IMO 2010 · Problem 2
Let \(I\) be the incentre of triangle \(ABC\) and let \(\Gamma\) be its circumcircle. Let the line \(AI\) intersect \(\Gamma\) again at \(D\). Let \(E\) be a point on the arc \(\widehat{BDC}\) and \(F\) a point on the side \(BC\) such that \[ \angle BAF=\angle CAE<\frac12\angle BAC. \] Finally, let \(G\) be the midpoint of the segment \(IF\). Prove that the lines \(DG\) and \(EI\) intersect on \(\Gamma\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Put \[ \alpha=\frac12\angle BAC,\qquad \beta=\frac12\angle ABC,\qquad \gamma=\frac12\angle ACB. \] Thus \(\alpha+\beta+\gamma=90^\circ\).
Since \(AD\) bisects \(\angle BAC\), the point \(D\) is the midpoint of the arc \(BC\) not containing \(A\), and \(DB=DC\). Moreover, \[ \angle DBI=\angle DBC+\angle CBI=\alpha+\beta. \] As \(A,I,D\) occur in that order on their line, the exterior-angle theorem in triangle \(ABI\) gives \[ \angle BID=\alpha+\beta. \] Consequently, \[ DI=DB=DC. \]
Let \(J\) be the reflection of \(I\) in \(D\). The circle with centre \(D\) and radius \(DI\) contains \(B,C,I,J\), with \(IJ\) as a diameter. Hence \[ BI\perp BJ,\qquad CI\perp CJ. \] The point \(J\) lies beyond \(D\) on the ray \(AI\), and therefore on the opposite side of \(BC\) from \(A\). Since \(\angle ACI=\gamma\), it follows that \[ \angle ACJ=90^\circ+\gamma, \qquad \angle AJC=180^\circ-\alpha-(90^\circ+\gamma)=\beta. \] Thus triangles \(ABI\) and \(AJC\) are similar: their angles at \(A\) equal \(\alpha\), and \(\angle ABI=\angle AJC=\beta\). Therefore \[ AI\cdot AJ=AB\cdot AC. \tag{1} \]
Write \(t=\angle BAF=\angle CAE\), so \(0\le t<\alpha\). If \(t>0\), triangles \(ABF\) and \(AEC\) are similar, because \[ \angle BAF=\angle CAE, \qquad \angle ABF=\angle ABC=\angle AEC. \] Their corresponding sides give \(AF\cdot AE=AB\cdot AC\). If \(t=0\), then \(F=B\) and \(E=C\), so the same identity holds immediately. Combining this with (1), we obtain \[ AF\cdot AE=AI\cdot AJ, \qquad\text{hence}\qquad \frac{AI}{AF}=\frac{AE}{AJ}. \tag{2} \]
The angle condition also gives \[ \angle IAE=\angle FAJ=\alpha-t>0. \] Together with (2), this proves \[ \triangle AIE\sim\triangle AFJ. \] These triangles have the same orientation: the rays \(AF\) and \(AE\) lie on opposite sides of \(AI\), while \(AI\) and \(AJ\) are the same ray. Thus their corresponding directed angles are equal.
Let \(X\) be the second intersection of \(EI\) with \(\Gamma\). Since \(I\) is inside \(\Gamma\), this point exists and differs from \(E\). Also, \(E\ne D\) by the strict angle inequality, so \(X\ne A,D\); either equality would force \(EI=AD\).
Using directed angles modulo \(180^\circ\), cyclicity of \(A,D,E,X\), collinearity of \(E,I,X\), and the preceding similarity give \[ \angle(DA,DX) =\angle(EA,EX) =\angle(EA,EI) =\angle(JA,JF). \] Since \(DA\) and \(JA\) lie on the same line, this proves \[ DX\parallel JF. \]
Finally, \(D\) is the midpoint of \(IJ\), and \(G\) is the midpoint of \(IF\). The strict inequality \(t<\alpha\) ensures that \(F\notin IJ\), so the midpoint theorem in triangle \(IJF\) gives \[ DG\parallel JF. \] Therefore \(D,G,X\) are collinear. Since \(X\in EI\cap\Gamma\), the lines \(DG\) and \(EI\) intersect on \(\Gamma\), as required.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2010 · Aufgabe 2
Das Dreieck \(ABC\) habe den Inkreismittelpunkt \(I\) und den Umkreis \(\Gamma\). Die Gerade \(AI\) schneide \(\Gamma\) ein zweites Mal im Punkt \(D\). Ferner seien \(E\) ein Punkt auf dem Bogen \(BDC\) und \(F\) ein Punkt auf der Seite \(\overline{BC}\) mit \[ \angle BAF=\angle CAE<\frac12\angle BAC. \] Schließlich sei \(G\) der Mittelpunkt der Strecke \(\overline{IF}\). Man beweise, dass sich die Geraden \(DG\) und \(EI\) auf \(\Gamma\) schneiden.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir setzen \[ \alpha=\frac12\angle BAC,\qquad \beta=\frac12\angle ABC,\qquad \gamma=\frac12\angle ACB. \] Damit gilt \(\alpha+\beta+\gamma=90^\circ\).
