IMO 2003 · Problem 3
A convex hexagon has the property that for any pair of opposite sides the distance between their midpoints is \(\sqrt{3}/2\) times the sum of their lengths Show that all the hexagon’s angles are equal.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let the vertices be \(A_1,\ldots,A_6\) in cyclic order, with indices taken modulo \(6\). Write \[ \mathbf e_i=\overrightarrow{A_iA_{i+1}},\qquad \ell_i=|\mathbf e_i|>0, \] and let \(M_i\) be the midpoint of \(A_iA_{i+1}\). Define \[ \mathbf u=\mathbf e_1-\mathbf e_4,\qquad \mathbf v=\mathbf e_5-\mathbf e_2,\qquad \mathbf w=\mathbf e_3-\mathbf e_6, \] and \[ a=\ell_1+\ell_4,\qquad b=\ell_2+\ell_5,\qquad c=\ell_3+\ell_6. \] The triangle inequality gives \[ |\mathbf u|\le a,\qquad |\mathbf v|\le b,\qquad |\mathbf w|\le c. \tag{1} \]
Since \(\mathbf e_1+\cdots+\mathbf e_6=0\), the midpoint formula gives \[ \begin{aligned} 2\overrightarrow{M_1M_4} &=\mathbf e_1+2\mathbf e_2+2\mathbf e_3+\mathbf e_4 =\mathbf w-\mathbf v,\\ 2\overrightarrow{M_2M_5}&=\mathbf w-\mathbf u,\\ 2\overrightarrow{M_3M_6}&=\mathbf v-\mathbf u. \end{aligned} \] Thus the hypotheses are equivalent to \[ |\mathbf v-\mathbf w|^2=3a^2,\qquad |\mathbf w-\mathbf u|^2=3b^2,\qquad |\mathbf u-\mathbf v|^2=3c^2. \tag{2} \]
Expanding scalar products yields the identity \[ |\mathbf v-\mathbf w|^2+|\mathbf w-\mathbf u|^2+|\mathbf u-\mathbf v|^2 = 3\bigl(|\mathbf u|^2+|\mathbf v|^2+|\mathbf w|^2\bigr) -|\mathbf u+\mathbf v+\mathbf w|^2. \] Together with (2), this becomes \[ 0= 3(a^2-|\mathbf u|^2)+3(b^2-|\mathbf v|^2)+3(c^2-|\mathbf w|^2) +|\mathbf u+\mathbf v+\mathbf w|^2. \] Every term on the right is nonnegative by (1), so every term vanishes. Hence \[ \mathbf u+\mathbf v+\mathbf w=0,\qquad |\mathbf u|=a,\quad |\mathbf v|=b,\quad |\mathbf w|=c. \tag{3} \]
We next show that these three norms are equal. By (2), (3), and the parallelogram identity, \[ 3|\mathbf u|^2 =|\mathbf v-\mathbf w|^2 =2|\mathbf v|^2+2|\mathbf w|^2-|\mathbf v+\mathbf w|^2 =2|\mathbf v|^2+2|\mathbf w|^2-|\mathbf u|^2. \] Consequently, \[ 2|\mathbf u|^2=|\mathbf v|^2+|\mathbf w|^2. \] The corresponding equations hold cyclically. Subtracting them shows that \[ |\mathbf u|=|\mathbf v|=|\mathbf w|=r>0. \] Since their sum is zero, we also obtain \[ \mathbf u\cdot\mathbf v =\mathbf v\cdot\mathbf w =\mathbf w\cdot\mathbf u =-\frac{r^2}{2}. \tag{4} \] For example, \(2\mathbf u\cdot\mathbf v=|\mathbf u+\mathbf v|^2-|\mathbf u|^2-|\mathbf v|^2=-r^2\).
Finally, equality in each triangle inequality in (1) means that the two nonzero vectors being added have the same direction. Therefore the six unit side vectors, in order, are \[ \frac{\mathbf u}{r},\quad -\frac{\mathbf v}{r},\quad \frac{\mathbf w}{r},\quad -\frac{\mathbf u}{r},\quad \frac{\mathbf v}{r},\quad -\frac{\mathbf w}{r}. \] By (4), any two consecutive vectors in this list, including the last and first, have scalar product \(1/2\).
