IMO 2005 · Problem 5
Let \(ABCD\) be a fixed convex quadrilateral with \(BC = DA\) and \(BC\) not parallel with \(DA\). Let two variable points \(E\) and \(F\) lie of the sides \(BC\) and \(DA\), respectively and satisfy \(BE = DF\). The lines \(AC\) and \(BD\) meet at \(P\), the lines \(BD\) and \(EF\) meet at \(Q\), the lines \(EF\) and \(AC\) meet at \(R\).
Prove that the circumcircles of the triangles \(PQR\), as \(E\) and \(F\) vary, have a common point other than \(P\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
We use vectors in the Euclidean plane, with \(P\) as the origin. Since the quadrilateral is convex, there are positive numbers \(a,b,c,d\) and linearly independent unit vectors \(\mathbf u,\mathbf v\) such that \[ A=a\mathbf u,\qquad C=-c\mathbf u,\qquad B=b\mathbf v,\qquad D=-d\mathbf v. \] Put \[ S=a+c,\qquad T=b+d,\qquad \Delta=ab-cd. \] We have \(\Delta\ne0\). Indeed, if \(ab=cd\), then \[ \overrightarrow{BC} =-c\mathbf u-b\mathbf v =-\frac ca(a\mathbf u+d\mathbf v) =-\frac ca\,\overrightarrow{DA}, \] contrary to the hypothesis that \(BC\) and \(DA\) are not parallel.
Because \(BC=DA\) and \(BE=DF\), we may write \[ t=\frac{BE}{BC}=\frac{DF}{DA},\qquad 0\le t\le1. \] First suppose \(0<t<1\). Then \[ E=-tc\mathbf u+(1-t)b\mathbf v,\qquad F=ta\mathbf u-(1-t)d\mathbf v. \] A general point \(E+\lambda(F-E)\) of their line has vector \[ t(-c+\lambda S)\mathbf u +(1-t)(b-\lambda T)\mathbf v. \] Taking \(\lambda=c/S\) gives its intersection with \(BD\), while taking \(\lambda=b/T\) gives its intersection with \(AC\). Consequently, \[ Q=\frac{(1-t)\Delta}{S}\mathbf v, \qquad R=\frac{t\Delta}{T}\mathbf u. \tag{1} \] In particular, both intersections exist, neither equals \(P\), and \(P,Q,R\) are noncollinear.
Define the fixed vector \[ \mathbf w=T\mathbf u+S\mathbf v \] and the fixed point \(X\) by \[ \overrightarrow{PX}=\mathbf x =\frac{\Delta}{\lVert\mathbf w\rVert^2}\mathbf w. \tag{2} \] Linear independence of \(\mathbf u,\mathbf v\) gives \(\mathbf w\ne0\), and \(\Delta\ne0\) therefore gives \(X\ne P\). We will prove that every required circle contains \(X\).
Let \(\mathbf z_t\) be the vector of the centre of the circumcircle of \(PQR\). Its radius is \(\lVert\mathbf z_t\rVert\), since it passes through the origin. Using its passage through \(R\) and \(Q\), respectively, and (1), we obtain \[ 2\mathbf z_t\cdot\mathbf u=\frac{t\Delta}{T}, \qquad 2\mathbf z_t\cdot\mathbf v=\frac{(1-t)\Delta}{S}. \] For example, the first identity follows by expanding \[ \left\lVert \frac{t\Delta}{T}\mathbf u-\mathbf z_t\right\rVert^2 =\lVert\mathbf z_t\rVert^2 \] and dividing by the nonzero number \(t\Delta/T\).
It follows that \[ 2\mathbf z_t\cdot\mathbf w =T\frac{t\Delta}{T} +S\frac{(1-t)\Delta}{S} =\Delta. \] Thus, by (2), \[ 2\mathbf z_t\cdot\mathbf x =\frac{\Delta^2}{\lVert\mathbf w\rVert^2} =\lVert\mathbf x\rVert^2. \] Hence \[ \lVert\mathbf x-\mathbf z_t\rVert^2 =\lVert\mathbf z_t\rVert^2, \] which says precisely that \(X\) lies on the circumcircle of \(PQR\).
Finally, at \(t=0\), the line \(EF\) equals \(BD\), so \(Q\) is not uniquely defined; at \(t=1\), it equals \(AC\), so \(R\) is not uniquely defined. These endpoint choices do not define triangles or circumcircles. Every other choice has been covered above. If endpoint circles are understood as limits, the displayed equations for \(\mathbf z_t\) give finite, nonzero limiting centres, and the same calculation shows that those circles also contain \(P\) and \(X\).
