IMO 2007 · Problem 2
Consider five points \(A, B, C, D\) and \(E\) such that \(ABCD\) is a parallelogram and \(BCED\) is a cyclic quadrilateral. Let \(\ell\) be a line passing through \(A\). Suppose that \(\ell\) intersects the interior of the segment \(DC\) at \(F\) and intersects line \(BC\) at \(G\). Suppose also that \(EF = EG = EC\). Prove that \(\ell\) is the bisector of angle \(DAB\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Take \(A\) as the origin, and write \(B=\mathbf b\), \(D=\mathbf d\), so that \(C=\mathbf b+\mathbf d\). The vectors \(\mathbf b,\mathbf d\) are linearly independent because \(B,C,D\) are distinct points on a circle.
Since \(F\) lies inside \(DC\), we have \[ F=\mathbf d+t\mathbf b,\qquad 0<t<1. \] The point \[ \mathbf b+\frac1t\mathbf d=\frac1tF \] lies on both \(BC\) and \(AF\), so it is \(G\). In particular, \(B,C,G\) occur in this order.
Put \[ x=CF,\qquad y=CG,\qquad k=\frac{t}{1-t}>0. \] The expressions above give \[ DF=kx,\qquad DC=(k+1)x,\qquad BC=ky,\qquad BG=(k+1)y. \]
Let \(r=EC>0\). By hypothesis, the circle \(\Gamma\) with centre \(E\) and radius \(r\) passes through \(C,F,G\). Applying power of a point to \(D\) and \(B\), using the orders \(D,F,C\) and \(B,C,G\), yields \[ ED^2-r^2=DF\cdot DC=k(k+1)x^2, \] \[ EB^2-r^2=BC\cdot BG=k(k+1)y^2. \] Consequently, \[ ED^2-EB^2=k(k+1)(x^2-y^2). \tag{1} \]
Now let \(R\) be the radius of the circle through \(B,C,E,D\), and set \[ \alpha=\angle ECF,\qquad \beta=\angle ECG. \] Neither triangle \(ECF\) nor \(ECG\) is degenerate: otherwise \(E\) would lie on \(CD\) or \(BC\), contradicting the distinctness of the four concyclic vertices.
The cosine rule, together with \(EC=EF=EG=r\), gives \[ \cos\alpha=\frac{x}{2r},\qquad \cos\beta=\frac{y}{2r}. \] Since rays \(CF,CD\) coincide and rays \(CG,CB\) are opposite, the extended sine rule in triangles \(ECD\) and \(ECB\) gives \[ ED=2R\sin\alpha,\qquad EB=2R\sin\beta. \] Therefore \[ \begin{aligned} ED^2-EB^2 &=4R^2(\sin^2\alpha-\sin^2\beta)\\ &=4R^2(\cos^2\beta-\cos^2\alpha)\\ &=-\frac{R^2}{r^2}(x^2-y^2). \end{aligned} \tag{2} \] Comparing (1) and (2), we obtain \[ \left(k(k+1)+\frac{R^2}{r^2}\right)(x^2-y^2)=0. \] The coefficient is positive, so \(x=y\). Hence \[ DF=kx=ky=BC=AD. \]
Thus triangle \(ADF\) is isosceles, and, because \(DF\parallel AB\), \[ \angle DAF=\angle AFD=\angle FAB. \] Finally, \(\overrightarrow{AF}=\mathbf d+t\mathbf b\) with \(t>0\), so ray \(AF\) lies inside \(\angle DAB\). Therefore \(\ell=AF\) is its internal bisector. \(\square\)
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2007 · Aufgabe 2
Gegeben seien fünf Punkte \(A,B,C,D\) und \(E\), so dass \(ABCD\) ein Parallelogramm ist und \(BCED\) ein konvexes Sehnenviereck. Sei \(\ell\) eine Gerade durch \(A\), welche die Strecke \(\overline{DC}\) im inneren Punkt \(F\) und die Gerade \(BC\) in \(G\) schneidet. Ferner gelte \(\overline{EF}=\overline{EG}=\overline{EC}\). Man beweise, dass \(\ell\) die Winkelhalbierende von \(\angle DAB\) ist.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir wählen \(A\) als Ursprung und schreiben \(B=\mathbf b\), \(D=\mathbf d\), so dass \(C=\mathbf b+\mathbf d\). Die Vektoren \(\mathbf b,\mathbf d\) sind linear unabhängig, da \(B,C,D\) verschiedene Punkte auf einem Kreis sind.