At each vertex, the rays forming the interior angle point opposite to the incoming side vector and along the outgoing side vector. Their unit vectors therefore have scalar product \(-1/2\). Convexity now implies that every interior angle is \[ \arccos(-1/2)=120^\circ. \] This also excludes straight angles if consecutive collinear sides were initially allowed. Thus all six angles are equal. \(\square\)
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2003 · Aufgabe 3
Ein konvexes Sechseck hat die Eigenschaft, dass für jedes Paar gegenüberliegender Seiten der Abstand ihrer Mittelpunkte das \(\sqrt{3}/2\)-Fache der Summe ihrer Längen beträgt. Zeige, dass alle Winkel des Sechsecks gleich groß sind.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Die Eckpunkte seien in zyklischer Reihenfolge mit \(A_1,\ldots,A_6\) bezeichnet, wobei die Indizes modulo \(6\) zu verstehen sind. Wir schreiben \[ \mathbf e_i=\overrightarrow{A_iA_{i+1}},\qquad \ell_i=|\mathbf e_i|>0, \] und bezeichnen mit \(M_i\) den Mittelpunkt von \(A_iA_{i+1}\). Wir definieren \[ \mathbf u=\mathbf e_1-\mathbf e_4,\qquad \mathbf v=\mathbf e_5-\mathbf e_2,\qquad \mathbf w=\mathbf e_3-\mathbf e_6, \] und \[ a=\ell_1+\ell_4,\qquad b=\ell_2+\ell_5,\qquad c=\ell_3+\ell_6. \] Aus der Dreiecksungleichung folgt \[ |\mathbf u|\le a,\qquad |\mathbf v|\le b,\qquad |\mathbf w|\le c. \tag{1} \]
Wegen \(\mathbf e_1+\cdots+\mathbf e_6=0\) liefert die Mittelpunktformel \[ \begin{aligned} 2\overrightarrow{M_1M_4} &=\mathbf e_1+2\mathbf e_2+2\mathbf e_3+\mathbf e_4 =\mathbf w-\mathbf v,\\ 2\overrightarrow{M_2M_5}&=\mathbf w-\mathbf u,\\ 2\overrightarrow{M_3M_6}&=\mathbf v-\mathbf u. \end{aligned} \] Somit sind die Voraussetzungen äquivalent zu \[ |\mathbf v-\mathbf w|^2=3a^2,\qquad |\mathbf w-\mathbf u|^2=3b^2,\qquad |\mathbf u-\mathbf v|^2=3c^2. \tag{2} \]
Durch Ausmultiplizieren der Skalarprodukte erhalten wir die Identität \[ |\mathbf v-\mathbf w|^2+|\mathbf w-\mathbf u|^2+|\mathbf u-\mathbf v|^2 = 3\bigl(|\mathbf u|^2+|\mathbf v|^2+|\mathbf w|^2\bigr) -|\mathbf u+\mathbf v+\mathbf w|^2. \] Zusammen mit (2) ergibt dies \[ 0= 3(a^2-|\mathbf u|^2)+3(b^2-|\mathbf v|^2)+3(c^2-|\mathbf w|^2) +|\mathbf u+\mathbf v+\mathbf w|^2. \] Nach (1) ist jeder Summand auf der rechten Seite nichtnegativ, also verschwindet jeder Summand. Daher gilt \[ \mathbf u+\mathbf v+\mathbf w=0,\qquad |\mathbf u|=a,\quad |\mathbf v|=b,\quad |\mathbf w|=c. \tag{3} \]
Als Nächstes zeigen wir, dass diese drei Normen gleich sind. Nach (2), (3) und der Parallelogrammgleichung gilt \[ 3|\mathbf u|^2 =|\mathbf v-\mathbf w|^2 =2|\mathbf v|^2+2|\mathbf w|^2-|\mathbf v+\mathbf w|^2 =2|\mathbf v|^2+2|\mathbf w|^2-|\mathbf u|^2. \] Folglich ist \[ 2|\mathbf u|^2=|\mathbf v|^2+|\mathbf w|^2. \] Die entsprechenden Gleichungen gelten auch bei zyklischer Vertauschung. Durch Subtraktion dieser Gleichungen folgt \[ |\mathbf u|=|\mathbf v|=|\mathbf w|=r>0. \] Da ihre Summe null ist, erhalten wir außerdem \[ \mathbf u\cdot\mathbf v =\mathbf v\cdot\mathbf w =\mathbf w\cdot\mathbf u =-\frac{r^2}{2}. \tag{4} \] Zum Beispiel gilt \(2\mathbf u\cdot\mathbf v=|\mathbf u+\mathbf v|^2-|\mathbf u|^2-|\mathbf v|^2=-r^2\).
