IMO 2008 · Problem 6
Let \(ABCD\) be a convex quadrilateral with \(|BA| \neq |BC|\). Denote the incircles of triangles \(ABC\) and \(ADC\) by \(\omega_1\) and \(\omega_2\) respectively. Suppose that there exists a circle \(\omega\) tangent to the ray \(BA\) beyond \(A\) and to the ray \(BC\) beyond \(C\), which is also tangent to the lines \(AD\) and \(CD\). Prove that the common external tangents of \(\omega_1\) and \(\omega_2\) intersect on \(\omega\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let \(O\) and \(R\) be the centre and radius of \(\omega\). Denote its points of tangency with \(BA,BC,AD,CD\) by \(E,F,G,K\), respectively.
We first establish the positions of these points. Since \(E,F\) lie on the rays \(BA,BC\), the centre \(O\) lies on the internal bisector of \(\angle ABC\), and the disk bounded by \(\omega\) lies inside that angle. Consequently, \(G\) and \(D\) lie on the same side of \(AB\), so \(G\) lies on the ray \(AD\). Similarly, \(K\) lies on the ray \(CD\).
The centre \(O\) lies between the two tangent rays \(AE,AG\). Since \(AE\) is opposite to \(AB\), this puts \(O\) on the opposite side of \(AD\) from \(B\). Likewise, \(O\) lies on the opposite side of \(CD\) from \(B\). Thus \(O\) lies in the angle vertically opposite to \(\angle ADC\), on its bisector. Its perpendicular projections onto \(AD,CD\) therefore lie on the rays from \(D\) away from \(A,C\). Hence the orders are \[ A,D,G \qquad\text{and}\qquad C,D,K. \] Equal tangent lengths now give \[ BE=BA+AD+DG,\qquad BF=BC+CD+DK. \] Since \(BE=BF\) and \(DG=DK\), we obtain \[ BA+AD=BC+CD. \tag{1} \]
Choose coordinates \[ A=(0,0),\qquad C=(b,0), \] with \(B\) above the horizontal axis and \(D\) below it.
Let the tangency point of \(\omega_1\) with \(AC\) divide \(AC\) into lengths \(p,q\), measured from \(A,C\), respectively. Then \[ p,q>0,\qquad p+q=b,\qquad BA-BC=p-q. \] By (1), \[ AD-CD=q-p. \] The equal-tangent-length relations in triangle \(ADC\) consequently show that its incircle touches \(AC\) at distance \(q\) from \(A\) and \(p\) from \(C\).
Writing the two inradii as \(r,s>0\), their centres are therefore \[ I=(p,r),\qquad J=(q,-s). \tag{2} \] Also, \(p\ne q\), because \(BA\ne BC\).
Write \(O=(h,k)\), and put \[ u=k+R,\qquad v=k-R. \] Thus \(T=(h,u)\) is the uppermost point of \(\omega\). We will prove that both common external tangents pass through \(T\).
The equations expressing the signed distances of \(O\) from the four sides are \[ \begin{aligned} 2prh&=p^2u-r^2v, & 2qr(b-h)&=q^2u-r^2v,\\ 2qsh&=-q^2u+s^2v, & 2ps(b-h)&=-p^2u+s^2v. \end{aligned} \tag{3} \] Here is a derivation, including the signs. The line \(AB\) has equation \[ 2prx-(p^2-r^2)y=0. \] Indeed, it passes through \(A\), and its distance from \(I=(p,r)\) is \(r\); it is therefore the tangent from \(A\) to \(\omega_1\) other than \(AC\). Its normal has length \(p^2+r^2\), and its expression is positive on the side containing \(C\). Since \(O\) lies on that side, \[ 2prh-(p^2-r^2)k=R(p^2+r^2), \] which is the first equation of (3).
The other three side equations are \[ \begin{aligned} BC:\quad&2qr(b-x)-(q^2-r^2)y=0,\\ AD:\quad&2qsx+(q^2-s^2)y=0,\\ CD:\quad&2ps(b-x)+(p^2-s^2)y=0. \end{aligned} \] Their expressions are positive toward the corresponding triangles. The signed distances of \(O\) are \(R,-R,-R\), respectively, by the positions established above. These give the remaining equations of (3). These equations also apply when any side is vertical.
Divide the first two equations of (3) by \(p,q\), respectively, and add. Using \(p+q=b\), we obtain \[ 2r=u-\frac{r^2}{pq}v. \] Similarly, the last two equations give \[ 2s=-u+\frac{s^2}{pq}v. \] Adding these identities yields \[ 2(r+s)=\frac{(s-r)(s+r)}{pq}v. \] In particular, \(r\ne s\), and \[ v=\frac{2pq}{s-r},\qquad u=\frac{2rs}{s-r}. \] Substitution into the first equation of (3) gives \[ h=\frac{ps-qr}{s-r}. \] Together with (2), these formulas say precisely that \[ T=(h,u)=\frac{rJ-sI}{r-s}. \tag{4} \]
Finally, \[ IJ^2=(p-q)^2+(r+s)^2>(r+s)^2, \] so the two incircles are strictly disjoint and have two distinct common external tangents.
Let \(\ell\) be either such tangent. Orient signed distance from \(\ell\) so that both centres have positive distances. Those distances are \(r,s\), respectively. Since signed distance to a fixed line is an affine function, (4) gives \[ d_\ell(T) =\frac{r\,d_\ell(J)-s\,d_\ell(I)}{r-s} =\frac{rs-sr}{r-s} =0. \] Thus both common external tangents pass through \(T\). Since \(T=(h,k+R)\) lies on \(\omega\), their intersection lies on \(\omega\), as required. \(\square\)
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2008 · Aufgabe 6
Sei \(ABCD\) ein konvexes Viereck mit \(|BA|\neq|BC|\). Es seien \(\omega_1\) bzw. \(\omega_2\) die Inkreise der Dreiecke \(ABC\) bzw. \(ADC\). Angenommen es existiert ein Kreis \(\omega\), der den Strahl \(BA\) in einem Punkt jenseits von \(A\) und den Strahl \(BC\) in einem Punkt jenseits von \(C\) berührt und auch die Geraden \(AD\) und \(CD\) als Tangenten hat. Man beweise, dass sich die äußeren gemeinsamen Tangenten von \(\omega_1\) und \(\omega_2\) auf \(\omega\) schneiden.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Es seien \(O\) und \(R\) der Mittelpunkt und der Radius von \(\omega\). Seine Berührpunkte mit \(BA,BC,AD,CD\) bezeichnen wir mit \(E,F,G,K\) in dieser Reihenfolge.