Da \(F\) im Inneren von \(DC\) liegt, gilt \[ F=\mathbf d+t\mathbf b,\qquad 0<t<1. \] Der Punkt \[ \mathbf b+\frac1t\mathbf d=\frac1tF \] liegt sowohl auf \(BC\) als auch auf \(AF\), ist also \(G\). Insbesondere liegen \(B,C,G\) in dieser Reihenfolge.
Wir setzen \[ x=CF,\qquad y=CG,\qquad k=\frac{t}{1-t}>0. \] Aus den obigen Ausdrücken folgt \[ DF=kx,\qquad DC=(k+1)x,\qquad BC=ky,\qquad BG=(k+1)y. \]
Es sei \(r=EC>0\). Nach Voraussetzung geht der Kreis \(\Gamma\) mit Mittelpunkt \(E\) und Radius \(r\) durch \(C,F,G\). Die Anwendung des Satzes über die Potenz eines Punktes auf \(D\) und \(B\) unter Berücksichtigung der Reihenfolgen \(D,F,C\) und \(B,C,G\) ergibt \[ ED^2-r^2=DF\cdot DC=k(k+1)x^2, \] \[ EB^2-r^2=BC\cdot BG=k(k+1)y^2. \] Folglich gilt \[ ED^2-EB^2=k(k+1)(x^2-y^2). \tag{1} \]
Nun sei \(R\) der Radius des Kreises durch \(B,C,E,D\), und wir setzen \[ \alpha=\angle ECF,\qquad \beta=\angle ECG. \] Weder das Dreieck \(ECF\) noch das Dreieck \(ECG\) ist entartet: Andernfalls läge \(E\) auf \(CD\) oder \(BC\), im Widerspruch dazu, dass die vier auf einem Kreis liegenden Eckpunkte verschieden sind.
Der Kosinussatz liefert zusammen mit \(EC=EF=EG=r\) \[ \cos\alpha=\frac{x}{2r},\qquad \cos\beta=\frac{y}{2r}. \] Da die Strahlen \(CF,CD\) zusammenfallen und die Strahlen \(CG,CB\) entgegengesetzt sind, ergibt der erweiterte Sinussatz in den Dreiecken \(ECD\) und \(ECB\) \[ ED=2R\sin\alpha,\qquad EB=2R\sin\beta. \] Daher gilt \[ \begin{aligned} ED^2-EB^2 &=4R^2(\sin^2\alpha-\sin^2\beta)\\ &=4R^2(\cos^2\beta-\cos^2\alpha)\\ &=-\frac{R^2}{r^2}(x^2-y^2). \end{aligned} \tag{2} \] Durch Vergleich von (1) und (2) erhalten wir \[ \left(k(k+1)+\frac{R^2}{r^2}\right)(x^2-y^2)=0. \] Der Koeffizient ist positiv, also gilt \(x=y\). Somit ist \[ DF=kx=ky=BC=AD. \]
Das Dreieck \(ADF\) ist also gleichschenklig, und wegen \(DF\parallel AB\) gilt \[ \angle DAF=\angle AFD=\angle FAB. \] Schließlich ist \(\overrightarrow{AF}=\mathbf d+t\mathbf b\) mit \(t>0\), also liegt der Strahl \(AF\) im Inneren von \(\angle DAB\). Daher ist \(\ell=AF\) dessen innere Winkelhalbierende. \(\square\)
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2007 · Soru 2
\(A\), \(B\), \(C\), \(D\) ve \(E\) den oluşan beş nokta, \(ABCD\) bir paralelkenar ve \(BCED\) konveks bir kirişler dörtgeni olacak biçimde verilmiş olsun. \(A\) dan geçen bir \(\ell\) doğrusu, \([DC]\) doğru parçasını bir \(F\) iç noktasında ve \(BC\) doğrusunu da bir \(G\) noktasında kessin. \(|EF|=|EG|=|EC|\) olduğunu varsayalım. \(\ell\) nin, \(\widehat{DAB}\) açısının açı ortayı olduğunu kanıtlayınız.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(A\) noktasını başlangıç noktası alıp \(B=\mathbf b\), \(D=\mathbf d\) yazalım; böylece \(C=\mathbf b+\mathbf d\) olur. \(B,C,D\) bir çember üzerinde birbirinden farklı noktalar olduğundan \(\mathbf b,\mathbf d\) vektörleri doğrusal bağımsızdır.