Schließlich bedeutet Gleichheit in jeder Dreiecksungleichung in (1), dass die beiden addierten, von null verschiedenen Vektoren dieselbe Richtung haben. Daher lauten die sechs Einheitsvektoren in Richtung der Seiten der Reihe nach \[ \frac{\mathbf u}{r},\quad -\frac{\mathbf v}{r},\quad \frac{\mathbf w}{r},\quad -\frac{\mathbf u}{r},\quad \frac{\mathbf v}{r},\quad -\frac{\mathbf w}{r}. \] Nach (4) haben je zwei aufeinanderfolgende Vektoren in dieser Liste, einschließlich des letzten und des ersten, das Skalarprodukt \(1/2\).
An jedem Eckpunkt zeigen die Strahlen, die den Innenwinkel bilden, entgegen dem ankommenden Seitenvektor beziehungsweise in Richtung des abgehenden Seitenvektors. Ihre Einheitsvektoren haben daher das Skalarprodukt \(-1/2\). Aus der Konvexität folgt nun, dass jeder Innenwinkel gleich \[ \arccos(-1/2)=120^\circ \] ist. Dies schließt auch gestreckte Winkel aus, falls aufeinanderfolgende kollineare Seiten anfangs zugelassen waren. Somit sind alle sechs Winkel gleich groß. \(\square\)
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2003 · Soru 3
Bir dışbükey altıgende, karşılıklı herhangi iki kenarın orta noktaları arasındaki uzaklık, bu kenarların uzunlukları toplamının \(\sqrt{3}/2\) katıdır. Altıgenin bütün açılarının eşit olduğunu gösteriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Köşeler, çevre boyunca sırasıyla \(A_1,\ldots,A_6\) olsun ve indisler \(6\) modülünde alınsın. \[ \mathbf e_i=\overrightarrow{A_iA_{i+1}},\qquad \ell_i=|\mathbf e_i|>0 \] yazalım ve \(M_i\), \(A_iA_{i+1}\) kenarının orta noktası olsun. \[ \mathbf u=\mathbf e_1-\mathbf e_4,\qquad \mathbf v=\mathbf e_5-\mathbf e_2,\qquad \mathbf w=\mathbf e_3-\mathbf e_6 \] ve \[ a=\ell_1+\ell_4,\qquad b=\ell_2+\ell_5,\qquad c=\ell_3+\ell_6 \] olarak tanımlayalım. Üçgen eşitsizliğinden \[ |\mathbf u|\le a,\qquad |\mathbf v|\le b,\qquad |\mathbf w|\le c \tag{1} \] elde edilir.
\(\mathbf e_1+\cdots+\mathbf e_6=0\) olduğundan, orta nokta formülü \[ \begin{aligned} 2\overrightarrow{M_1M_4} &=\mathbf e_1+2\mathbf e_2+2\mathbf e_3+\mathbf e_4 =\mathbf w-\mathbf v,\\ 2\overrightarrow{M_2M_5}&=\mathbf w-\mathbf u,\\ 2\overrightarrow{M_3M_6}&=\mathbf v-\mathbf u \end{aligned} \] eşitliklerini verir. Dolayısıyla, verilen koşullar \[ |\mathbf v-\mathbf w|^2=3a^2,\qquad |\mathbf w-\mathbf u|^2=3b^2,\qquad |\mathbf u-\mathbf v|^2=3c^2 \tag{2} \] eşitliklerine denktir.
Skaler çarpımları açarak \[ |\mathbf v-\mathbf w|^2+|\mathbf w-\mathbf u|^2+|\mathbf u-\mathbf v|^2 = 3\bigl(|\mathbf u|^2+|\mathbf v|^2+|\mathbf w|^2\bigr) -|\mathbf u+\mathbf v+\mathbf w|^2 \] özdeşliğini elde ederiz. (2) ile birlikte bu, \[ 0= 3(a^2-|\mathbf u|^2)+3(b^2-|\mathbf v|^2)+3(c^2-|\mathbf w|^2) +|\mathbf u+\mathbf v+\mathbf w|^2 \] eşitliğine dönüşür. (1) gereğince sağ taraftaki her terim negatif olmadığından, her terim sıfırdır. Böylece \[ \mathbf u+\mathbf v+\mathbf w=0,\qquad |\mathbf u|=a,\quad |\mathbf v|=b,\quad |\mathbf w|=c \tag{3} \] olur.
