IMO 2006 · Problem 6
Assign to each side \(b\) of a convex polygon \(P\) the maximum area of a triangle that has \(b\) as a side and is contained in \(P\). Show that the sum of the areas assigned to the sides of \(P\) is at least twice the area of \(P\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Write \([K]\) for the area of a polygon \(K\). If \([P]=0\), the assertion is immediate, so assume \([P]>0\).
For each side \(b\), let \(w_b\) be the distance between its supporting line and the parallel supporting line on the opposite side of \(P\). By convexity, a triangle with base \(b\) and any third vertex in \(P\) is contained in \(P\). Thus the area assigned to \(b\) is \[ M_b=\frac12 |b|w_b. \] Consecutive collinear sides may be merged: their widths are equal, so this does not change the sum of their assigned areas.
Consider the auxiliary polygon \[ D=P-P=\{x-y:x,y\in P\}. \] This is a convex polygon: if \(v_1,\ldots,v_n\) are the vertices of \(P\), then \(D\) is the convex hull of the points \(v_i-v_j\). Indeed, writing \(x=\sum_i\alpha_i v_i\) and \(y=\sum_j\beta_jv_j\) as convex combinations gives \[ x-y=\sum_{i,j}\alpha_i\beta_j(v_i-v_j), \] and the set of differences is convex. Also, \(D=-D\), and the origin is in its interior.
We will prove \[ [D]=2\sum_b M_b \qquad\text{and}\qquad [D]\ge 4[P]. \]
The area of \(D\) in terms of the assigned areas.
Fix a direction parallel to a side of \(P\), and let \(u\) be a perpendicular unit vector. Define
\[
h_+=\max_{x\in P}u\cdot x,\qquad
h_-=\min_{x\in P}u\cdot x,\qquad
w=h_+-h_-.
\]
Let \(F_+\) and \(F_-\) be the portions of \(P\) on these two supporting lines. Each is either a side or a single vertex. Denote their lengths by \(\ell_+\) and \(\ell_-\), counting a vertex as having length zero.
For \(z=x-y\in D\), we have \[ u\cdot z\le h_+-h_-=w, \] with equality exactly when \(x\in F_+\) and \(y\in F_-\). Consequently, the supporting face of \(D\) in direction \(u\) is \[ F_+-F_-. \] The difference of two parallel segments of lengths \(\ell_+\) and \(\ell_-\) is a segment of length \(\ell_++\ell_-\). Hence \(D\) has an edge of that length at distance \(w\) from the origin, and an equal opposite edge.
This describes every edge of \(D\): if both corresponding supporting faces of \(P\) were vertices, their difference would be a point, not an edge.
Joining the origin to the vertices of \(D\) partitions it into triangles. The two edges associated with our chosen direction contribute total area \[ 2\cdot\frac12(\ell_++\ell_-)w=(\ell_++\ell_-)w. \] Summing over the distinct directions parallel to sides of \(P\), each side of \(P\) is counted exactly once. Therefore \[ [D]=\sum_b |b|w_b=2\sum_b M_b. \tag{1} \]
Comparing the areas of \(D\) and \(P\).
Translate \(P\) so that its lowest and highest horizontal supporting lines have heights \(0\) and \(h\), where \(h>0\). This translation does not change \(D\).
For \(0\le t\le h\), let \[ I_t=\{x\in\mathbb R:(x,t)\in P\}, \] and let \(f(t)\) be its length. Each \(I_t\) is a nonempty closed interval, possibly a point.
For \(-h\le s\le h\), put \[ t=\frac{h+s}{2},\qquad r=\frac{h-s}{2}. \] Since \(t-r=s\), the horizontal section of \(D\) at height \(s\) contains the interval \(I_t-I_r\). The difference of two intervals has length equal to the sum of their lengths, so this section has length at least \[ f\left(\frac{h+s}{2}\right)+f\left(\frac{h-s}{2}\right). \]
The area of a polygon is the integral of its horizontal section lengths; here this is simply the trapezoid area formula applied between successive vertex heights. Therefore \[ \begin{aligned} [D] &\ge \int_{-h}^{h} \left[ f\left(\frac{h+s}{2}\right) + f\left(\frac{h-s}{2}\right) \right]\,ds\\ &=2\int_0^h f(t)\,dt+2\int_0^h f(t)\,dt\\ &=4[P]. \end{aligned} \] Combining this with (1) gives \[ \boxed{\sum_b M_b\ge 2[P]}, \] as required.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2006 · Aufgabe 6
Gegeben sei ein konvexes Polygon \(P\). Jeder Seite \(b\) von \(P\) wird das Maximum der Flächeninhalte jener Dreiecke zugeordnet, die in \(P\) liegen und die Seite \(b\) als eine ihrer Seiten haben. Man beweise, dass die Summe der Flächeninhalte, die den Seiten von \(P\) zugeordnet wurden, mindestens doppelt so groß wie der Flächeninhalt von \(P\) ist.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir bezeichnen mit \([K]\) den Flächeninhalt eines Polygons \(K\). Für \([P]=0\) ist die Behauptung unmittelbar klar, daher nehmen wir \([P]>0\) an.
