IMO 2011 · Problem 2
Let \(S\) be a finite set of at least two points in the plane. Assume that no three points of \(S\) are collinear. A windmill is a process that starts with a line \(\ell\) going through a single point \(P\in S\). The line rotates clockwise about the pivot \(P\) until the first time that the line meets some other point belonging to \(S\). This point, \(Q\), takes over as the new pivot, and the line now rotates clockwise about \(Q\), until it next meets a point of \(S\). This process continues indefinitely.
Show that we can choose a point \(P\) in \(S\) and a line \(\ell\) going through \(P\) such that the resulting windmill uses each point of \(S\) as a pivot infinitely many times.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Write \(n=|S|\). Choose a unit vector \(u_0\) such that the projections of the points of \(S\) onto \(u_0\) are all distinct. This is possible because only finitely many directions are perpendicular to a segment joining two points of \(S\). Label the points so that \[ u_0\cdot A_1<u_0\cdot A_2<\cdots<u_0\cdot A_n. \] Set \[ r=\left\lceil\frac n2\right\rceil. \] Start the windmill at \(P=A_r\), with \(\ell\) perpendicular to \(u_0\). By construction, \(\ell\) contains no other point of \(S\).
Parameterize the motion by its total clockwise angle of rotation \(t\), and let \(u(t)\) be \(u_0\) rotated clockwise through \(t\). If \(P(t)\) is the current pivot, the moving line has equation \[ u(t)\cdot X=c(t),\qquad c(t)=u(t)\cdot P(t). \] Call the side where \(u(t)\cdot X<c(t)\) the negative side.
The motion is well defined for arbitrarily large \(t\). Indeed, the next encounter occurs after a positive rotation of at most \(\pi\), and the point encountered is unique because no three points are collinear. Every encounter occurs at a direction parallel to a segment joining two points of \(S\). There are only finitely many such directions modulo \(\pi\), so only finitely many encounters can occur in any bounded interval of total rotation.
We claim that, except at the switching instants themselves, the negative side always contains exactly \(r-1\) points. This holds initially. Between switches, no point crosses the line. At a switch from pivot \(A\) to pivot \(B\), consider \[ f(t)=u(t)\cdot(B-A). \] This expression changes sign as the line rotates through \(AB\). Just before the switch, \(B\)'s signed position relative to the line is \(f(t)\); just after it, \(A\)'s signed position is \(-f(t)\). Thus \(A\) leaves the line on the same labeled side from which \(B\) approached. Every other point remains on its previous side, since no third point lies on \(AB\). The number of points on each side is therefore preserved, proving the claim.
Consequently, whenever the projections onto \(u(t)\) are all distinct, the pivot is the point with the \(r\)-th smallest projection.
After a half-turn, \[ u(\pi)=-u_0, \] so the projection order is reversed. Hence the pivot at \(t=\pi\) is \[ Q=A_{n+1-r}. \] The two indices \(r\) and \(n+1-r\) are equal when \(n\) is odd and consecutive when \(n\) is even. Therefore every point \(X\in S\setminus\{P,Q\}\) has its projection onto \(u_0\) either below both those of \(P,Q\), or above both.
For such a point \(X\), its signed positions at the two endpoints of this half-turn are \[ u_0\cdot(X-P) \quad\text{and}\quad -u_0\cdot(X-Q). \] They have opposite signs.
To justify that \(X\) must therefore meet the moving line, observe that \(c(t)\) is continuous: at a switch from \(A\) to \(B\), both lie on the same line, so \[ u(t)\cdot A=u(t)\cdot B. \] Thus \(u(t)\cdot X-c(t)\) is continuous. Its opposite endpoint signs force it to vanish somewhere during the half-turn. At that instant, \(X\) either is already the pivot or is the point encountered and becomes the new pivot.
The points \(P\) and \(Q\) are themselves pivots at the endpoints. We have therefore proved that every point of \(S\) is used as a pivot during the first half-turn, including when \(n=2\).