Therefore all the stated circumcircles have the fixed common point \(X\ne P\). \(\square\)
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2005 · Aufgabe 5
Sei \(ABCD\) ein festes konvexes Viereck mit \(BC = DA\), wobei \(BC\) nicht parallel zu \(DA\) ist. Zwei veränderliche Punkte \(E\) und \(F\) liegen auf den Seiten \(BC\) beziehungsweise \(DA\) und erfüllen \(BE = DF\). Die Geraden \(AC\) und \(BD\) schneiden sich in \(P\), die Geraden \(BD\) und \(EF\) schneiden sich in \(Q\), und die Geraden \(EF\) und \(AC\) schneiden sich in \(R\).
Beweise, dass die Umkreise der Dreiecke \(PQR\) bei Veränderung von \(E\) und \(F\) einen von \(P\) verschiedenen gemeinsamen Punkt haben.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir verwenden Vektoren in der euklidischen Ebene mit \(P\) als Ursprung. Da das Viereck konvex ist, gibt es positive Zahlen \(a,b,c,d\) und linear unabhängige Einheitsvektoren \(\mathbf u,\mathbf v\), sodass \[ A=a\mathbf u,\qquad C=-c\mathbf u,\qquad B=b\mathbf v,\qquad D=-d\mathbf v. \] Wir setzen \[ S=a+c,\qquad T=b+d,\qquad \Delta=ab-cd. \] Es gilt \(\Delta\ne0\). Wäre nämlich \(ab=cd\), so wäre \[ \overrightarrow{BC} =-c\mathbf u-b\mathbf v =-\frac ca(a\mathbf u+d\mathbf v) =-\frac ca\,\overrightarrow{DA}, \] im Widerspruch zur Voraussetzung, dass \(BC\) und \(DA\) nicht parallel sind.
Wegen \(BC=DA\) und \(BE=DF\) können wir schreiben \[ t=\frac{BE}{BC}=\frac{DF}{DA},\qquad 0\le t\le1. \] Wir nehmen zunächst \(0<t<1\) an. Dann gilt \[ E=-tc\mathbf u+(1-t)b\mathbf v,\qquad F=ta\mathbf u-(1-t)d\mathbf v. \] Ein beliebiger Punkt \(E+\lambda(F-E)\) ihrer Verbindungsgeraden hat den Ortsvektor \[ t(-c+\lambda S)\mathbf u +(1-t)(b-\lambda T)\mathbf v. \] Für \(\lambda=c/S\) ergibt sich ihr Schnittpunkt mit \(BD\), während sich für \(\lambda=b/T\) ihr Schnittpunkt mit \(AC\) ergibt. Folglich gilt \[ Q=\frac{(1-t)\Delta}{S}\mathbf v, \qquad R=\frac{t\Delta}{T}\mathbf u. \tag{1} \] Insbesondere existieren beide Schnittpunkte, keiner von ihnen ist gleich \(P\), und \(P,Q,R\) liegen nicht auf einer Geraden.
Wir definieren den festen Vektor \[ \mathbf w=T\mathbf u+S\mathbf v \] und den festen Punkt \(X\) durch \[ \overrightarrow{PX}=\mathbf x =\frac{\Delta}{\lVert\mathbf w\rVert^2}\mathbf w. \tag{2} \] Aus der linearen Unabhängigkeit von \(\mathbf u,\mathbf v\) folgt \(\mathbf w\ne0\), und wegen \(\Delta\ne0\) folgt daher \(X\ne P\). Wir werden beweisen, dass jeder betrachtete Kreis \(X\) enthält.
Sei \(\mathbf z_t\) der Ortsvektor des Umkreismittelpunkts von \(PQR\). Der Radius des Umkreises ist \(\lVert\mathbf z_t\rVert\), da er durch den Ursprung geht. Da er auch durch \(R\) beziehungsweise \(Q\) geht, erhalten wir mit (1) \[ 2\mathbf z_t\cdot\mathbf u=\frac{t\Delta}{T}, \qquad 2\mathbf z_t\cdot\mathbf v=\frac{(1-t)\Delta}{S}. \] Die erste Identität folgt beispielsweise durch Ausmultiplizieren von \[ \left\lVert \frac{t\Delta}{T}\mathbf u-\mathbf z_t\right\rVert^2 =\lVert\mathbf z_t\rVert^2 \] und Division durch die von null verschiedene Zahl \(t\Delta/T\).
Daraus folgt \[ 2\mathbf z_t\cdot\mathbf w =T\frac{t\Delta}{T} +S\frac{(1-t)\Delta}{S} =\Delta. \] Somit gilt nach (2) \[ 2\mathbf z_t\cdot\mathbf x =\frac{\Delta^2}{\lVert\mathbf w\rVert^2} =\lVert\mathbf x\rVert^2. \] Also gilt \[ \lVert\mathbf x-\mathbf z_t\rVert^2 =\lVert\mathbf z_t\rVert^2, \] was genau bedeutet, dass \(X\) auf dem Umkreis von \(PQR\) liegt.