Zunächst bestimmen wir die Lage dieser Punkte. Da \(E,F\) auf den Strahlen \(BA,BC\) liegen, liegt der Mittelpunkt \(O\) auf der inneren Winkelhalbierenden von \(\angle ABC\), und die von \(\omega\) begrenzte Kreisscheibe liegt innerhalb dieses Winkels. Folglich liegen \(G\) und \(D\) auf derselben Seite von \(AB\), also liegt \(G\) auf dem Strahl \(AD\). Ebenso liegt \(K\) auf dem Strahl \(CD\).
Der Mittelpunkt \(O\) liegt zwischen den beiden Tangentenstrahlen \(AE,AG\). Da \(AE\) der Gegenstrahl zu \(AB\) ist, liegt \(O\) somit auf der anderen Seite von \(AD\) als \(B\). Ebenso liegt \(O\) auf der anderen Seite von \(CD\) als \(B\). Also liegt \(O\) im Scheitelwinkel zu \(\angle ADC\), und zwar auf dessen Winkelhalbierender. Seine senkrechten Projektionen auf \(AD,CD\) liegen daher auf den von \(D\) ausgehenden Strahlen, die von \(A,C\) wegführen. Die Reihenfolgen sind somit \[ A,D,G \qquad\text{und}\qquad C,D,K. \] Aus der Gleichheit der Tangentenabschnitte folgt nun \[ BE=BA+AD+DG,\qquad BF=BC+CD+DK. \] Wegen \(BE=BF\) und \(DG=DK\) erhalten wir \[ BA+AD=BC+CD. \tag{1} \]
Wir wählen Koordinaten \[ A=(0,0),\qquad C=(b,0), \] wobei \(B\) oberhalb und \(D\) unterhalb der waagerechten Achse liegt.
Der Berührpunkt von \(\omega_1\) mit \(AC\) teile \(AC\) in Abschnitte der Längen \(p,q\), gemessen von \(A\) bzw. \(C\) aus. Dann gilt \[ p,q>0,\qquad p+q=b,\qquad BA-BC=p-q. \] Nach (1) gilt \[ AD-CD=q-p. \] Die Beziehungen zwischen gleichen Tangentenabschnitten im Dreieck \(ADC\) zeigen daher, dass sein Inkreis \(AC\) im Abstand \(q\) von \(A\) und im Abstand \(p\) von \(C\) berührt.
Bezeichnen wir die beiden Inkreisradien mit \(r,s>0\), so sind ihre Mittelpunkte folglich \[ I=(p,r),\qquad J=(q,-s). \tag{2} \] Außerdem ist \(p\ne q\), da \(BA\ne BC\).
Schreibe \(O=(h,k)\) und setze \[ u=k+R,\qquad v=k-R. \] Dann ist \(T=(h,u)\) der oberste Punkt von \(\omega\). Wir beweisen, dass beide äußeren gemeinsamen Tangenten durch \(T\) gehen.
Die Gleichungen für die vorzeichenbehafteten Abstände von \(O\) zu den vier Seiten lauten \[ \begin{aligned} 2prh&=p^2u-r^2v, & 2qr(b-h)&=q^2u-r^2v,\\ 2qsh&=-q^2u+s^2v, & 2ps(b-h)&=-p^2u+s^2v. \end{aligned} \tag{3} \] Wir leiten diese Gleichungen einschließlich der Vorzeichen her. Die Gerade \(AB\) hat die Gleichung \[ 2prx-(p^2-r^2)y=0. \] Tatsächlich geht sie durch \(A\), und ihr Abstand von \(I=(p,r)\) beträgt \(r\); sie ist daher die von \(AC\) verschiedene Tangente von \(A\) an \(\omega_1\). Ihr Normalenvektor hat die Länge \(p^2+r^2\), und der Ausdruck auf der linken Seite ist auf der Seite, auf der \(C\) liegt, positiv. Da \(O\) auf dieser Seite liegt, gilt \[ 2prh-(p^2-r^2)k=R(p^2+r^2), \] was die erste Gleichung von (3) ergibt.
Die Gleichungen der anderen drei Seiten lauten \[ \begin{aligned} BC:\quad&2qr(b-x)-(q^2-r^2)y=0,\\ AD:\quad&2qsx+(q^2-s^2)y=0,\\ CD:\quad&2ps(b-x)+(p^2-s^2)y=0. \end{aligned} \] Die Ausdrücke auf ihren linken Seiten sind auf der Seite des jeweiligen Dreiecks positiv. Nach den oben festgestellten Lagebeziehungen sind die vorzeichenbehafteten Abstände von \(O\) gleich \(R,-R,-R\) in dieser Reihenfolge. Daraus ergeben sich die übrigen Gleichungen von (3). Diese Gleichungen gelten auch dann, wenn eine der Seiten senkrecht verläuft.
Wir dividieren die ersten beiden Gleichungen von (3) durch \(p\) bzw. \(q\) und addieren sie. Unter Verwendung von \(p+q=b\) erhalten wir \[ 2r=u-\frac{r^2}{pq}v. \] Ebenso ergeben die letzten beiden Gleichungen \[ 2s=-u+\frac{s^2}{pq}v. \] Addition dieser Identitäten liefert \[ 2(r+s)=\frac{(s-r)(s+r)}{pq}v. \] Insbesondere ist \(r\ne s\), und es gilt \[ v=\frac{2pq}{s-r},\qquad u=\frac{2rs}{s-r}. \] Einsetzen in die erste Gleichung von (3) ergibt \[ h=\frac{ps-qr}{s-r}. \] Zusammen mit (2) besagen diese Formeln genau, dass \[ T=(h,u)=\frac{rJ-sI}{r-s}. \tag{4} \]
Schließlich gilt \[ IJ^2=(p-q)^2+(r+s)^2>(r+s)^2, \] also liegen die beiden Inkreise vollständig außerhalb voneinander und haben zwei verschiedene äußere gemeinsame Tangenten.