Finally, after a full turn, \(u(2\pi)=u_0\). The invariant forces the pivot to be \(A_r=P\), and the moving line is again \(\ell\). The windmill has returned to its initial state. Since each subsequent encounter is uniquely determined, the motion repeats after every full turn. Every point is consequently used as a pivot infinitely many times.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2011 · Aufgabe 2
Sei \(S\) eine endliche Menge von mindestens zwei Punkten in der Ebene. Dabei wird angenommen, dass keine drei Punkte von \(S\) kollinear sind. Als Windmühle bezeichnen wir einen Prozess der folgenden Art. Wir starten mit einer Geraden \(\ell\), die genau einen Punkt \(P\in S\) enthält. Die Gerade \(\ell\) wird im Uhrzeigersinn um den Drehpunkt \(P\) so lange gedreht, bis sie zum ersten Mal auf einen weiteren Punkt aus \(S\), der mit \(Q\) bezeichnet sei, trifft. Die Gerade wird weiter im Uhrzeigersinn mit \(Q\) als neuem Drehpunkt gedreht, bis sie wieder auf einen Punkt aus \(S\) trifft. Dieser Prozess wird unbegrenzt fortgesetzt.
Man beweise, dass für geeignete Wahl eines Punktes \(P\in S\) und einer Ausgangsgeraden \(\ell\), die \(P\) enthält, die resultierende Windmühle jeden Punkt aus \(S\) unendlich oft als Drehpunkt hat.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir schreiben \(n=|S|\). Wir wählen einen Einheitsvektor \(u_0\) so, dass die Projektionen der Punkte von \(S\) auf \(u_0\) alle verschieden sind. Dies ist möglich, da nur endlich viele Richtungen senkrecht auf einer Verbindungsstrecke zweier Punkte von \(S\) stehen. Wir bezeichnen die Punkte so, dass \[ u_0\cdot A_1<u_0\cdot A_2<\cdots<u_0\cdot A_n. \] Wir setzen \[ r=\left\lceil\frac n2\right\rceil. \] Wir starten die Windmühle bei \(P=A_r\), wobei \(\ell\) senkrecht auf \(u_0\) steht. Nach Konstruktion enthält \(\ell\) keinen weiteren Punkt von \(S\).
Wir parametrisieren die Bewegung durch ihren gesamten Drehwinkel \(t\) im Uhrzeigersinn und bezeichnen mit \(u(t)\) den um \(t\) im Uhrzeigersinn gedrehten Vektor \(u_0\). Ist \(P(t)\) der aktuelle Drehpunkt, so hat die bewegte Gerade die Gleichung \[ u(t)\cdot X=c(t),\qquad c(t)=u(t)\cdot P(t). \] Die Seite, auf der \(u(t)\cdot X<c(t)\) gilt, nennen wir die negative Seite.
Die Bewegung ist für beliebig große \(t\) wohldefiniert. Tatsächlich erfolgt das nächste Zusammentreffen nach einer positiven Drehung um höchstens \(\pi\), und der dabei getroffene Punkt ist eindeutig, weil keine drei Punkte kollinear sind. Jedes Zusammentreffen erfolgt bei einer Richtung parallel zu einer Verbindungsstrecke zweier Punkte von \(S\). Modulo \(\pi\) gibt es nur endlich viele solche Richtungen, also können in jedem beschränkten Intervall des gesamten Drehwinkels nur endlich viele Zusammentreffen auftreten.
Wir behaupten, dass, abgesehen von den Wechselzeitpunkten selbst, die negative Seite stets genau \(r-1\) Punkte enthält. Zu Beginn gilt dies. Zwischen zwei Wechseln überquert kein Punkt die Gerade. Bei einem Wechsel vom Drehpunkt \(A\) zum Drehpunkt \(B\) betrachten wir \[ f(t)=u(t)\cdot(B-A). \] Dieser Ausdruck wechselt sein Vorzeichen, wenn sich die Gerade durch die Lage \(AB\) dreht. Unmittelbar vor dem Wechsel wird die Lage von \(B\) bezüglich der Geraden durch das Vorzeichen von \(f(t)\) beschrieben; unmittelbar danach wird die Lage von \(A\) durch das Vorzeichen von \(-f(t)\) beschrieben. Somit verlässt \(A\) die Gerade auf der gleich bezeichneten Seite, von der sich \(B\) ihr genähert hat. Jeder andere Punkt bleibt auf seiner bisherigen Seite, da kein dritter Punkt auf \(AB\) liegt. Die Anzahl der Punkte auf jeder Seite bleibt daher erhalten, womit die Behauptung bewiesen ist.
Folglich ist der Drehpunkt immer dann, wenn die Projektionen auf \(u(t)\) alle verschieden sind, der Punkt mit der \(r\)-kleinsten Projektion.