Schließlich stimmt für \(t=0\) die Gerade \(EF\) mit \(BD\) überein, sodass \(Q\) nicht eindeutig bestimmt ist; für \(t=1\) stimmt sie mit \(AC\) überein, sodass \(R\) nicht eindeutig bestimmt ist. Diese Wahlen der Endpunkte definieren weder Dreiecke noch Umkreise. Alle anderen Wahlen wurden oben behandelt. Versteht man die Kreise für die Endpunktlagen als Grenzfälle, so liefern die angegebenen Gleichungen für \(\mathbf z_t\) endliche, vom Ursprung verschiedene Grenzlagen der Mittelpunkte, und dieselbe Rechnung zeigt, dass auch diese Kreise \(P\) und \(X\) enthalten.
Somit haben alle genannten Umkreise den festen gemeinsamen Punkt \(X\ne P\). \(\square\)
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2005 · Soru 5
\(ABCD\), \(BC = DA\) olan ve \(BC\) ile \(DA\)'nın paralel olmadığı sabit bir dışbükey dörtgen olsun. Sırasıyla \(BC\) ve \(DA\) kenarları üzerinde bulunan değişken \(E\) ve \(F\) noktaları \(BE = DF\) koşulunu sağlasın. \(AC\) ve \(BD\) doğruları \(P\)'de, \(BD\) ve \(EF\) doğruları \(Q\)'da, \(EF\) ve \(AC\) doğruları \(R\)'de kesişsin.
\(E\) ve \(F\) değiştikçe oluşan \(PQR\) üçgenlerinin çevrel çemberlerinin \(P\) dışında ortak bir noktası olduğunu kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Öklid düzleminde, başlangıç noktası olarak \(P\)'yi alıp vektörleri kullanacağız. Dörtgen dışbükey olduğundan, \[ A=a\mathbf u,\qquad C=-c\mathbf u,\qquad B=b\mathbf v,\qquad D=-d\mathbf v \] olacak biçimde pozitif \(a,b,c,d\) sayıları ve doğrusal bağımsız \(\mathbf u,\mathbf v\) birim vektörleri vardır. \[ S=a+c,\qquad T=b+d,\qquad \Delta=ab-cd \] olarak tanımlayalım. \(\Delta\ne0\) olur. Gerçekten, \(ab=cd\) olsaydı, \[ \overrightarrow{BC} =-c\mathbf u-b\mathbf v =-\frac ca(a\mathbf u+d\mathbf v) =-\frac ca\,\overrightarrow{DA}, \] olurdu; bu ise \(BC\) ile \(DA\)'nın paralel olmadığı varsayımıyla çelişir.
\(BC=DA\) ve \(BE=DF\) olduğundan, \[ t=\frac{BE}{BC}=\frac{DF}{DA},\qquad 0\le t\le1 \] yazabiliriz. Önce \(0<t<1\) olduğunu varsayalım. Bu durumda \[ E=-tc\mathbf u+(1-t)b\mathbf v,\qquad F=ta\mathbf u-(1-t)d\mathbf v. \] Bu iki noktadan geçen doğrunun genel bir \(E+\lambda(F-E)\) noktasının vektörü \[ t(-c+\lambda S)\mathbf u +(1-t)(b-\lambda T)\mathbf v \] olur. \(\lambda=c/S\) alındığında doğrunun \(BD\) ile kesişimi, \(\lambda=b/T\) alındığında ise \(AC\) ile kesişimi elde edilir. Dolayısıyla, \[ Q=\frac{(1-t)\Delta}{S}\mathbf v, \qquad R=\frac{t\Delta}{T}\mathbf u. \tag{1} \] Özellikle, her iki kesişim de vardır, hiçbiri \(P\)'ye eşit değildir ve \(P,Q,R\) doğrusal değildir.
Sabit vektörü \[ \mathbf w=T\mathbf u+S\mathbf v \] ve sabit \(X\) noktasını \[ \overrightarrow{PX}=\mathbf x =\frac{\Delta}{\lVert\mathbf w\rVert^2}\mathbf w \tag{2} \] ile tanımlayalım. \(\mathbf u,\mathbf v\)'nin doğrusal bağımsızlığı \(\mathbf w\ne0\) olmasını sağlar ve dolayısıyla \(\Delta\ne0\) olduğundan \(X\ne P\) olur. Söz konusu çemberlerin her birinin \(X\)'ten geçtiğini kanıtlayacağız.
