاث جميعها، وهذا تناقض.
نحصي اتجاهات المماسات. لكل \(0\le\theta<2\pi\)، نضع \[ u_\theta=(\cos\theta,\sin\theta), \] وليكن \[ L_i(\theta)=\{X:(X-O_i)\cdot u_\theta=1\}. \] هذا هو مماس الدائرة ذات الفهرس \(i\) الذي متجه وحدته العمودي المتجه إلى الخارج هو \(u_\theta\). ولأي مجموعة اتجاهات، نكتب \(|S|\) للدلالة على طولها الزاوي، مقيسًا بالراديان.
لكل \(i\ne j\)، نعرّف \[ A_{ij}=\{\theta:L_i(\theta)\text{ يلتقي الدائرة ذات الفهرس }j\text{}\}. \] إذا كان \(O_j-O_i=d_{ij}(\cos\alpha,\sin\alpha)\)، فإن البعد من \(O_j\) إلى \(L_i(\theta)\) هو \[ \left|d_{ij}\cos(\theta-\alpha)-1\right|. \] وبناءً عليه، \[ \theta\in A_{ij} \quad\Longleftrightarrow\quad 0\le\cos(\theta-\alpha)\le\frac{2}{d_{ij}}. \] بما أن \(d_{ij}>2\)، فإن هذه الاتجاهات تشكل قوسين، طول كل منهما الزاوي \(\arcsin(2/d_{ij})\). إذن \[ |A_{ij}|=2\arcsin\frac{2}{d_{ij}}. \tag{1} \] لكل \(i\) ثابت، تكون المجموعات \(A_{ij}\)، حيث \(j\ne i\)، متباينة اثنتين اثنتين: فوجود اتجاه ينتمي إلى مجموعتين منها سيعطي مماسًا يلتقي ثلاث دوائر.
توجد أيضًا اتجاهات يكون فيها لإحدى الدوائر الأبعد في ذلك الاتجاه مماس لا يلتقي أي دائرة أخرى. وبصورة أدق، نعرّف \[ B_i=\{\theta:O_i\cdot u_\theta>O_j\cdot u_\theta \text{ لكل }j\ne i\}. \] لكل \(\theta\in B_i\)، يحقق كل مركز آخر \[ (O_j-O_i)\cdot u_\theta<0, \] ومن ثم فإن بُعده عن \(L_i(\theta)\) أكبر من \(1\). لذا فإن \(B_i\) متباينة مع كل \(A_{ij}\).
المجموعات \(B_i\) متباينة اثنتين اثنتين، ويحتوي اتحادها على جميع الاتجاهات، باستثناء عدد منتهٍ منها على الأكثر. بالفعل، إن عدم وجود قيمة عظمى وحيدة بين الإسقاطات \(O_i\cdot u_\theta\) يستلزم \[ (O_i-O_j)\cdot u_\theta=0 \] لزوج ما \(i\ne j\)؛ وكل زوج يعطي اتجاهين فقط. ولذلك \[ \sum_{i=1}^n|B_i|=2\pi. \tag{2} \]
لكل \(i\)، يعطينا التباين \[ |B_i|+\sum_{j\ne i}|A_{ij}|\le2\pi. \] وبالجمع على \(i\) واستخدام (1) و(2)، نحصل على \[ 2\pi+4\sum_{i<j}\arcsin\frac{2}{d_{ij}}\le2\pi n. \] إذن \[ \sum_{i<j}\arcsin\frac{2}{d_{ij}} \le\frac{(n-1)\pi}{2}. \] وأخيرًا، تستلزم المتباينة الأولية \(\sin t\le t\) أن \(\arcsin x\ge x\) لكل \(0\le x\le1\). ويترتب على ذلك \[ \boxed{\displaystyle \sum_{i<j}\frac1{O_iO_j} \le\frac12\sum_{i<j}\arcsin\frac{2}{d_{ij}} \le\frac{(n-1)\pi}{4}.} \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.