IMO 2006 · Problem 2
Let \(P\) be a regular \(2006\)-gon. A diagonal of \(P\) is called good if its endpoints divide the boundary of \(P\) into two parts, each composed of an odd number of sides of \(P\). The sides of \(P\) are also called good.
Suppose \(P\) has been dissected into triangles by \(2003\) diagonals, no two of which have a common point in the interior of \(P\). Find the maximum number of isosceles triangles having two good sides that could appear in such a configuration.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{1003} \]
Solution
Call an isosceles triangle having two good sides a counted triangle. All references to good sides below are with respect to the original polygon \(P\).
A chord is good precisely when either boundary arc between its endpoints contains an odd number of sides. Also, if \(R\) is the circumradius, a chord spanning \(r\) consecutive sides has length \[ 2R\sin\frac{\pi r}{2006}. \] Consequently, this length is strictly increasing for \(1\le r\le1003\).
Claim. Let \(V_0,V_1,\ldots,V_m\) be consecutive vertices of \(P\), where \(1\le m\le1003\). Any triangulation of the region bounded by this boundary arc and the chord \(V_0V_m\) contains at most \[ \left\lfloor\frac m2\right\rfloor \] counted triangles. For \(m=1\), this region is empty.
We prove the claim by induction on \(m\). The case \(m=1\) is immediate. For \(m\ge2\), the triangle incident to the chord \(V_0V_m\) has third vertex \(V_k\), where \(1\le k<m\). Its other two sides span \(k\) and \(m-k\) polygon sides. Both are strictly shorter than \(V_0V_m\).
Thus, if this triangle is isosceles, its equal sides must be \(V_0V_k\) and \(V_kV_m\), and strict monotonicity of chord lengths gives \[ k=m-k. \] Moreover, if it is counted, these equal sides must both be good: otherwise both are bad, leaving at most one good side. Hence \(k=m-k\) is odd.
The remaining triangles belong to the two smaller regions with arc lengths \(k\) and \(m-k\). By induction, their total number of counted triangles is at most \[ \left\lfloor\frac k2\right\rfloor+ \left\lfloor\frac{m-k}{2}\right\rfloor. \] If \(V_0V_kV_m\) is not counted, this is at most \(\lfloor m/2\rfloor\). If it is counted, both \(k\) and \(m-k\) are odd, so including this triangle gives at most \[ \frac{k-1}{2}+\frac{m-k-1}{2}+1 =\frac m2. \] This proves the claim.
Now let \(O\) be the centre of \(P\), and choose a triangle \(T\) of the dissection whose closed region contains \(O\). This includes the possibility that \(O\) lies on a diagonal.
The vertices of \(T\) divide the boundary of \(P\) into three arcs containing \(a,b,c\) sides, respectively, where \[ a+b+c=2006. \] Each of \(a,b,c\) is at most \(1003\). Indeed, if one were greater than \(1003\), the complementary arc, containing all three vertices of \(T\), would be shorter than a semicircle. Those vertices would then lie in an open half-plane bounded by a line through \(O\), contradicting \(O\in T\).
The three sides of \(T\) separate the rest of \(P\) into regions to which the claim applies. Therefore, writing \(\varepsilon=1\) if \(T\) is counted and \(\varepsilon=0\) otherwise, the total number of counted triangles is at most \[ \left\lfloor\frac a2\right\rfloor+ \left\lfloor\frac b2\right\rfloor+ \left\lfloor\frac c2\right\rfloor+\varepsilon. \]
If \(\varepsilon=0\), this is at most \(2006/2=1003\). If \(\varepsilon=1\), two sides of \(T\) are good, so two of \(a,b,c\) are odd. Since their sum is even, the third is even. The bound is therefore \[ \frac{a+b+c-2}{2}+1=1003. \] Thus every permitted dissection has at most \(1003\) counted triangles.
To attain this bound, label the vertices \(A_0,A_1,\ldots,A_{2005}\) cyclically. Draw the \(1003\) diagonals \[ A_{2i}A_{2i+2}\qquad(0\le i\le1002), \] with indices taken modulo \(2006\). These diagonals do not cross and cut off the \(1003\) triangles \[ A_{2i}A_{2i+1}A_{2i+2}. \] Each has two equal sides that are sides of \(P\), so each is counted.
The remaining region is the convex \(1003\)-gon formed by the even-indexed vertices. Triangulate it, for example by drawing a fan from one vertex, using \(1000\) further diagonals. Altogether there are \(1003+1000=2003\) noncrossing diagonals. Every chord between even-indexed vertices is bad, so the central region contributes no counted triangles.
Hence the maximum is \(\boxed{1003}\).
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2006 · Aufgabe 2
Gegeben sei ein regelmäßiges \(2006\)-Eck \(P\). Eine Diagonale von \(P\) heiße gut, wenn deren Endpunkte den Rand von \(P\) in zwei Teile zerlegen, die jeweils aus einer ungeraden Anzahl von Seiten von \(P\) bestehen. Auch die Seiten von \(P\) heißen gut. Nun werde \(P\) durch \(2003\) Diagonalen in Dreiecke zerlegt, wobei keine zwei Diagonalen einen Schnittpunkt im Innern von \(P\) haben. Man bestimme die maximale Anzahl von gleichschenkligen Dreiecken mit zwei guten Dreiecksseiten, die in einer solchen Zerlegung von \(P\) auftreten können.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{1003} \]
Lösung
Ein gleichschenkliges Dreieck mit zwei guten Seiten nennen wir ein gezähltes Dreieck. Alle Bezugnahmen auf gute Seiten im Folgenden beziehen sich auf das ursprüngliche Polygon \(P\).