Für jede Seite \(b\) sei \(w_b\) der Abstand zwischen ihrer Trägergeraden und der parallelen Stützgeraden auf der gegenüberliegenden Seite von \(P\). Wegen der Konvexität liegt ein Dreieck mit Grundseite \(b\) und einem beliebigen dritten Eckpunkt in \(P\) vollständig in \(P\). Somit ist der \(b\) zugeordnete Flächeninhalt \[ M_b=\frac12 |b|w_b. \] Aufeinanderfolgende kollineare Seiten dürfen zusammengefasst werden: Ihre Breiten sind gleich, sodass sich dadurch die Summe der ihnen zugeordneten Flächeninhalte nicht ändert.
Wir betrachten das Hilfspolygon \[ D=P-P=\{x-y:x,y\in P\}. \] Dies ist ein konvexes Polygon: Sind \(v_1,\ldots,v_n\) die Eckpunkte von \(P\), so ist \(D\) die konvexe Hülle der Punkte \(v_i-v_j\). Schreiben wir nämlich \(x=\sum_i\alpha_i v_i\) und \(y=\sum_j\beta_jv_j\) als Konvexkombinationen, so erhalten wir \[ x-y=\sum_{i,j}\alpha_i\beta_j(v_i-v_j), \] und die Menge der Differenzen ist konvex. Außerdem gilt \(D=-D\), und der Ursprung liegt in seinem Innern.
Wir werden zeigen, dass \[ [D]=2\sum_b M_b \qquad\text{und}\qquad [D]\ge 4[P]. \]
Der Flächeninhalt von \(D\) ausgedrückt durch die zugeordneten Flächeninhalte.
Wir wählen eine Richtung parallel zu einer Seite von \(P\), und es sei \(u\) ein dazu senkrechter Einheitsvektor. Wir definieren
\[
h_+=\max_{x\in P}u\cdot x,\qquad
h_-=\min_{x\in P}u\cdot x,\qquad
w=h_+-h_-.
\]
Es seien \(F_+\) und \(F_-\) die auf diesen beiden Stützgeraden liegenden Teile von \(P\). Jeder davon ist entweder eine Seite oder ein einzelner Eckpunkt. Wir bezeichnen ihre Längen mit \(\ell_+\) und \(\ell_-\), wobei einem Eckpunkt die Länge null zugeschrieben wird.
Für \(z=x-y\in D\) gilt \[ u\cdot z\le h_+-h_-=w, \] wobei Gleichheit genau dann eintritt, wenn \(x\in F_+\) und \(y\in F_-\) gilt. Folglich ist die Stützfläche von \(D\) in Richtung \(u\) gleich \[ F_+-F_-. \] Die Differenz zweier paralleler Strecken der Längen \(\ell_+\) und \(\ell_-\) ist eine Strecke der Länge \(\ell_++\ell_-\). Daher hat \(D\) eine Kante dieser Länge im Abstand \(w\) vom Ursprung sowie eine gleich lange gegenüberliegende Kante.
Damit ist jede Kante von \(D\) beschrieben: Wären die beiden entsprechenden Stützflächen von \(P\) Eckpunkte, so wäre ihre Differenz ein Punkt und keine Kante.
Verbindet man den Ursprung mit den Eckpunkten von \(D\), so wird es in Dreiecke zerlegt. Die beiden Kanten, die zu unserer gewählten Richtung gehören, tragen zusammen den Flächeninhalt \[ 2\cdot\frac12(\ell_++\ell_-)w=(\ell_++\ell_-)w \] bei. Summieren wir über die verschiedenen Richtungen parallel zu den Seiten von \(P\), so wird jede Seite von \(P\) genau einmal gezählt. Daher gilt \[ [D]=\sum_b |b|w_b=2\sum_b M_b. \tag{1} \]
Vergleich der Flächeninhalte von \(D\) und \(P\).
Wir verschieben \(P\) so, dass seine unterste und oberste horizontale Stützgerade die Höhen \(0\) und \(h\) haben, wobei \(h>0\) ist. Diese Verschiebung ändert \(D\) nicht.
Für \(0\le t\le h\) setzen wir \[ I_t=\{x\in\mathbb R:(x,t)\in P\}, \] und bezeichnen seine Länge mit \(f(t)\). Jedes \(I_t\) ist ein nichtleeres abgeschlossenes Intervall, möglicherweise ein Punkt.