Es sei \(\ell\) eine dieser Tangenten. Wir wählen das Vorzeichen des Abstands von \(\ell\) so, dass beide Mittelpunkte positive Abstände haben. Diese Abstände sind \(r\) bzw. \(s\). Da der vorzeichenbehaftete Abstand zu einer festen Geraden eine affine Funktion ist, ergibt (4) \[ d_\ell(T) =\frac{r\,d_\ell(J)-s\,d_\ell(I)}{r-s} =\frac{rs-sr}{r-s} =0. \] Somit gehen beide äußeren gemeinsamen Tangenten durch \(T\). Da \(T=(h,k+R)\) auf \(\omega\) liegt, liegt ihr Schnittpunkt wie gefordert auf \(\omega\). \(\square\)
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2008 · Soru 6
\(|BA|\neq|BC|\) olmak üzere, \(ABCD\) bir konveks dörtgen olsun. \(ABC\) ve \(ADC\) üçgenlerinin içteğet çemberleri sırasıyla \(\omega_1\) ve \(\omega_2\) olsun. \(BA\) ışınına \(A\) dan sonraki bir noktada ve \(BC\) ışınına \(C\) den sonraki bir noktada teğet olan ve aynı zamanda \(AD\) ve \(CD\) doğrularına da teğet olan bir \(\omega\) çemberinin olduğunu varsayalım. \(\omega_1\) ve \(\omega_2\) çemberlerinin ortak dış teğetlerinin \(\omega\) çemberi üzerinde kesiştiğini kanıtlayınız.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(\omega\) çemberinin merkezi \(O\), yarıçapı \(R\) olsun. \(BA,BC,AD,CD\) ile teğet noktalarını sırasıyla \(E,F,G,K\) ile gösterelim.
Önce bu noktaların konumlarını belirleyelim. \(E,F\), \(BA,BC\) ışınları üzerinde bulunduğundan, \(O\) merkezi \(\angle ABC\) nin iç açıortayı üzerindedir ve \(\omega\) nın sınırladığı daire bu açının içinde bulunur. Dolayısıyla \(G\) ve \(D\), \(AB\) nin aynı tarafında bulunur; bu nedenle \(G\), \(AD\) ışını üzerindedir. Benzer şekilde \(K\), \(CD\) ışını üzerindedir.
\(O\) merkezi, \(AE,AG\) teğet ışınlarının arasında bulunur. \(AE\), \(AB\) nin zıt ışını olduğundan, \(O\), \(AD\) nin \(B\) ye göre karşı tarafında kalır. Benzer şekilde \(O\), \(CD\) nin \(B\) ye göre karşı tarafındadır. Böylece \(O\), \(\angle ADC\) nin ters açısının içinde, bu açının açıortayı üzerinde bulunur. Dolayısıyla \(AD,CD\) üzerindeki dik izdüşümleri, \(D\) den başlayıp \(A,C\) den uzaklaşan ışınlar üzerinde bulunur. Bu nedenle noktaların sıralanışı \[ A,D,G \qquad\text{ve}\qquad C,D,K \] şeklindedir. Teğet uzunluklarının eşitliğinden \[ BE=BA+AD+DG,\qquad BF=BC+CD+DK \] elde edilir. \(BE=BF\) ve \(DG=DK\) olduğundan, \[ BA+AD=BC+CD \tag{1} \] bulunur.
Koordinatları \[ A=(0,0),\qquad C=(b,0), \] olacak şekilde, \(B\) yatay eksenin üstünde ve \(D\) altında kalacak biçimde seçelim.
\(\omega_1\) in \(AC\) ile teğet noktası, \(AC\) yi sırasıyla \(A,C\) den ölçülen \(p,q\) uzunluklarına ayırsın. O hâlde \[ p,q>0,\qquad p+q=b,\qquad BA-BC=p-q. \] (1) gereği, \[ AD-CD=q-p. \] Böylece \(ADC\) üçgenindeki eşit teğet uzunluğu bağıntıları, bu üçgenin içteğet çemberinin \(AC\) ye \(A\) dan \(q\), \(C\) den \(p\) uzaklıktaki noktada teğet olduğunu gösterir.
İki içteğet çemberin yarıçaplarını \(r,s>0\) ile gösterirsek, merkezleri \[ I=(p,r),\qquad J=(q,-s) \tag{2} \] olur. Ayrıca \(BA\ne BC\) olduğundan \(p\ne q\) dur.
\(O=(h,k)\) yazalım ve \[ u=k+R,\qquad v=k-R \] olarak tanımlayalım. Böylece \(T=(h,u)\), \(\omega\) nın en üst noktasıdır. Her iki ortak dış teğetin de \(T\) den geçtiğini kanıtlayacağız.
\(O\) nun dört kenara olan işaretli uzaklıklarını ifade eden denklemler şunlardır: \[ \begin{aligned} 2prh&=p^2u-r^2v, & 2qr(b-h)&=q^2u-r^2v,\\ 2qsh&=-q^2u+s^2v, & 2ps(b-h)&=-p^2u+s^2v. \end{aligned} \tag{3} \] İşaretler de dâhil olmak üzere bu denklemleri türetelim. \(AB\) doğrusunun denklemi \[ 2prx-(p^2-r^2)y=0 \] şeklindedir. Gerçekten de bu doğru \(A\) dan geçer ve \(I=(p,r)\) ye uzaklığı \(r\) dir; dolayısıyla \(A\) dan \(\omega_1\) e çizilen, \(AC\) dışındaki teğettir. Normal vektörünün uzunluğu \(p^2+r^2\) dir ve denklemdeki ifade \(C\) yi içeren tarafta pozitiftir. \(O\) bu tarafta bulunduğundan, \[ 2prh-(p^2-r^2)k=R(p^2+r^2), \] olur; bu da (3) ün ilk denklemidir.