Eine Sehne ist genau dann gut, wenn jeder der beiden Randbögen zwischen ihren Endpunkten eine ungerade Anzahl von Seiten enthält. Ist ferner \(R\) der Umkreisradius, so hat eine Sehne, die \(r\) aufeinanderfolgende Seiten überspannt, die Länge \[ 2R\sin\frac{\pi r}{2006}. \] Folglich ist diese Länge für \(1\le r\le1003\) streng monoton wachsend.
Behauptung. Es seien \(V_0,V_1,\ldots,V_m\) aufeinanderfolgende Eckpunkte von \(P\), wobei \(1\le m\le1003\). Jede Triangulierung des Gebiets, das von diesem Randbogen und der Sehne \(V_0V_m\) begrenzt wird, enthält höchstens \[ \left\lfloor\frac m2\right\rfloor \] gezählte Dreiecke. Für \(m=1\) ist dieses Gebiet leer.
Wir beweisen die Behauptung durch Induktion über \(m\). Der Fall \(m=1\) ist unmittelbar klar. Für \(m\ge2\) hat das an die Sehne \(V_0V_m\) angrenzende Dreieck einen dritten Eckpunkt \(V_k\) mit \(1\le k<m\). Seine beiden anderen Seiten überspannen \(k\) beziehungsweise \(m-k\) Polygonseiten. Beide sind echt kürzer als \(V_0V_m\).
Ist dieses Dreieck gleichschenklig, so müssen daher \(V_0V_k\) und \(V_kV_m\) seine gleich langen Seiten sein, und aus der strengen Monotonie der Sehnenlängen folgt \[ k=m-k. \] Wird es außerdem gezählt, so müssen diese gleich langen Seiten beide gut sein: Andernfalls sind beide nicht gut, sodass höchstens eine gute Seite verbleibt. Daher ist \(k=m-k\) ungerade.
Die übrigen Dreiecke gehören zu den beiden kleineren Gebieten mit Bogenlängen \(k\) und \(m-k\). Nach der Induktionsvoraussetzung beträgt ihre Gesamtzahl an gezählten Dreiecken höchstens \[ \left\lfloor\frac k2\right\rfloor+ \left\lfloor\frac{m-k}{2}\right\rfloor. \] Wird \(V_0V_kV_m\) nicht gezählt, so ist dies höchstens \(\lfloor m/2\rfloor\). Wird es gezählt, so sind sowohl \(k\) als auch \(m-k\) ungerade, sodass sich einschließlich dieses Dreiecks höchstens \[ \frac{k-1}{2}+\frac{m-k-1}{2}+1 =\frac m2 \] ergibt. Damit ist die Behauptung bewiesen.
Es sei nun \(O\) der Mittelpunkt von \(P\), und wir wählen ein Dreieck \(T\) der Zerlegung, dessen abgeschlossenes Gebiet \(O\) enthält. Dies schließt die Möglichkeit ein, dass \(O\) auf einer Diagonalen liegt.
Die Eckpunkte von \(T\) teilen den Rand von \(P\) in drei Bögen, die \(a,b,c\) Seiten enthalten, wobei \[ a+b+c=2006. \] Jede der Zahlen \(a,b,c\) ist höchstens \(1003\). Wäre nämlich eine davon größer als \(1003\), so wäre der ergänzende Bogen, der alle drei Eckpunkte von \(T\) enthält, kürzer als ein Halbkreis. Diese Eckpunkte lägen dann in einer offenen Halbebene, die von einer Geraden durch \(O\) begrenzt wird, im Widerspruch zu \(O\in T\).
Die drei Seiten von \(T\) teilen den Rest von \(P\) in Gebiete, auf die sich die Behauptung anwenden lässt. Setzen wir also \(\varepsilon=1\), falls \(T\) gezählt wird, und andernfalls \(\varepsilon=0\), so beträgt die Gesamtzahl der gezählten Dreiecke höchstens \[ \left\lfloor\frac a2\right\rfloor+ \left\lfloor\frac b2\right\rfloor+ \left\lfloor\frac c2\right\rfloor+\varepsilon. \]
Für \(\varepsilon=0\) ist dies höchstens \(2006/2=1003\). Für \(\varepsilon=1\) sind zwei Seiten von \(T\) gut, sodass zwei der Zahlen \(a,b,c\) ungerade sind. Da ihre Summe gerade ist, ist die dritte gerade. Die Schranke lautet daher \[ \frac{a+b+c-2}{2}+1=1003. \] Somit hat jede zulässige Zerlegung höchstens \(1003\) gezählte Dreiecke.