Nach einer halben Umdrehung gilt \[ u(\pi)=-u_0, \] also ist die Reihenfolge der Projektionen umgekehrt. Daher ist der Drehpunkt bei \(t=\pi\) \[ Q=A_{n+1-r}. \] Die beiden Indizes \(r\) und \(n+1-r\) sind gleich, wenn \(n\) ungerade ist, und aufeinanderfolgend, wenn \(n\) gerade ist. Daher liegt die Projektion jedes Punktes \(X\in S\setminus\{P,Q\}\) auf \(u_0\) entweder unterhalb der beiden Projektionen von \(P,Q\) oder oberhalb von beiden.
Für einen solchen Punkt \(X\) werden seine Lagen bezüglich der Geraden an den beiden Enden dieser halben Umdrehung durch die Vorzeichen von \[ u_0\cdot(X-P) \quad\text{und}\quad -u_0\cdot(X-Q) \] beschrieben. Diese sind entgegengesetzt.
Um zu begründen, dass \(X\) daher die bewegte Gerade treffen muss, bemerken wir, dass \(c(t)\) stetig ist: Bei einem Wechsel von \(A\) zu \(B\) liegen beide auf derselben Geraden, also gilt \[ u(t)\cdot A=u(t)\cdot B. \] Somit ist \(u(t)\cdot X-c(t)\) stetig. Wegen seiner entgegengesetzten Vorzeichen an den Endpunkten muss dieser Ausdruck während der halben Umdrehung irgendwo verschwinden. Zu diesem Zeitpunkt ist \(X\) entweder bereits der Drehpunkt oder der getroffene Punkt und wird zum neuen Drehpunkt.
Die Punkte \(P\) und \(Q\) sind selbst die Drehpunkte an den Endpunkten. Wir haben daher bewiesen, dass jeder Punkt von \(S\) während der ersten halben Umdrehung als Drehpunkt verwendet wird, auch für \(n=2\).
Schließlich gilt nach einer vollen Umdrehung \(u(2\pi)=u_0\). Aus der Invariante folgt zwingend, dass der Drehpunkt \(A_r=P\) ist, und die bewegte Gerade ist wieder \(\ell\). Die Windmühle ist in ihren Anfangszustand zurückgekehrt. Da jedes nachfolgende Zusammentreffen eindeutig bestimmt ist, wiederholt sich die Bewegung nach jeder vollen Umdrehung. Folglich wird jeder Punkt unendlich oft als Drehpunkt verwendet.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2011 · Soru 2
\(S\) düzlemde en az iki noktadan oluşan sonlu bir küme olsun. \(S\) nin herhangi üç noktasının doğrudaş olmadığını varsayalım. Bir yeldeğirmeni, \(S\) ye ait tek bir \(P\) noktasından geçen bir \(\ell\) doğrusu ile başlayan bir süreçtir. Bu doğru, dönme merkezi \(P\) olmak üzere, \(S\) nin başka bir noktasından daha geçtiği ilk ana kadar saat yönünde dönüyor. Bu ikinci noktaya \(Q\) dersek, bundan sonra doğru, yeni dönme merkezi \(Q\) olmak üzere, tekrar \(S\) nin başka bir noktasından daha geçtiği ilk ana kadar saat yönünde dönmeyi sürdürüyor. Bu süreç sonsuza kadar devam ediyor. Oluşan yeldeğirmeninin \(S\) nin her noktasını sonsuz kez dönme merkezi olarak kullanmasını sağlayacak biçimde, \(S\) ye ait bir \(P\) noktası ve \(P\) den geçen bir \(\ell\) doğrusu seçebileceğimizi gösteriniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(n=|S|\) yazalım. \(S\) nin noktalarının \(u_0\) üzerine izdüşümlerinin hepsi farklı olacak şekilde bir \(u_0\) birim vektörü seçelim. Bu mümkündür, çünkü \(S\) nin iki noktasını birleştiren bir doğru parçasına dik olan yalnızca sonlu sayıda doğrultu vardır. Noktaları \[ u_0\cdot A_1<u_0\cdot A_2<\cdots<u_0\cdot A_n \] olacak şekilde adlandıralım. \[ r=\left\lceil\frac n2\right\rceil \] olsun. Yeldeğirmenini \(P=A_r\) noktasından, \(\ell\) doğrusu \(u_0\) a dik olacak şekilde başlatalım. Kuruluş gereği, \(\ell\) doğrusu \(S\) nin başka hiçbir noktasını içermez.