Şimdi bu üç normun eşit olduğunu göstereceğiz. (2), (3) ve paralelkenar özdeşliği gereğince, \[ 3|\mathbf u|^2 =|\mathbf v-\mathbf w|^2 =2|\mathbf v|^2+2|\mathbf w|^2-|\mathbf v+\mathbf w|^2 =2|\mathbf v|^2+2|\mathbf w|^2-|\mathbf u|^2. \] Dolayısıyla, \[ 2|\mathbf u|^2=|\mathbf v|^2+|\mathbf w|^2. \] Değişkenlerin döngüsel olarak yer değiştirmesiyle elde edilen eşitlikler de geçerlidir. Bu eşitlikleri birbirinden çıkararak \[ |\mathbf u|=|\mathbf v|=|\mathbf w|=r>0 \] olduğunu görürüz. Toplamları sıfır olduğundan, ayrıca \[ \mathbf u\cdot\mathbf v =\mathbf v\cdot\mathbf w =\mathbf w\cdot\mathbf u =-\frac{r^2}{2} \tag{4} \] elde ederiz. Örneğin, \(2\mathbf u\cdot\mathbf v=|\mathbf u+\mathbf v|^2-|\mathbf u|^2-|\mathbf v|^2=-r^2\).
Son olarak, (1)'deki üçgen eşitsizliklerinin her birinde eşitlik olması, toplanan sıfırdan farklı iki vektörün aynı yönde olduğunu gösterir. Dolayısıyla, altı birim kenar vektörü sırasıyla \[ \frac{\mathbf u}{r},\quad -\frac{\mathbf v}{r},\quad \frac{\mathbf w}{r},\quad -\frac{\mathbf u}{r},\quad \frac{\mathbf v}{r},\quad -\frac{\mathbf w}{r} \] olur. (4) gereğince, bu listedeki son ve ilk vektör de dâhil olmak üzere, ardışık herhangi iki vektörün skaler çarpımı \(1/2\)'dir.
Her köşede iç açıyı oluşturan ışınlardan biri gelen kenar vektörünün ters yönünde, diğeri ise çıkan kenar vektörünün yönündedir. Dolayısıyla bu ışınların birim vektörlerinin skaler çarpımı \(-1/2\)'dir. Dışbükeylikten, her iç açının \[ \arccos(-1/2)=120^\circ \] olduğu sonucu çıkar. Başlangıçta ardışık kenarların aynı doğru üzerinde olmasına izin verilmiş olsa bile, bu sonuç doğru açıları da dışlar. Böylece altı açının hepsi eşittir. \(\square\)
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2003 · Problema 3
Un hexágono convexo tiene la propiedad de que, para cualquier par de lados opuestos, la distancia entre sus puntos medios es \(\sqrt{3}/2\) veces la suma de sus longitudes. Demostrar que todos los ángulos del hexágono son iguales.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sean \(A_1,\ldots,A_6\) los vértices en orden cíclico, con los índices tomados módulo \(6\). Escribamos \[ \mathbf e_i=\overrightarrow{A_iA_{i+1}},\qquad \ell_i=|\mathbf e_i|>0, \] y sea \(M_i\) el punto medio de \(A_iA_{i+1}\). Definamos \[ \mathbf u=\mathbf e_1-\mathbf e_4,\qquad \mathbf v=\mathbf e_5-\mathbf e_2,\qquad \mathbf w=\mathbf e_3-\mathbf e_6, \] y \[ a=\ell_1+\ell_4,\qquad b=\ell_2+\ell_5,\qquad c=\ell_3+\ell_6. \] La desigualdad triangular da \[ |\mathbf u|\le a,\qquad |\mathbf v|\le b,\qquad |\mathbf w|\le c. \tag{1} \]
Como \(\mathbf e_1+\cdots+\mathbf e_6=0\), la fórmula del punto medio da \[ \begin{aligned} 2\overrightarrow{M_1M_4} &=\mathbf e_1+2\mathbf e_2+2\mathbf e_3+\mathbf e_4 =\mathbf w-\mathbf v,\\ 2\overrightarrow{M_2M_5}&=\mathbf w-\mathbf u,\\ 2\overrightarrow{M_3M_6}&=\mathbf v-\mathbf u. \end{aligned} \] Así, las hipótesis equivalen a \[ |\mathbf v-\mathbf w|^2=3a^2,\qquad |\mathbf w-\mathbf u|^2=3b^2,\qquad |\mathbf u-\mathbf v|^2=3c^2. \tag{2} \]