Für \(-h\le s\le h\) setzen wir \[ t=\frac{h+s}{2},\qquad r=\frac{h-s}{2}. \] Da \(t-r=s\) ist, enthält der horizontale Schnitt von \(D\) in Höhe \(s\) das Intervall \(I_t-I_r\). Die Differenz zweier Intervalle hat eine Länge gleich der Summe ihrer Längen, sodass dieser Schnitt mindestens die Länge \[ f\left(\frac{h+s}{2}\right)+f\left(\frac{h-s}{2}\right) \] hat.
Der Flächeninhalt eines Polygons ist das Integral seiner horizontalen Schnittlängen; hier entspricht dies einfach der Anwendung der Trapezflächenformel zwischen aufeinanderfolgenden Eckpunkthöhen. Daher gilt \[ \begin{aligned} [D] &\ge \int_{-h}^{h} \left[ f\left(\frac{h+s}{2}\right) + f\left(\frac{h-s}{2}\right) \right]\,ds\\ &=2\int_0^h f(t)\,dt+2\int_0^h f(t)\,dt\\ &=4[P]. \end{aligned} \] Zusammen mit (1) ergibt dies \[ \boxed{\sum_b M_b\ge 2[P]}, \] wie verlangt.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2006 · Soru 6
Dışbükey bir \(P\) çokgeninin her \(b\) kenarına, çokgenin dışına taşmayan ve kenarlarından birisi \(b\) olan üçgenlerin sahip olabileceği en büyük alan değeri karşı tutuluyor. \(P\) nin tüm kenarlarına karşı tutulan değerler toplamının, \(P\) nin alanının iki katından küçük olamayacağını gösteriniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Bir \(K\) çokgeninin alanını \([K]\) ile gösterelim. \([P]=0\) ise iddia açıktır; bu nedenle \([P]>0\) olduğunu varsayalım.
Her \(b\) kenarı için, bu kenarın üzerinde bulunduğu destek doğrusu ile \(P\) nin karşı tarafındaki paralel destek doğrusu arasındaki uzaklık \(w_b\) olsun. Dışbükeylikten dolayı, tabanı \(b\) ve üçüncü köşesi \(P\) nin herhangi bir noktası olan bir üçgen \(P\) nin içinde kalır. Dolayısıyla \(b\) ye karşı tutulan alan \[ M_b=\frac12 |b|w_b \] olur. Aynı doğru üzerinde bulunan ardışık kenarlar birleştirilebilir: genişlikleri eşit olduğundan bu işlem, karşı tutulan alanlarının toplamını değiştirmez.
Şu yardımcı çokgeni ele alalım: \[ D=P-P=\{x-y:x,y\in P\}. \] Bu bir dışbükey çokgendir: \(v_1,\ldots,v_n\), \(P\) nin köşeleri ise, \(D\), \(v_i-v_j\) noktalarının dışbükey örtüsüdür. Gerçekten, \(x=\sum_i\alpha_i v_i\) ve \(y=\sum_j\beta_jv_j\) dışbükey birleşimler olarak yazıldığında \[ x-y=\sum_{i,j}\alpha_i\beta_j(v_i-v_j) \] elde edilir ve farklar kümesi dışbükeydir. Ayrıca \(D=-D\) olur ve başlangıç noktası bu çokgenin içindedir.
Şu bağıntıları kanıtlayacağız: \[ [D]=2\sum_b M_b \qquad\text{ve}\qquad [D]\ge 4[P]. \]
\(D\) nin alanının karşı tutulan alanlar cinsinden ifadesi.
\(P\) nin bir kenarına paralel bir doğrultu sabitleyelim ve \(u\) bu doğrultuya dik bir birim vektör olsun.
\[
h_+=\max_{x\in P}u\cdot x,\qquad
h_-=\min_{x\in P}u\cdot x,\qquad
w=h_+-h_-
\]
olarak tanımlayalım. \(F_+\) ve \(F_-\), \(P\) nin bu iki destek doğrusu üzerinde bulunan kısımları olsun. Bunların her biri ya bir kenar ya da tek bir köşedir. Bir köşenin uzunluğunu sıfır kabul ederek, bu kısımların uzunluklarını \(\ell_+\) ve \(\ell_-\) ile gösterelim.
\(z=x-y\in D\) için \[ u\cdot z\le h_+-h_-=w \] olur ve eşitlik ancak ve ancak \(x\in F_+\) ve \(y\in F_-\) olduğunda sağlanır. Dolayısıyla \(D\) nin \(u\) yönündeki destek yüzü \[ F_+-F_- \] olur. Uzunlukları \(\ell_+\) ve \(\ell_-\) olan iki paralel doğru parçasının farkı, uzunluğu \(\ell_++\ell_-\) olan bir doğru parçasıdır. Bu nedenle \(D\) nin başlangıç noktasından \(w\) uzaklıkta bu uzunlukta bir kenarı ve karşı tarafta ona eşit bir kenarı vardır.