\(PQR\) üçgeninin çevrel çemberinin merkezinin vektörü \(\mathbf z_t\) olsun. Çember başlangıç noktasından geçtiği için yarıçapı \(\lVert\mathbf z_t\rVert\) olur. Sırasıyla \(R\) ve \(Q\)'dan geçtiğini ve (1)'i kullanarak \[ 2\mathbf z_t\cdot\mathbf u=\frac{t\Delta}{T}, \qquad 2\mathbf z_t\cdot\mathbf v=\frac{(1-t)\Delta}{S} \] elde ederiz. Örneğin, ilk eşitlik \[ \left\lVert \frac{t\Delta}{T}\mathbf u-\mathbf z_t\right\rVert^2 =\lVert\mathbf z_t\rVert^2 \] eşitliğindeki kare açılıp sıfırdan farklı \(t\Delta/T\) sayısına bölünerek elde edilir.
Buradan \[ 2\mathbf z_t\cdot\mathbf w =T\frac{t\Delta}{T} +S\frac{(1-t)\Delta}{S} =\Delta \] elde edilir. Böylece (2) gereğince, \[ 2\mathbf z_t\cdot\mathbf x =\frac{\Delta^2}{\lVert\mathbf w\rVert^2} =\lVert\mathbf x\rVert^2. \] Dolayısıyla \[ \lVert\mathbf x-\mathbf z_t\rVert^2 =\lVert\mathbf z_t\rVert^2, \] olur; bu da tam olarak \(X\)'in \(PQR\) üçgeninin çevrel çemberi üzerinde olduğunu ifade eder.
Son olarak, \(t=0\) olduğunda \(EF\) doğrusu \(BD\) ile çakışır, dolayısıyla \(Q\) tek olarak belirlenmez; \(t=1\) olduğunda ise \(AC\) ile çakışır, dolayısıyla \(R\) tek olarak belirlenmez. Bu uç değer seçimleri bir üçgen veya çevrel çember tanımlamaz. Diğer bütün seçimler yukarıda ele alınmıştır. Uç değerlerdeki çemberler limit olarak yorumlanırsa, \(\mathbf z_t\) için verilen denklemler sonlu ve sıfırdan farklı limit merkezleri verir ve aynı hesap, bu çemberlerin de \(P\) ve \(X\)'ten geçtiğini gösterir.
Dolayısıyla söz konusu çevrel çemberlerin tümünün sabit bir ortak \(X\ne P\) noktası vardır. \(\square\)
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2005 · Problema 5
Sea \(ABCD\) un cuadrilátero convexo fijo tal que \(BC = DA\) y \(BC\) no es paralelo a \(DA\). Sean \(E\) y \(F\) dos puntos variables situados en los lados \(BC\) y \(DA\), respectivamente, que satisfacen \(BE = DF\). Las rectas \(AC\) y \(BD\) se cortan en \(P\), las rectas \(BD\) y \(EF\) se cortan en \(Q\), y las rectas \(EF\) y \(AC\) se cortan en \(R\).
Demostrar que las circunferencias circunscritas a los triángulos \(PQR\), al variar \(E\) y \(F\), tienen un punto común distinto de \(P\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Utilizamos vectores en el plano euclídeo, con \(P\) como origen. Como el cuadrilátero es convexo, existen números positivos \(a,b,c,d\) y vectores unitarios linealmente independientes \(\mathbf u,\mathbf v\) tales que \[ A=a\mathbf u,\qquad C=-c\mathbf u,\qquad B=b\mathbf v,\qquad D=-d\mathbf v. \] Sean \[ S=a+c,\qquad T=b+d,\qquad \Delta=ab-cd. \] Se tiene \(\Delta\ne0\). En efecto, si \(ab=cd\), entonces \[ \overrightarrow{BC} =-c\mathbf u-b\mathbf v =-\frac ca(a\mathbf u+d\mathbf v) =-\frac ca\,\overrightarrow{DA}, \] lo que contradice la hipótesis de que \(BC\) y \(DA\) no son paralelos.
Como \(BC=DA\) y \(BE=DF\), podemos escribir \[ t=\frac{BE}{BC}=\frac{DF}{DA},\qquad 0\le t\le1. \] Supongamos primero que \(0<t<1\). Entonces \[ E=-tc\mathbf u+(1-t)b\mathbf v,\qquad F=ta\mathbf u-(1-t)d\mathbf v. \] Un punto genérico \(E+\lambda(F-E)\) de la recta que los une tiene como vector \[ t(-c+\lambda S)\mathbf u +(1-t)(b-\lambda T)\mathbf v. \] Tomando \(\lambda=c/S\) se obtiene su intersección con \(BD\), mientras que tomando \(\lambda=b/T\) se obtiene su intersección con \(AC\). Por consiguiente, \[ Q=\frac{(1-t)\Delta}{S}\mathbf v, \qquad R=\frac{t\Delta}{T}\mathbf u. \tag{1} \] En particular, ambas intersecciones existen, ninguna coincide con \(P\), y \(P,Q,R\) no son colineales.