Diğer üç kenarın denklemleri şunlardır: \[ \begin{aligned} BC:\quad&2qr(b-x)-(q^2-r^2)y=0,\\ AD:\quad&2qsx+(q^2-s^2)y=0,\\ CD:\quad&2ps(b-x)+(p^2-s^2)y=0. \end{aligned} \] Bu denklemlerdeki ifadeler, ilgili üçgenlerin bulunduğu tarafta pozitiftir. Yukarıda belirlenen konumlar gereği, \(O\) nun işaretli uzaklıkları sırasıyla \(R,-R,-R\) dir. Bunlar (3) ün kalan denklemlerini verir. Bu denklemler, kenarlardan herhangi biri düşey olduğunda da geçerlidir.
(3) ün ilk iki denklemini sırasıyla \(p,q\) ya bölüp toplayalım. \(p+q=b\) kullanılarak \[ 2r=u-\frac{r^2}{pq}v \] elde edilir. Benzer şekilde, son iki denklem \[ 2s=-u+\frac{s^2}{pq}v \] verir. Bu özdeşlikleri toplarsak \[ 2(r+s)=\frac{(s-r)(s+r)}{pq}v \] elde ederiz. Özellikle, \(r\ne s\) dir ve \[ v=\frac{2pq}{s-r},\qquad u=\frac{2rs}{s-r}. \] (3) ün ilk denkleminde yerine koyarsak \[ h=\frac{ps-qr}{s-r} \] bulunur. (2) ile birlikte bu formüller tam olarak \[ T=(h,u)=\frac{rJ-sI}{r-s} \tag{4} \] eşitliğini ifade eder.
Son olarak, \[ IJ^2=(p-q)^2+(r+s)^2>(r+s)^2, \] olduğundan, iki içteğet çember birbirinin tamamen dışında kalır ve iki farklı ortak dış teğete sahiptir.
Bu teğetlerden herhangi biri \(\ell\) olsun. \(\ell\) den işaretli uzaklığın yönünü, her iki merkezin uzaklığı da pozitif olacak şekilde seçelim. Bu uzaklıklar sırasıyla \(r,s\) dir. Sabit bir doğruya işaretli uzaklık afin bir fonksiyon olduğundan, (4) ten \[ d_\ell(T) =\frac{r\,d_\ell(J)-s\,d_\ell(I)}{r-s} =\frac{rs-sr}{r-s} =0 \] elde edilir. Böylece her iki ortak dış teğet de \(T\) den geçer. \(T=(h,k+R)\), \(\omega\) üzerinde bulunduğundan, bu teğetlerin kesişimi de \(\omega\) üzerindedir; istenen sonuç budur. \(\square\)
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2008 · Problema 6
Sea \(ABCD\) un cuadrilátero convexo tal que las longitudes de los lados \(BA\) y \(BC\) son diferentes. Sean \(\omega_1\) y \(\omega_2\) las circunferencias inscritas dentro de los triángulos \(ABC\) y \(ADC\) respectivamente. Se supone que existe una circunferencia \(\omega\) tangente a la prolongación del segmento \(BA\) a continuación de \(A\) y tangente a la prolongación del segmento \(BC\) a continuación de \(C\), la cual también es tangente a las rectas \(AD\) y \(CD\). Demostrar que el punto de intersección de las tangentes comunes exteriores de \(\omega_1\) y \(\omega_2\) está sobre \(\omega\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sean \(O\) y \(R\) el centro y el radio de \(\omega\). Denotemos sus puntos de tangencia con \(BA,BC,AD,CD\) por \(E,F,G,K\), respectivamente.
Establecemos primero las posiciones de estos puntos. Como \(E,F\) están en las semirrectas \(BA,BC\), el centro \(O\) está en la bisectriz interior de \(\angle ABC\), y el disco limitado por \(\omega\) está contenido en ese ángulo. Por consiguiente, \(G\) y \(D\) están al mismo lado de \(AB\), de modo que \(G\) está en la semirrecta \(AD\). Análogamente, \(K\) está en la semirrecta \(CD\).
El centro \(O\) está entre las dos semirrectas tangentes \(AE,AG\). Como \(AE\) es opuesta a \(AB\), esto sitúa a \(O\) al lado de \(AD\) opuesto a \(B\). Del mismo modo, \(O\) está al lado de \(CD\) opuesto a \(B\). Así pues, \(O\) está en el ángulo opuesto por el vértice a \(\angle ADC\), sobre su bisectriz. Por tanto, sus proyecciones perpendiculares sobre \(AD,CD\) están en las semirrectas con origen en \(D\) que se alejan de \(A,C\). En consecuencia, los puntos están en el orden \[ A,D,G \qquad\text{y}\qquad C,D,K. \] La igualdad de las longitudes de los segmentos tangentes da ahora \[ BE=BA+AD+DG,\qquad BF=BC+CD+DK. \] Como \(BE=BF\) y \(DG=DK\), obtenemos \[ BA+AD=BC+CD. \tag{1} \]
Elijamos coordenadas \[ A=(0,0),\qquad C=(b,0), \] con \(B\) por encima del eje horizontal y \(D\) por debajo de él.
Sean \(p,q\) las longitudes en que el punto de tangencia de \(\omega_1\) con \(AC\) divide a \(AC\), medidas desde \(A,C\), respectivamente. Entonces \[ p,q>0,\qquad p+q=b,\qquad BA-BC=p-q. \] Por (1), \[ AD-CD=q-p. \] Por consiguiente, las relaciones de igualdad de longitudes de los segmentos tangentes en el triángulo \(ADC\) muestran que su circunferencia inscrita toca a \(AC\) a distancia \(q\) de \(A\) y \(p\) de \(C\).
Denotando los dos inradios por \(r,s>0\), sus centros son, por tanto, \[ I=(p,r),\qquad J=(q,-s). \tag{2} \] Además, \(p\ne q\), porque \(BA\ne BC\).