Bu açıklama \(D\) nin her kenarını kapsar: \(P\) nin karşılık gelen iki destek yüzü de köşe olsaydı, farkları bir kenar değil, bir nokta olurdu.
Başlangıç noktasını \(D\) nin köşeleriyle birleştirmek, çokgeni üçgenlere ayırır. Seçtiğimiz doğrultuya karşılık gelen iki kenarın toplam alana katkısı \[ 2\cdot\frac12(\ell_++\ell_-)w=(\ell_++\ell_-)w \] olur. \(P\) nin kenarlarına paralel farklı doğrultular üzerinden toplam alındığında, \(P\) nin her kenarı tam olarak bir kez sayılır. Bu nedenle \[ [D]=\sum_b |b|w_b=2\sum_b M_b. \tag{1} \]
\(D\) ve \(P\) nin alanlarının karşılaştırılması.
\(P\) yi, en alttaki ve en üstteki yatay destek doğrularının yükseklikleri, \(h>0\) olmak üzere, \(0\) ve \(h\) olacak şekilde öteleyelim. Bu öteleme \(D\) yi değiştirmez.
\(0\le t\le h\) için \[ I_t=\{x\in\mathbb R:(x,t)\in P\}, \] olsun ve uzunluğunu \(f(t)\) ile gösterelim. Her \(I_t\), tek bir nokta da olabilen, boş olmayan kapalı bir aralıktır.
\(-h\le s\le h\) için \[ t=\frac{h+s}{2},\qquad r=\frac{h-s}{2} \] olsun. \(t-r=s\) olduğundan, \(D\) nin \(s\) yüksekliğindeki yatay kesiti \(I_t-I_r\) aralığını içerir. İki aralığın farkının uzunluğu, uzunluklarının toplamına eşittir; dolayısıyla bu kesitin uzunluğu en az \[ f\left(\frac{h+s}{2}\right)+f\left(\frac{h-s}{2}\right) \] olur.
Bir çokgenin alanı, yatay kesit uzunluklarının integralidir; burada bu, ardışık köşe yükseklikleri arasında yalnızca yamuk alanı formülünün uygulanmasıdır. Dolayısıyla \[ \begin{aligned} [D] &\ge \int_{-h}^{h} \left[ f\left(\frac{h+s}{2}\right) + f\left(\frac{h-s}{2}\right) \right]\,ds\\ &=2\int_0^h f(t)\,dt+2\int_0^h f(t)\,dt\\ &=4[P]. \end{aligned} \] Bunu (1) ile birleştirince \[ \boxed{\sum_b M_b\ge 2[P]}, \] elde edilir; bu da istenen sonuçtur.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2006 · Problema 6
Asignamos a cada lado \(b\) de un polígono convexo \(P\) el área máxima que puede tener un triángulo que tiene a \(b\) como uno de sus lados y que está contenido en \(P\). Demuestre que la suma de las áreas asignadas a los lados de \(P\) es mayor o igual que el doble del área de \(P\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Denotemos por \([K]\) el área de un polígono \(K\). Si \([P]=0\), la afirmación es inmediata, así que supongamos que \([P]>0\).
Para cada lado \(b\), sea \(w_b\) la distancia entre la recta de apoyo que lo contiene y la recta de apoyo paralela situada al lado opuesto de \(P\). Por convexidad, un triángulo de base \(b\) y cualquier tercer vértice en \(P\) está contenido en \(P\). Por tanto, el área asignada a \(b\) es \[ M_b=\frac12 |b|w_b. \] Los lados consecutivos colineales pueden unirse en uno solo: sus anchuras son iguales, de modo que esto no cambia la suma de sus áreas asignadas.
Consideremos el polígono auxiliar \[ D=P-P=\{x-y:x,y\in P\}. \] Este es un polígono convexo: si \(v_1,\ldots,v_n\) son los vértices de \(P\), entonces \(D\) es la envolvente convexa de los puntos \(v_i-v_j\). En efecto, al escribir \(x=\sum_i\alpha_i v_i\) e \(y=\sum_j\beta_jv_j\) como combinaciones convexas obtenemos \[ x-y=\sum_{i,j}\alpha_i\beta_j(v_i-v_j), \] y el conjunto de diferencias es convexo. Además, \(D=-D\), y el origen está en su interior.
Demostraremos que \[ [D]=2\sum_b M_b \qquad\text{y}\qquad [D]\ge 4[P]. \]
El área de \(D\) en función de las áreas asignadas.
Fijemos una dirección paralela a un lado de \(P\), y sea \(u\) un vector unitario perpendicular. Definamos
\[
h_+=\max_{x\in P}u\cdot x,\qquad
h_-=\min_{x\in P}u\cdot x,\qquad
w=h_+-h_-.