\(F\), \(DC\) doğru parçasının içinde olduğundan, \[ F=\mathbf d+t\mathbf b,\qquad 0<t<1 \] olur. \[ \mathbf b+\frac1t\mathbf d=\frac1tF \] noktası hem \(BC\) hem de \(AF\) üzerinde olduğundan \(G\) noktasıdır. Özellikle, \(B,C,G\) bu sırayla yer alır.
\[ x=CF,\qquad y=CG,\qquad k=\frac{t}{1-t}>0 \] olarak alalım. Yukarıdaki ifadelerden \[ DF=kx,\qquad DC=(k+1)x,\qquad BC=ky,\qquad BG=(k+1)y \] elde edilir.
\(r=EC>0\) olsun. Varsayıma göre, merkezi \(E\) ve yarıçapı \(r\) olan \(\Gamma\) çemberi \(C,F,G\) noktalarından geçer. \(D,F,C\) ve \(B,C,G\) sıralamalarını kullanarak \(D\) ve \(B\) noktalarının çembere göre kuvvetlerini hesapladığımızda, \[ ED^2-r^2=DF\cdot DC=k(k+1)x^2, \] \[ EB^2-r^2=BC\cdot BG=k(k+1)y^2 \] elde ederiz. Sonuç olarak, \[ ED^2-EB^2=k(k+1)(x^2-y^2). \tag{1} \]
Şimdi \(B,C,E,D\) noktalarından geçen çemberin yarıçapı \(R\) olsun ve \[ \alpha=\angle ECF,\qquad \beta=\angle ECG \] olarak alalım. Ne \(ECF\) ne de \(ECG\) üçgeni dejeneredir: aksi hâlde \(E\), \(CD\) veya \(BC\) üzerinde bulunurdu; bu da aynı çember üzerindeki dört köşenin birbirinden farklı olmasıyla çelişirdi.
Kosinüs teoremi, \(EC=EF=EG=r\) eşitlikleriyle birlikte, \[ \cos\alpha=\frac{x}{2r},\qquad \cos\beta=\frac{y}{2r} \] sonucunu verir. \(CF,CD\) ışınları çakışık ve \(CG,CB\) ışınları zıt yönlü olduğundan, \(ECD\) ve \(ECB\) üçgenlerinde genişletilmiş sinüs teoremi \[ ED=2R\sin\alpha,\qquad EB=2R\sin\beta \] eşitliklerini verir. Dolayısıyla \[ \begin{aligned} ED^2-EB^2 &=4R^2(\sin^2\alpha-\sin^2\beta)\\ &=4R^2(\cos^2\beta-\cos^2\alpha)\\ &=-\frac{R^2}{r^2}(x^2-y^2). \end{aligned} \tag{2} \] (1) ve (2) karşılaştırıldığında, \[ \left(k(k+1)+\frac{R^2}{r^2}\right)(x^2-y^2)=0 \] elde edilir. Katsayı pozitif olduğundan \(x=y\) olur. Böylece \[ DF=kx=ky=BC=AD. \]
O hâlde \(ADF\) üçgeni ikizkenardır ve \(DF\parallel AB\) olduğundan, \[ \angle DAF=\angle AFD=\angle FAB. \] Son olarak, \(t>0\) olmak üzere \(\overrightarrow{AF}=\mathbf d+t\mathbf b\) olduğundan \(AF\) ışını \(\angle DAB\) açısının içinde kalır. Dolayısıyla \(\ell=AF\) bu açının iç açıortayıdır. \(\square\)
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2007 · Problema 2
Se consideran cinco puntos \(A,B,C,D\) y \(E\) tales que \(ABCD\) es un paralelogramo y \(BCED\) es un cuadrilátero cíclico y convexo. Sea \(\ell\) una recta que pasa por \(A\). Supongamos que \(\ell\) corta al segmento \(DC\) en un punto interior \(F\) y a la recta \(BC\) en \(G\). Supongamos también que \(EF=EG=EC\). Demostrar que \(\ell\) es la bisectriz del ángulo \(DAB\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Tomemos \(A\) como origen y escribamos \(B=\mathbf b\), \(D=\mathbf d\), de modo que \(C=\mathbf b+\mathbf d\). Los vectores \(\mathbf b,\mathbf d\) son linealmente independientes porque \(B,C,D\) son puntos distintos de una circunferencia.