Escribamos \(O=(h,k)\), y sean \[ u=k+R,\qquad v=k-R. \] Así pues, \(T=(h,u)\) es el punto más alto de \(\omega\). Demostraremos que las dos tangentes comunes exteriores pasan por \(T\).
Las ecuaciones que expresan las distancias con signo de \(O\) a los cuatro lados son \[ \begin{aligned} 2prh&=p^2u-r^2v, & 2qr(b-h)&=q^2u-r^2v,\\ 2qsh&=-q^2u+s^2v, & 2ps(b-h)&=-p^2u+s^2v. \end{aligned} \tag{3} \] A continuación las deducimos, incluidos los signos. La recta \(AB\) tiene ecuación \[ 2prx-(p^2-r^2)y=0. \] En efecto, pasa por \(A\), y su distancia a \(I=(p,r)\) es \(r\); por tanto, es la tangente desde \(A\) a \(\omega_1\) distinta de \(AC\). Su vector normal tiene longitud \(p^2+r^2\), y su expresión es positiva en el semiplano que contiene a \(C\). Como \(O\) está en ese semiplano, \[ 2prh-(p^2-r^2)k=R(p^2+r^2), \] que es la primera ecuación de (3).
Las ecuaciones de los otros tres lados son \[ \begin{aligned} BC:\quad&2qr(b-x)-(q^2-r^2)y=0,\\ AD:\quad&2qsx+(q^2-s^2)y=0,\\ CD:\quad&2ps(b-x)+(p^2-s^2)y=0. \end{aligned} \] Sus expresiones son positivas hacia el interior de los triángulos correspondientes. Las distancias con signo de \(O\) son \(R,-R,-R\), respectivamente, por las posiciones establecidas anteriormente. Estas dan las restantes ecuaciones de (3). Estas ecuaciones también son válidas cuando alguno de los lados es vertical.
Dividamos las dos primeras ecuaciones de (3) por \(p,q\), respectivamente, y sumemos. Usando \(p+q=b\), obtenemos \[ 2r=u-\frac{r^2}{pq}v. \] Análogamente, las dos últimas ecuaciones dan \[ 2s=-u+\frac{s^2}{pq}v. \] Sumando estas identidades se obtiene \[ 2(r+s)=\frac{(s-r)(s+r)}{pq}v. \] En particular, \(r\ne s\), y \[ v=\frac{2pq}{s-r},\qquad u=\frac{2rs}{s-r}. \] Sustituyendo en la primera ecuación de (3) se obtiene \[ h=\frac{ps-qr}{s-r}. \] Junto con (2), estas fórmulas expresan precisamente que \[ T=(h,u)=\frac{rJ-sI}{r-s}. \tag{4} \]
Finalmente, \[ IJ^2=(p-q)^2+(r+s)^2>(r+s)^2, \] de modo que las dos circunferencias inscritas son exteriores entre sí y tienen dos tangentes comunes exteriores distintas.
Sea \(\ell\) cualquiera de esas tangentes. Orientemos la distancia con signo a \(\ell\) de modo que ambos centros tengan distancias positivas. Esas distancias son \(r,s\), respectivamente. Como la distancia con signo a una recta fija es una función afín, (4) da \[ d_\ell(T) =\frac{r\,d_\ell(J)-s\,d_\ell(I)}{r-s} =\frac{rs-sr}{r-s} =0. \] Así pues, las dos tangentes comunes exteriores pasan por \(T\). Como \(T=(h,k+R)\) está en \(\omega\), su intersección está en \(\omega\), como se quería demostrar. \(\square\)
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2008 · 问题 6
在凸四边形 \(ABCD\) 中,\(BA\ne BC\).\(\omega_1\) 和 \(\omega_2\) 分别是 \(\triangle ABC\) 和 \(\triangle ADC\) 的内切圆.假设存在一个圆 \(\omega\) 与射线 \(BA\) 相切(切点不在线段 \(BA\) 上),与射线 \(BC\) 相切(切点不在线段 \(BC\) 上),且与直线 \(AD\) 和直线 \(CD\) 都相切.证明:圆 \(\omega_1\) 和 \(\omega_2\) 的两条外公切线的交点在圆 \(\omega\) 上.
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
设 \(O\) 和 \(R\) 分别为 \(\omega\) 的圆心和半径。记它与 \(BA,BC,AD,CD\) 的切点分别为 \(E,F,G,K\)。
我们先确定这些点的位置。由于 \(E,F\) 在射线 \(BA,BC\) 上,圆心 \(O\) 在 \(\angle ABC\) 的内角平分线上,且由 \(\omega\) 围成的圆盘位于该角内部。因此,\(G\) 和 \(D\) 在 \(AB\) 的同侧,所以 \(G\) 在射线 \(AD\) 上。同理,\(K\) 在射线 \(CD\) 上。
圆心 \(O\) 位于两条切射线 \(AE,AG\) 之间。由于 \(AE\) 与 \(AB\) 是反向射线,\(O\) 与 \(B\) 位于 \(AD\) 的异侧。同样,\(O\) 与 \(B\) 位于 \(CD\) 的异侧。因此,\(O\) 位于 \(\angle ADC\) 的对顶角内,且在该角的角平分线上。所以,它在 \(AD,CD\) 上的垂足位于从 \(D\) 出发、分别背离 \(A,C\) 的射线上。故这些点的顺序为 \[ A,D,G \qquad\text{和}\qquad C,D,K. \] 由切线长相等,得 \[ BE=BA+AD+DG,\qquad BF=BC+CD+DK. \] 由于 \(BE=BF\) 且 \(DG=DK\),可得 \[ BA+AD=BC+CD. \tag{1} \]
选取坐标系,使 \[ A=(0,0),\qquad C=(b,0), \] 且 \(B\) 在横轴上方,\(D\) 在横轴下方。