Da \(AD\) den Winkel \(\angle BAC\) halbiert, ist \(D\) der Mittelpunkt des Bogens \(BC\), der \(A\) nicht enthält, und es gilt \(DB=DC\). Außerdem ist \[ \angle DBI=\angle DBC+\angle CBI=\alpha+\beta. \] Da \(A,I,D\) in dieser Reihenfolge auf ihrer Geraden liegen, ergibt der Außenwinkelsatz im Dreieck \(ABI\) \[ \angle BID=\alpha+\beta. \] Folglich gilt \[ DI=DB=DC. \]
Sei \(J\) das Spiegelbild von \(I\) bei der Punktspiegelung an \(D\). Der Kreis mit Mittelpunkt \(D\) und Radius \(DI\) enthält \(B,C,I,J\), wobei \(IJ\) ein Durchmesser ist. Daher gilt \[ BI\perp BJ,\qquad CI\perp CJ. \] Der Punkt \(J\) liegt auf dem Strahl \(AI\) jenseits von \(D\) und damit auf der anderen Seite von \(BC\) als \(A\). Wegen \(\angle ACI=\gamma\) folgt \[ \angle ACJ=90^\circ+\gamma, \qquad \angle AJC=180^\circ-\alpha-(90^\circ+\gamma)=\beta. \] Somit sind die Dreiecke \(ABI\) und \(AJC\) ähnlich: Ihre Winkel bei \(A\) sind gleich \(\alpha\), und es gilt \(\angle ABI=\angle AJC=\beta\). Daher ist \[ AI\cdot AJ=AB\cdot AC. \tag{1} \]
Wir schreiben \(t=\angle BAF=\angle CAE\), also \(0\le t<\alpha\). Ist \(t>0\), so sind die Dreiecke \(ABF\) und \(AEC\) ähnlich, denn \[ \angle BAF=\angle CAE, \qquad \angle ABF=\angle ABC=\angle AEC. \] Aus ihren entsprechenden Seiten ergibt sich \(AF\cdot AE=AB\cdot AC\). Ist \(t=0\), so gilt \(F=B\) und \(E=C\), sodass dieselbe Identität unmittelbar gilt. Zusammen mit (1) erhalten wir \[ AF\cdot AE=AI\cdot AJ, \qquad\text{also}\qquad \frac{AI}{AF}=\frac{AE}{AJ}. \tag{2} \]
Die Winkelbedingung liefert außerdem \[ \angle IAE=\angle FAJ=\alpha-t>0. \] Zusammen mit (2) beweist dies \[ \triangle AIE\sim\triangle AFJ. \] Diese Dreiecke haben dieselbe Orientierung: Die Strahlen \(AF\) und \(AE\) liegen auf entgegengesetzten Seiten von \(AI\), während \(AI\) und \(AJ\) derselbe Strahl sind. Daher sind ihre entsprechenden gerichteten Winkel gleich.
Sei \(X\) der zweite Schnittpunkt von \(EI\) mit \(\Gamma\). Da \(I\) im Inneren von \(\Gamma\) liegt, existiert dieser Punkt und ist von \(E\) verschieden. Außerdem ist wegen der strengen Winkelungleichung \(E\ne D\), also \(X\ne A,D\); jede der beiden Gleichheiten würde \(EI=AD\) erzwingen.