Definimos el vector fijo \[ \mathbf w=T\mathbf u+S\mathbf v \] y el punto fijo \(X\) mediante \[ \overrightarrow{PX}=\mathbf x =\frac{\Delta}{\lVert\mathbf w\rVert^2}\mathbf w. \tag{2} \] La independencia lineal de \(\mathbf u,\mathbf v\) implica que \(\mathbf w\ne0\), y por tanto \(\Delta\ne0\) implica que \(X\ne P\). Demostraremos que todas las circunferencias del enunciado contienen a \(X\).
Sea \(\mathbf z_t\) el vector del centro de la circunferencia circunscrita a \(PQR\). Su radio es \(\lVert\mathbf z_t\rVert\), pues pasa por el origen. Utilizando que pasa por \(R\) y por \(Q\), respectivamente, y (1), obtenemos \[ 2\mathbf z_t\cdot\mathbf u=\frac{t\Delta}{T}, \qquad 2\mathbf z_t\cdot\mathbf v=\frac{(1-t)\Delta}{S}. \] Por ejemplo, la primera identidad se obtiene desarrollando \[ \left\lVert \frac{t\Delta}{T}\mathbf u-\mathbf z_t\right\rVert^2 =\lVert\mathbf z_t\rVert^2 \] y dividiendo entre el número no nulo \(t\Delta/T\).
Se deduce que \[ 2\mathbf z_t\cdot\mathbf w =T\frac{t\Delta}{T} +S\frac{(1-t)\Delta}{S} =\Delta. \] Así, por (2), \[ 2\mathbf z_t\cdot\mathbf x =\frac{\Delta^2}{\lVert\mathbf w\rVert^2} =\lVert\mathbf x\rVert^2. \] Por tanto, \[ \lVert\mathbf x-\mathbf z_t\rVert^2 =\lVert\mathbf z_t\rVert^2, \] lo que significa precisamente que \(X\) pertenece a la circunferencia circunscrita a \(PQR\).
Finalmente, para \(t=0\), la recta \(EF\) coincide con \(BD\), de modo que \(Q\) no está definido de manera única; para \(t=1\), coincide con \(AC\), de modo que \(R\) no está definido de manera única. Estas elecciones en los extremos no definen triángulos ni circunferencias circunscritas. Todas las demás elecciones se han considerado anteriormente. Si las circunferencias en los extremos se entienden como límites, las ecuaciones mostradas para \(\mathbf z_t\) dan centros límite finitos y no nulos, y el mismo cálculo muestra que esas circunferencias también contienen a \(P\) y a \(X\).
Por tanto, todas las circunferencias circunscritas del enunciado tienen el punto fijo común \(X\ne P\). \(\square\)
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2005 · 问题 5
设 \(ABCD\) 是一个固定的凸四边形,满足 \(BC = DA\),且 \(BC\) 与 \(DA\) 不平行。两个动点 \(E\) 和 \(F\) 分别位于边 \(BC\) 和 \(DA\) 上,并满足 \(BE = DF\)。直线 \(AC\) 与 \(BD\) 交于 \(P\),直线 \(BD\) 与 \(EF\) 交于 \(Q\),直线 \(EF\) 与 \(AC\) 交于 \(R\)。
证明:当 \(E\) 和 \(F\) 变动时,三角形 \(PQR\) 的外接圆有一个异于 \(P\) 的公共点。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
我们在欧氏平面中使用向量,并以 \(P\) 为原点。由于四边形是凸的,存在正数 \(a,b,c,d\) 和线性无关的单位向量 \(\mathbf u,\mathbf v\),使得 \[ A=a\mathbf u,\qquad C=-c\mathbf u,\qquad B=b\mathbf v,\qquad D=-d\mathbf v. \] 令 \[ S=a+c,\qquad T=b+d,\qquad \Delta=ab-cd. \] 我们有 \(\Delta\ne0\)。事实上,若 \(ab=cd\),则 \[ \overrightarrow{BC} =-c\mathbf u-b\mathbf v =-\frac ca(a\mathbf u+d\mathbf v) =-\frac ca\,\overrightarrow{DA}, \] 这与 \(BC\) 和 \(DA\) 不平行的假设矛盾。