Al desarrollar los productos escalares se obtiene la identidad \[ |\mathbf v-\mathbf w|^2+|\mathbf w-\mathbf u|^2+|\mathbf u-\mathbf v|^2 = 3\bigl(|\mathbf u|^2+|\mathbf v|^2+|\mathbf w|^2\bigr) -|\mathbf u+\mathbf v+\mathbf w|^2. \] Junto con (2), esto se convierte en \[ 0= 3(a^2-|\mathbf u|^2)+3(b^2-|\mathbf v|^2)+3(c^2-|\mathbf w|^2) +|\mathbf u+\mathbf v+\mathbf w|^2. \] Por (1), cada término del miembro derecho es no negativo, por lo que todos se anulan. Por tanto, \[ \mathbf u+\mathbf v+\mathbf w=0,\qquad |\mathbf u|=a,\quad |\mathbf v|=b,\quad |\mathbf w|=c. \tag{3} \]
A continuación demostramos que estas tres normas son iguales. Por (2), (3) y la identidad del paralelogramo, \[ 3|\mathbf u|^2 =|\mathbf v-\mathbf w|^2 =2|\mathbf v|^2+2|\mathbf w|^2-|\mathbf v+\mathbf w|^2 =2|\mathbf v|^2+2|\mathbf w|^2-|\mathbf u|^2. \] Por consiguiente, \[ 2|\mathbf u|^2=|\mathbf v|^2+|\mathbf w|^2. \] Las ecuaciones correspondientes se cumplen por permutación cíclica. Restándolas, se obtiene \[ |\mathbf u|=|\mathbf v|=|\mathbf w|=r>0. \] Como su suma es cero, también obtenemos \[ \mathbf u\cdot\mathbf v =\mathbf v\cdot\mathbf w =\mathbf w\cdot\mathbf u =-\frac{r^2}{2}. \tag{4} \] Por ejemplo, \(2\mathbf u\cdot\mathbf v=|\mathbf u+\mathbf v|^2-|\mathbf u|^2-|\mathbf v|^2=-r^2\).
Finalmente, la igualdad en cada una de las desigualdades triangulares de (1) significa que los dos vectores no nulos que se suman tienen la misma dirección y el mismo sentido. Por tanto, los seis vectores unitarios de los lados, en orden, son \[ \frac{\mathbf u}{r},\quad -\frac{\mathbf v}{r},\quad \frac{\mathbf w}{r},\quad -\frac{\mathbf u}{r},\quad \frac{\mathbf v}{r},\quad -\frac{\mathbf w}{r}. \] Por (4), cualesquiera dos vectores consecutivos de esta lista, incluidos el último y el primero, tienen producto escalar \(1/2\).
En cada vértice, las semirrectas que forman el ángulo interior apuntan en sentido opuesto al vector del lado entrante y en el mismo sentido que el vector del lado saliente. Por tanto, sus vectores unitarios tienen producto escalar \(-1/2\). La convexidad implica entonces que cada ángulo interior es \[ \arccos(-1/2)=120^\circ. \] Esto también excluye los ángulos llanos si inicialmente se permitían lados consecutivos colineales. Así, los seis ángulos son iguales. \(\square\)
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2003 · 问题 3
一个凸六边形具有如下性质:任意一对对边的中点之间的距离,等于这两条边的长度之和的 \(\sqrt{3}/2\) 倍。证明这个六边形的所有内角都相等。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
设各顶点按沿周界的顺序依次为 \(A_1,\ldots,A_6\),下标按模 \(6\) 计算。记 \[ \mathbf e_i=\overrightarrow{A_iA_{i+1}},\qquad \ell_i=|\mathbf e_i|>0, \] 并设 \(M_i\) 为 \(A_iA_{i+1}\) 的中点。定义 \[ \mathbf u=\mathbf e_1-\mathbf e_4,\qquad \mathbf v=\mathbf e_5-\mathbf e_2,\qquad \mathbf w=\mathbf e_3-\mathbf e_6, \] 以及 \[ a=\ell_1+\ell_4,\qquad b=\ell_2+\ell_5,\qquad c=\ell_3+\ell_6. \] 由三角不等式可得 \[ |\mathbf u|\le a,\qquad |\mathbf v|\le b,\qquad |\mathbf w|\le c. \tag{1} \]