Mit gerichteten Winkeln modulo \(180^\circ\) ergeben die gemeinsame Kreiszugehörigkeit von \(A,D,E,X\), die Kollinearität von \(E,I,X\) und die vorangegangene Ähnlichkeit \[ \angle(DA,DX) =\angle(EA,EX) =\angle(EA,EI) =\angle(JA,JF). \] Da \(DA\) und \(JA\) auf derselben Geraden liegen, folgt daraus \[ DX\parallel JF. \]
Schließlich ist \(D\) der Mittelpunkt von \(IJ\), und \(G\) ist der Mittelpunkt von \(IF\). Die strenge Ungleichung \(t<\alpha\) stellt sicher, dass \(F\notin IJ\), sodass der Mittelliniensatz im Dreieck \(IJF\) ergibt: \[ DG\parallel JF. \] Somit sind \(D,G,X\) kollinear. Wegen \(X\in EI\cap\Gamma\) schneiden sich die Geraden \(DG\) und \(EI\) auf \(\Gamma\), wie gefordert.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2010 · Soru 2
Bir \(ABC\) üçgeninin içteğet çemberinin merkezi \(I\) ve çevrel çemberi \(\Gamma\) dır. \(AI\) doğrusu \(\Gamma\) yı ikinci kez \(D\) de kesiyor. \[ m(\widehat{BAF})=m(\widehat{CAE})<\frac12 m(\widehat{BAC}) \] koşullarını sağlayacak biçimde, \(BDC\) yayı üstünde \(E\) ve \([BC]\) kenarı üstünde \(F\) noktası alınıyor. \([IF]\) doğru parçasının orta noktası \(G\) olsun. \(DG\) ve \(EI\) doğrularının \(\Gamma\) ya ait bir noktada kesiştiğini kanıtlayınız.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\[ \alpha=\frac12\angle BAC,\qquad \beta=\frac12\angle ABC,\qquad \gamma=\frac12\angle ACB \] olsun. Böylece \(\alpha+\beta+\gamma=90^\circ\) olur.
\(AD\), \(\angle BAC\) açısını ortaladığından, \(D\) noktası \(A\) yı içermeyen \(BC\) yayının orta noktasıdır ve \(DB=DC\) olur. Ayrıca, \[ \angle DBI=\angle DBC+\angle CBI=\alpha+\beta. \] \(A,I,D\) noktaları bulundukları doğru üzerinde bu sırayla yer aldığından, \(ABI\) üçgeninde dış açı teoremi \[ \angle BID=\alpha+\beta \] eşitliğini verir. Sonuç olarak, \[ DI=DB=DC. \]
\(J\), \(I\) noktasının \(D\) ye göre simetriği olsun. Merkezi \(D\) ve yarıçapı \(DI\) olan çember, \(B,C,I,J\) noktalarından geçer ve \(IJ\) bu çemberin bir çapıdır. Dolayısıyla \[ BI\perp BJ,\qquad CI\perp CJ. \] \(J\) noktası \(AI\) ışını üzerinde \(D\) nin ötesinde, dolayısıyla \(BC\) doğrusunun \(A\) ya göre karşı tarafında yer alır. \(\angle ACI=\gamma\) olduğundan, \[ \angle ACJ=90^\circ+\gamma, \qquad \angle AJC=180^\circ-\alpha-(90^\circ+\gamma)=\beta \] elde edilir. Böylece \(ABI\) ve \(AJC\) üçgenleri benzerdir: \(A\) köşesindeki açıları \(\alpha\) ya eşittir ve \(\angle ABI=\angle AJC=\beta\) olur. Bu nedenle \[ AI\cdot AJ=AB\cdot AC. \tag{1} \]
\(t=\angle BAF=\angle CAE\) yazalım; böylece \(0\le t<\alpha\) olur. Eğer \(t>0\) ise \(ABF\) ve \(AEC\) üçgenleri benzerdir, çünkü \[ \angle BAF=\angle CAE, \qquad \angle ABF=\angle ABC=\angle AEC. \] Karşılıklı kenarlarından \(AF\cdot AE=AB\cdot AC\) elde edilir. Eğer \(t=0\) ise \(F=B\) ve \(E=C\) olur; dolayısıyla aynı özdeşlik doğrudan sağlanır. Bunu (1) ile birleştirerek \[ AF\cdot AE=AI\cdot AJ, \qquad\text{dolayısıyla}\qquad \frac{AI}{AF}=\frac{AE}{AJ} \tag{2} \] elde ederiz.