因为 \(BC=DA\) 且 \(BE=DF\),可记 \[ t=\frac{BE}{BC}=\frac{DF}{DA},\qquad 0\le t\le1. \] 先假设 \(0<t<1\)。则 \[ E=-tc\mathbf u+(1-t)b\mathbf v,\qquad F=ta\mathbf u-(1-t)d\mathbf v. \] 直线 \(EF\) 上的一般点 \(E+\lambda(F-E)\) 的位置向量为 \[ t(-c+\lambda S)\mathbf u +(1-t)(b-\lambda T)\mathbf v. \] 取 \(\lambda=c/S\) 得到该直线与 \(BD\) 的交点,取 \(\lambda=b/T\) 得到它与 \(AC\) 的交点。因此, \[ Q=\frac{(1-t)\Delta}{S}\mathbf v, \qquad R=\frac{t\Delta}{T}\mathbf u. \tag{1} \] 特别地,这两个交点均存在,均不等于 \(P\),且 \(P,Q,R\) 不共线。
定义固定向量 \[ \mathbf w=T\mathbf u+S\mathbf v \] 及固定点 \(X\),使得 \[ \overrightarrow{PX}=\mathbf x =\frac{\Delta}{\lVert\mathbf w\rVert^2}\mathbf w. \tag{2} \] 由 \(\mathbf u,\mathbf v\) 线性无关,得 \(\mathbf w\ne0\),再由 \(\Delta\ne0\) 得 \(X\ne P\)。我们将证明,题目中的每一个圆都经过 \(X\)。
设 \(\mathbf z_t\) 为 \(PQR\) 的外接圆圆心的位置向量。由于该圆经过原点,其半径为 \(\lVert\mathbf z_t\rVert\)。分别利用该圆经过 \(R\) 和 \(Q\),并结合 (1),得到 \[ 2\mathbf z_t\cdot\mathbf u=\frac{t\Delta}{T}, \qquad 2\mathbf z_t\cdot\mathbf v=\frac{(1-t)\Delta}{S}. \] 例如,将 \[ \left\lVert \frac{t\Delta}{T}\mathbf u-\mathbf z_t\right\rVert^2 =\lVert\mathbf z_t\rVert^2 \] 展开,再除以非零数 \(t\Delta/T\),便得到第一个等式。
由此可得 \[ 2\mathbf z_t\cdot\mathbf w =T\frac{t\Delta}{T} +S\frac{(1-t)\Delta}{S} =\Delta. \] 因此,由 (2), \[ 2\mathbf z_t\cdot\mathbf x =\frac{\Delta^2}{\lVert\mathbf w\rVert^2} =\lVert\mathbf x\rVert^2. \] 从而 \[ \lVert\mathbf x-\mathbf z_t\rVert^2 =\lVert\mathbf z_t\rVert^2, \] 这恰好说明 \(X\) 位于 \(PQR\) 的外接圆上。
最后,当 \(t=0\) 时,直线 \(EF\) 与 \(BD\) 重合,所以 \(Q\) 无法唯一确定;当 \(t=1\) 时,它与 \(AC\) 重合,所以 \(R\) 无法唯一确定。这些端点情形不能确定三角形或外接圆。其余所有情形均已在上面讨论。若将端点处的圆理解为极限圆,则上面关于 \(\mathbf z_t\) 的方程给出有限且非零的极限圆心,同样的计算表明,这些圆也经过 \(P\) 和 \(X\)。
因此,题目中的所有外接圆都有固定的公共点 \(X\ne P\)。\(\square\)
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2005 · Задача 5
Пусть \(ABCD\) — фиксированный выпуклый четырёхугольник, в котором \(BC = DA\) и \(BC\) не параллельна \(DA\). Две переменные точки \(E\) и \(F\) лежат на сторонах \(BC\) и \(DA\) соответственно и удовлетворяют условию \(BE = DF\). Прямые \(AC\) и \(BD\) пересекаются в точке \(P\), прямые \(BD\) и \(EF\) — в точке \(Q\), прямые \(EF\) и \(AC\) — в точке \(R\).
Докажите, что при изменении положения точек \(E\) и \(F\) окружности, описанные около треугольников \(PQR\), имеют общую точку, отличную от \(P\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Будем использовать векторы на евклидовой плоскости, приняв \(P\) за начало координат. Поскольку четырёхугольник выпуклый, существуют положительные числа \(a,b,c,d\) и линейно независимые единичные векторы \(\mathbf u,\mathbf v\), для которых \[ A=a\mathbf u,\qquad C=-c\mathbf u,\qquad B=b\mathbf v,\qquad D=-d\mathbf v. \] Положим \[ S=a+c,\qquad T=b+d,\qquad \Delta=ab-cd. \] Имеем \(\Delta\ne0\). Действительно, если \(ab=cd\), то \[ \overrightarrow{BC} =-c\mathbf u-b\mathbf v =-\frac ca(a\mathbf u+d\mathbf v) =-\frac ca\,\overrightarrow{DA}, \] что противоречит условию непараллельности \(BC\) и \(DA\).