Como \(F\) está en el interior de \(DC\), tenemos \[ F=\mathbf d+t\mathbf b,\qquad 0<t<1. \] El punto \[ \mathbf b+\frac1t\mathbf d=\frac1tF \] pertenece tanto a \(BC\) como a \(AF\), por lo que es \(G\). En particular, \(B,C,G\) están en este orden.
Pongamos \[ x=CF,\qquad y=CG,\qquad k=\frac{t}{1-t}>0. \] Las expresiones anteriores dan \[ DF=kx,\qquad DC=(k+1)x,\qquad BC=ky,\qquad BG=(k+1)y. \]
Sea \(r=EC>0\). Por hipótesis, la circunferencia \(\Gamma\) de centro \(E\) y radio \(r\) pasa por \(C,F,G\). Aplicando la potencia de un punto a \(D\) y \(B\), y teniendo en cuenta los órdenes \(D,F,C\) y \(B,C,G\), obtenemos \[ ED^2-r^2=DF\cdot DC=k(k+1)x^2, \] \[ EB^2-r^2=BC\cdot BG=k(k+1)y^2. \] Por consiguiente, \[ ED^2-EB^2=k(k+1)(x^2-y^2). \tag{1} \]
Sea ahora \(R\) el radio de la circunferencia que pasa por \(B,C,E,D\), y pongamos \[ \alpha=\angle ECF,\qquad \beta=\angle ECG. \] Ni el triángulo \(ECF\) ni el triángulo \(ECG\) son degenerados: de lo contrario, \(E\) pertenecería a \(CD\) o a \(BC\), lo que contradice que los cuatro vértices concíclicos sean distintos.
El teorema del coseno, junto con \(EC=EF=EG=r\), da \[ \cos\alpha=\frac{x}{2r},\qquad \cos\beta=\frac{y}{2r}. \] Como las semirrectas \(CF,CD\) coinciden y las semirrectas \(CG,CB\) son opuestas, el teorema del seno en su forma ampliada, aplicado a los triángulos \(ECD\) y \(ECB\), da \[ ED=2R\sin\alpha,\qquad EB=2R\sin\beta. \] Por tanto, \[ \begin{aligned} ED^2-EB^2 &=4R^2(\sin^2\alpha-\sin^2\beta)\\ &=4R^2(\cos^2\beta-\cos^2\alpha)\\ &=-\frac{R^2}{r^2}(x^2-y^2). \end{aligned} \tag{2} \] Comparando (1) y (2), obtenemos \[ \left(k(k+1)+\frac{R^2}{r^2}\right)(x^2-y^2)=0. \] El coeficiente es positivo, por lo que \(x=y\). Así, \[ DF=kx=ky=BC=AD. \]
Por tanto, el triángulo \(ADF\) es isósceles y, como \(DF\parallel AB\), \[ \angle DAF=\angle AFD=\angle FAB. \] Por último, \(\overrightarrow{AF}=\mathbf d+t\mathbf b\) con \(t>0\), de modo que la semirrecta \(AF\) está en el interior de \(\angle DAB\). Por tanto, \(\ell=AF\) es su bisectriz interior. \(\square\)
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2007 · 问题 2
设 \(A,B,C,D,E\) 五点中, \(ABCD\) 是一个平行四边形, \(BCED\) 是一个圆内接四边形. 设 \(\ell\) 是通过 \(A\) 的一条直线, \(\ell\) 与线段 \(DC\) 交于点 \(F\) (\(F\) 是线段\(DC\) 的内点), 且 \(\ell\) 与直线 \(BC\) 交于点 \(G\). 若 \(EF=EG=EC\), 求证: \(\ell\) 是 \(\angle DAB\) 的角平分线.