Um diese Schranke zu erreichen, bezeichnen wir die Eckpunkte in zyklischer Reihenfolge mit \(A_0,A_1,\ldots,A_{2005}\). Wir zeichnen die \(1003\) Diagonalen \[ A_{2i}A_{2i+2}\qquad(0\le i\le1002), \] wobei die Indizes modulo \(2006\) genommen werden. Diese Diagonalen kreuzen sich nicht und schneiden die \(1003\) Dreiecke \[ A_{2i}A_{2i+1}A_{2i+2} \] ab. Jedes besitzt zwei gleich lange Seiten, die Seiten von \(P\) sind, und wird somit gezählt.
Das verbleibende Gebiet ist das konvexe \(1003\)-Eck, das von den Eckpunkten mit geraden Indizes gebildet wird. Wir triangulieren es, beispielsweise durch einen Fächer von einem Eckpunkt aus, mit \(1000\) weiteren Diagonalen. Insgesamt sind dies \(1003+1000=2003\) sich nicht kreuzende Diagonalen. Jede Sehne zwischen Eckpunkten mit geraden Indizes ist nicht gut, sodass das zentrale Gebiet keine gezählten Dreiecke beiträgt.
Das Maximum ist daher \(\boxed{1003}\).
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2006 · Soru 2
Bir \(P\) düzgün 2006-geni veriliyor. \(P\) nin bir köşegenine, uçları \(P\) nin çevresini, her birisi \(P\) nin tek sayıda kenarından oluşan iki parçaya ayırması halinde, güzel adı veriliyor. \(P\) nin her kenarı da güzel kabul ediliyor.
\(P\), herhangi ikisi çokgen içinde kesişmeyen 2003 köşegeni tarafından üçgensel bölgelere ayrıldığında, iki kenarı güzel olan en fazla kaç ikizkenar üçgen oluşabileceğini bulunuz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{1003} \]
Çözüm
İki güzel kenarı olan bir ikizkenar üçgene sayılan üçgen diyelim. Aşağıda güzel kenarlardan söz edilirken her zaman başlangıçtaki \(P\) çokgeni esas alınmaktadır.
Bir kirişin güzel olması için gerek ve yeter koşul, uçları arasındaki sınır yaylarından herhangi birinin tek sayıda kenar içermesidir. Ayrıca, çevrel çemberin yarıçapı \(R\) ise, ardışık \(r\) kenarı gören bir kirişin uzunluğu \[ 2R\sin\frac{\pi r}{2006} \] olur. Dolayısıyla bu uzunluk \(1\le r\le1003\) için kesin artandır.
İddia. \(1\le m\le1003\) olmak üzere, \(V_0,V_1,\ldots,V_m\), \(P\) nin ardışık köşeleri olsun. Bu sınır yayı ile \(V_0V_m\) kirişinin sınırladığı bölgenin herhangi bir üçgenlemesinde en fazla \[ \left\lfloor\frac m2\right\rfloor \] sayılan üçgen bulunur. \(m=1\) için bu bölge boştur.
İddiayı \(m\) üzerinde tümevarımla kanıtlayacağız. \(m=1\) durumu açıktır. \(m\ge2\) için, \(V_0V_m\) kirişini kenar olarak alan üçgenin üçüncü köşesi, \(1\le k<m\) olmak üzere, \(V_k\) olsun. Diğer iki kenarı çokgenin \(k\) ve \(m-k\) kenarını görür. Her ikisi de \(V_0V_m\) kirişinden kesin olarak daha kısadır.
Dolayısıyla bu üçgen ikizkenarsa, eşit kenarları \(V_0V_k\) ve \(V_kV_m\) olmalıdır ve kiriş uzunluklarının kesin monotonluğu \[ k=m-k \] eşitliğini verir. Ayrıca bu üçgen sayılıyorsa, eşit kenarlarının her ikisi de güzel olmalıdır: aksi hâlde her ikisi de güzel değildir ve geriye en fazla bir güzel kenar kalır. Bu nedenle \(k=m-k\) tektir.
Geriye kalan üçgenler, yay uzunlukları \(k\) ve \(m-k\) olan iki küçük bölgeye aittir. Tümevarım varsayımına göre, bu bölgelerdeki sayılan üçgenlerin toplam sayısı en fazla \[ \left\lfloor\frac k2\right\rfloor+ \left\lfloor\frac{m-k}{2}\right\rfloor \] olur. \(V_0V_kV_m\) sayılmıyorsa, bu toplam en fazla \(\lfloor m/2\rfloor\) olur. Sayılıyorsa, \(k\) ve \(m-k\) sayılarının her ikisi de tektir; dolayısıyla bu üçgen de dâhil edildiğinde en fazla \[ \frac{k-1}{2}+\frac{m-k-1}{2}+1 =\frac m2 \] üçgen sayılır. Böylece iddia kanıtlanmış olur.
Şimdi \(O\), \(P\) nin merkezi olsun ve üçgenlemede, kapalı bölgesi \(O\) noktasını içeren bir \(T\) üçgeni seçelim. \(O\) noktasının bir köşegen üzerinde bulunması da buna dâhildir.