设 \(\omega_1\) 与 \(AC\) 的切点将 \(AC\) 分成两段,从 \(A,C\) 起量得的长度分别为 \(p,q\)。则 \[ p,q>0,\qquad p+q=b,\qquad BA-BC=p-q. \] 由 (1), \[ AD-CD=q-p. \] 因此,三角形 \(ADC\) 中的切线长相等关系表明,其内切圆与 \(AC\) 的切点到 \(A\) 的距离为 \(q\),到 \(C\) 的距离为 \(p\)。
记两个内切圆的半径为 \(r,s>0\),则它们的圆心为 \[ I=(p,r),\qquad J=(q,-s). \tag{2} \] 又因为 \(BA\ne BC\),所以 \(p\ne q\)。
记 \(O=(h,k)\),并令 \[ u=k+R,\qquad v=k-R. \] 于是 \(T=(h,u)\) 是 \(\omega\) 上最高的点。我们将证明,两条外公切线都经过 \(T\)。
表示 \(O\) 到四条边所在直线的有向距离的方程为 \[ \begin{aligned} 2prh&=p^2u-r^2v, & 2qr(b-h)&=q^2u-r^2v,\\ 2qsh&=-q^2u+s^2v, & 2ps(b-h)&=-p^2u+s^2v. \end{aligned} \tag{3} \] 下面给出推导,并说明符号的选取。直线 \(AB\) 的方程为 \[ 2prx-(p^2-r^2)y=0. \] 事实上,它经过 \(A\),且到 \(I=(p,r)\) 的距离为 \(r\);因此,它是从 \(A\) 向 \(\omega_1\) 所作的、不同于 \(AC\) 的那条切线。其法向量的长度为 \(p^2+r^2\),且其左端表达式在含 \(C\) 的一侧为正。由于 \(O\) 位于这一侧, \[ 2prh-(p^2-r^2)k=R(p^2+r^2), \] 这就是 (3) 中的第一个方程。
另外三条边所在直线的方程为 \[ \begin{aligned} BC:\quad&2qr(b-x)-(q^2-r^2)y=0,\\ AD:\quad&2qsx+(q^2-s^2)y=0,\\ CD:\quad&2ps(b-x)+(p^2-s^2)y=0. \end{aligned} \] 它们的左端表达式在朝向相应三角形内部的一侧为正。由前面确定的位置关系,\(O\) 的有向距离分别为 \(R,-R,-R\)。由此得到 (3) 中其余的方程。当某条边竖直时,这些方程同样适用。
将 (3) 中前两个方程分别除以 \(p,q\),然后相加。利用 \(p+q=b\),得 \[ 2r=u-\frac{r^2}{pq}v. \] 同理,由后两个方程得 \[ 2s=-u+\frac{s^2}{pq}v. \] 将这两个恒等式相加,得 \[ 2(r+s)=\frac{(s-r)(s+r)}{pq}v. \] 特别地,\(r\ne s\),且 \[ v=\frac{2pq}{s-r},\qquad u=\frac{2rs}{s-r}. \] 代入 (3) 中的第一个方程,得 \[ h=\frac{ps-qr}{s-r}. \] 结合 (2),这些公式恰好说明 \[ T=(h,u)=\frac{rJ-sI}{r-s}. \tag{4} \]
最后, \[ IJ^2=(p-q)^2+(r+s)^2>(r+s)^2, \] 所以这两个内切圆相离,并有两条不同的外公切线。
设 \(\ell\) 为其中任意一条外公切线。选取到 \(\ell\) 的有向距离的正方向,使两个圆心的有向距离均为正。这两个距离分别为 \(r,s\)。由于到一条固定直线的有向距离是仿射函数,由 (4) 得 \[ d_\ell(T) =\frac{r\,d_\ell(J)-s\,d_\ell(I)}{r-s} =\frac{rs-sr}{r-s} =0. \] 因此,两条外公切线都经过 \(T\)。由于 \(T=(h,k+R)\) 在 \(\omega\) 上,它们的交点也在 \(\omega\) 上,得证。\(\square\)
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2008 · Задача 6
Пусть \(ABCD\) — выпуклый четырехугольник, в котором \(|BA|\ne|BC|\). Обозначим окружности, вписанные в треугольники \(ABC\) и \(ADC\), через \(\omega_1\) и \(\omega_2\) соответственно. Предположим, что существует окружность \(\omega\), которая касается продолжения отрезка \(BA\) за точку \(A\), продолжения отрезка \(BC\) за точку \(C\), и касается прямых \(AD\) и \(CD\). Докажите, что общие внешние касательные к окружностям \(\omega_1\) и \(\omega_2\) пересекаются на окружности \(\omega\).
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Пусть \(O\) и \(R\) — центр и радиус окружности \(\omega\). Обозначим точки её касания с \(BA,BC,AD,CD\) через \(E,F,G,K\) соответственно.
Сначала установим расположение этих точек. Поскольку \(E,F\) лежат на лучах \(BA,BC\), центр \(O\) лежит на биссектрисе внутреннего угла \(\angle ABC\), а круг, ограниченный окружностью \(\omega\), лежит внутри этого угла. Следовательно, \(G\) и \(D\) лежат по одну сторону от \(AB\), поэтому \(G\) лежит на луче \(AD\). Аналогично, \(K\) лежит на луче \(CD\).
Центр \(O\) лежит между двумя касательными лучами \(AE,AG\). Поскольку луч \(AE\) противоположен лучу \(AB\), точка \(O\) лежит по другую сторону от \(AD\), чем \(B\). Аналогично, \(O\) лежит по другую сторону от \(CD\), чем \(B\). Таким образом, \(O\) лежит в угле, вертикальном к \(\angle ADC\), на его биссектрисе. Поэтому её ортогональные проекции на \(AD,CD\) лежат на лучах с началом \(D\), направленных в стороны, противоположные \(A,C\). Следовательно, точки расположены в порядке \[ A,D,G \qquad\text{и}\qquad C,D,K. \] Теперь из равенства отрезков касательных получаем \[ BE=BA+AD+DG,\qquad BF=BC+CD+DK. \] Поскольку \(BE=BF\) и \(DG=DK\), имеем \[ BA+AD=BC+CD. \tag{1} \]
Выберем систему координат так, чтобы \[ A=(0,0),\qquad C=(b,0), \] причём \(B\) лежала выше горизонтальной оси, а \(D\) — ниже неё.