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
以 \(A\) 为原点,记 \(B=\mathbf b\)、\(D=\mathbf d\),则 \(C=\mathbf b+\mathbf d\)。由于 \(B,C,D\) 是一个圆上三个互异的点,向量 \(\mathbf b,\mathbf d\) 线性无关。
由于 \(F\) 在线段 \(DC\) 的内部,有 \[ F=\mathbf d+t\mathbf b,\qquad 0<t<1. \] 点 \[ \mathbf b+\frac1t\mathbf d=\frac1tF \] 同时在 \(BC\) 和 \(AF\) 上,因此它就是 \(G\)。特别地,\(B,C,G\) 依此次序排列。
令 \[ x=CF,\qquad y=CG,\qquad k=\frac{t}{1-t}>0. \] 由上述表达式可得 \[ DF=kx,\qquad DC=(k+1)x,\qquad BC=ky,\qquad BG=(k+1)y. \]
设 \(r=EC>0\)。由题设,以 \(E\) 为圆心、\(r\) 为半径的圆 \(\Gamma\) 经过 \(C,F,G\)。根据 \(D,F,C\) 和 \(B,C,G\) 的排列次序,对点 \(D\) 和 \(B\) 应用点幂定理,得到 \[ ED^2-r^2=DF\cdot DC=k(k+1)x^2, \] \[ EB^2-r^2=BC\cdot BG=k(k+1)y^2. \] 因此, \[ ED^2-EB^2=k(k+1)(x^2-y^2). \tag{1} \]
现设经过 \(B,C,E,D\) 的圆的半径为 \(R\),并令 \[ \alpha=\angle ECF,\qquad \beta=\angle ECG. \] 三角形 \(ECF\) 和 \(ECG\) 均不退化:否则 \(E\) 将在 \(CD\) 或 \(BC\) 上,这与四个共圆顶点互不相同矛盾。
由余弦定理及 \(EC=EF=EG=r\),可得 \[ \cos\alpha=\frac{x}{2r},\qquad \cos\beta=\frac{y}{2r}. \] 由于射线 \(CF,CD\) 重合,而射线 \(CG,CB\) 方向相反,在三角形 \(ECD\) 和 \(ECB\) 中应用扩展正弦定理,得到 \[ ED=2R\sin\alpha,\qquad EB=2R\sin\beta. \] 因此 \[ \begin{aligned} ED^2-EB^2 &=4R^2(\sin^2\alpha-\sin^2\beta)\\ &=4R^2(\cos^2\beta-\cos^2\alpha)\\ &=-\frac{R^2}{r^2}(x^2-y^2). \end{aligned} \tag{2} \] 比较 (1) 和 (2),得到 \[ \left(k(k+1)+\frac{R^2}{r^2}\right)(x^2-y^2)=0. \] 系数为正,所以 \(x=y\)。于是 \[ DF=kx=ky=BC=AD. \]
因此三角形 \(ADF\) 是等腰三角形,并且由于 \(DF\parallel AB\), \[ \angle DAF=\angle AFD=\angle FAB. \] 最后,\(\overrightarrow{AF}=\mathbf d+t\mathbf b\),其中 \(t>0\),所以射线 \(AF\) 位于 \(\angle DAB\) 的内部。因此 \(\ell=AF\) 是该角的内角平分线。\(\square\)
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2007 · Задача 2
Рассмотрим пять точек \(A, B, C, D\) и \(E\), таких что \(ABCD\) — параллелограмм, а \(BCED\) — вписанный четырёхугольник. Пусть \(\ell\) — прямая, проходящая через \(A\). Предположим, что \(\ell\) пересекает отрезок \(DC\) в его внутренней точке \(F\) и пересекает прямую \(BC\) в точке \(G\). Предположим также, что \(EF = EG = EC\). Докажите, что \(\ell\) является биссектрисой угла \(DAB\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Примем \(A\) за начало координат и обозначим \(B=\mathbf b\), \(D=\mathbf d\), так что \(C=\mathbf b+\mathbf d\). Векторы \(\mathbf b,\mathbf d\) линейно независимы, поскольку \(B,C,D\) — различные точки одной окружности.