Hareketi, saat yönündeki toplam dönme açısı \(t\) ile parametreleyelim ve \(u(t)\), \(u_0\) ın saat yönünde \(t\) kadar döndürülmüş hali olsun. O andaki dönme merkezi \(P(t)\) ise hareket eden doğrunun denklemi \[ u(t)\cdot X=c(t),\qquad c(t)=u(t)\cdot P(t) \] olur. \(u(t)\cdot X<c(t)\) olan tarafa negatif taraf diyelim.
Hareket, istenildiği kadar büyük \(t\) için iyi tanımlıdır. Gerçekten, bir sonraki karşılaşma en fazla \(\pi\) kadar pozitif bir dönmeden sonra gerçekleşir ve hiçbir üç nokta doğrudaş olmadığından karşılaşılan nokta tektir. Her karşılaşma, \(S\) nin iki noktasını birleştiren bir doğru parçasına paralel bir doğrultuda gerçekleşir. \(\pi\) modunda böyle yalnızca sonlu sayıda doğrultu vardır; dolayısıyla toplam dönmenin herhangi bir sınırlı aralığında ancak sonlu sayıda karşılaşma gerçekleşebilir.
Dönme merkezinin değiştiği anlar dışında, negatif tarafın her zaman tam olarak \(r-1\) nokta içerdiğini iddia ediyoruz. Bu, başlangıçta doğrudur. Merkez değişimleri arasında hiçbir nokta doğruyu geçmez. Dönme merkezi \(A\) dan \(B\) ye geçtiğinde, \[ f(t)=u(t)\cdot(B-A) \] ifadesini ele alalım. Doğru \(AB\) konumundan geçerek dönerken bu ifade işaret değiştirir. Merkez değişiminden hemen önce \(B\) nin doğruya göre işaretli konumu \(f(t)\); hemen sonra ise \(A\) nın işaretli konumu \(-f(t)\) dir. Dolayısıyla \(A\), doğruyu \(B\) nin yaklaştığı tarafla aynı işaretli taraftan terk eder. \(AB\) üzerinde üçüncü bir nokta bulunmadığından diğer her nokta önceki tarafında kalır. Böylece her iki taraftaki nokta sayısı korunur ve iddia kanıtlanır.
Sonuç olarak, \(u(t)\) üzerine izdüşümlerin hepsi farklı olduğunda dönme merkezi, izdüşümü küçükten büyüğe sıralamada \(r\). olan noktadır.
Yarım tur sonra, \[ u(\pi)=-u_0 \] olduğundan izdüşümlerin sırası tersine döner. Bu nedenle \(t=\pi\) anındaki dönme merkezi \[ Q=A_{n+1-r} \] olur. \(r\) ve \(n+1-r\) indisleri, \(n\) tek olduğunda eşit, \(n\) çift olduğunda ise ardışıktır. Dolayısıyla her \(X\in S\setminus\{P,Q\}\) noktasının \(u_0\) üzerine izdüşümü, \(P,Q\) nun izdüşümlerinin ya her ikisinden de küçük ya da her ikisinden de büyüktür.
Böyle bir \(X\) noktasının bu yarım turun başlangıcındaki ve sonundaki işaretli konumları \[ u_0\cdot(X-P) \quad\text{ve}\quad -u_0\cdot(X-Q) \] olur. Bunlar zıt işaretlidir.
Bundan dolayı \(X\) in hareket eden doğruyla karşılaşmak zorunda olduğunu gerekçelendirmek için, \(c(t)\) nin sürekli olduğuna dikkat edelim: dönme merkezi \(A\) dan \(B\) ye geçtiğinde her iki nokta da aynı doğru üzerindedir, dolayısıyla \[ u(t)\cdot A=u(t)\cdot B. \] Böylece \(u(t)\cdot X-c(t)\) süreklidir. Uç noktalardaki işaretlerinin zıt olması, yarım tur sırasında bir yerde sıfır olmasını gerektirir. O anda \(X\) ya zaten dönme merkezidir ya da karşılaşılan noktadır ve yeni dönme merkezi olur.
\(P\) ve \(Q\) noktaları da başlangıçta ve sonda dönme merkezidir. Böylece, \(n=2\) durumu da dahil olmak üzere, \(S\) nin her noktasının ilk yarım tur sırasında dönme merkezi olarak kullanıldığını kanıtladık.