Açı koşulu ayrıca \[ \angle IAE=\angle FAJ=\alpha-t>0 \] eşitliğini verir. Bu, (2) ile birlikte \[ \triangle AIE\sim\triangle AFJ \] benzerliğini kanıtlar. Bu üçgenler aynı yönelime sahiptir: \(AF\) ve \(AE\) ışınları \(AI\) doğrusunun karşı taraflarında yer alırken, \(AI\) ve \(AJ\) aynı ışındır. Böylece karşılıklı yönlü açıları eşittir.
\(X\), \(EI\) doğrusunun \(\Gamma\) ile ikinci kesişim noktası olsun. \(I\), \(\Gamma\) nın içinde olduğundan bu nokta vardır ve \(E\) den farklıdır. Ayrıca, kesin açı eşitsizliğinden \(E\ne D\) olur; dolayısıyla \(X\ne A,D\) dir; bu eşitliklerden herhangi biri \(EI=AD\) olmasını gerektirirdi.
\(180^\circ\) modülüne göre yönlü açılar kullanıldığında, \(A,D,E,X\) noktalarının çembersel olması, \(E,I,X\) noktalarının doğrudaşlığı ve önceki benzerlik \[ \angle(DA,DX) =\angle(EA,EX) =\angle(EA,EI) =\angle(JA,JF) \] eşitliklerini verir. \(DA\) ve \(JA\) aynı doğru üzerinde olduğundan, bu \[ DX\parallel JF \] olduğunu kanıtlar.
Son olarak, \(D\), \(IJ\) nin orta noktası ve \(G\), \(IF\) nin orta noktasıdır. \(t<\alpha\) kesin eşitsizliği \(F\notin IJ\) olmasını sağlar; dolayısıyla \(IJF\) üçgeninde orta taban teoremi \[ DG\parallel JF \] sonucunu verir. Bu nedenle \(D,G,X\) doğrudaştır. \(X\in EI\cap\Gamma\) olduğundan, \(DG\) ve \(EI\) doğruları, istendiği gibi, \(\Gamma\) üzerinde kesişir.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2010 · Problema 2
Sea \(ABC\) un triángulo, \(I\) su incentro y \(\Gamma\) su circunferencia circunscrita. La recta \(AI\) corta de nuevo a \(\Gamma\) en \(D\). Sean \(E\) un punto en el arco \(\widehat{BDC}\) y \(F\) un punto en el lado \(BC\) tales que \[ \angle BAF=\angle CAE<\tfrac12\angle BAC. \] Sea \(G\) el punto medio del segmento \(IF\). Demuestre que las rectas \(DG\) y \(EI\) se cortan sobre \(\Gamma\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sea \[ \alpha=\frac12\angle BAC,\qquad \beta=\frac12\angle ABC,\qquad \gamma=\frac12\angle ACB. \] Así, \(\alpha+\beta+\gamma=90^\circ\).
Como \(AD\) biseca \(\angle BAC\), el punto \(D\) es el punto medio del arco \(BC\) que no contiene a \(A\), y \(DB=DC\). Además, \[ \angle DBI=\angle DBC+\angle CBI=\alpha+\beta. \] Como \(A,I,D\) están en ese orden sobre su recta, el teorema del ángulo exterior en el triángulo \(ABI\) da \[ \angle BID=\alpha+\beta. \] En consecuencia, \[ DI=DB=DC. \]
Sea \(J\) el simétrico de \(I\) respecto de \(D\). La circunferencia de centro \(D\) y radio \(DI\) pasa por \(B,C,I,J\), y tiene a \(IJ\) como diámetro. Por tanto, \[ BI\perp BJ,\qquad CI\perp CJ. \] El punto \(J\) está más allá de \(D\) sobre la semirrecta \(AI\) y, por tanto, en el semiplano opuesto al de \(A\) respecto de \(BC\). Como \(\angle ACI=\gamma\), se sigue que \[ \angle ACJ=90^\circ+\gamma, \qquad \angle AJC=180^\circ-\alpha-(90^\circ+\gamma)=\beta. \] Así, los triángulos \(ABI\) y \(AJC\) son semejantes: sus ángulos en \(A\) son iguales a \(\alpha\), y \(\angle ABI=\angle AJC=\beta\). Por tanto, \[ AI\cdot AJ=AB\cdot AC. \tag{1} \]
Escribamos \(t=\angle BAF=\angle CAE\), de modo que \(0\le t<\alpha\). Si \(t>0\), los triángulos \(ABF\) y \(AEC\) son semejantes, porque \[ \angle BAF=\angle CAE, \qquad \angle ABF=\angle ABC=\angle AEC. \] Sus lados correspondientes dan \(AF\cdot AE=AB\cdot AC\). Si \(t=0\), entonces \(F=B\) y \(E=C\), por lo que la misma identidad se cumple inmediatamente. Combinando esto con (1), obtenemos \[ AF\cdot AE=AI\cdot AJ, \qquad\text{por tanto}\qquad \frac{AI}{AF}=\frac{AE}{AJ}. \tag{2} \]
La condición sobre los ángulos también da \[ \angle IAE=\angle FAJ=\alpha-t>0. \] Junto con (2), esto demuestra que \[ \triangle AIE\sim\triangle AFJ. \] Estos triángulos tienen la misma orientación: las semirrectas \(AF\) y \(AE\) están a lados opuestos de \(AI\), mientras que \(AI\) y \(AJ\) son la misma semirrecta. Por ello, sus ángulos orientados correspondientes son iguales.