由于 \(\mathbf e_1+\cdots+\mathbf e_6=0\),由中点公式可得 \[ \begin{aligned} 2\overrightarrow{M_1M_4} &=\mathbf e_1+2\mathbf e_2+2\mathbf e_3+\mathbf e_4 =\mathbf w-\mathbf v,\\ 2\overrightarrow{M_2M_5}&=\mathbf w-\mathbf u,\\ 2\overrightarrow{M_3M_6}&=\mathbf v-\mathbf u. \end{aligned} \] 因此,题设条件等价于 \[ |\mathbf v-\mathbf w|^2=3a^2,\qquad |\mathbf w-\mathbf u|^2=3b^2,\qquad |\mathbf u-\mathbf v|^2=3c^2. \tag{2} \]
展开数量积,得到恒等式 \[ |\mathbf v-\mathbf w|^2+|\mathbf w-\mathbf u|^2+|\mathbf u-\mathbf v|^2 = 3\bigl(|\mathbf u|^2+|\mathbf v|^2+|\mathbf w|^2\bigr) -|\mathbf u+\mathbf v+\mathbf w|^2. \] 结合 (2),上式化为 \[ 0= 3(a^2-|\mathbf u|^2)+3(b^2-|\mathbf v|^2)+3(c^2-|\mathbf w|^2) +|\mathbf u+\mathbf v+\mathbf w|^2. \] 由 (1),右端每一项均非负,因此每一项都为零。于是 \[ \mathbf u+\mathbf v+\mathbf w=0,\qquad |\mathbf u|=a,\quad |\mathbf v|=b,\quad |\mathbf w|=c. \tag{3} \]
接下来证明这三个向量的模相等。由 (2)、(3) 以及平行四边形恒等式, \[ 3|\mathbf u|^2 =|\mathbf v-\mathbf w|^2 =2|\mathbf v|^2+2|\mathbf w|^2-|\mathbf v+\mathbf w|^2 =2|\mathbf v|^2+2|\mathbf w|^2-|\mathbf u|^2. \] 因此, \[ 2|\mathbf u|^2=|\mathbf v|^2+|\mathbf w|^2. \] 循环置换后得到的相应等式也成立。将这些等式相减,可得 \[ |\mathbf u|=|\mathbf v|=|\mathbf w|=r>0. \] 由于它们的和为零,还可得到 \[ \mathbf u\cdot\mathbf v =\mathbf v\cdot\mathbf w =\mathbf w\cdot\mathbf u =-\frac{r^2}{2}. \tag{4} \] 例如,\(2\mathbf u\cdot\mathbf v=|\mathbf u+\mathbf v|^2-|\mathbf u|^2-|\mathbf v|^2=-r^2\)。
最后,(1) 中每个三角不等式的等号成立,意味着其中相加的两个非零向量方向相同。因此,沿六条边的单位向量依次为 \[ \frac{\mathbf u}{r},\quad -\frac{\mathbf v}{r},\quad \frac{\mathbf w}{r},\quad -\frac{\mathbf u}{r},\quad \frac{\mathbf v}{r},\quad -\frac{\mathbf w}{r}. \] 由 (4),此列中任意两个相邻向量(包括最后一个与第一个)的数量积均为 \(1/2\)。
在每个顶点处,构成内角的两条射线,一条与进入该顶点的边向量方向相反,另一条与离开该顶点的边向量方向相同。因此,它们的单位向量的数量积为 \(-1/2\)。由凸性可知,每个内角均为 \[ \arccos(-1/2)=120^\circ. \] 即使最初允许相邻两边共线,上述结论也排除了平角的情形。因此,六个内角都相等。\(\square\)
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2003 · Задача 3
Выпуклый шестиугольник обладает следующим свойством: для любой пары противоположных сторон расстояние между их серединами равно произведению \(\sqrt{3}/2\) на сумму их длин. Докажите, что все углы этого шестиугольника равны.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Обозначим вершины через \(A_1,\ldots,A_6\) в порядке обхода, считая индексы по модулю \(6\). Положим \[ \mathbf e_i=\overrightarrow{A_iA_{i+1}},\qquad \ell_i=|\mathbf e_i|>0, \] и пусть \(M_i\) — середина \(A_iA_{i+1}\). Определим \[ \mathbf u=\mathbf e_1-\mathbf e_4,\qquad \mathbf v=\mathbf e_5-\mathbf e_2,\qquad \mathbf w=\mathbf e_3-\mathbf e_6, \] а также \[ a=\ell_1+\ell_4,\qquad b=\ell_2+\ell_5,\qquad c=\ell_3+\ell_6. \] По неравенству треугольника \[ |\mathbf u|\le a,\qquad |\mathbf v|\le b,\qquad |\mathbf w|\le c. \tag{1} \]
