IMO 2005 · Problem 1
Six points are chosen on the sides of an equilateral triangle \(ABC\): \(A_1, A_2\) on \(BC\), \(B_1, B_2\) on \(CA\) and \(C_1, C_2\) on \(AB\), such that they are the vertices of a convex hexagon \(A_1A_2B_1B_2C_1C_2\) with equal side lengths. Prove that the lines \(A_1B_2\), \(B_1C_2\) and \(C_1A_2\) are concurrent.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
We first prove that \(A_1B_1C_1\) is equilateral.
Let \(s>0\) be the common side length of the hexagon. By convexity, its stated cyclic order agrees with the order of its vertices around the boundary of \(ABC\). Choose the counterclockwise orientation for this order, and let \(R\) denote rotation of vectors counterclockwise through \(120^\circ\).
Write \[ \begin{aligned} u_1&=\overrightarrow{A_1A_2},& u_2&=\overrightarrow{B_1B_2},& u_3&=\overrightarrow{C_1C_2},\\ v_1&=\overrightarrow{A_2B_1},& v_2&=\overrightarrow{B_2C_1},& v_3&=\overrightarrow{C_2A_1}. \end{aligned} \] The vectors \(u_1,u_2,u_3\) have equal lengths and follow the three sides of the equilateral triangle in order. Hence \[ u_2=Ru_1,\qquad u_3=R^2u_1,\qquad u_1+u_2+u_3=0. \] The sum of all six edge vectors is zero, so \[ v_1+v_2+v_3=0. \] Moreover, \(|v_1|=|v_2|=|v_3|=s\). Therefore \[ s^2=|v_1+v_2|^2 =2s^2+2v_1\cdot v_2, \] giving \(v_1\cdot v_2=-s^2/2\). The same calculation applies to the other two pairs. Thus the directions of \(v_1,v_2,v_3\) are spaced by \(120^\circ\).
As a convex polygon is traversed counterclockwise, its edge directions occur in counterclockwise circular order: its exterior turns are nonnegative and sum to \(360^\circ\). Consequently \(v_1,v_2,v_3\) occur in that order, and \[ v_2=Rv_1,\qquad v_3=R^2v_1. \] This reasoning permits zero exterior turns, so it also covers any collinear consecutive edges.
Now \[ \begin{aligned} \overrightarrow{A_1B_1}&=u_1+v_1,\\ \overrightarrow{B_1C_1}&=u_2+v_2=R(u_1+v_1),\\ \overrightarrow{C_1A_1}&=u_3+v_3=R^2(u_1+v_1). \end{aligned} \] These three vectors have equal lengths. Since the vertices are distinct, \(A_1B_1C_1\) is a nondegenerate equilateral triangle.
Let \(O\) be its circumcenter. Because \[ B_1B_2=B_2C_1, \] the point \(B_2\) lies on the perpendicular bisector of \(B_1C_1\). Since \(A_1B_1=A_1C_1\), this perpendicular bisector also contains \(A_1\), and hence it is precisely the line \(A_1B_2\). It contains \(O\).
Similarly, \(B_1C_2\) is the perpendicular bisector of \(C_1A_1\), and \(C_1A_2\) is the perpendicular bisector of \(A_1B_1\). Both contain \(O\). Thus the three required lines are concurrent at \(O\).
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2005 · Aufgabe 1
Auf den Seiten eines gleichseitigen Dreiecks \(ABC\) werden sechs Punkte gewählt: \(A_1, A_2\) auf \(BC\), \(B_1, B_2\) auf \(CA\) und \(C_1, C_2\) auf \(AB\), sodass sie die Eckpunkte eines konvexen Sechsecks \(A_1A_2B_1B_2C_1C_2\) mit gleich langen Seiten sind. Beweise, dass sich die Geraden \(A_1B_2\), \(B_1C_2\) und \(C_1A_2\) in einem Punkt schneiden.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir beweisen zunächst, dass \(A_1B_1C_1\) gleichseitig ist.
Sei \(s>0\) die gemeinsame Seitenlänge des Sechsecks. Wegen seiner Konvexität stimmt die angegebene zyklische Reihenfolge mit der Reihenfolge seiner Eckpunkte entlang des Randes von \(ABC\) überein. Wir wählen die Orientierung so, dass diese Reihenfolge gegen den Uhrzeigersinn verläuft, und bezeichnen mit \(R\) die Drehung von Vektoren um \(120^\circ\) gegen den Uhrzeigersinn.
