IMO 2008 · Problem 1
An acute-angled triangle \(ABC\) has orthocentre \(H\). The circle passing through \(H\) with centre the midpoint of \(BC\) intersects the line \(BC\) at \(A_1\) and \(A_2\). Similarly, the circle passing through \(H\) with centre the midpoint of \(CA\) intersects the line \(CA\) at \(B_1\) and \(B_2\), and the circle passing through \(H\) with centre the midpoint of \(AB\) intersects the line \(AB\) at \(C_1\) and \(C_2\). Show that \(A_1\), \(A_2\), \(B_1\), \(B_2\), \(C_1\), \(C_2\) lie on a circle.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let \(O\) and \(R\) be the circumcentre and circumradius of \(ABC\). We shall show that all six points have distance \[ \sqrt{\frac{OH^2+R^2}{2}} \] from \(O\).
Let \(M\) be the midpoint of \(BC\), and let \(D\) be the point diametrically opposite \(A\) on the circumcircle. Since \(AD\) is a diameter, \[ BD\perp AB,\qquad CD\perp AC. \] The altitude conditions give \(CH\perp AB\) and \(BH\perp AC\). Consequently, \(BHCD\) is a parallelogram. Its diagonals \(BC\) and \(HD\) bisect each other, so \(M\) is also the midpoint of \(HD\).
The midpoint identity therefore gives \[ OM^2+MH^2 =\frac{OH^2+OD^2}{2} =\frac{OH^2+R^2}{2}. \] For completeness, the first equality follows from \[ OH^2+OD^2 = \left\|\overrightarrow{OM}+\overrightarrow{MH}\right\|^2 + \left\|\overrightarrow{OM}-\overrightarrow{MH}\right\|^2 =2OM^2+2MH^2. \] Thus it remains valid when \(O,H,D\) are collinear or \(O=H\).
For either \(X=A_1\) or \(X=A_2\), the defining circle gives \(MX=MH\). Moreover, \(OM\perp BC\), because \(O\) lies on the perpendicular bisector of \(BC\). Hence \[ OX^2=OM^2+MX^2 =OM^2+MH^2 =\frac{OH^2+R^2}{2}. \]
Applying the same argument cyclically to \(CA\) and \(AB\) gives this same squared distance for \(B_1,B_2,C_1,C_2\). Since \(R>0\), the displayed radius is positive. All six points therefore lie on the circle with centre \(O\) and that radius. \(\square\)
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2008 · Aufgabe 1
Gegeben sei ein spitzwinkliges Dreieck \(ABC\) mit Höhenschnittpunkt \(H\). Der Kreis durch \(H\), dessen Zentrum der Mittelpunkt von \(BC\) ist, schneide \(BC\) in \(A_1\) und \(A_2\). Dementsprechend schneide der Kreis durch \(H\), dessen Zentrum der Mittelpunkt von \(CA\) ist, \(CA\) in \(B_1\) und \(B_2\) und der Kreis durch \(H\), dessen Zentrum der Mittelpunkt von \(AB\) ist, \(AB\) in \(C_1\) und \(C_2\). Man zeige, dass die Punkte \(A_1,A_2,B_1,B_2,C_1,C_2\) auf einem Kreis liegen.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Es seien \(O\) und \(R\) der Umkreismittelpunkt und der Umkreisradius von \(ABC\). Wir zeigen, dass alle sechs Punkte den Abstand \[ \sqrt{\frac{OH^2+R^2}{2}} \] von \(O\) haben.
Es sei \(M\) der Mittelpunkt von \(BC\), und es sei \(D\) der Punkt auf dem Umkreis, der \(A\) diametral gegenüberliegt. Da \(AD\) ein Durchmesser ist, gilt \[ BD\perp AB,\qquad CD\perp AC. \] Aus den Höhenbedingungen folgen \(CH\perp AB\) und \(BH\perp AC\). Somit ist \(BHCD\) ein Parallelogramm. Seine Diagonalen \(BC\) und \(HD\) halbieren einander, also ist \(M\) auch der Mittelpunkt von \(HD\).