\]
Sean \(F_+\) y \(F_-\) las partes de \(P\) situadas sobre estas dos rectas de apoyo. Cada una es un lado o un único vértice. Denotemos sus longitudes por \(\ell_+\) y \(\ell_-\), considerando que un vértice tiene longitud cero.
Para \(z=x-y\in D\), tenemos \[ u\cdot z\le h_+-h_-=w, \] con igualdad exactamente cuando \(x\in F_+\) e \(y\in F_-\). Por consiguiente, la cara de apoyo de \(D\) en la dirección \(u\) es \[ F_+-F_-. \] La diferencia de dos segmentos paralelos de longitudes \(\ell_+\) y \(\ell_-\) es un segmento de longitud \(\ell_++\ell_-\). Así pues, \(D\) tiene un lado de esa longitud a distancia \(w\) del origen, y un lado opuesto igual.
Esto describe todos los lados de \(D\): si las dos caras de apoyo correspondientes de \(P\) fueran vértices, su diferencia sería un punto, no un lado.
Al unir el origen con los vértices de \(D\), lo dividimos en triángulos. Los dos lados asociados a la dirección elegida aportan un área total de \[ 2\cdot\frac12(\ell_++\ell_-)w=(\ell_++\ell_-)w. \] Al sumar sobre las distintas direcciones paralelas a los lados de \(P\), cada lado de \(P\) se cuenta exactamente una vez. Por tanto, \[ [D]=\sum_b |b|w_b=2\sum_b M_b. \tag{1} \]
Comparación de las áreas de \(D\) y \(P\).
Traslademos \(P\) de modo que sus rectas de apoyo horizontales inferior y superior tengan alturas \(0\) y \(h\), donde \(h>0\). Esta traslación no cambia \(D\).
Para \(0\le t\le h\), sea \[ I_t=\{x\in\mathbb R:(x,t)\in P\}, \] y sea \(f(t)\) su longitud. Cada \(I_t\) es un intervalo cerrado no vacío, que puede reducirse a un punto.
Para \(-h\le s\le h\), pongamos \[ t=\frac{h+s}{2},\qquad r=\frac{h-s}{2}. \] Como \(t-r=s\), la sección horizontal de \(D\) a la altura \(s\) contiene el intervalo \(I_t-I_r\). La diferencia de dos intervalos tiene longitud igual a la suma de sus longitudes, por lo que esta sección tiene longitud al menos \[ f\left(\frac{h+s}{2}\right)+f\left(\frac{h-s}{2}\right). \]
El área de un polígono es la integral de las longitudes de sus secciones horizontales; aquí esto es simplemente la fórmula del área del trapecio aplicada entre las alturas sucesivas de los vértices. Por tanto, \[ \begin{aligned} [D] &\ge \int_{-h}^{h} \left[ f\left(\frac{h+s}{2}\right) + f\left(\frac{h-s}{2}\right) \right]\,ds\\ &=2\int_0^h f(t)\,dt+2\int_0^h f(t)\,dt\\ &=4[P]. \end{aligned} \] Combinando esto con (1) obtenemos \[ \boxed{\sum_b M_b\ge 2[P]}, \] como se quería demostrar.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2006 · 问题 6
对于凸多边形 \(P\) 的任意边 \(b\),以 \(b\) 为边,在 \(P\) 内部作一个面积最大的三角形。证明:对 \(P\) 的每条边,按上述方法所得三角形的面积之和至少是 \(P\) 的面积的 \(2\) 倍。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
用 \([K]\) 表示多边形 \(K\) 的面积。若 \([P]=0\),则结论显然成立,所以假设 \([P]>0\)。
对每条边 \(b\),设 \(w_b\) 为其所在支撑直线与 \(P\) 另一侧的平行支撑直线之间的距离。由凸性,以 \(b\) 为底边、以 \(P\) 中任意一点为第三个顶点的三角形均包含于 \(P\)。因此,赋予 \(b\) 的面积为 \[ M_b=\frac12 |b|w_b. \] 相邻的共线边可以合并:它们对应的宽度相等,所以合并不改变所赋面积之和。
考虑辅助多边形 \[ D=P-P=\{x-y:x,y\in P\}. \] 这是一个凸多边形:若 \(v_1,\ldots,v_n\) 是 \(P\) 的顶点,则 \(D\) 是各点 \(v_i-v_j\) 的凸包。事实上,将 \(x=\sum_i\alpha_i v_i\) 和 \(y=\sum_j\beta_jv_j\) 写成凸组合,得 \[ x-y=\sum_{i,j}\alpha_i\beta_j(v_i-v_j), \] 而差构成的集合是凸的。此外,\(D=-D\),且原点在其内部。
我们将证明 \[ [D]=2\sum_b M_b \qquad\text{且}\qquad [D]\ge 4[P]. \]
用所赋面积表示 \(D\) 的面积。
固定一个与 \(P\) 的某条边平行的方向,并设 \(u\) 为与之垂直的单位向量。定义
\[
h_+=\max_{x\in P}u\cdot x,\qquad
h_-=\min_{x\in P}u\cdot x,\qquad
w=h_+-h_-.