Son olarak, tam bir turdan sonra \(u(2\pi)=u_0\) olur. Değişmez özellik, dönme merkezinin \(A_r=P\) olmasını gerektirir ve hareket eden doğru yine \(\ell\) olur. Yeldeğirmeni başlangıç durumuna dönmüştür. Sonraki her karşılaşma tek türlü belirlendiğinden, hareket her tam turdan sonra tekrarlanır. Sonuç olarak her nokta sonsuz kez dönme merkezi olarak kullanılır.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2011 · Problema 2
Sea \(S\) un conjunto finito de dos o más puntos del plano. En \(S\) no hay tres puntos colineales. Un remolino es un proceso que empieza con una recta \(\ell\) que pasa por un único punto \(P\) de \(S\). Se rota \(\ell\) en el sentido de las manecillas del reloj con centro en \(P\) hasta que la recta encuentre por primera vez otro punto de \(S\) al cual llamaremos \(Q\). Con \(Q\) como nuevo centro se sigue rotando la recta en el sentido de las manecillas del reloj hasta que la recta encuentre otro punto de \(S\). Este proceso continúa indefinidamente. Demostrar que se puede elegir un punto \(P\) de \(S\) y una recta \(\ell\) que pasa por \(P\) tales que el remolino que resulta usa cada punto de \(S\) como centro de rotación un número infinito de veces.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Escribamos \(n=|S|\). Elijamos un vector unitario \(u_0\) tal que las proyecciones de los puntos de \(S\) sobre \(u_0\) sean todas distintas. Esto es posible porque solo hay un número finito de direcciones perpendiculares a algún segmento que une dos puntos de \(S\). Etiquetemos los puntos de modo que \[ u_0\cdot A_1<u_0\cdot A_2<\cdots<u_0\cdot A_n. \] Pongamos \[ r=\left\lceil\frac n2\right\rceil. \] Iniciemos el remolino en \(P=A_r\), con \(\ell\) perpendicular a \(u_0\). Por construcción, \(\ell\) no contiene ningún otro punto de \(S\).
Parametricemos el movimiento mediante su ángulo total de rotación en el sentido de las manecillas del reloj \(t\), y sea \(u(t)\) el vector obtenido al rotar \(u_0\) un ángulo \(t\) en ese sentido. Si \(P(t)\) es el centro de rotación actual, la recta móvil tiene ecuación \[ u(t)\cdot X=c(t),\qquad c(t)=u(t)\cdot P(t). \] Llamemos lado negativo al lado en el que \(u(t)\cdot X<c(t)\).
El movimiento está bien definido para valores arbitrariamente grandes de \(t\). En efecto, el siguiente encuentro se produce tras una rotación positiva de a lo sumo \(\pi\), y el punto encontrado es único porque no hay tres puntos colineales. Todo encuentro se produce en una dirección paralela a un segmento que une dos puntos de \(S\). Solo hay un número finito de tales direcciones módulo \(\pi\), por lo que solo puede haber un número finito de encuentros en cualquier intervalo acotado de rotación total.
Afirmamos que, salvo en los propios instantes de cambio de centro, el lado negativo contiene siempre exactamente \(r-1\) puntos. Esto se cumple inicialmente. Entre cambios de centro, ningún punto cruza la recta. En un cambio de centro de \(A\) a \(B\), consideremos \[ f(t)=u(t)\cdot(B-A). \] Esta expresión cambia de signo cuando la recta gira pasando por \(AB\). Justo antes del cambio, la posición con signo de \(B\) respecto de la recta es \(f(t)\); justo después, la posición con signo de \(A\) es \(-f(t)\). Así, \(A\) abandona la recta por el lado con la misma denominación que aquel desde el que se aproximó \(B\). Todos los demás puntos permanecen en su lado anterior, pues no hay un tercer punto sobre \(AB\). Por tanto, se conserva el número de puntos a cada lado, lo que demuestra la afirmación.
En consecuencia, siempre que las proyecciones sobre \(u(t)\) sean todas distintas, el centro de rotación es el punto cuya proyección ocupa el lugar \(r\) en orden creciente.