Die Mittelpunktformel liefert daher \[ OM^2+MH^2 =\frac{OH^2+OD^2}{2} =\frac{OH^2+R^2}{2}. \] Der Vollständigkeit halber folgt die erste Gleichheit aus \[ OH^2+OD^2 = \left\|\overrightarrow{OM}+\overrightarrow{MH}\right\|^2 + \left\|\overrightarrow{OM}-\overrightarrow{MH}\right\|^2 =2OM^2+2MH^2. \] Sie gilt somit auch dann, wenn \(O,H,D\) kollinear sind oder \(O=H\) ist.
Sowohl für \(X=A_1\) als auch für \(X=A_2\) ergibt der definierende Kreis \(MX=MH\). Außerdem gilt \(OM\perp BC\), da \(O\) auf der Mittelsenkrechten von \(BC\) liegt. Daher ist \[ OX^2=OM^2+MX^2 =OM^2+MH^2 =\frac{OH^2+R^2}{2}. \]
Wendet man dasselbe Argument zyklisch auf \(CA\) und \(AB\) an, so erhält man für \(B_1,B_2,C_1,C_2\) dasselbe Abstandsquadrat. Wegen \(R>0\) ist der angegebene Radius positiv. Alle sechs Punkte liegen daher auf dem Kreis mit Mittelpunkt \(O\) und diesem Radius. \(\square\)
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2008 · Soru 1
Daraçılı \(ABC\) üçgeninin ortasantrı (yüksekliklerinin kesişim noktası) \(H\) olsun. Merkezi \(BC\) nin orta noktası olup \(H\) den geçen çember \(BC\) doğrusunu \(A_1\) ve \(A_2\) noktalarında kesiyor. Benzer şekilde, merkezi \(CA\) nın orta noktası olup \(H\) den geçen çember \(CA\) doğrusunu \(B_1\) ve \(B_2\) noktalarında ve merkezi \(AB\) nin orta noktası olup \(H\) den geçen çember \(AB\) doğrusunu \(C_1\) ve \(C_2\) noktalarında kesiyor. \(A_1, A_2, B_1, B_2, C_1, C_2\) noktalarının aynı çember üzerinde bulunduklarını gösteriniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(ABC\) üçgeninin çevrel çemberinin merkezi \(O\), yarıçapı \(R\) olsun. Altı noktanın da \(O\) noktasına uzaklığının \[ \sqrt{\frac{OH^2+R^2}{2}} \] olduğunu göstereceğiz.
\(BC\) nin orta noktası \(M\), çevrel çember üzerinde \(A\) nın çap karşısındaki nokta \(D\) olsun. \(AD\) bir çap olduğundan, \[ BD\perp AB,\qquad CD\perp AC. \] Yükseklik koşullarından \(CH\perp AB\) ve \(BH\perp AC\) elde edilir. Dolayısıyla \(BHCD\) bir paralelkenardır. Köşegenleri \(BC\) ve \(HD\) birbirini ortaladığından, \(M\) aynı zamanda \(HD\) nin de orta noktasıdır.
Böylece orta nokta özdeşliğinden \[ OM^2+MH^2 =\frac{OH^2+OD^2}{2} =\frac{OH^2+R^2}{2} \] elde edilir. Açıklamayı tamamlamak için, ilk eşitliğin \[ OH^2+OD^2 = \left\|\overrightarrow{OM}+\overrightarrow{MH}\right\|^2 + \left\|\overrightarrow{OM}-\overrightarrow{MH}\right\|^2 =2OM^2+2MH^2 \] özdeşliğinden geldiğini belirtelim. Dolayısıyla \(O,H,D\) doğrusal olduğunda veya \(O=H\) olduğunda da geçerlidir.
\(X=A_1\) veya \(X=A_2\) için, tanımda verilen çemberden \(MX=MH\) elde edilir. Ayrıca \(O\), \(BC\) nin orta dikmesi üzerinde bulunduğundan \(OM\perp BC\) dir. Buradan \[ OX^2=OM^2+MX^2 =OM^2+MH^2 =\frac{OH^2+R^2}{2} \] elde edilir.