Wir setzen \[ \begin{aligned} u_1&=\overrightarrow{A_1A_2},& u_2&=\overrightarrow{B_1B_2},& u_3&=\overrightarrow{C_1C_2},\\ v_1&=\overrightarrow{A_2B_1},& v_2&=\overrightarrow{B_2C_1},& v_3&=\overrightarrow{C_2A_1}. \end{aligned} \] Die Vektoren \(u_1,u_2,u_3\) sind gleich lang und verlaufen der Reihe nach entlang der drei Seiten des gleichseitigen Dreiecks. Daher gilt \[ u_2=Ru_1,\qquad u_3=R^2u_1,\qquad u_1+u_2+u_3=0. \] Die Summe aller sechs Seitenvektoren ist null, also gilt \[ v_1+v_2+v_3=0. \] Außerdem ist \(|v_1|=|v_2|=|v_3|=s\). Somit gilt \[ s^2=|v_1+v_2|^2 =2s^2+2v_1\cdot v_2, \] woraus \(v_1\cdot v_2=-s^2/2\) folgt. Dieselbe Rechnung gilt für die beiden anderen Paare. Die Richtungen von \(v_1,v_2,v_3\) liegen daher jeweils um \(120^\circ\) auseinander.
Durchläuft man ein konvexes Vieleck gegen den Uhrzeigersinn, so folgen auch seine Seitenrichtungen in zyklischer Reihenfolge gegen den Uhrzeigersinn aufeinander: Die Drehwinkel an den Ecken sind nichtnegativ und ergeben zusammen \(360^\circ\). Folglich treten \(v_1,v_2,v_3\) in dieser Reihenfolge auf, und es gilt \[ v_2=Rv_1,\qquad v_3=R^2v_1. \] Diese Überlegung lässt auch Drehwinkel von null zu und erfasst somit auch den Fall kollinearer aufeinanderfolgender Seiten.
Nun gilt \[ \begin{aligned} \overrightarrow{A_1B_1}&=u_1+v_1,\\ \overrightarrow{B_1C_1}&=u_2+v_2=R(u_1+v_1),\\ \overrightarrow{C_1A_1}&=u_3+v_3=R^2(u_1+v_1). \end{aligned} \] Diese drei Vektoren sind gleich lang. Da die Eckpunkte verschieden sind, ist \(A_1B_1C_1\) ein nicht entartetes gleichseitiges Dreieck.
Sei \(O\) sein Umkreismittelpunkt. Wegen \[ B_1B_2=B_2C_1 \] liegt der Punkt \(B_2\) auf der Mittelsenkrechten von \(B_1C_1\). Wegen \(A_1B_1=A_1C_1\) enthält diese Mittelsenkrechte auch \(A_1\) und ist daher genau die Gerade \(A_1B_2\). Sie enthält \(O\).
Ebenso ist \(B_1C_2\) die Mittelsenkrechte von \(C_1A_1\) und \(C_1A_2\) die Mittelsenkrechte von \(A_1B_1\). Beide enthalten \(O\). Somit schneiden sich die drei betrachteten Geraden in \(O\).
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2005 · Soru 1
Bir eşkenar \(ABC\) üçgeninin kenarları üzerinde, \(BC\) üzerinde \(A_1, A_2\), \(CA\) üzerinde \(B_1, B_2\) ve \(AB\) üzerinde \(C_1, C_2\) olmak üzere, kenar uzunlukları eşit olan dışbükey bir \(A_1A_2B_1B_2C_1C_2\) altıgeninin köşelerini oluşturacak biçimde altı nokta seçiliyor. \(A_1B_2\), \(B_1C_2\) ve \(C_1A_2\) doğrularının bir noktada kesiştiğini kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Önce \(A_1B_1C_1\) üçgeninin eşkenar olduğunu kanıtlayacağız.
Altıgenin ortak kenar uzunluğu \(s>0\) olsun. Dışbükeylik nedeniyle, verilen çevresel sıralama, köşelerin \(ABC\) üçgeninin sınırı üzerindeki sıralamasıyla aynıdır. Bu sıralama için saat yönünün tersini seçelim ve vektörleri saat yönünün tersine \(120^\circ\) döndüren dönüşümü \(R\) ile gösterelim.