Поскольку \(BC=DA\) и \(BE=DF\), можно записать \[ t=\frac{BE}{BC}=\frac{DF}{DA},\qquad 0\le t\le1. \] Сначала предположим, что \(0<t<1\). Тогда \[ E=-tc\mathbf u+(1-t)b\mathbf v,\qquad F=ta\mathbf u-(1-t)d\mathbf v. \] Произвольная точка \(E+\lambda(F-E)\) прямой, проходящей через эти точки, имеет радиус-вектор \[ t(-c+\lambda S)\mathbf u +(1-t)(b-\lambda T)\mathbf v. \] При \(\lambda=c/S\) получаем точку пересечения этой прямой с \(BD\), а при \(\lambda=b/T\) — точку её пересечения с \(AC\). Следовательно, \[ Q=\frac{(1-t)\Delta}{S}\mathbf v, \qquad R=\frac{t\Delta}{T}\mathbf u. \tag{1} \] В частности, обе точки пересечения существуют, ни одна из них не совпадает с \(P\), и точки \(P,Q,R\) не лежат на одной прямой.
Определим фиксированный вектор \[ \mathbf w=T\mathbf u+S\mathbf v \] и фиксированную точку \(X\) равенством \[ \overrightarrow{PX}=\mathbf x =\frac{\Delta}{\lVert\mathbf w\rVert^2}\mathbf w. \tag{2} \] Из линейной независимости \(\mathbf u,\mathbf v\) следует \(\mathbf w\ne0\), а потому из \(\Delta\ne0\) следует \(X\ne P\). Докажем, что каждая рассматриваемая окружность проходит через \(X\).
Пусть \(\mathbf z_t\) — радиус-вектор центра окружности, описанной около \(PQR\). Её радиус равен \(\lVert\mathbf z_t\rVert\), поскольку она проходит через начало координат. Используя то, что она проходит через \(R\) и \(Q\) соответственно, а также (1), получаем \[ 2\mathbf z_t\cdot\mathbf u=\frac{t\Delta}{T}, \qquad 2\mathbf z_t\cdot\mathbf v=\frac{(1-t)\Delta}{S}. \] Например, первое равенство получается раскрытием квадрата в равенстве \[ \left\lVert \frac{t\Delta}{T}\mathbf u-\mathbf z_t\right\rVert^2 =\lVert\mathbf z_t\rVert^2 \] и делением на ненулевое число \(t\Delta/T\).
Отсюда следует, что \[ 2\mathbf z_t\cdot\mathbf w =T\frac{t\Delta}{T} +S\frac{(1-t)\Delta}{S} =\Delta. \] Таким образом, в силу (2), \[ 2\mathbf z_t\cdot\mathbf x =\frac{\Delta^2}{\lVert\mathbf w\rVert^2} =\lVert\mathbf x\rVert^2. \] Следовательно, \[ \lVert\mathbf x-\mathbf z_t\rVert^2 =\lVert\mathbf z_t\rVert^2, \] что и означает, что \(X\) лежит на окружности, описанной около \(PQR\).
Наконец, при \(t=0\) прямая \(EF\) совпадает с \(BD\), поэтому \(Q\) не определена однозначно; при \(t=1\) она совпадает с \(AC\), поэтому \(R\) не определена однозначно. При этих крайних положениях треугольники и описанные окружности не определены. Все остальные положения рассмотрены выше. Если понимать окружности при крайних положениях как предельные, то выписанные равенства для \(\mathbf z_t\) дают конечные ненулевые предельные радиус-векторы центров, а то же вычисление показывает, что эти окружности также проходят через \(P\) и \(X\).
Следовательно, все указанные описанные окружности имеют фиксированную общую точку \(X\ne P\). \(\square\)
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2005 · المسألة 5
ليكن \(ABCD\) رباعيًا محدبًا ثابتًا بحيث \(BC = DA\) و\(BC\) غير موازٍ لـ \(DA\). ولتكن \(E\) و\(F\) نقطتين متغيرتين تقعان على الضلعين \(BC\) و\(DA\)، على الترتيب، وتحققان \(BE = DF\). يتقاطع المستقيمان \(AC\) و\(BD\) في \(P\)، والمستقيمان \(BD\) و\(EF\) في \(Q\)، والمستقيمان \(EF\) و\(AC\) في \(R\).
أثبت أن الدوائر المحيطة بالمثلثات \(PQR\)، عند تغير \(E\) و\(F\)، لها نقطة مشتركة غير \(P\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نستخدم المتجهات في المستوى الإقليدي، متخذين \(P\) مبدأً. بما أن الرباعي محدب، توجد أعداد موجبة \(a,b,c,d\) ومتجها وحدة مستقلان خطيًا \(\mathbf u,\mathbf v\) بحيث \[ A=a\mathbf u,\qquad C=-c\mathbf u,\qquad B=b\mathbf v,\qquad D=-d\mathbf v. \] نضع \[ S=a+c,\qquad T=b+d,\qquad \Delta=ab-cd. \] لدينا \(\Delta\ne0\). فبالفعل، إذا كان \(ab=cd\)، فإن \[ \overrightarrow{BC} =-c\mathbf u-b\mathbf v =-\frac ca(a\mathbf u+d\mathbf v) =-\frac ca\,\overrightarrow{DA}, \] وهذا يناقض الفرض القائل إن \(BC\) و\(DA\) غير متوازيين.