Aynı akıl yürütmeyi döngüsel olarak \(CA\) ve \(AB\) ye uyguladığımızda, \(B_1,B_2,C_1,C_2\) için de uzaklığın karesi aynı bulunur. \(R>0\) olduğundan, yukarıda verilen yarıçap pozitiftir. Dolayısıyla altı noktanın tümü, merkezi \(O\) ve yarıçapı bu değer olan çember üzerinde bulunur. \(\square\)
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2008 · Problema 1
Un triángulo acutángulo \(ABC\) tiene ortocentro \(H\). La circunferencia con centro en el punto medio de \(BC\) que pasa por \(H\) corta a la recta \(BC\) en \(A_1\) y \(A_2\). La circunferencia con centro en el punto medio de \(CA\) que pasa por \(H\) corta a la recta \(CA\) en \(B_1\) y \(B_2\). La circunferencia con centro en el punto medio de \(AB\) que pasa por \(H\) corta a la recta \(AB\) en \(C_1\) y \(C_2\). Demostrar que \(A_1,\ A_2,\ B_1,\ B_2,\ C_1,\ C_2\) están sobre una misma circunferencia.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sean \(O\) y \(R\) el circuncentro y el circunradio de \(ABC\). Demostraremos que los seis puntos están a distancia \[ \sqrt{\frac{OH^2+R^2}{2}} \] de \(O\).
Sea \(M\) el punto medio de \(BC\), y sea \(D\) el punto diametralmente opuesto a \(A\) en la circunferencia circunscrita. Como \(AD\) es un diámetro, \[ BD\perp AB,\qquad CD\perp AC. \] Las condiciones de las alturas dan \(CH\perp AB\) y \(BH\perp AC\). Por consiguiente, \(BHCD\) es un paralelogramo. Sus diagonales \(BC\) y \(HD\) se cortan en sus puntos medios, de modo que \(M\) es también el punto medio de \(HD\).
Por tanto, la identidad del punto medio da \[ OM^2+MH^2 =\frac{OH^2+OD^2}{2} =\frac{OH^2+R^2}{2}. \] Para completar la justificación, la primera igualdad se deduce de \[ OH^2+OD^2 = \left\|\overrightarrow{OM}+\overrightarrow{MH}\right\|^2 + \left\|\overrightarrow{OM}-\overrightarrow{MH}\right\|^2 =2OM^2+2MH^2. \] Así pues, sigue siendo válida cuando \(O,H,D\) están alineados o \(O=H\).
Tanto para \(X=A_1\) como para \(X=A_2\), la circunferencia que los define da \(MX=MH\). Además, \(OM\perp BC\), porque \(O\) está en la mediatriz de \(BC\). Por tanto, \[ OX^2=OM^2+MX^2 =OM^2+MH^2 =\frac{OH^2+R^2}{2}. \]
Aplicando cíclicamente el mismo razonamiento a \(CA\) y \(AB\), se obtiene esta misma distancia al cuadrado para \(B_1,B_2,C_1,C_2\). Como \(R>0\), el radio indicado es positivo. Por tanto, los seis puntos están en la circunferencia de centro \(O\) y dicho radio. \(\square\)
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2008 · 问题 1
已知 \(H\) 是锐角三角形 \(ABC\) 的垂心,以边 \(BC\) 的中点为圆心,过点 \(H\) 的圆与直线 \(BC\) 相交于两点 \(A_1,A_2\);以边 \(CA\) 的中点为圆心,过点 \(H\) 的圆与直线 \(CA\) 相交于两点 \(B_1,B_2\);以边 \(AB\) 的中点为圆心,过点 \(H\) 的圆与直线 \(AB\) 相交于两点 \(C_1,C_2\).证明:六点 \(A_1,A_2,B_1,B_2,C_1,C_2\) 共圆.