\(T\) nin köşeleri, \(P\) nin sınırını sırasıyla \(a,b,c\) kenar içeren üç yaya ayırır; burada \[ a+b+c=2006. \] \(a,b,c\) sayılarının her biri en fazla \(1003\) tür. Gerçekten, bunlardan biri \(1003\) ten büyük olsaydı, \(T\) nin üç köşesini de içeren tamamlayıcı yay bir yarım çemberden kısa olurdu. Bu köşeler o zaman sınırı \(O\) dan geçen bir doğru olan açık bir yarı düzlemde bulunurdu; bu ise \(O\in T\) ile çelişir.
\(T\) nin üç kenarı, \(P\) nin geri kalanını iddianın uygulanabileceği bölgelere ayırır. Bu nedenle, \(T\) sayılıyorsa \(\varepsilon=1\), aksi hâlde \(\varepsilon=0\) yazarak, sayılan üçgenlerin toplam sayısının en fazla \[ \left\lfloor\frac a2\right\rfloor+ \left\lfloor\frac b2\right\rfloor+ \left\lfloor\frac c2\right\rfloor+\varepsilon \] olduğunu buluruz.
\(\varepsilon=0\) ise bu sayı en fazla \(2006/2=1003\) olur. \(\varepsilon=1\) ise \(T\) nin iki kenarı güzeldir, dolayısıyla \(a,b,c\) sayılarından ikisi tektir. Toplamları çift olduğundan üçüncüsü çifttir. Bu nedenle üst sınır \[ \frac{a+b+c-2}{2}+1=1003 \] olur. Böylece izin verilen her üçgenlemede en fazla \(1003\) sayılan üçgen vardır.
Bu üst sınıra ulaşmak için köşeleri çevre boyunca sırayla \(A_0,A_1,\ldots,A_{2005}\) olarak adlandıralım. Şu \(1003\) köşegeni çizelim: \[ A_{2i}A_{2i+2}\qquad(0\le i\le1002), \] burada indisler \(2006\) modülünde alınmaktadır. Bu köşegenler kesişmez ve şu \(1003\) üçgeni ayırır: \[ A_{2i}A_{2i+1}A_{2i+2}. \] Her birinin \(P\) nin kenarı olan iki eşit kenarı vardır; dolayısıyla her biri sayılır.
Geriye kalan bölge, çift indisli köşelerin oluşturduğu dışbükey \(1003\)-gendir. Bu bölgeyi, örneğin bir köşeden bir yelpaze çizerek, \(1000\) köşegen daha kullanıp üçgenlere ayıralım. Toplamda \(1003+1000=2003\) kesişmeyen köşegen vardır. Çift indisli köşeler arasındaki hiçbir kiriş güzel değildir; bu yüzden merkezdeki bölgeden sayılan üçgen gelmez.
O hâlde en büyük değer \(\boxed{1003}\) tür.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2006 · Problema 2
Decimos que una diagonal de un polígono regular \(P\) de 2006 lados es un segmento bueno si sus extremos dividen al borde de \(P\) en dos partes, cada una de ellas formada por un número impar de lados. Los lados de \(P\) también se consideran segmentos buenos.
Supongamos que \(P\) se ha dividido en triángulos trazando 2003 diagonales de modo que ningún par de ellas se corta en el interior de \(P\). Encuentre el máximo número de triángulos isósceles que puede haber tales que dos de sus lados son segmentos buenos.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{1003} \]
Solución
Llamemos triángulo contado a un triángulo isósceles que tiene dos lados buenos. Todas las referencias a lados buenos que siguen se entienden respecto del polígono original \(P\).
Una cuerda es buena precisamente cuando cualquiera de los dos arcos del borde entre sus extremos contiene un número impar de lados. Además, si \(R\) es el radio de la circunferencia circunscrita, una cuerda que abarca \(r\) lados consecutivos tiene longitud \[ 2R\sin\frac{\pi r}{2006}. \] Por consiguiente, esta longitud es estrictamente creciente para \(1\le r\le1003\).
Afirmación. Sean \(V_0,V_1,\ldots,V_m\) vértices consecutivos de \(P\), donde \(1\le m\le1003\). Toda triangulación de la región delimitada por este arco del borde y la cuerda \(V_0V_m\) contiene a lo sumo \[ \left\lfloor\frac m2\right\rfloor \] triángulos contados. Para \(m=1\), esta región es vacía.
Demostramos la afirmación por inducción sobre \(m\). El caso \(m=1\) es inmediato. Para \(m\ge2\), el triángulo que tiene como lado la cuerda \(V_0V_m\) tiene como tercer vértice \(V_k\), donde \(1\le k<m\). Sus otros dos lados abarcan \(k\) y \(m-k\) lados del polígono. Ambos son estrictamente más cortos que \(V_0V_m\).
Así, si este triángulo es isósceles, sus lados iguales deben ser \(V_0V_k\) y \(V_kV_m\), y la monotonía estricta de las longitudes de las cuerdas da \[ k=m-k. \] Además, si es contado, estos dos lados iguales deben ser buenos: de lo contrario, ambos serían malos, por lo que habría a lo sumo un lado bueno. Por tanto, \(k=m-k\) es impar.