Şöyle yazalım: \[ \begin{aligned} u_1&=\overrightarrow{A_1A_2},& u_2&=\overrightarrow{B_1B_2},& u_3&=\overrightarrow{C_1C_2},\\ v_1&=\overrightarrow{A_2B_1},& v_2&=\overrightarrow{B_2C_1},& v_3&=\overrightarrow{C_2A_1}. \end{aligned} \] \(u_1,u_2,u_3\) vektörlerinin uzunlukları eşittir ve bu vektörler eşkenar üçgenin üç kenarını sırayla izler. Dolayısıyla \[ u_2=Ru_1,\qquad u_3=R^2u_1,\qquad u_1+u_2+u_3=0. \] Altı kenar vektörünün toplamı sıfır olduğundan \[ v_1+v_2+v_3=0. \] Ayrıca \(|v_1|=|v_2|=|v_3|=s\) olur. Bu nedenle \[ s^2=|v_1+v_2|^2 =2s^2+2v_1\cdot v_2, \] buradan \(v_1\cdot v_2=-s^2/2\) elde edilir. Aynı hesap diğer iki çift için de geçerlidir. Dolayısıyla \(v_1,v_2,v_3\) vektörlerinin yönleri arasında \(120^\circ\) vardır.
Dışbükey bir çokgenin çevresi saat yönünün tersine dolaşıldığında, kenar yönleri saat yönünün tersine çevresel sırayla karşımıza çıkar: dış dönme açıları negatif değildir ve toplamları \(360^\circ\) olur. Bu nedenle \(v_1,v_2,v_3\) bu sırayla yer alır ve \[ v_2=Rv_1,\qquad v_3=R^2v_1. \] Bu akıl yürütme, dış dönme açılarının sıfır olmasına da izin verdiğinden, ardışık kenarların aynı doğru üzerinde olduğu durumları da kapsar.
Şimdi \[ \begin{aligned} \overrightarrow{A_1B_1}&=u_1+v_1,\\ \overrightarrow{B_1C_1}&=u_2+v_2=R(u_1+v_1),\\ \overrightarrow{C_1A_1}&=u_3+v_3=R^2(u_1+v_1). \end{aligned} \] Bu üç vektörün uzunlukları eşittir. Köşeler birbirinden farklı olduğundan, \(A_1B_1C_1\) dejenere olmayan bir eşkenar üçgendir.
Bu üçgenin çevrel çemberinin merkezi \(O\) olsun. \[ B_1B_2=B_2C_1, \] olduğundan, \(B_2\) noktası \(B_1C_1\) doğru parçasının orta dikmesi üzerindedir. \(A_1B_1=A_1C_1\) olduğundan, bu orta dikme \(A_1\) noktasından da geçer ve dolayısıyla tam olarak \(A_1B_2\) doğrusudur. Bu doğru \(O\) noktasından geçer.
Benzer biçimde, \(B_1C_2\) doğrusu \(C_1A_1\) doğru parçasının orta dikmesi, \(C_1A_2\) doğrusu ise \(A_1B_1\) doğru parçasının orta dikmesidir. Her ikisi de \(O\) noktasından geçer. Böylece istenen üç doğru \(O\) noktasında kesişir.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2005 · Problema 1
Se eligen seis puntos en los lados de un triángulo equilátero \(ABC\): \(A_1, A_2\) en \(BC\), \(B_1, B_2\) en \(CA\) y \(C_1, C_2\) en \(AB\), de modo que sean los vértices de un hexágono convexo \(A_1A_2B_1B_2C_1C_2\) cuyos lados tienen la misma longitud. Demostrar que las rectas \(A_1B_2\), \(B_1C_2\) y \(C_1A_2\) son concurrentes.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Primero demostramos que \(A_1B_1C_1\) es equilátero.
Sea \(s>0\) la longitud común de los lados del hexágono. Por convexidad, el orden cíclico indicado coincide con el orden de sus vértices a lo largo del contorno de \(ABC\). Elegimos la orientación antihoraria para este orden, y denotamos por \(R\) la rotación de vectores de \(120^\circ\) en sentido antihorario.
Escribimos \[ \begin{aligned} u_1&=\overrightarrow{A_1A_2},& u_2&=\overrightarrow{B_1B_2},& u_3&=\overrightarrow{C_1C_2},\\ v_1&=\overrightarrow{A_2B_1},& v_2&=\overrightarrow{B_2C_1},& v_3&=\overrightarrow{C_2A_1}. \end{aligned} \] Los vectores \(u_1,u_2,u_3\) tienen la misma longitud y siguen, en orden, los tres lados del triángulo equilátero. Por tanto, \[ u_2=Ru_1,\qquad u_3=R^2u_1,\qquad u_1+u_2+u_3=0. \] La suma de los seis vectores correspondientes a los lados es cero, de modo que \[ v_1+v_2+v_3=0. \] Además, \(|v_1|=|v_2|=|v_3|=s\). Por consiguiente, \[ s^2=|v_1+v_2|^2 =2s^2+2v_1\cdot v_2, \] de donde \(v_1\cdot v_2=-s^2/2\). El mismo cálculo se aplica a los otros dos pares. Así, las direcciones de \(v_1,v_2,v_3\) están separadas por \(120^\circ\).