Поскольку \(F\) лежит внутри отрезка \(DC\), имеем \[ F=\mathbf d+t\mathbf b,\qquad 0<t<1. \] Точка \[ \mathbf b+\frac1t\mathbf d=\frac1tF \] лежит как на \(BC\), так и на \(AF\), поэтому это точка \(G\). В частности, точки \(B,C,G\) расположены именно в таком порядке.
Положим \[ x=CF,\qquad y=CG,\qquad k=\frac{t}{1-t}>0. \] Из приведённых выше выражений получаем \[ DF=kx,\qquad DC=(k+1)x,\qquad BC=ky,\qquad BG=(k+1)y. \]
Пусть \(r=EC>0\). По условию окружность \(\Gamma\) с центром \(E\) и радиусом \(r\) проходит через \(C,F,G\). Применяя теорему о степени точки к точкам \(D\) и \(B\) и учитывая порядок точек \(D,F,C\) и \(B,C,G\), получаем \[ ED^2-r^2=DF\cdot DC=k(k+1)x^2, \] \[ EB^2-r^2=BC\cdot BG=k(k+1)y^2. \] Следовательно, \[ ED^2-EB^2=k(k+1)(x^2-y^2). \tag{1} \]
Теперь пусть \(R\) — радиус окружности, проходящей через \(B,C,E,D\), и положим \[ \alpha=\angle ECF,\qquad \beta=\angle ECG. \] Ни треугольник \(ECF\), ни треугольник \(ECG\) не является вырожденным: иначе \(E\) лежала бы на \(CD\) или \(BC\), что противоречит тому, что четыре вершины, лежащие на одной окружности, различны.
По теореме косинусов с учётом \(EC=EF=EG=r\) имеем \[ \cos\alpha=\frac{x}{2r},\qquad \cos\beta=\frac{y}{2r}. \] Поскольку лучи \(CF,CD\) совпадают, а лучи \(CG,CB\) противоположны, по расширенной теореме синусов в треугольниках \(ECD\) и \(ECB\) получаем \[ ED=2R\sin\alpha,\qquad EB=2R\sin\beta. \] Поэтому \[ \begin{aligned} ED^2-EB^2 &=4R^2(\sin^2\alpha-\sin^2\beta)\\ &=4R^2(\cos^2\beta-\cos^2\alpha)\\ &=-\frac{R^2}{r^2}(x^2-y^2). \end{aligned} \tag{2} \] Сравнивая (1) и (2), получаем \[ \left(k(k+1)+\frac{R^2}{r^2}\right)(x^2-y^2)=0. \] Коэффициент положителен, поэтому \(x=y\). Значит, \[ DF=kx=ky=BC=AD. \]
Таким образом, треугольник \(ADF\) равнобедренный, и, поскольку \(DF\parallel AB\), \[ \angle DAF=\angle AFD=\angle FAB. \] Наконец, \(\overrightarrow{AF}=\mathbf d+t\mathbf b\), где \(t>0\), поэтому луч \(AF\) лежит внутри \(\angle DAB\). Следовательно, \(\ell=AF\) является его внутренней биссектрисой. \(\square\)
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2007 · المسألة 2
لتكن \(A\) و \(B\) و \(C\) و \(D\) و \(E\) خمس نقاط بحيث \(ABCD\) متوازي أضلاع و \(BCED\) رباعي دائري .