Los triángulos restantes pertenecen a las dos regiones menores cuyos arcos tienen longitudes \(k\) y \(m-k\). Por inducción, el número total de triángulos contados en ellas es a lo sumo \[ \left\lfloor\frac k2\right\rfloor+ \left\lfloor\frac{m-k}{2}\right\rfloor. \] Si \(V_0V_kV_m\) no es contado, esta cantidad es a lo sumo \(\lfloor m/2\rfloor\). Si es contado, tanto \(k\) como \(m-k\) son impares, de modo que, incluyendo este triángulo, obtenemos a lo sumo \[ \frac{k-1}{2}+\frac{m-k-1}{2}+1 =\frac m2. \] Esto demuestra la afirmación.
Sea ahora \(O\) el centro de \(P\), y elijamos un triángulo \(T\) de la división cuya región cerrada contenga a \(O\). Esto incluye la posibilidad de que \(O\) esté sobre una diagonal.
Los vértices de \(T\) dividen el borde de \(P\) en tres arcos que contienen \(a,b,c\) lados, respectivamente, donde \[ a+b+c=2006. \] Cada uno de los números \(a,b,c\) es a lo sumo \(1003\). En efecto, si uno fuera mayor que \(1003\), el arco complementario, que contiene los tres vértices de \(T\), sería más corto que una semicircunferencia. Esos vértices estarían entonces en un semiplano abierto delimitado por una recta que pasa por \(O\), lo que contradice \(O\in T\).
Los tres lados de \(T\) separan el resto de \(P\) en regiones a las que se aplica la afirmación. Por tanto, escribiendo \(\varepsilon=1\) si \(T\) es contado y \(\varepsilon=0\) en caso contrario, el número total de triángulos contados es a lo sumo \[ \left\lfloor\frac a2\right\rfloor+ \left\lfloor\frac b2\right\rfloor+ \left\lfloor\frac c2\right\rfloor+\varepsilon. \]
Si \(\varepsilon=0\), esta cantidad es a lo sumo \(2006/2=1003\). Si \(\varepsilon=1\), dos lados de \(T\) son buenos, de modo que dos de los números \(a,b,c\) son impares. Como su suma es par, el tercero es par. La cota es, por tanto, \[ \frac{a+b+c-2}{2}+1=1003. \] Así, toda división permitida tiene a lo sumo \(1003\) triángulos contados.
Para alcanzar esta cota, numeremos los vértices \(A_0,A_1,\ldots,A_{2005}\) en orden cíclico. Tracemos las \(1003\) diagonales \[ A_{2i}A_{2i+2}\qquad(0\le i\le1002), \] con los índices tomados módulo \(2006\). Estas diagonales no se cortan y separan los \(1003\) triángulos \[ A_{2i}A_{2i+1}A_{2i+2}. \] Cada uno tiene dos lados iguales que son lados de \(P\), por lo que cada uno es contado.
La región restante es el polígono convexo de \(1003\) lados formado por los vértices de índice par. Triangulémoslo, por ejemplo trazando un abanico desde un vértice, utilizando otras \(1000\) diagonales. En total hay \(1003+1000=2003\) diagonales que no se cortan. Toda cuerda entre vértices de índice par es mala, por lo que la región central no aporta ningún triángulo contado.
Por tanto, el máximo es \(\boxed{1003}\).
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2006 · 问题 2
设 \(P\) 为正 \(2006\) 边形。如果 \(P\) 的一条对角线的两端将 \(P\) 的边界分成两部分,每部分都包含 \(P\) 的奇数条边,那么该对角线称为“好边”。规定 \(P\) 的每条边均为“好边”。
已知 \(2003\) 条在 \(P\) 内部不相交的对角线将 \(P\) 分割成若干三角形。试问在这种分割之下,最多有多少个有两条“好边”的等腰三角形。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{1003} \]
解答
称有两条好边的等腰三角形为计数三角形。下文中所有好边均相对于原多边形 \(P\) 而言。
一条弦是好边,当且仅当其端点之间的任一段边界包含奇数条边。此外,若外接圆半径为 \(R\),则跨越连续 \(r\) 条边的弦长为 \[ 2R\sin\frac{\pi r}{2006}. \] 因此,当 \(1\le r\le1003\) 时,该长度严格递增。
断言。 设 \(V_0,V_1,\ldots,V_m\) 是 \(P\) 的连续顶点,其中 \(1\le m\le1003\)。由这段边界与弦 \(V_0V_m\) 围成的区域,无论如何剖分成三角形,其中的计数三角形都不超过 \[ \left\lfloor\frac m2\right\rfloor \] 个。当 \(m=1\) 时,该区域为空。
对 \(m\) 用数学归纳法证明此断言。\(m=1\) 的情形显然成立。当 \(m\ge2\) 时,以弦 \(V_0V_m\) 为边的三角形的第三个顶点为 \(V_k\),其中 \(1\le k<m\)。它的另外两条边分别跨越多边形的 \(k\) 条边和 \(m-k\) 条边。这两条边都严格短于 \(V_0V_m\)。