Al recorrer un polígono convexo en sentido antihorario, las direcciones de sus lados aparecen en orden circular antihorario: sus giros exteriores son no negativos y suman \(360^\circ\). En consecuencia, \(v_1,v_2,v_3\) aparecen en ese orden, y \[ v_2=Rv_1,\qquad v_3=R^2v_1. \] Este razonamiento admite giros exteriores nulos, por lo que también abarca el caso de lados consecutivos colineales.
Ahora bien, \[ \begin{aligned} \overrightarrow{A_1B_1}&=u_1+v_1,\\ \overrightarrow{B_1C_1}&=u_2+v_2=R(u_1+v_1),\\ \overrightarrow{C_1A_1}&=u_3+v_3=R^2(u_1+v_1). \end{aligned} \] Estos tres vectores tienen la misma longitud. Como los vértices son distintos, \(A_1B_1C_1\) es un triángulo equilátero no degenerado.
Sea \(O\) su circuncentro. Puesto que \[ B_1B_2=B_2C_1, \] el punto \(B_2\) pertenece a la mediatriz de \(B_1C_1\). Como \(A_1B_1=A_1C_1\), esta mediatriz también contiene a \(A_1\), y por tanto es precisamente la recta \(A_1B_2\). Esta contiene a \(O\).
Análogamente, \(B_1C_2\) es la mediatriz de \(C_1A_1\), y \(C_1A_2\) es la mediatriz de \(A_1B_1\). Ambas contienen a \(O\). Así, las tres rectas del enunciado concurren en \(O\).
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2005 · 问题 1
在等边三角形 \(ABC\) 的边上选取六个点:\(A_1, A_2\) 在 \(BC\) 上,\(B_1, B_2\) 在 \(CA\) 上,\(C_1, C_2\) 在 \(AB\) 上,使得它们依次为一个各边长相等的凸六边形 \(A_1A_2B_1B_2C_1C_2\) 的顶点。证明:直线 \(A_1B_2\)、\(B_1C_2\) 和 \(C_1A_2\) 共点。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
我们先证明 \(A_1B_1C_1\) 是等边三角形。
设 \(s>0\) 为六边形的公共边长。由凸性,题目给出的顶点循环顺序与这些顶点沿 \(ABC\) 边界排列的顺序一致。选取这一顺序为逆时针方向,并用 \(R\) 表示将向量逆时针旋转 \(120^\circ\) 的变换。
记 \[ \begin{aligned} u_1&=\overrightarrow{A_1A_2},& u_2&=\overrightarrow{B_1B_2},& u_3&=\overrightarrow{C_1C_2},\\ v_1&=\overrightarrow{A_2B_1},& v_2&=\overrightarrow{B_2C_1},& v_3&=\overrightarrow{C_2A_1}. \end{aligned} \] 向量 \(u_1,u_2,u_3\) 的长度相等,并依次沿着等边三角形的三条边。因此 \[ u_2=Ru_1,\qquad u_3=R^2u_1,\qquad u_1+u_2+u_3=0. \] 六个边向量之和为零,所以 \[ v_1+v_2+v_3=0. \] 此外,\(|v_1|=|v_2|=|v_3|=s\)。因此 \[ s^2=|v_1+v_2|^2 =2s^2+2v_1\cdot v_2, \] 从而 \(v_1\cdot v_2=-s^2/2\)。对另外两对向量也可作同样的计算。因此,\(v_1,v_2,v_3\) 的方向彼此相隔 \(120^\circ\)。
沿逆时针方向绕凸多边形一周时,各边的方向按逆时针循环顺序排列:各次外转角均非负,且总和为 \(360^\circ\)。因此,\(v_1,v_2,v_3\) 按这一顺序出现,且 \[ v_2=Rv_1,\qquad v_3=R^2v_1. \] 这一论证允许外转角为零,因此也涵盖了相邻边共线的情形。
现在 \[ \begin{aligned} \overrightarrow{A_1B_1}&=u_1+v_1,\\ \overrightarrow{B_1C_1}&=u_2+v_2=R(u_1+v_1),\\ \overrightarrow{C_1A_1}&=u_3+v_3=R^2(u_1+v_1). \end{aligned} \] 这三个向量的长度相等。由于各顶点互不相同,\(A_1B_1C_1\) 是一个非退化的等边三角形。
设 \(O\) 为其外心。因为 \[ B_1B_2=B_2C_1, \] 所以点 \(B_2\) 位于 \(B_1C_1\) 的垂直平分线上。又因为 \(A_1B_1=A_1C_1\),这条垂直平分线也经过 \(A_1\),故它恰为直线 \(A_1B_2\)。它经过 \(O\)。
同理,\(B_1C_2\) 是 \(C_1A_1\) 的垂直平分线,\(C_1A_2\) 是 \(A_1B_1\) 的垂直平分线。这两条直线都经过 \(O\)。因此,题目中的三条直线共点于 \(O\)。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2005 · Задача 1