بما أن \(BC=DA\) و\(BE=DF\)، يمكننا أن نكتب \[ t=\frac{BE}{BC}=\frac{DF}{DA},\qquad 0\le t\le1. \] نفترض أولًا أن \(0<t<1\). عندئذ \[ E=-tc\mathbf u+(1-t)b\mathbf v,\qquad F=ta\mathbf u-(1-t)d\mathbf v. \] متجه موضع نقطة عامة \(E+\lambda(F-E)\) من مستقيمهما هو \[ t(-c+\lambda S)\mathbf u +(1-t)(b-\lambda T)\mathbf v. \] باختيار \(\lambda=c/S\) نحصل على نقطة تقاطعه مع \(BD\)، وباختيار \(\lambda=b/T\) نحصل على نقطة تقاطعه مع \(AC\). وبالتالي، \[ Q=\frac{(1-t)\Delta}{S}\mathbf v, \qquad R=\frac{t\Delta}{T}\mathbf u. \tag{1} \] وعلى وجه الخصوص، توجد نقطتا التقاطع كلتاهما، ولا تساوي أي منهما \(P\)، والنقاط \(P,Q,R\) ليست على استقامة واحدة.
نعرّف المتجه الثابت \[ \mathbf w=T\mathbf u+S\mathbf v \] والنقطة الثابتة \(X\) بالعلاقة \[ \overrightarrow{PX}=\mathbf x =\frac{\Delta}{\lVert\mathbf w\rVert^2}\mathbf w. \tag{2} \] يقتضي الاستقلال الخطي للمتجهين \(\mathbf u,\mathbf v\) أن \(\mathbf w\ne0\)، ومن ثم يقتضي \(\Delta\ne0\) أن \(X\ne P\). سنثبت أن كل دائرة من الدوائر المطلوبة تمر بالنقطة \(X\).
ليكن \(\mathbf z_t\) متجه موضع مركز الدائرة المحيطة بالمثلث \(PQR\). نصف قطرها هو \(\lVert\mathbf z_t\rVert\)، لأنها تمر بالمبدأ. باستخدام مرورها بالنقطتين \(R\) و\(Q\)، على الترتيب، وباستخدام (1)، نحصل على \[ 2\mathbf z_t\cdot\mathbf u=\frac{t\Delta}{T}, \qquad 2\mathbf z_t\cdot\mathbf v=\frac{(1-t)\Delta}{S}. \] فعلى سبيل المثال، تنتج المتطابقة الأولى من نشر \[ \left\lVert \frac{t\Delta}{T}\mathbf u-\mathbf z_t\right\rVert^2 =\lVert\mathbf z_t\rVert^2 \] والقسمة على العدد غير الصفري \(t\Delta/T\).
يترتب على ذلك أن \[ 2\mathbf z_t\cdot\mathbf w =T\frac{t\Delta}{T} +S\frac{(1-t)\Delta}{S} =\Delta. \] إذن، بموجب (2)، \[ 2\mathbf z_t\cdot\mathbf x =\frac{\Delta^2}{\lVert\mathbf w\rVert^2} =\lVert\mathbf x\rVert^2. \] ومن ثم \[ \lVert\mathbf x-\mathbf z_t\rVert^2 =\lVert\mathbf z_t\rVert^2, \] وهذا يعني بالضبط أن \(X\) تقع على الدائرة المحيطة بالمثلث \(PQR\).
أخيرًا، عند \(t=0\)، ينطبق المستقيم \(EF\) على \(BD\)، فلا تتحدد \(Q\) تحديدًا وحيدًا؛ وعند \(t=1\)، ينطبق على \(AC\)، فلا تتحدد \(R\) تحديدًا وحيدًا. لا تعرّف هذه الاختيارات الطرفية مثلثات أو دوائر محيطة. وقد تناولنا أعلاه كل اختيار آخر. وإذا فُهمت الدوائر عند الطرفين على أنها نهايات، فإن المعادلات المعروضة لـ \(\mathbf z_t\) تعطي مراكز حدية منتهية ذات متجهات موضع غير صفرية، ويبين الحساب نفسه أن تلك الدوائر تمر أيضًا بالنقطتين \(P\) و\(X\).
إذن لجميع الدوائر المحيطة المذكورة نقطة مشتركة ثابتة \(X\ne P\). \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.