Sea \(X\) la segunda intersección de \(EI\) con \(\Gamma\). Como \(I\) está en el interior de \(\Gamma\), este punto existe y es distinto de \(E\). Además, \(E\ne D\) por la desigualdad estricta entre los ángulos, de modo que \(X\ne A,D\); cualquiera de estas igualdades obligaría a que \(EI=AD\).
Usando ángulos orientados módulo \(180^\circ\), el hecho de que \(A,D,E,X\) son concíclicos, la colinealidad de \(E,I,X\) y la semejanza anterior, obtenemos \[ \angle(DA,DX) =\angle(EA,EX) =\angle(EA,EI) =\angle(JA,JF). \] Como \(DA\) y \(JA\) están sobre la misma recta, esto demuestra que \[ DX\parallel JF. \]
Finalmente, \(D\) es el punto medio de \(IJ\), y \(G\) es el punto medio de \(IF\). La desigualdad estricta \(t<\alpha\) garantiza que \(F\notin IJ\), por lo que el teorema del segmento medio en el triángulo \(IJF\) da \[ DG\parallel JF. \] Por tanto, \(D,G,X\) son colineales. Como \(X\in EI\cap\Gamma\), las rectas \(DG\) y \(EI\) se cortan sobre \(\Gamma\), como se quería demostrar.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2010 · 问题 2
设三角形 \(ABC\) 的内心是 \(I\),外接圆为 \(\Gamma\)。直线 \(AI\) 交圆 \(\Gamma\) 于另一点 \(D\)。设 \(E\) 是弧 \(\widehat{BDC}\) 上的一点,\(F\) 是边 \(BC\) 上的一点,使得 \[ \angle BAF=\angle CAE<\frac12\angle BAC. \] 设 \(G\) 是线段 \(IF\) 的中点。证明:直线 \(DG\) 与 \(EI\) 的交点在圆 \(\Gamma\) 上。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
令 \[ \alpha=\frac12\angle BAC,\qquad \beta=\frac12\angle ABC,\qquad \gamma=\frac12\angle ACB. \] 于是 \(\alpha+\beta+\gamma=90^\circ\)。
由于 \(AD\) 平分 \(\angle BAC\),点 \(D\) 是不含 \(A\) 的弧 \(BC\) 的中点,且 \(DB=DC\)。此外, \[ \angle DBI=\angle DBC+\angle CBI=\alpha+\beta. \] 由于 \(A,I,D\) 在其所在直线上依次排列,由三角形 \(ABI\) 的外角定理可得 \[ \angle BID=\alpha+\beta. \] 从而, \[ DI=DB=DC. \]
设 \(J\) 是 \(I\) 关于 \(D\) 的对称点。以 \(D\) 为圆心、\(DI\) 为半径的圆经过 \(B,C,I,J\),且以 \(IJ\) 为直径。因此 \[ BI\perp BJ,\qquad CI\perp CJ. \] 点 \(J\) 位于射线 \(AI\) 上且在 \(D\) 的外侧,因而与 \(A\) 位于 \(BC\) 的两侧。由于 \(\angle ACI=\gamma\),可得 \[ \angle ACJ=90^\circ+\gamma, \qquad \angle AJC=180^\circ-\alpha-(90^\circ+\gamma)=\beta. \] 因此三角形 \(ABI\) 与 \(AJC\) 相似:它们在 \(A\) 处的角均等于 \(\alpha\),且 \(\angle ABI=\angle AJC=\beta\)。所以 \[ AI\cdot AJ=AB\cdot AC. \tag{1} \]