На сторонах равностороннего треугольника \(ABC\) выбраны шесть точек: \(A_1, A_2\) на \(BC\), \(B_1, B_2\) на \(CA\) и \(C_1, C_2\) на \(AB\), так что они являются вершинами выпуклого шестиугольника \(A_1A_2B_1B_2C_1C_2\) с равными сторонами. Докажите, что прямые \(A_1B_2\), \(B_1C_2\) и \(C_1A_2\) пересекаются в одной точке.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Сначала докажем, что треугольник \(A_1B_1C_1\) равносторонний.
Пусть \(s>0\) — общая длина сторон шестиугольника. В силу выпуклости указанный циклический порядок его вершин совпадает с порядком их расположения при обходе границы треугольника \(ABC\). Выберем ориентацию так, чтобы этот порядок соответствовал обходу против часовой стрелки, и обозначим через \(R\) поворот векторов против часовой стрелки на \(120^\circ\).
Запишем \[ \begin{aligned} u_1&=\overrightarrow{A_1A_2},& u_2&=\overrightarrow{B_1B_2},& u_3&=\overrightarrow{C_1C_2},\\ v_1&=\overrightarrow{A_2B_1},& v_2&=\overrightarrow{B_2C_1},& v_3&=\overrightarrow{C_2A_1}. \end{aligned} \] Векторы \(u_1,u_2,u_3\) имеют равные длины и направлены последовательно вдоль трёх сторон равностороннего треугольника. Поэтому \[ u_2=Ru_1,\qquad u_3=R^2u_1,\qquad u_1+u_2+u_3=0. \] Сумма всех шести векторов сторон равна нулю, откуда \[ v_1+v_2+v_3=0. \] Кроме того, \(|v_1|=|v_2|=|v_3|=s\). Следовательно, \[ s^2=|v_1+v_2|^2 =2s^2+2v_1\cdot v_2, \] откуда \(v_1\cdot v_2=-s^2/2\). Такое же вычисление применимо к двум другим парам. Таким образом, направления векторов \(v_1,v_2,v_3\) отличаются друг от друга на \(120^\circ\).
При обходе выпуклого многоугольника против часовой стрелки направления его сторон следуют в круговом порядке против часовой стрелки: углы поворота во внешнюю сторону неотрицательны и в сумме равны \(360^\circ\). Следовательно, \(v_1,v_2,v_3\) следуют именно в этом порядке, и \[ v_2=Rv_1,\qquad v_3=R^2v_1. \] Это рассуждение допускает нулевые углы поворота, поэтому оно охватывает и случай, когда соседние стороны лежат на одной прямой.
Теперь \[ \begin{aligned} \overrightarrow{A_1B_1}&=u_1+v_1,\\ \overrightarrow{B_1C_1}&=u_2+v_2=R(u_1+v_1),\\ \overrightarrow{C_1A_1}&=u_3+v_3=R^2(u_1+v_1). \end{aligned} \] Эти три вектора имеют равные длины. Поскольку вершины различны, \(A_1B_1C_1\) — невырожденный равносторонний треугольник.
Пусть \(O\) — центр его описанной окружности. Так как \[ B_1B_2=B_2C_1, \] точка \(B_2\) лежит на серединном перпендикуляре к \(B_1C_1\). Поскольку \(A_1B_1=A_1C_1\), этот серединный перпендикуляр проходит также через \(A_1\), а значит, совпадает с прямой \(A_1B_2\). Он проходит через \(O\).
Аналогично, \(B_1C_2\) — серединный перпендикуляр к \(C_1A_1\), а \(C_1A_2\) — серединный перпендикуляр к \(A_1B_1\). Оба проходят через \(O\). Таким образом, три указанные прямые пересекаются в точке \(O\).