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
设 \(O\) 和 \(R\) 分别为 \(ABC\) 的外心和外接圆半径。我们将证明,这六个点到 \(O\) 的距离均为 \[ \sqrt{\frac{OH^2+R^2}{2}} \] 。
设 \(M\) 为 \(BC\) 的中点,\(D\) 为外接圆上与 \(A\) 互为直径端点的点。由于 \(AD\) 是直径, \[ BD\perp AB,\qquad CD\perp AC. \] 由垂心的定义,\(CH\perp AB\) 且 \(BH\perp AC\)。因此,\(BHCD\) 是平行四边形。其对角线 \(BC\) 和 \(HD\) 互相平分,所以 \(M\) 也是 \(HD\) 的中点。
因此,由中点恒等式可得 \[ OM^2+MH^2 =\frac{OH^2+OD^2}{2} =\frac{OH^2+R^2}{2}. \] 为使论证完整,第一个等式可由下式得到: \[ OH^2+OD^2 = \left\|\overrightarrow{OM}+\overrightarrow{MH}\right\|^2 + \left\|\overrightarrow{OM}-\overrightarrow{MH}\right\|^2 =2OM^2+2MH^2. \] 所以,当 \(O,H,D\) 共线或 \(O=H\) 时,这个等式仍然成立。
无论 \(X=A_1\) 还是 \(X=A_2\),由所定义的圆均有 \(MX=MH\)。此外,因为 \(O\) 在 \(BC\) 的垂直平分线上,所以 \(OM\perp BC\)。于是 \[ OX^2=OM^2+MX^2 =OM^2+MH^2 =\frac{OH^2+R^2}{2}. \]
对 \(CA\) 和 \(AB\) 循环应用同样的论证,可得 \(B_1,B_2,C_1,C_2\) 到 \(O\) 的距离的平方也等于上述值。由于 \(R>0\),上述半径为正。因此,这六个点都在以 \(O\) 为圆心、以上述值为半径的圆上。\(\square\)
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2008 · Задача 1
Пусть \(H\) — точка пересечения высот остроугольного треугольника \(ABC\). Окружность с центром в середине стороны \(BC\), проходящая через точку \(H\), пересекает прямую \(BC\) в точках \(A_1\) и \(A_2\). Аналогично, окружность с центром в середине стороны \(CA\), проходящая через точку \(H\), пересекает прямую \(CA\) в точках \(B_1\) и \(B_2\), и окружность с центром в середине стороны \(AB\), проходящая через точку \(H\), пересекает прямую \(AB\) в точках \(C_1\) и \(C_2\). Докажите, что точки \(A_1,\ A_2,\ B_1,\ B_2,\ C_1,\ C_2\) лежат на одной окружности.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Пусть \(O\) и \(R\) — центр и радиус описанной окружности треугольника \(ABC\). Покажем, что все шесть точек находятся на расстоянии \[ \sqrt{\frac{OH^2+R^2}{2}} \] от \(O\).
Пусть \(M\) — середина \(BC\), а \(D\) — точка описанной окружности, диаметрально противоположная \(A\). Поскольку \(AD\) — диаметр, \[ BD\perp AB,\qquad CD\perp AC. \] Из определения высот следует, что \(CH\perp AB\) и \(BH\perp AC\). Следовательно, \(BHCD\) — параллелограмм. Его диагонали \(BC\) и \(HD\) точкой пересечения делятся пополам, поэтому \(M\) также является серединой \(HD\).
Таким образом, формула для квадрата длины медианы даёт \[ OM^2+MH^2 =\frac{OH^2+OD^2}{2} =\frac{OH^2+R^2}{2}. \] Для полноты отметим, что первое равенство следует из тождества \[ OH^2+OD^2 = \left\|\overrightarrow{OM}+\overrightarrow{MH}\right\|^2 + \left\|\overrightarrow{OM}-\overrightarrow{MH}\right\|^2 =2OM^2+2MH^2. \] Поэтому оно остаётся верным и тогда, когда \(O,H,D\) лежат на одной прямой или \(O=H\).