Поскольку \(\mathbf e_1+\cdots+\mathbf e_6=0\), из формулы для середины отрезка получаем \[ \begin{aligned} 2\overrightarrow{M_1M_4} &=\mathbf e_1+2\mathbf e_2+2\mathbf e_3+\mathbf e_4 =\mathbf w-\mathbf v,\\ 2\overrightarrow{M_2M_5}&=\mathbf w-\mathbf u,\\ 2\overrightarrow{M_3M_6}&=\mathbf v-\mathbf u. \end{aligned} \] Таким образом, условия задачи равносильны равенствам \[ |\mathbf v-\mathbf w|^2=3a^2,\qquad |\mathbf w-\mathbf u|^2=3b^2,\qquad |\mathbf u-\mathbf v|^2=3c^2. \tag{2} \]
Раскрывая скалярные произведения, получаем тождество \[ |\mathbf v-\mathbf w|^2+|\mathbf w-\mathbf u|^2+|\mathbf u-\mathbf v|^2 = 3\bigl(|\mathbf u|^2+|\mathbf v|^2+|\mathbf w|^2\bigr) -|\mathbf u+\mathbf v+\mathbf w|^2. \] С учётом (2) оно принимает вид \[ 0= 3(a^2-|\mathbf u|^2)+3(b^2-|\mathbf v|^2)+3(c^2-|\mathbf w|^2) +|\mathbf u+\mathbf v+\mathbf w|^2. \] В силу (1) каждое слагаемое в правой части неотрицательно, поэтому каждое из них равно нулю. Следовательно, \[ \mathbf u+\mathbf v+\mathbf w=0,\qquad |\mathbf u|=a,\quad |\mathbf v|=b,\quad |\mathbf w|=c. \tag{3} \]
Теперь покажем, что длины этих трёх векторов равны. Из (2), (3) и тождества параллелограмма следует, что \[ 3|\mathbf u|^2 =|\mathbf v-\mathbf w|^2 =2|\mathbf v|^2+2|\mathbf w|^2-|\mathbf v+\mathbf w|^2 =2|\mathbf v|^2+2|\mathbf w|^2-|\mathbf u|^2. \] Следовательно, \[ 2|\mathbf u|^2=|\mathbf v|^2+|\mathbf w|^2. \] Аналогичные равенства получаются циклической перестановкой. Вычитая их друг из друга, получаем \[ |\mathbf u|=|\mathbf v|=|\mathbf w|=r>0. \] Поскольку сумма этих векторов равна нулю, также имеем \[ \mathbf u\cdot\mathbf v =\mathbf v\cdot\mathbf w =\mathbf w\cdot\mathbf u =-\frac{r^2}{2}. \tag{4} \] Например, \(2\mathbf u\cdot\mathbf v=|\mathbf u+\mathbf v|^2-|\mathbf u|^2-|\mathbf v|^2=-r^2\).
Наконец, равенство в каждом из неравенств треугольника (1) означает, что два складываемых ненулевых вектора сонаправлены. Поэтому единичные векторы шести сторон в порядке обхода равны \[ \frac{\mathbf u}{r},\quad -\frac{\mathbf v}{r},\quad \frac{\mathbf w}{r},\quad -\frac{\mathbf u}{r},\quad \frac{\mathbf v}{r},\quad -\frac{\mathbf w}{r}. \] В силу (4) скалярное произведение любых двух последовательных векторов в этом списке, включая последний и первый, равно \(1/2\).
В каждой вершине лучи, образующие внутренний угол, направлены противоположно вектору входящей стороны и вдоль вектора выходящей стороны. Поэтому скалярное произведение их единичных векторов равно \(-1/2\). Из выпуклости теперь следует, что каждый внутренний угол равен \[ \arccos(-1/2)=120^\circ. \] Это также исключает развёрнутые углы, если изначально допускались соседние стороны, лежащие на одной прямой. Таким образом, все шесть углов равны. \(\square\)
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2003 · المسألة 3