\]
设 \(F_+\) 和 \(F_-\) 为 \(P\) 在这两条支撑直线上的部分。每个部分或者是一条边,或者是一个顶点。记它们的长度分别为 \(\ell_+\) 和 \(\ell_-\),其中顶点的长度计为零。
对 \(z=x-y\in D\),有 \[ u\cdot z\le h_+-h_-=w, \] 等号成立当且仅当 \(x\in F_+\) 且 \(y\in F_-\)。因此,\(D\) 在方向 \(u\) 上的支撑面为 \[ F_+-F_-. \] 长度分别为 \(\ell_+\) 和 \(\ell_-\) 的两条平行线段之差,是一条长度为 \(\ell_++\ell_-\) 的线段。因此,\(D\) 有一条长度为此值、到原点距离为 \(w\) 的边,以及一条与它相对且等长的边。
这就描述了 \(D\) 的每条边:如果 \(P\) 的两个对应支撑面都是顶点,那么它们的差就是一个点,而不是一条边。
连接原点与 \(D\) 的各顶点,将其分成若干三角形。与所选方向对应的两条边贡献的总面积为 \[ 2\cdot\frac12(\ell_++\ell_-)w=(\ell_++\ell_-)w. \] 对所有与 \(P\) 的边平行的不同方向求和,\(P\) 的每条边恰好被计入一次。因此 \[ [D]=\sum_b |b|w_b=2\sum_b M_b. \tag{1} \]
比较 \(D\) 与 \(P\) 的面积。
平移 \(P\),使其最低和最高的水平支撑直线的高度分别为 \(0\) 和 \(h\),其中 \(h>0\)。这一平移不改变 \(D\)。
对 \(0\le t\le h\),令 \[ I_t=\{x\in\mathbb R:(x,t)\in P\}, \] 并设 \(f(t)\) 为其长度。每个 \(I_t\) 都是非空闭区间,也可能退化为一个点。
对 \(-h\le s\le h\),令 \[ t=\frac{h+s}{2},\qquad r=\frac{h-s}{2}. \] 由于 \(t-r=s\),\(D\) 在高度 \(s\) 处的水平截面包含区间 \(I_t-I_r\)。两个区间之差的长度等于它们的长度之和,所以该截面的长度至少为 \[ f\left(\frac{h+s}{2}\right)+f\left(\frac{h-s}{2}\right). \]
多边形的面积等于其水平截面长度的积分;在这里,这不过是在相邻的顶点高度之间应用梯形面积公式。因此 \[ \begin{aligned} [D] &\ge \int_{-h}^{h} \left[ f\left(\frac{h+s}{2}\right) + f\left(\frac{h-s}{2}\right) \right]\,ds\\ &=2\int_0^h f(t)\,dt+2\int_0^h f(t)\,dt\\ &=4[P]. \end{aligned} \] 结合 (1),得 \[ \boxed{\sum_b M_b\ge 2[P]}, \] 得证。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2006 · Задача 6
Каждой стороне \(b\) выпуклого многоугольника \(P\) поставлена в соответствие наибольшая из площадей треугольников, содержащихся в \(P\), одна из сторон которых совпадает с \(b\). Докажите, что сумма площадей, соответствующих всем сторонам \(P\), не меньше удвоенной площади многоугольника \(P\).
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Обозначим через \([K]\) площадь многоугольника \(K\). Если \([P]=0\), утверждение очевидно, поэтому будем считать, что \([P]>0\).
Для каждой стороны \(b\) обозначим через \(w_b\) расстояние между содержащей ее опорной прямой и параллельной ей опорной прямой с противоположной стороны \(P\). В силу выпуклости треугольник с основанием \(b\) и любой третьей вершиной в \(P\) содержится в \(P\). Поэтому площадь, поставленная в соответствие \(b\), равна \[ M_b=\frac12 |b|w_b. \] Последовательные стороны, лежащие на одной прямой, можно объединить: соответствующие им ширины равны, поэтому сумма поставленных им в соответствие площадей при этом не изменится.
Рассмотрим вспомогательный многоугольник \[ D=P-P=\{x-y:x,y\in P\}. \] Это выпуклый многоугольник: если \(v_1,\ldots,v_n\) — вершины \(P\), то \(D\) является выпуклой оболочкой точек \(v_i-v_j\). Действительно, представив \(x=\sum_i\alpha_i v_i\) и \(y=\sum_j\beta_jv_j\) в виде выпуклых комбинаций, получаем \[ x-y=\sum_{i,j}\alpha_i\beta_j(v_i-v_j), \] а множество разностей выпукло. Кроме того, \(D=-D\), и начало координат находится внутри него.