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2005 · المسألة 1
اختيرت ست نقاط على أضلاع مثلث متساوي الأضلاع \(ABC\): النقطتان \(A_1, A_2\) على \(BC\)، والنقطتان \(B_1, B_2\) على \(CA\)، والنقطتان \(C_1, C_2\) على \(AB\)، بحيث تكون رؤوس سداسي محدب \(A_1A_2B_1B_2C_1C_2\) متساوي الأضلاع. أثبت أن المستقيمات \(A_1B_2\) و\(B_1C_2\) و\(C_1A_2\) تتلاقى في نقطة واحدة.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نثبت أولًا أن \(A_1B_1C_1\) متساوي الأضلاع.
ليكن \(s>0\) الطول المشترك لأضلاع السداسي. من تحدبه، يتفق الترتيب الدوري المذكور لرؤوسه مع ترتيبها حول حدود \(ABC\). نختار الاتجاه المعاكس لعقارب الساعة لهذا الترتيب، ولنرمز بـ \(R\) إلى دوران المتجهات عكس اتجاه عقارب الساعة بزاوية \(120^\circ\).
نكتب \[ \begin{aligned} u_1&=\overrightarrow{A_1A_2},& u_2&=\overrightarrow{B_1B_2},& u_3&=\overrightarrow{C_1C_2},\\ v_1&=\overrightarrow{A_2B_1},& v_2&=\overrightarrow{B_2C_1},& v_3&=\overrightarrow{C_2A_1}. \end{aligned} \] المتجهات \(u_1,u_2,u_3\) متساوية الأطوال، وتتبع الأضلاع الثلاثة للمثلث المتساوي الأضلاع بالترتيب. ومن ثم \[ u_2=Ru_1,\qquad u_3=R^2u_1,\qquad u_1+u_2+u_3=0. \] مجموع متجهات الأضلاع الستة يساوي الصفر، ولذلك \[ v_1+v_2+v_3=0. \] فضلًا عن ذلك، \(|v_1|=|v_2|=|v_3|=s\). إذن \[ s^2=|v_1+v_2|^2 =2s^2+2v_1\cdot v_2, \] فنحصل على \(v_1\cdot v_2=-s^2/2\). وينطبق الحساب نفسه على الزوجين الآخرين. وبالتالي تتباعد اتجاهات \(v_1,v_2,v_3\) بزاوية \(120^\circ\).
عند اجتياز حدود مضلع محدب عكس اتجاه عقارب الساعة، تأتي اتجاهات أضلاعه بترتيب دائري عكس اتجاه عقارب الساعة: فزوايا الانعطاف الخارجية غير سالبة ومجموعها \(360^\circ\). وبناءً عليه، تأتي \(v_1,v_2,v_3\) بهذا الترتيب، ويكون \[ v_2=Rv_1,\qquad v_3=R^2v_1. \] يسمح هذا الاستدلال بأن تكون زوايا الانعطاف الخارجية صفرًا، ولذلك يشمل أيضًا أي أضلاع متتالية تقع على استقامة واحدة.
والآن \[ \begin{aligned} \overrightarrow{A_1B_1}&=u_1+v_1,\\ \overrightarrow{B_1C_1}&=u_2+v_2=R(u_1+v_1),\\ \overrightarrow{C_1A_1}&=u_3+v_3=R^2(u_1+v_1). \end{aligned} \] هذه المتجهات الثلاثة متساوية الأطوال. وبما أن الرؤوس متمايزة، فإن \(A_1B_1C_1\) مثلث متساوي الأضلاع غير منحل.
ليكن \(O\) مركز دائرته المحيطة. بما أن \[ B_1B_2=B_2C_1, \] فإن النقطة \(B_2\) تقع على العمود المنصف للقطعة \(B_1C_1\). وبما أن \(A_1B_1=A_1C_1\)، فإن هذا العمود المنصف يمر أيضًا بالنقطة \(A_1\)، ومن ثم فهو المستقيم \(A_1B_2\) نفسه. وهو يمر بالنقطة \(O\).
وبالمثل، فإن \(B_1C_2\) هو العمود المنصف للقطعة \(C_1A_1\)، و\(C_1A_2\) هو العمود المنصف للقطعة \(A_1B_1\). وكلاهما يمر بالنقطة \(O\). وهكذا تتلاقى المستقيمات الثلاثة المطلوبة في النقطة \(O\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.