记 \(t=\angle BAF=\angle CAE\),则 \(0\le t<\alpha\)。若 \(t>0\),三角形 \(ABF\) 与 \(AEC\) 相似,因为 \[ \angle BAF=\angle CAE, \qquad \angle ABF=\angle ABC=\angle AEC. \] 由对应边成比例可得 \(AF\cdot AE=AB\cdot AC\)。若 \(t=0\),则 \(F=B\) 且 \(E=C\),同一等式也立即成立。结合 (1),得 \[ AF\cdot AE=AI\cdot AJ, \qquad\text{从而}\qquad \frac{AI}{AF}=\frac{AE}{AJ}. \tag{2} \]
角度条件还给出 \[ \angle IAE=\angle FAJ=\alpha-t>0. \] 结合 (2),可证得 \[ \triangle AIE\sim\triangle AFJ. \] 这两个三角形具有相同的定向:射线 \(AF\) 与 \(AE\) 位于 \(AI\) 的两侧,而 \(AI\) 与 \(AJ\) 是同一条射线。因此,它们的对应有向角相等。
设 \(X\) 是 \(EI\) 与 \(\Gamma\) 的第二个交点。由于 \(I\) 在 \(\Gamma\) 内部,该点存在且不同于 \(E\)。另外,由严格的角度不等式可知 \(E\ne D\),所以 \(X\ne A,D\);若其中任一等式成立,都会迫使 \(EI=AD\)。
使用模 \(180^\circ\) 的有向角,由 \(A,D,E,X\) 共圆、\(E,I,X\) 共线及上述相似关系,得 \[ \angle(DA,DX) =\angle(EA,EX) =\angle(EA,EI) =\angle(JA,JF). \] 由于 \(DA\) 与 \(JA\) 位于同一直线上,这就证明了 \[ DX\parallel JF. \]
最后,\(D\) 是 \(IJ\) 的中点,\(G\) 是 \(IF\) 的中点。严格不等式 \(t<\alpha\) 保证 \(F\notin IJ\),故由三角形 \(IJF\) 的中位线定理可得 \[ DG\parallel JF. \] 因此 \(D,G,X\) 共线。由于 \(X\in EI\cap\Gamma\),直线 \(DG\) 与 \(EI\) 的交点在 \(\Gamma\) 上,得证。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2010 · Задача 2
Точка \(I\) — центр окружности, вписанной в треугольник \(ABC\), а \(\Gamma\) — окружность, описанная около этого треугольника. Прямая \(AI\) пересекает окружность \(\Gamma\) в точках \(A\) и \(D\). Точка \(E\) выбрана на дуге \(BDC\), а точка \(F\) — на стороне \(BC\) так, что \[ \angle BAF=\angle CAE<\tfrac12\angle BAC. \] Точка \(G\) — середина отрезка \(IF\). Докажите, что прямые \(DG\) и \(EI\) пересекаются в точке, лежащей на окружности \(\Gamma\).
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Положим \[ \alpha=\frac12\angle BAC,\qquad \beta=\frac12\angle ABC,\qquad \gamma=\frac12\angle ACB. \] Тогда \(\alpha+\beta+\gamma=90^\circ\).