Докажем, что \[ [D]=2\sum_b M_b \qquad\text{и}\qquad [D]\ge 4[P]. \]
Площадь \(D\) через площади, поставленные в соответствие сторонам.
Зафиксируем направление, параллельное одной из сторон \(P\), и пусть \(u\) — перпендикулярный ему единичный вектор. Положим
\[
h_+=\max_{x\in P}u\cdot x,\qquad
h_-=\min_{x\in P}u\cdot x,\qquad
w=h_+-h_-.
\]
Пусть \(F_+\) и \(F_-\) — части \(P\), лежащие на этих двух опорных прямых. Каждая из них является либо стороной, либо одной вершиной. Обозначим их длины через \(\ell_+\) и \(\ell_-\), считая длину вершины равной нулю.
Для \(z=x-y\in D\) имеем \[ u\cdot z\le h_+-h_-=w, \] причем равенство достигается в точности тогда, когда \(x\in F_+\) и \(y\in F_-\). Следовательно, опорная грань \(D\) в направлении \(u\) имеет вид \[ F_+-F_-. \] Разность двух параллельных отрезков длин \(\ell_+\) и \(\ell_-\) является отрезком длины \(\ell_++\ell_-\). Поэтому у \(D\) есть сторона такой длины на расстоянии \(w\) от начала координат и равная ей противоположная сторона.
Так описывается каждая сторона \(D\): если бы обе соответствующие опорные грани \(P\) были вершинами, их разность была бы точкой, а не стороной.
Соединив начало координат с вершинами \(D\), разобьем его на треугольники. Две стороны, соответствующие выбранному направлению, дают суммарную площадь \[ 2\cdot\frac12(\ell_++\ell_-)w=(\ell_++\ell_-)w. \] При суммировании по всем различным направлениям, параллельным сторонам \(P\), каждая сторона \(P\) учитывается ровно один раз. Поэтому \[ [D]=\sum_b |b|w_b=2\sum_b M_b. \tag{1} \]
Сравнение площадей \(D\) и \(P\).
Перенесем \(P\) так, чтобы его нижняя и верхняя горизонтальные опорные прямые находились на высотах \(0\) и \(h\), где \(h>0\). Этот перенос не изменяет \(D\).
Для \(0\le t\le h\) положим \[ I_t=\{x\in\mathbb R:(x,t)\in P\}, \] и обозначим через \(f(t)\) его длину. Каждое \(I_t\) — непустой замкнутый промежуток, возможно, состоящий из одной точки.
Для \(-h\le s\le h\) положим \[ t=\frac{h+s}{2},\qquad r=\frac{h-s}{2}. \] Поскольку \(t-r=s\), горизонтальное сечение \(D\) на высоте \(s\) содержит промежуток \(I_t-I_r\). Длина разности двух промежутков равна сумме их длин, поэтому длина этого сечения не меньше \[ f\left(\frac{h+s}{2}\right)+f\left(\frac{h-s}{2}\right). \]
Площадь многоугольника равна интегралу от длин его горизонтальных сечений; здесь это просто формула площади трапеции, примененная между последовательными высотами вершин. Поэтому \[ \begin{aligned} [D] &\ge \int_{-h}^{h} \left[ f\left(\frac{h+s}{2}\right) + f\left(\frac{h-s}{2}\right) \right]\,ds\\ &=2\int_0^h f(t)\,dt+2\int_0^h f(t)\,dt\\ &=4[P]. \end{aligned} \] Совмещая это с (1), получаем \[ \boxed{\sum_b M_b\ge 2[P]}, \] что и требовалось доказать.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2006 · المسألة 6
عين لكل ضلع \(b\) في المضلع المحدب \(P\) المساحة القصوى لمثلث في المضلع \(P\) يكون الضلع \(b\) أحد اضلاعه. برهن أن مجموع المساحات المعينه لجميع أضلاع المضلع تساوي على الأقل ( لا تقل عن ) ضعف مساحة المضلع \(P\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نرمز بـ\([K]\) إلى مساحة المضلع \(K\). إذا كان \([P]=0\)، فالنتيجة واضحة، ولذلك نفترض أن \([P]>0\).
لكل ضلع \(b\)، لتكن \(w_b\) المسافة بين المستقيم الحامل له والمستقيم الداعم الموازي له على الجانب المقابل من \(P\). وبفضل التحدب، فإن أي مثلث قاعدته \(b\) ورأسه الثالث أي نقطة في \(P\) يكون محتوى في \(P\). ومن ثم فإن المساحة المعينة للضلع \(b\) هي \[ M_b=\frac12 |b|w_b. \] يمكن دمج الأضلاع المتتالية الواقعة على استقامة واحدة: فعروضها متساوية، ولذلك لا يغير هذا مجموع المساحات المعينة لها.