وليكن \((\ell)\) مستقيماً يمر من النقطة \(A\) ويقطع داخلياً القطعة المستقيمة \([CD]\) في \(F\) ويقطع المستقيم \((BC)\) في \(G\) .
نفترض أن \(EF=EG=EC\) ، بين أن \((\ell)\) هو منصف الزاوية \(\widehat{DAB}\) .
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نتخذ \(A\) مبدأً للإحداثيات، ونكتب \(B=\mathbf b\)، و\(D=\mathbf d\)، بحيث \(C=\mathbf b+\mathbf d\). المتجهان \(\mathbf b,\mathbf d\) مستقلان خطياً لأن \(B,C,D\) نقاط متمايزة على دائرة.
بما أن \(F\) تقع داخل \(DC\)، فإن \[ F=\mathbf d+t\mathbf b,\qquad 0<t<1. \] النقطة \[ \mathbf b+\frac1t\mathbf d=\frac1tF \] تقع على كل من \(BC\) و\(AF\)، ولذلك فهي \(G\). وعلى وجه الخصوص، تقع \(B,C,G\) بهذا الترتيب.
نضع \[ x=CF,\qquad y=CG,\qquad k=\frac{t}{1-t}>0. \] تعطي العبارات أعلاه \[ DF=kx,\qquad DC=(k+1)x,\qquad BC=ky,\qquad BG=(k+1)y. \]
ليكن \(r=EC>0\). بموجب الفرض، تمر الدائرة \(\Gamma\) التي مركزها \(E\) ونصف قطرها \(r\) بالنقاط \(C,F,G\). بتطبيق قوة النقطة على \(D\) و\(B\)، مع استعمال الترتيبين \(D,F,C\) و\(B,C,G\)، نحصل على \[ ED^2-r^2=DF\cdot DC=k(k+1)x^2, \] \[ EB^2-r^2=BC\cdot BG=k(k+1)y^2. \] وبالتالي، \[ ED^2-EB^2=k(k+1)(x^2-y^2). \tag{1} \]
ليكن الآن \(R\) نصف قطر الدائرة المارة بالنقاط \(B,C,E,D\)، ولنضع \[ \alpha=\angle ECF,\qquad \beta=\angle ECG. \] لا المثلث \(ECF\) ولا المثلث \(ECG\) منعدم المساحة: وإلا لوقعت \(E\) على \(CD\) أو \(BC\)، مما يناقض تمايز الرؤوس الأربعة الواقعة على دائرة واحدة.
يعطي قانون جيب التمام، مع \(EC=EF=EG=r\)، \[ \cos\alpha=\frac{x}{2r},\qquad \cos\beta=\frac{y}{2r}. \] بما أن الشعاعين \(CF,CD\) منطبقان والشعاعين \(CG,CB\) متعاكسان، فإن قانون الجيوب الموسع في المثلثين \(ECD\) و\(ECB\) يعطي \[ ED=2R\sin\alpha,\qquad EB=2R\sin\beta. \] ولذلك \[ \begin{aligned} ED^2-EB^2 &=4R^2(\sin^2\alpha-\sin^2\beta)\\ &=4R^2(\cos^2\beta-\cos^2\alpha)\\ &=-\frac{R^2}{r^2}(x^2-y^2). \end{aligned} \tag{2} \] بمقارنة (1) و(2)، نحصل على \[ \left(k(k+1)+\frac{R^2}{r^2}\right)(x^2-y^2)=0. \] المعامل موجب، ومن ثم \(x=y\). وبالتالي \[ DF=kx=ky=BC=AD. \]
إذن المثلث \(ADF\) متساوي الساقين، وبما أن \(DF\parallel AB\)، فإن \[ \angle DAF=\angle AFD=\angle FAB. \] أخيراً، \(\overrightarrow{AF}=\mathbf d+t\mathbf b\) مع \(t>0\)، ومن ثم يقع الشعاع \(AF\) داخل \(\angle DAB\). ولذلك فإن \(\ell=AF\) هو منصفها الداخلي. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.