因此,如果这个三角形是等腰三角形,它的两条相等的边必为 \(V_0V_k\) 和 \(V_kV_m\),由弦长的严格单调性得 \[ k=m-k. \] 此外,如果它是计数三角形,那么这两条相等的边必须都是好边:否则两条都不是好边,从而至多有一条好边。因此,\(k=m-k\) 为奇数。
其余三角形属于边界段分别含有 \(k\) 条边和 \(m-k\) 条边的两个较小区域。由归纳假设,其中计数三角形的总数至多为 \[ \left\lfloor\frac k2\right\rfloor+ \left\lfloor\frac{m-k}{2}\right\rfloor. \] 若 \(V_0V_kV_m\) 不是计数三角形,则上述数量不超过 \(\lfloor m/2\rfloor\)。若它是计数三角形,则 \(k\) 与 \(m-k\) 均为奇数,所以计入这个三角形后,总数至多为 \[ \frac{k-1}{2}+\frac{m-k-1}{2}+1 =\frac m2. \] 断言得证。
现在设 \(O\) 为 \(P\) 的中心,并在剖分中选取一个闭区域包含 \(O\) 的三角形 \(T\)。这里也包括 \(O\) 在一条对角线上的情形。
\(T\) 的三个顶点将 \(P\) 的边界分成三段,分别包含 \(a,b,c\) 条边,其中 \[ a+b+c=2006. \] \(a,b,c\) 均不超过 \(1003\)。事实上,若其中一个大于 \(1003\),则包含 \(T\) 的全部三个顶点的互补弧短于半圆。这些顶点便都位于以某条过 \(O\) 的直线为边界的开半平面内,与 \(O\in T\) 矛盾。
\(T\) 的三条边将 \(P\) 的其余部分分成若干区域,每个区域都可应用上述断言。因此,若 \(T\) 是计数三角形,记 \(\varepsilon=1\),否则记 \(\varepsilon=0\),则计数三角形的总数至多为 \[ \left\lfloor\frac a2\right\rfloor+ \left\lfloor\frac b2\right\rfloor+ \left\lfloor\frac c2\right\rfloor+\varepsilon. \]
若 \(\varepsilon=0\),则该数量至多为 \(2006/2=1003\)。若 \(\varepsilon=1\),则 \(T\) 的两条边是好边,因而 \(a,b,c\) 中有两个为奇数。由于它们的和为偶数,第三个为偶数。因此,上界为 \[ \frac{a+b+c-2}{2}+1=1003. \] 所以,每种符合条件的剖分至多有 \(1003\) 个计数三角形。
为了达到这个上界,将顶点依次标为 \(A_0,A_1,\ldots,A_{2005}\)。作出以下 \(1003\) 条对角线: \[ A_{2i}A_{2i+2}\qquad(0\le i\le1002), \] 其中下标按模 \(2006\) 计算。这些对角线互不相交,并截出 \(1003\) 个三角形 \[ A_{2i}A_{2i+1}A_{2i+2}. \] 每个三角形都有两条相等的边是 \(P\) 的边,因此每个都是计数三角形。
剩余区域是由偶数下标顶点构成的凸 \(1003\) 边形。将其剖分成三角形,例如从一个顶点引出扇形的一组对角线,需再作 \(1000\) 条对角线。总共得到 \(1003+1000=2003\) 条互不相交的对角线。偶数下标顶点之间的每条弦都不是好边,所以中央区域中没有计数三角形。
因此,最大值为 \(\boxed{1003}\)。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2006 · Задача 2
Диагональ правильного 2006-угольника \(P\) называется хорошей, если ее концы делят границу \(P\) на две части, каждая из которых содержит нечетное число сторон. Стороны \(P\) также называются хорошими.
Пусть \(P\) разбивается на треугольники 2003 диагоналями, никакие две из которых не имеют общих точек внутри \(P\). Какое наибольшее число равнобедренных треугольников, каждый из которых имеет две хорошие стороны, может иметь такое разбиение?
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{1003} \]
Решение
Назовем равнобедренный треугольник с двумя хорошими сторонами учитываемым треугольником. Всюду ниже понятие хорошей стороны относится к исходному многоугольнику \(P\).
Хорда является хорошей тогда и только тогда, когда любая из двух частей границы между ее концами содержит нечетное число сторон. Кроме того, если \(R\) — радиус описанной окружности, то хорда, стягивающая \(r\) последовательных сторон, имеет длину \[ 2R\sin\frac{\pi r}{2006}. \] Следовательно, эта длина строго возрастает при \(1\le r\le1003\).
Утверждение. Пусть \(V_0,V_1,\ldots,V_m\) — последовательные вершины \(P\), где \(1\le m\le1003\). Любая триангуляция области, ограниченной этой частью границы и хордой \(V_0V_m\), содержит не более \[ \left\lfloor\frac m2\right\rfloor \] учитываемых треугольников. При \(m=1\) эта область пуста.
Докажем утверждение индукцией по \(m\). Случай \(m=1\) очевиден. При \(m\ge2\) треугольник, прилегающий к хорде \(V_0V_m\), имеет третью вершину \(V_k\), где \(1\le k<m\). Две другие его стороны стягивают \(k\) и \(m-k\) сторон многоугольника. Обе они строго короче \(V_0V_m\).
Таким образом, если этот треугольник равнобедренный, то его равными сторонами должны быть \(V_0V_k\) и \(V_kV_m\), а из строгой монотонности длин хорд следует \[ k=m-k. \] Кроме того, если он учитываемый, то обе эти равные стороны должны быть хорошими: иначе обе они не являются хорошими, и хорошая сторона может быть не более чем одна. Поэтому \(k=m-k\) нечетно.