Для каждой из точек \(X=A_1\) и \(X=A_2\) из определения окружности получаем \(MX=MH\). Кроме того, \(OM\perp BC\), поскольку \(O\) лежит на серединном перпендикуляре к \(BC\). Следовательно, \[ OX^2=OM^2+MX^2 =OM^2+MH^2 =\frac{OH^2+R^2}{2}. \]
Применяя то же рассуждение циклически к \(CA\) и \(AB\), получаем то же значение квадрата расстояния для \(B_1,B_2,C_1,C_2\). Поскольку \(R>0\), указанный радиус положителен. Следовательно, все шесть точек лежат на окружности с центром \(O\) и этим радиусом. \(\square\)
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2008 · المسألة 1
\(ABC\) مثلث حاد الزوايا ، \(H\) نقطة تلاقي ارتفاعاته.
نأخذ دائرة مركزها منتصف الضلع \(BC\) و تمر من النقطة \(H\) فتقطع المستقيم \(BC\) في نقطتين \(A_1\) و \(A_2\) ، بالمثل نأخذ دائرة مركزها منتصف الضلع \(CA\) و تمر من النقطة \(H\) فتقطع المستقيم \(CA\) في نقطتين \(B_1\) و \(B_2\) ، بالمثل أيضا نأخذ دائرة مركزها منتصف الضلع \(AB\) و تمر من النقطة \(H\) فتقطع المستقيم \(AB\) في نقطتين \(C_1\) و \(C_2\).
بين أن النقط \(A_1\) ، \(A_2\) ، \(B_1\) ، \(B_2\) ، \(C_1\) ، \(C_2\) تقع على دائرة واحدة.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
ليكن \(O\) مركز الدائرة المحيطة بالمثلث \(ABC\)، وليكن \(R\) نصف قطرها. سنبين أن بُعد كل واحدة من النقاط الست عن \(O\) هو \[ \sqrt{\frac{OH^2+R^2}{2}} \]
ليكن \(M\) منتصف \(BC\)، ولتكن \(D\) النقطة المقابلة قطريًا للنقطة \(A\) على الدائرة المحيطة. بما أن \(AD\) قطر، فإن \[ BD\perp AB,\qquad CD\perp AC. \] ومن شروط الارتفاعات نحصل على \(CH\perp AB\) و\(BH\perp AC\). ومن ثم فإن \(BHCD\) متوازي أضلاع. وينصف قطراه \(BC\) و\(HD\) أحدهما الآخر، لذا فإن \(M\) منتصف \(HD\) أيضًا.
إذن تعطي متطابقة منتصف القطعة \[ OM^2+MH^2 =\frac{OH^2+OD^2}{2} =\frac{OH^2+R^2}{2}. \] واستكمالًا للبرهان، تنتج المساواة الأولى من \[ OH^2+OD^2 = \left\|\overrightarrow{OM}+\overrightarrow{MH}\right\|^2 + \left\|\overrightarrow{OM}-\overrightarrow{MH}\right\|^2 =2OM^2+2MH^2. \] لذلك تظل صحيحة عندما تكون \(O,H,D\) على استقامة واحدة أو عندما يكون \(O=H\).
لكل من \(X=A_1\) و\(X=A_2\)، نحصل من الدائرة الواردة في التعريف على \(MX=MH\). فضلًا عن ذلك، \(OM\perp BC\)، لأن \(O\) يقع على العمود المنصف للقطعة \(BC\). ومن ثم \[ OX^2=OM^2+MX^2 =OM^2+MH^2 =\frac{OH^2+R^2}{2}. \]
بتطبيق الحجة نفسها دوريًا على \(CA\) و\(AB\)، نحصل على مربع البُعد نفسه للنقاط \(B_1,B_2,C_1,C_2\). وبما أن \(R>0\)، فإن نصف القطر المعروض موجب. ومن ثم تقع النقاط الست كلها على الدائرة التي مركزها \(O\) ونصف قطرها ذلك المقدار. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.