نعتبر المضلع المساعد \[ D=P-P=\{x-y:x,y\in P\}. \] هذا مضلع محدب: إذا كانت \(v_1,\ldots,v_n\) رؤوس \(P\)، فإن \(D\) هو الغلاف المحدب للنقاط \(v_i-v_j\). بالفعل، بكتابة \(x=\sum_i\alpha_i v_i\) و\(y=\sum_j\beta_jv_j\) على صورة تركيبين محدبين نحصل على \[ x-y=\sum_{i,j}\alpha_i\beta_j(v_i-v_j), \] ومجموعة الفروق محدبة. كذلك، \(D=-D\)، وتقع نقطة الأصل في داخله.
سنثبت أن \[ [D]=2\sum_b M_b \qquad\text{و}\qquad [D]\ge 4[P]. \]
مساحة \(D\) بدلالة المساحات المعينة.
نثبت اتجاها موازيا لأحد أضلاع \(P\)، وليكن \(u\) متجه وحدة عموديا عليه. نعرف
\[
h_+=\max_{x\in P}u\cdot x,\qquad
h_-=\min_{x\in P}u\cdot x,\qquad
w=h_+-h_-.
\]
لتكن \(F_+\) و\(F_-\) جزأي \(P\) الواقعين على هذين المستقيمين الداعمين. كل منهما إما ضلع أو رأس واحد. نرمز إلى طوليهما بـ\(\ell_+\) و\(\ell_-\)، مع اعتبار طول الرأس صفرا.
لكل \(z=x-y\in D\)، لدينا \[ u\cdot z\le h_+-h_-=w, \] وتتحقق المساواة إذا وفقط إذا كان \(x\in F_+\) و\(y\in F_-\). وبالتالي، فإن الوجه الداعم للمضلع \(D\) في الاتجاه \(u\) هو \[ F_+-F_-. \] فرق قطعتين متوازيتين طولهما \(\ell_+\) و\(\ell_-\) هو قطعة طولها \(\ell_++\ell_-\). ومن ثم فإن للمضلع \(D\) ضلعا بهذا الطول على مسافة \(w\) من نقطة الأصل، وضلعا مقابلا مساويا له.
وهذا يصف كل ضلع من أضلاع \(D\): فلو كان الوجهان الداعمان المقابلان في \(P\) رأسين، لكان فرقهما نقطة، لا ضلعا.
بوصل نقطة الأصل برؤوس \(D\) نقسمه إلى مثلثات. ويسهم الضلعان المرتبطان بالاتجاه المختار بمساحة إجمالية قدرها \[ 2\cdot\frac12(\ell_++\ell_-)w=(\ell_++\ell_-)w. \] عند الجمع على الاتجاهات المختلفة الموازية لأضلاع \(P\)، يحسب كل ضلع من \(P\) مرة واحدة بالضبط. ولذلك \[ [D]=\sum_b |b|w_b=2\sum_b M_b. \tag{1} \]
مقارنة مساحتي \(D\) و\(P\).
نزيح \(P\) بحيث يكون ارتفاعا أدنى مستقيم داعم أفقي وأعلاه هما \(0\) و\(h\)، حيث \(h>0\). لا تغير هذه الإزاحة \(D\).
لكل \(0\le t\le h\)، لتكن \[ I_t=\{x\in\mathbb R:(x,t)\in P\}, \] ولتكن \(f(t)\) طولها. كل \(I_t\) فترة مغلقة غير خالية، وقد تكون نقطة.
لكل \(-h\le s\le h\)، نضع \[ t=\frac{h+s}{2},\qquad r=\frac{h-s}{2}. \] بما أن \(t-r=s\)، فإن المقطع الأفقي للمضلع \(D\) عند الارتفاع \(s\) يحتوي على الفترة \(I_t-I_r\). طول فرق فترتين يساوي مجموع طوليهما، ولذلك فإن طول هذا المقطع لا يقل عن \[ f\left(\frac{h+s}{2}\right)+f\left(\frac{h-s}{2}\right). \]
مساحة المضلع هي تكامل أطوال مقاطعه الأفقية؛ وهذا هنا ليس إلا تطبيق صيغة مساحة شبه المنحرف بين ارتفاعات الرؤوس المتتالية. ولذلك \[ \begin{aligned} [D] &\ge \int_{-h}^{h} \left[ f\left(\frac{h+s}{2}\right) + f\left(\frac{h-s}{2}\right) \right]\,ds\\ &=2\int_0^h f(t)\,dt+2\int_0^h f(t)\,dt\\ &=4[P]. \end{aligned} \] وبالجمع بين هذا و(1) نحصل على \[ \boxed{\sum_b M_b\ge 2[P]}, \] كما هو مطلوب.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.