Остальные треугольники принадлежат двум меньшим областям, части границы которых имеют длины \(k\) и \(m-k\) сторон. По предположению индукции общее число учитываемых треугольников в них не превосходит \[ \left\lfloor\frac k2\right\rfloor+ \left\lfloor\frac{m-k}{2}\right\rfloor. \] Если \(V_0V_kV_m\) не учитывается, эта величина не превосходит \(\lfloor m/2\rfloor\). Если он учитывается, то оба числа \(k\) и \(m-k\) нечетны, поэтому с учетом этого треугольника получаем не более \[ \frac{k-1}{2}+\frac{m-k-1}{2}+1 =\frac m2. \] Утверждение доказано.
Теперь пусть \(O\) — центр \(P\), и выберем треугольник \(T\) разбиения, замкнутая область которого содержит \(O\). Здесь допускается и случай, когда \(O\) лежит на диагонали.
Вершины \(T\) делят границу \(P\) на три части, содержащие соответственно \(a,b,c\) сторон, где \[ a+b+c=2006. \] Каждое из чисел \(a,b,c\) не превосходит \(1003\). Действительно, если бы одно из них было больше \(1003\), то дополнительная дуга описанной окружности, содержащая все три вершины \(T\), была бы короче полуокружности. Тогда эти вершины лежали бы в открытой полуплоскости, ограниченной прямой через \(O\), что противоречит \(O\in T\).
Три стороны \(T\) отделяют остальную часть \(P\) на области, к которым применимо утверждение. Поэтому, положив \(\varepsilon=1\), если \(T\) учитывается, и \(\varepsilon=0\) в противном случае, получаем, что общее число учитываемых треугольников не превосходит \[ \left\lfloor\frac a2\right\rfloor+ \left\lfloor\frac b2\right\rfloor+ \left\lfloor\frac c2\right\rfloor+\varepsilon. \]
Если \(\varepsilon=0\), эта величина не превосходит \(2006/2=1003\). Если \(\varepsilon=1\), то две стороны \(T\) хорошие, поэтому два из чисел \(a,b,c\) нечетны. Поскольку их сумма четна, третье число четно. Поэтому оценка принимает вид \[ \frac{a+b+c-2}{2}+1=1003. \] Таким образом, любое допустимое разбиение содержит не более \(1003\) учитываемых треугольников.
Чтобы достичь этой оценки, обозначим вершины \(A_0,A_1,\ldots,A_{2005}\) в порядке обхода. Проведем \(1003\) диагонали \[ A_{2i}A_{2i+2}\qquad(0\le i\le1002), \] где индексы берутся по модулю \(2006\). Эти диагонали не пересекаются и отсекают \(1003\) треугольника \[ A_{2i}A_{2i+1}A_{2i+2}. \] У каждого из них две равные стороны являются сторонами \(P\), поэтому каждый из них учитывается.
Оставшаяся область — выпуклый \(1003\)-угольник, образованный вершинами с четными индексами. Разобьем его на треугольники, например проведя веер диагоналей из одной вершины, для чего потребуется еще \(1000\) диагоналей. Всего получится \(1003+1000=2003\) непересекающиеся диагонали. Ни одна хорда между вершинами с четными индексами не является хорошей, поэтому в центральной области нет учитываемых треугольников.
Следовательно, искомый максимум равен \(\boxed{1003}\).
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2006 · المسألة 2
ليكن \(P\) مضلع منتظم ذو \(2006\) ضلع. يسمى قطر المضلع \(P\) جيد اذا جزأت نقطتا نهايتيه المضلع \(P\) الى جزئين يحتوي كل جزء عدد فردي من أضلاع \(P\). أعتبر أضلاع المضلع \(P\) جيده.
نفرض أن المضلع \(P\) قسم الى مثلثات بواسطة \(2003\) قطرا، لا يتقاطع أي قطرين منهما داخل المضلع \(P\). أوجد اكبر عدد ممكن من المثلثات المتطابقة الضلعين التي تملك ضلعين جيده من أضلاع المضلع الناتجه بواسطة هذا النظام.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{1003} \]
الحل
نسمي المثلث المتساوي الساقين الذي له ضلعان جيدان مثلثا محسوبا. وكل إشارة إلى الأضلاع الجيدة فيما يلي هي بالنسبة إلى المضلع الأصلي \(P\).
يكون الوتر جيدا إذا وفقط إذا كان أي من القوسين على المحيط بين طرفيه يحتوي على عدد فردي من الأضلاع. كذلك، إذا كان \(R\) نصف قطر الدائرة المحيطة، فإن طول الوتر الذي يقابل \(r\) أضلاعا متتالية هو \[ 2R\sin\frac{\pi r}{2006}. \] وبالتالي فإن هذا الطول متزايد تماما عندما \(1\le r\le1003\).
ادعاء. لتكن \(V_0,V_1,\ldots,V_m\) رؤوسا متتالية للمضلع \(P\)، حيث \(1\le m\le1003\). أي تقسيم إلى مثلثات للمنطقة المحدودة بهذا القوس من المحيط والوتر \(V_0V_m\) يحتوي على عدد من المثلثات المحسوبة لا يتجاوز \[ \left\lfloor\frac m2\right\rfloor \] وعندما \(m=1\)، تكون هذه المنطقة خالية.