Поскольку \(AD\) — биссектриса угла \(\angle BAC\), точка \(D\) является серединой дуги \(BC\), не содержащей \(A\), и \(DB=DC\). Кроме того, \[ \angle DBI=\angle DBC+\angle CBI=\alpha+\beta. \] Так как точки \(A,I,D\) расположены на одной прямой в указанном порядке, по теореме о внешнем угле треугольника \(ABI\) получаем \[ \angle BID=\alpha+\beta. \] Следовательно, \[ DI=DB=DC. \]
Пусть \(J\) — точка, симметричная \(I\) относительно \(D\). Окружность с центром \(D\) и радиусом \(DI\) проходит через точки \(B,C,I,J\), причём \(IJ\) — её диаметр. Поэтому \[ BI\perp BJ,\qquad CI\perp CJ. \] Точка \(J\) лежит на луче \(AI\) за точкой \(D\), а значит, по другую сторону от \(BC\), чем \(A\). Поскольку \(\angle ACI=\gamma\), получаем \[ \angle ACJ=90^\circ+\gamma, \qquad \angle AJC=180^\circ-\alpha-(90^\circ+\gamma)=\beta. \] Таким образом, треугольники \(ABI\) и \(AJC\) подобны: их углы при \(A\) равны \(\alpha\), и \(\angle ABI=\angle AJC=\beta\). Следовательно, \[ AI\cdot AJ=AB\cdot AC. \tag{1} \]
Обозначим \(t=\angle BAF=\angle CAE\), так что \(0\le t<\alpha\). Если \(t>0\), то треугольники \(ABF\) и \(AEC\) подобны, поскольку \[ \angle BAF=\angle CAE, \qquad \angle ABF=\angle ABC=\angle AEC. \] Из пропорциональности соответствующих сторон следует \(AF\cdot AE=AB\cdot AC\). Если \(t=0\), то \(F=B\) и \(E=C\), поэтому то же равенство выполняется непосредственно. Объединяя его с (1), получаем \[ AF\cdot AE=AI\cdot AJ, \qquad\text{откуда}\qquad \frac{AI}{AF}=\frac{AE}{AJ}. \tag{2} \]
Из условия на углы также следует \[ \angle IAE=\angle FAJ=\alpha-t>0. \] Вместе с (2) это доказывает, что \[ \triangle AIE\sim\triangle AFJ. \] Эти треугольники имеют одинаковую ориентацию: лучи \(AF\) и \(AE\) лежат по разные стороны от \(AI\), а лучи \(AI\) и \(AJ\) совпадают. Поэтому их соответствующие ориентированные углы равны.
Пусть \(X\) — вторая точка пересечения \(EI\) с \(\Gamma\). Поскольку \(I\) лежит внутри \(\Gamma\), такая точка существует и отлична от \(E\). Кроме того, \(E\ne D\) в силу строгого неравенства для углов, поэтому \(X\ne A,D\); любое из этих равенств повлекло бы \(EI=AD\).
Рассматривая ориентированные углы по модулю \(180^\circ\) и используя то, что точки \(A,D,E,X\) лежат на одной окружности, точки \(E,I,X\) лежат на одной прямой, а также установленное выше подобие, получаем \[ \angle(DA,DX) =\angle(EA,EX) =\angle(EA,EI) =\angle(JA,JF). \] Поскольку \(DA\) и \(JA\) лежат на одной прямой, отсюда следует \[ DX\parallel JF. \]
Наконец, \(D\) — середина \(IJ\), а \(G\) — середина \(IF\). Строгое неравенство \(t<\alpha\) гарантирует, что \(F\notin IJ\), поэтому по теореме о средней линии треугольника \(IJF\) получаем \[ DG\parallel JF. \] Следовательно, точки \(D,G,X\) лежат на одной прямой. Поскольку \(X\in EI\cap\Gamma\), прямые \(DG\) и \(EI\) пересекаются на \(\Gamma\), что и требовалось доказать.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2010 · المسألة 2
ليكن \(I\) مركز الدائرة الداخلية التي تمس أضلاع المثلث \(ABC\) ولتكن \(\Gamma\) الدائرة المارة برؤوسه. المستقيم \(AI\) يقطع الدائرة \(\Gamma\) في النقطة \(D\). لتكن \(E\) نقطة على القوس \(BDC\) و \(F\) نقطة على الضلع \(BC\) بحيث : \[ \angle BAF=\angle CAE<\tfrac12\angle BAC \] أخيراً، لتكن \(G\) منتصف القطعة المستقيمة \(IF\). برهن أن المستقيمين \(DG\) و \(EI\) يتقاطعان في نقطة على الدائرة \(\Gamma\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لنضع \[ \alpha=\frac12\angle BAC,\qquad \beta=\frac12\angle ABC,\qquad \gamma=\frac12\angle ACB. \] إذن \(\alpha+\beta+\gamma=90^\circ\).