Пусть точка касания \(\omega_1\) с \(AC\) делит \(AC\) на отрезки длины \(p,q\), отсчитываемые от \(A,C\) соответственно. Тогда \[ p,q>0,\qquad p+q=b,\qquad BA-BC=p-q. \] Из (1) следует \[ AD-CD=q-p. \] Поэтому из соотношений, выражающих равенство отрезков касательных в треугольнике \(ADC\), следует, что его вписанная окружность касается \(AC\) на расстоянии \(q\) от \(A\) и \(p\) от \(C\).
Обозначив радиусы двух вписанных окружностей через \(r,s>0\), получаем для их центров \[ I=(p,r),\qquad J=(q,-s). \tag{2} \] Кроме того, \(p\ne q\), поскольку \(BA\ne BC\).
Запишем \(O=(h,k)\) и положим \[ u=k+R,\qquad v=k-R. \] Тогда \(T=(h,u)\) — самая верхняя точка окружности \(\omega\). Докажем, что обе общие внешние касательные проходят через \(T\).
Уравнения, выражающие ориентированные расстояния от \(O\) до четырёх сторон, имеют вид \[ \begin{aligned} 2prh&=p^2u-r^2v, & 2qr(b-h)&=q^2u-r^2v,\\ 2qsh&=-q^2u+s^2v, & 2ps(b-h)&=-p^2u+s^2v. \end{aligned} \tag{3} \] Выведем их, учитывая знаки. Прямая \(AB\) имеет уравнение \[ 2prx-(p^2-r^2)y=0. \] Действительно, она проходит через \(A\), а расстояние от неё до \(I=(p,r)\) равно \(r\); следовательно, это касательная из \(A\) к \(\omega_1\), отличная от \(AC\). Длина её нормального вектора равна \(p^2+r^2\), а выражение в левой части положительно в полуплоскости, содержащей \(C\). Поскольку \(O\) лежит в этой полуплоскости, \[ 2prh-(p^2-r^2)k=R(p^2+r^2), \] что и даёт первое уравнение (3).
Уравнения остальных трёх сторон имеют вид \[ \begin{aligned} BC:\quad&2qr(b-x)-(q^2-r^2)y=0,\\ AD:\quad&2qsx+(q^2-s^2)y=0,\\ CD:\quad&2ps(b-x)+(p^2-s^2)y=0. \end{aligned} \] Выражения в их левых частях положительны со стороны соответствующих треугольников. В силу установленного выше расположения ориентированные расстояния от \(O\) равны соответственно \(R,-R,-R\). Отсюда получаются остальные уравнения (3). Эти уравнения остаются верными и в случае, когда какая-либо сторона вертикальна.
Разделим первые два уравнения (3) на \(p,q\) соответственно и сложим. Используя \(p+q=b\), получаем \[ 2r=u-\frac{r^2}{pq}v. \] Аналогично, из последних двух уравнений следует \[ 2s=-u+\frac{s^2}{pq}v. \] Складывая эти тождества, получаем \[ 2(r+s)=\frac{(s-r)(s+r)}{pq}v. \] В частности, \(r\ne s\), и \[ v=\frac{2pq}{s-r},\qquad u=\frac{2rs}{s-r}. \] Подстановка в первое уравнение (3) даёт \[ h=\frac{ps-qr}{s-r}. \] Вместе с (2) эти формулы в точности означают, что \[ T=(h,u)=\frac{rJ-sI}{r-s}. \tag{4} \]
Наконец, \[ IJ^2=(p-q)^2+(r+s)^2>(r+s)^2, \] поэтому два вписанных круга не имеют общих точек, а их окружности имеют две различные общие внешние касательные.
Пусть \(\ell\) — любая из этих касательных. Выберем знак ориентированного расстояния от \(\ell\) так, чтобы расстояния до обоих центров были положительными. Эти расстояния равны \(r,s\) соответственно. Поскольку ориентированное расстояние до фиксированной прямой является аффинной функцией, из (4) следует \[ d_\ell(T) =\frac{r\,d_\ell(J)-s\,d_\ell(I)}{r-s} =\frac{rs-sr}{r-s} =0. \] Таким образом, обе общие внешние касательные проходят через \(T\). Поскольку \(T=(h,k+R)\) лежит на \(\omega\), их точка пересечения лежит на \(\omega\), что и требовалось доказать. \(\square\)
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2008 · المسألة 6
ليكن \(ABCD\) شكل رباعي (محدب) حيث \(AB\ne BC\). نرمز بـ \(M_1\) و \(M_2\) للدائرتين المرسومتين داخل المثلثين \(ABC\) و \(ADC\) والمماستين لهما على التوالي.
نفترض أنه توجد دائرة \(M\) تمس امتداد ضلعي الزاوية \(ABC\) كما أنها تمس امتداد الضلعين \(AD\) و \(CD\).
أثبت أن عامة المماسات الخارجية للدائرتين \(M_1\) و \(M_2\) تتقاطع في نقطة تنتمي للدائرة \(M\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
ليكن \(O\) مركز \(\omega\)، وليكن \(R\) نصف قطرها. نرمز إلى نقاط تماسها مع \(BA,BC,AD,CD\) بالرموز \(E,F,G,K\)، على الترتيب.
نحدد أولًا مواضع هذه النقاط. بما أن \(E,F\) تقعان على نصفي المستقيمين \(BA,BC\)، فإن المركز \(O\) يقع على المنصف الداخلي للزاوية \(\angle ABC\)، ويقع القرص الذي تحده \(\omega\) داخل تلك الزاوية. ومن ثم تقع \(G\) و\(D\) في الجهة نفسها من \(AB\)، ولذلك تقع \(G\) على نصف المستقيم \(AD\). وبالمثل، تقع \(K\) على نصف المستقيم \(CD\).