Después de media vuelta, \[ u(\pi)=-u_0, \] por lo que el orden de las proyecciones se invierte. Por tanto, el centro de rotación en \(t=\pi\) es \[ Q=A_{n+1-r}. \] Los dos índices \(r\) y \(n+1-r\) son iguales cuando \(n\) es impar y consecutivos cuando \(n\) es par. Por tanto, la proyección de cada punto \(X\in S\setminus\{P,Q\}\) sobre \(u_0\) es menor que las de \(P,Q\), o mayor que ambas.
Para uno de estos puntos \(X\), sus posiciones con signo en los dos extremos de esta media vuelta son \[ u_0\cdot(X-P) \quad\text{y}\quad -u_0\cdot(X-Q). \] Tienen signos opuestos.
Para justificar que, por tanto, \(X\) debe encontrarse con la recta móvil, observemos que \(c(t)\) es continua: en un cambio de centro de \(A\) a \(B\), ambos están sobre la misma recta, de modo que \[ u(t)\cdot A=u(t)\cdot B. \] Así, \(u(t)\cdot X-c(t)\) es continua. Sus signos opuestos en los extremos obligan a que se anule en algún momento de la media vuelta. En ese instante, \(X\) ya es el centro de rotación o es el punto encontrado y se convierte en el nuevo centro.
Los propios puntos \(P\) y \(Q\) son centros de rotación en los extremos. Hemos demostrado, por tanto, que cada punto de \(S\) se usa como centro de rotación durante la primera media vuelta, incluso cuando \(n=2\).
Finalmente, después de una vuelta completa, \(u(2\pi)=u_0\). El invariante obliga a que el centro de rotación sea \(A_r=P\), y la recta móvil vuelve a ser \(\ell\). El remolino ha regresado a su estado inicial. Como cada encuentro posterior queda determinado de manera única, el movimiento se repite después de cada vuelta completa. En consecuencia, cada punto se usa como centro de rotación un número infinito de veces.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2011 · 问题 2
设 \(S\) 是平面上包含至少两个点的一个有限点集,其中没有三点在同一条直线上。
所谓一个“风车”是指这样一个过程:从经过 \(S\) 中单独一点 \(P\) 的一条直线 \(\ell\) 开始,以 \(P\) 为旋转中心顺时针旋转,直至首次遇到 \(S\) 中的另一点,记为点 \(Q\)。接着这条直线以 \(Q\) 为新的旋转中心顺时针旋转,直到再次遇到 \(S\) 中的某一点,这样的过程无限持续下去。
证明:可以适当选取 \(S\) 中的一点 \(P\),以及过 \(P\) 的一条直线 \(\ell\),使得由此产生的“风车”将 \(S\) 中的每一点都无限多次用作旋转中心。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
记 \(n=|S|\)。选取一个单位向量 \(u_0\),使得 \(S\) 中各点在 \(u_0\) 上的投影互不相同。这是可以做到的,因为垂直于连接 \(S\) 中两点的线段的方向只有有限多个。将各点编号,使得 \[ u_0\cdot A_1<u_0\cdot A_2<\cdots<u_0\cdot A_n. \] 令 \[ r=\left\lceil\frac n2\right\rceil. \] 以 \(P=A_r\) 为初始旋转中心,以垂直于 \(u_0\) 的直线 \(\ell\) 为初始直线,开始风车过程。由构造可知,\(\ell\) 不包含 \(S\) 中的其他点。
用顺时针旋转的总角度 \(t\) 作为运动的参数,并令 \(u(t)\) 为将 \(u_0\) 顺时针旋转 \(t\) 所得到的向量。若 \(P(t)\) 为当前的旋转中心,则运动直线的方程为 \[ u(t)\cdot X=c(t),\qquad c(t)=u(t)\cdot P(t). \] 将满足 \(u(t)\cdot X<c(t)\) 的一侧称为负侧。
对于任意大的 \(t\),这一运动都有良好定义。事实上,下一次相遇发生在旋转一个大于零且不超过 \(\pi\) 的角度之后,并且由于没有三点共线,遇到的点是唯一的。每次相遇时,直线的方向都平行于连接 \(S\) 中两点的某条线段。模 \(\pi\) 考虑时,这样的方向只有有限多个,因此在总旋转角度的任意有界区间内,只能发生有限次相遇。