نثبت الادعاء بالاستقراء على \(m\). الحالة \(m=1\) واضحة. عندما \(m\ge2\)، يكون الرأس الثالث للمثلث المجاور للوتر \(V_0V_m\) هو \(V_k\)، حيث \(1\le k<m\). ويقابل ضلعاه الآخران \(k\) و\(m-k\) من أضلاع المضلع. وكلاهما أقصر تماما من \(V_0V_m\).
إذن، إذا كان هذا المثلث متساوي الساقين، فلا بد أن يكون ضلعاه المتساويان هما \(V_0V_k\) و\(V_kV_m\)، ويعطي التزايد التام لأطوال الأوتار \[ k=m-k. \] كذلك، إذا كان محسوبا، فلا بد أن يكون هذان الضلعان المتساويان جيدين كليهما: وإلا كان كلاهما غير جيد، فلا يبقى إلا ضلع جيد واحد على الأكثر. ومن ثم فإن \(k=m-k\) عدد فردي.
تنتمي المثلثات المتبقية إلى المنطقتين الأصغر اللتين يحتوي قوساهما على \(k\) و\(m-k\) من الأضلاع. وبالاستقراء، فإن مجموع عدد المثلثات المحسوبة فيهما لا يتجاوز \[ \left\lfloor\frac k2\right\rfloor+ \left\lfloor\frac{m-k}{2}\right\rfloor. \] إذا لم يكن \(V_0V_kV_m\) محسوبا، فإن هذا لا يتجاوز \(\lfloor m/2\rfloor\). وإذا كان محسوبا، فإن كلا من \(k\) و\(m-k\) فردي، ولذلك فإن إضافة هذا المثلث تعطي عددا لا يتجاوز \[ \frac{k-1}{2}+\frac{m-k-1}{2}+1 =\frac m2. \] وهذا يثبت الادعاء.
لتكن الآن \(O\) مركز \(P\)، ولنختر مثلثا \(T\) من التقسيم تحتوي منطقته المغلقة على \(O\). ويشمل ذلك احتمال وقوع \(O\) على قطر.
تقسم رؤوس \(T\) محيط \(P\) إلى ثلاثة أقواس تحتوي على \(a,b,c\) من الأضلاع، على الترتيب، حيث \[ a+b+c=2006. \] كل من \(a,b,c\) لا يتجاوز \(1003\). بالفعل، لو كان أحدها أكبر من \(1003\)، لكان القوس المكمل، الذي يحتوي على رؤوس \(T\) الثلاثة كلها، أقصر من نصف دائرة. وحينئذ تقع هذه الرؤوس في نصف مستوى مفتوح يحده مستقيم يمر بالنقطة \(O\)، مما يناقض \(O\in T\).
تفصل أضلاع \(T\) الثلاثة بقية \(P\) إلى مناطق ينطبق عليها الادعاء. ولذلك، إذا كتبنا \(\varepsilon=1\) عندما يكون \(T\) محسوبا و\(\varepsilon=0\) خلاف ذلك، فإن العدد الكلي للمثلثات المحسوبة لا يتجاوز \[ \left\lfloor\frac a2\right\rfloor+ \left\lfloor\frac b2\right\rfloor+ \left\lfloor\frac c2\right\rfloor+\varepsilon. \]
إذا كان \(\varepsilon=0\)، فإن هذا لا يتجاوز \(2006/2=1003\). وإذا كان \(\varepsilon=1\)، فإن ضلعين من \(T\) جيدان، ولذلك يكون اثنان من \(a,b,c\) فرديين. وبما أن مجموعها زوجي، فإن الثالث زوجي. ومن ثم يكون الحد هو \[ \frac{a+b+c-2}{2}+1=1003. \] إذن كل تقسيم مسموح به يحتوي على \(1003\) مثلثات محسوبة على الأكثر.
لبلوغ هذا الحد، نرمز إلى الرؤوس بالرموز \(A_0,A_1,\ldots,A_{2005}\) بترتيب دوري. نرسم الأقطار الـ\(1003\) \[ A_{2i}A_{2i+2}\qquad(0\le i\le1002), \] مع أخذ الفهارس بترديد \(2006\). لا تتقاطع هذه الأقطار، وهي تقتطع المثلثات الـ\(1003\) \[ A_{2i}A_{2i+1}A_{2i+2}. \] لكل منها ضلعان متساويان من أضلاع \(P\)، ولذلك فكل منها محسوب.
المنطقة المتبقية هي المضلع المحدب ذو \(1003\) أضلاع الذي تشكله الرؤوس ذات الفهارس الزوجية. نقسمه إلى مثلثات، مثلا برسم مروحة من أحد الرؤوس، باستخدام \(1000\) قطر إضافي. ويكون لدينا إجمالا \(1003+1000=2003\) أقطار غير متقاطعة. كل وتر بين رأسين ذوي فهرسين زوجيين غير جيد، ولذلك لا تسهم المنطقة المركزية بأي مثلث محسوب.
إذن العدد الأقصى هو \(\boxed{1003}\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.