يقع المركز \(O\) بين نصفي المستقيمين المماسين \(AE,AG\). وبما أن \(AE\) معاكس لـ\(AB\)، فإن ذلك يجعل \(O\) في الجهة المقابلة لـ\(B\) بالنسبة إلى \(AD\). وبالمثل، يقع \(O\) في الجهة المقابلة لـ\(B\) بالنسبة إلى \(CD\). إذن يقع \(O\) داخل الزاوية المقابلة بالرأس للزاوية \(\angle ADC\)، وعلى منصفها. ولذلك يقع مسقطاه العموديان على \(AD,CD\) على نصفي المستقيمين المنطلقين من \(D\) بعيدًا عن \(A,C\). ومن ثم يكون الترتيب \[ A,D,G \qquad\text{و}\qquad C,D,K. \] ومن تساوي طولي المماسين نحصل الآن على \[ BE=BA+AD+DG,\qquad BF=BC+CD+DK. \] وبما أن \(BE=BF\) و\(DG=DK\)، نحصل على \[ BA+AD=BC+CD. \tag{1} \]
نختار إحداثيات \[ A=(0,0),\qquad C=(b,0), \] بحيث تقع \(B\) فوق المحور الأفقي و\(D\) تحته.
لتقسم نقطة تماس \(\omega_1\) مع \(AC\) القطعة \(AC\) إلى طولين \(p,q\)، مقيسين من \(A,C\)، على الترتيب. عندئذ \[ p,q>0,\qquad p+q=b,\qquad BA-BC=p-q. \] ومن (1)، \[ AD-CD=q-p. \] ومن ثم تبين علاقات تساوي طولي المماسين في المثلث \(ADC\) أن دائرته الداخلية تمس \(AC\) على بُعد \(q\) من \(A\) و\(p\) من \(C\).
إذا رمزنا إلى نصفي قطري الدائرتين الداخليتين بـ\(r,s>0\)، فإن مركزيهما هما إذن \[ I=(p,r),\qquad J=(q,-s). \tag{2} \] ولدينا أيضًا \(p\ne q\)، لأن \(BA\ne BC\).
نكتب \(O=(h,k)\)، ونضع \[ u=k+R,\qquad v=k-R. \] إذن \(T=(h,u)\) هي أعلى نقطة في \(\omega\). سنثبت أن كلا المماسين الخارجيين المشتركين يمر بـ\(T\).
المعادلات التي تعبر عن المسافات الموجّهة من \(O\) إلى الأضلاع الأربعة هي \[ \begin{aligned} 2prh&=p^2u-r^2v, & 2qr(b-h)&=q^2u-r^2v,\\ 2qsh&=-q^2u+s^2v, & 2ps(b-h)&=-p^2u+s^2v. \end{aligned} \tag{3} \] وفيما يأتي اشتقاقها، بما في ذلك الإشارات. معادلة المستقيم \(AB\) هي \[ 2prx-(p^2-r^2)y=0. \] فهو بالفعل يمر بـ\(A\)، وتساوي المسافة بينه وبين \(I=(p,r)\) المقدار \(r\)؛ ولذلك فهو المماس المرسوم من \(A\) إلى \(\omega_1\) غير \(AC\). وطول متجه العمودي عليه هو \(p^2+r^2\)، والعبارة في طرف معادلته الأيسر موجبة في الجهة التي تحتوي \(C\). وبما أن \(O\) يقع في تلك الجهة، فإن \[ 2prh-(p^2-r^2)k=R(p^2+r^2), \] وهذه هي المعادلة الأولى في (3).
ومعادلات الأضلاع الثلاثة الأخرى هي \[ \begin{aligned} BC:\quad&2qr(b-x)-(q^2-r^2)y=0,\\ AD:\quad&2qsx+(q^2-s^2)y=0,\\ CD:\quad&2ps(b-x)+(p^2-s^2)y=0. \end{aligned} \] والعبارات في أطرافها اليسرى موجبة في اتجاه المثلثات المناظرة. والمسافات الموجّهة من \(O\) هي \(R,-R,-R\)، على الترتيب، وفقًا للمواضع التي أثبتناها أعلاه. وهذه تعطي المعادلات المتبقية في (3). وتصح هذه المعادلات أيضًا عندما يكون أي ضلع رأسيًا.
نقسم المعادلتين الأوليين من (3) على \(p,q\)، على الترتيب، ثم نجمعهما. وباستخدام \(p+q=b\)، نحصل على \[ 2r=u-\frac{r^2}{pq}v. \] وبالمثل، تعطي المعادلتان الأخيرتان \[ 2s=-u+\frac{s^2}{pq}v. \] بجمع هاتين المتطابقتين نحصل على \[ 2(r+s)=\frac{(s-r)(s+r)}{pq}v. \] وعلى وجه الخصوص، \(r\ne s\)، ولدينا \[ v=\frac{2pq}{s-r},\qquad u=\frac{2rs}{s-r}. \] بالتعويض في المعادلة الأولى من (3) نحصل على \[ h=\frac{ps-qr}{s-r}. \] ومع (2)، تعني هذه الصيغ تحديدًا أن \[ T=(h,u)=\frac{rJ-sI}{r-s}. \tag{4} \]
وأخيرًا، \[ IJ^2=(p-q)^2+(r+s)^2>(r+s)^2, \] ولذلك فإن الدائرتين الداخليتين متباعدتان تمامًا، ولهما مماسان خارجيان مشتركان مختلفان.
ليكن \(\ell\) أحد هذين المماسين. نختار اتجاه المسافة الموجّهة من \(\ell\) بحيث تكون مسافتا المركزين موجبتين. وهاتان المسافتان هما \(r,s\)، على الترتيب. وبما أن المسافة الموجّهة إلى مستقيم ثابت دالة تآلفية، فإن (4) تعطي \[ d_\ell(T) =\frac{r\,d_\ell(J)-s\,d_\ell(I)}{r-s} =\frac{rs-sr}{r-s} =0. \] إذن يمر كلا المماسين الخارجيين المشتركين بـ\(T\). وبما أن \(T=(h,k+R)\) تقع على \(\omega\)، فإن نقطة تقاطعهما تقع على \(\omega\)، وهو المطلوب. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.