بما أن \(AD\) ينصف \(\angle BAC\)، فإن النقطة \(D\) هي منتصف القوس \(BC\) الذي لا يحتوي على \(A\)، و\(DB=DC\). وعلاوة على ذلك، \[ \angle DBI=\angle DBC+\angle CBI=\alpha+\beta. \] ولأن النقاط \(A,I,D\) تقع بهذا الترتيب على مستقيمها، فإن نظرية الزاوية الخارجية في المثلث \(ABI\) تعطي \[ \angle BID=\alpha+\beta. \] وبالتالي، \[ DI=DB=DC. \]
لتكن \(J\) نظيرة \(I\) بالنسبة إلى \(D\). تمر الدائرة التي مركزها \(D\) ونصف قطرها \(DI\) بالنقاط \(B,C,I,J\)، ويكون \(IJ\) قطرًا لها. ومن ثم \[ BI\perp BJ,\qquad CI\perp CJ. \] تقع النقطة \(J\) بعد \(D\) على الشعاع \(AI\)، ولذلك تقع في الجهة المقابلة للنقطة \(A\) بالنسبة إلى \(BC\). وبما أن \(\angle ACI=\gamma\)، ينتج أن \[ \angle ACJ=90^\circ+\gamma, \qquad \angle AJC=180^\circ-\alpha-(90^\circ+\gamma)=\beta. \] إذن المثلثان \(ABI\) و\(AJC\) متشابهان: زاويتاهما عند \(A\) تساويان \(\alpha\)، و\(\angle ABI=\angle AJC=\beta\). لذلك \[ AI\cdot AJ=AB\cdot AC. \tag{1} \]
لنكتب \(t=\angle BAF=\angle CAE\)، فيكون \(0\le t<\alpha\). إذا كان \(t>0\)، فإن المثلثين \(ABF\) و\(AEC\) متشابهان، لأن \[ \angle BAF=\angle CAE, \qquad \angle ABF=\angle ABC=\angle AEC. \] ومن أضلاعهما المتناظرة نحصل على \(AF\cdot AE=AB\cdot AC\). وإذا كان \(t=0\)، فإن \(F=B\) و\(E=C\)، فتتحقق الهوية نفسها مباشرة. وبالجمع بين ذلك و(1)، نحصل على \[ AF\cdot AE=AI\cdot AJ, \qquad\text{ومن ثم}\qquad \frac{AI}{AF}=\frac{AE}{AJ}. \tag{2} \]
ويعطي شرط الزوايا أيضًا \[ \angle IAE=\angle FAJ=\alpha-t>0. \] وهذا، مع (2)، يثبت أن \[ \triangle AIE\sim\triangle AFJ. \] لهذين المثلثين الاتجاه نفسه: فالشعاعان \(AF\) و\(AE\) يقعان على جهتين متقابلتين من \(AI\)، بينما \(AI\) و\(AJ\) هما الشعاع نفسه. لذا فإن زواياهما الموجهة المتناظرة متساوية.
لتكن \(X\) نقطة التقاطع الثانية للمستقيم \(EI\) مع \(\Gamma\). بما أن \(I\) داخل \(\Gamma\)، فإن هذه النقطة موجودة ومختلفة عن \(E\). كذلك، \(E\ne D\) بسبب المتباينة الصارمة بين الزوايا، ومن ثم \(X\ne A,D\)؛ إذ إن أيًّا من المساواتين يفرض \(EI=AD\).
باستخدام الزوايا الموجهة بترديد \(180^\circ\)، ووقوع \(A,D,E,X\) على دائرة واحدة، واستقامية \(E,I,X\)، والتشابه السابق، نحصل على \[ \angle(DA,DX) =\angle(EA,EX) =\angle(EA,EI) =\angle(JA,JF). \] ولأن \(DA\) و\(JA\) يقعان على المستقيم نفسه، فإن هذا يثبت أن \[ DX\parallel JF. \]
أخيرًا، \(D\) منتصف \(IJ\)، و\(G\) منتصف \(IF\). وتضمن المتباينة الصارمة \(t<\alpha\) أن \(F\notin IJ\)، لذا فإن نظرية منتصفي ضلعين في المثلث \(IJF\) تعطي \[ DG\parallel JF. \] وعليه، فإن \(D,G,X\) على استقامة واحدة. وبما أن \(X\in EI\cap\Gamma\)، فإن المستقيمين \(DG\) و\(EI\) يتقاطعان على \(\Gamma\)، كما هو مطلوب.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.