لسداسي محدب الخاصية الآتية: لكل زوج من الأضلاع المتقابلة، تساوي المسافة بين منتصفيهما \(\sqrt{3}/2\) مضروبًا في مجموع طوليهما. أثبت أن جميع زوايا السداسي متساوية.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لتكن الرؤوس \(A_1,\ldots,A_6\) مرتبة ترتيبًا دوريًا، مع اعتبار المؤشرات بترديد \(6\). نكتب \[ \mathbf e_i=\overrightarrow{A_iA_{i+1}},\qquad \ell_i=|\mathbf e_i|>0, \] ولتكن \(M_i\) منتصف \(A_iA_{i+1}\). نعرّف \[ \mathbf u=\mathbf e_1-\mathbf e_4,\qquad \mathbf v=\mathbf e_5-\mathbf e_2,\qquad \mathbf w=\mathbf e_3-\mathbf e_6, \] وكذلك \[ a=\ell_1+\ell_4,\qquad b=\ell_2+\ell_5,\qquad c=\ell_3+\ell_6. \] تعطي متباينة المثلث \[ |\mathbf u|\le a,\qquad |\mathbf v|\le b,\qquad |\mathbf w|\le c. \tag{1} \]
بما أن \(\mathbf e_1+\cdots+\mathbf e_6=0\)، فإن صيغة المنتصف تعطي \[ \begin{aligned} 2\overrightarrow{M_1M_4} &=\mathbf e_1+2\mathbf e_2+2\mathbf e_3+\mathbf e_4 =\mathbf w-\mathbf v,\\ 2\overrightarrow{M_2M_5}&=\mathbf w-\mathbf u,\\ 2\overrightarrow{M_3M_6}&=\mathbf v-\mathbf u. \end{aligned} \] وعليه، تكافئ الفرضيات العلاقات \[ |\mathbf v-\mathbf w|^2=3a^2,\qquad |\mathbf w-\mathbf u|^2=3b^2,\qquad |\mathbf u-\mathbf v|^2=3c^2. \tag{2} \]
بنشر الجداءات السلمية نحصل على المتطابقة \[ |\mathbf v-\mathbf w|^2+|\mathbf w-\mathbf u|^2+|\mathbf u-\mathbf v|^2 = 3\bigl(|\mathbf u|^2+|\mathbf v|^2+|\mathbf w|^2\bigr) -|\mathbf u+\mathbf v+\mathbf w|^2. \] وباستخدام (2)، تصبح هذه المتطابقة \[ 0= 3(a^2-|\mathbf u|^2)+3(b^2-|\mathbf v|^2)+3(c^2-|\mathbf w|^2) +|\mathbf u+\mathbf v+\mathbf w|^2. \] كل حد في الطرف الأيمن غير سالب وفقًا لـ(1)، ومن ثم فإن كل حد يساوي صفرًا. لذا \[ \mathbf u+\mathbf v+\mathbf w=0,\qquad |\mathbf u|=a,\quad |\mathbf v|=b,\quad |\mathbf w|=c. \tag{3} \]
نثبت الآن أن هذه المعايير الثلاثة متساوية. باستخدام (2) و(3) ومتطابقة متوازي الأضلاع، نحصل على \[ 3|\mathbf u|^2 =|\mathbf v-\mathbf w|^2 =2|\mathbf v|^2+2|\mathbf w|^2-|\mathbf v+\mathbf w|^2 =2|\mathbf v|^2+2|\mathbf w|^2-|\mathbf u|^2. \] وبالتالي، \[ 2|\mathbf u|^2=|\mathbf v|^2+|\mathbf w|^2. \] وتتحقق المعادلات المناظرة بالتبديل الدوري. وبطرحها بعضها من بعض نجد أن \[ |\mathbf u|=|\mathbf v|=|\mathbf w|=r>0. \] وبما أن مجموعها يساوي صفرًا، نحصل أيضًا على \[ \mathbf u\cdot\mathbf v =\mathbf v\cdot\mathbf w =\mathbf w\cdot\mathbf u =-\frac{r^2}{2}. \tag{4} \] على سبيل المثال، \(2\mathbf u\cdot\mathbf v=|\mathbf u+\mathbf v|^2-|\mathbf u|^2-|\mathbf v|^2=-r^2\).
وأخيرًا، تعني المساواة في كل متباينة من متباينات المثلث في (1) أن المتجهين غير الصفريين اللذين نجمعهما لهما الاتجاه نفسه. ومن ثم فإن متجهات الوحدة للأضلاع الستة هي، بالترتيب، \[ \frac{\mathbf u}{r},\quad -\frac{\mathbf v}{r},\quad \frac{\mathbf w}{r},\quad -\frac{\mathbf u}{r},\quad \frac{\mathbf v}{r},\quad -\frac{\mathbf w}{r}. \] وفقًا لـ(4)، فإن الجداء السلمي لأي متجهين متتاليين في هذه القائمة، بما في ذلك الأخير والأول، يساوي \(1/2\).
عند كل رأس، يتجه الشعاعان اللذان يشكلان الزاوية الداخلية بعكس متجه الضلع الوارد وفي اتجاه متجه الضلع الصادر. ولذلك فإن الجداء السلمي لمتجهي الوحدة لهما يساوي \(-1/2\). وبفضل التحدب، ينتج الآن أن كل زاوية داخلية تساوي \[ \arccos(-1/2)=120^\circ. \] وهذا يستبعد أيضًا الزوايا المستقيمة إذا كان قد سُمح في البداية بوقوع أضلاع متتالية على استقامة واحدة. إذن الزوايا الست كلها متساوية. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.