我们断言,除切换旋转中心的瞬间之外,负侧始终恰有 \(r-1\) 个点。初始时这一点成立。两次切换之间,没有点穿过直线。在旋转中心从 \(A\) 切换到 \(B\) 时,考虑 \[ f(t)=u(t)\cdot(B-A). \] 当直线旋转经过 \(AB\) 时,这个表达式改变符号。切换前的瞬间,\(B\) 相对于直线的有向位置为 \(f(t)\);切换后的瞬间,\(A\) 的有向位置为 \(-f(t)\)。因此,\(A\) 离开直线时所进入的一侧,与 \(B\) 接近直线时所在的一侧具有相同的正负标记。其他每个点都保持在原来的一侧,因为 \(AB\) 上没有第三个点。因此两侧的点数都保持不变,断言得证。
所以,只要各点在 \(u(t)\) 上的投影互不相同,旋转中心就是投影第 \(r\) 小的点。
旋转半圈后, \[ u(\pi)=-u_0, \] 因此投影的顺序颠倒了。所以在 \(t=\pi\) 时,旋转中心为 \[ Q=A_{n+1-r}. \] 当 \(n\) 为奇数时,两个下标 \(r\) 和 \(n+1-r\) 相等;当 \(n\) 为偶数时,它们相邻。因此,每个点 \(X\in S\setminus\{P,Q\}\) 在 \(u_0\) 上的投影,要么同时小于 \(P,Q\) 的投影,要么同时大于它们的投影。
对于这样的点 \(X\),在这半圈旋转的起止时刻,它的有向位置分别为 \[ u_0\cdot(X-P) \quad\text{和}\quad -u_0\cdot(X-Q). \] 它们的符号相反。
为了说明 \(X\) 因而必与运动直线相遇,注意到 \(c(t)\) 是连续的:当旋转中心从 \(A\) 切换到 \(B\) 时,两点在同一条直线上,所以 \[ u(t)\cdot A=u(t)\cdot B. \] 于是 \(u(t)\cdot X-c(t)\) 是连续的。它在起止时刻的符号相反,因此在这半圈旋转过程中的某一时刻必为零。在该时刻,\(X\) 要么已经是旋转中心,要么是直线遇到的点,并成为新的旋转中心。
点 \(P\) 和 \(Q\) 本身分别在起止时刻作为旋转中心。因此我们已经证明,在最初的半圈旋转过程中,\(S\) 中每个点都被用作旋转中心,这也包括 \(n=2\) 的情形。
最后,旋转一整圈后,\(u(2\pi)=u_0\)。由上述不变量可知,旋转中心必为 \(A_r=P\),而运动直线又回到 \(\ell\)。风车回到了初始状态。由于此后的每次相遇都是唯一确定的,运动每旋转一整圈就重复一次。因此,每个点都会被无限多次用作旋转中心。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2011 · Задача 2
Пусть \(S\) — конечное множество точек на плоскости, содержащее хотя бы две точки. Известно, что никакие три точки множества \(S\) не лежат на одной прямой. Назовем мельницей следующий процесс. Вначале выбирается прямая \(\ell\), на которой лежит ровно одна точка \(P\in S\). Прямая \(\ell\) вращается по часовой стрелке вокруг центра \(P\) до тех пор, пока она впервые не пройдет через другую точку множества \(S\). В этот момент эта точка, обозначим ее \(Q\), становится новым центром, и прямая продолжает вращаться по часовой стрелке вокруг точки \(Q\) до тех пор, пока она снова не пройдет через точку множества \(S\). Этот процесс продолжается бесконечно.
Докажите, что можно выбрать некоторую точку \(P\) множества \(S\) и некоторую прямую \(\ell\), проходящую через \(P\), так, что для мельницы, начинающейся с прямой \(\ell\), каждая точка множества \(S\) выступит в роли центра бесконечное число раз.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Положим \(n=|S|\). Выберем единичный вектор \(u_0\) так, чтобы проекции точек множества \(S\) на \(u_0\) были попарно различны. Это возможно, поскольку существует лишь конечное число направлений, перпендикулярных отрезку, соединяющему две точки множества \(S\). Занумеруем точки так, чтобы \[ u_0\cdot A_1<u_0\cdot A_2<\cdots<u_0\cdot A_n. \] Положим \[ r=\left\lceil\frac n2\right\rceil. \] Начнем мельницу с центра \(P=A_r\) и прямой \(\ell\), перпендикулярной \(u_0\). По построению, \(\ell\) не содержит других точек множества \(S\).
Параметризуем движение суммарным углом поворота по часовой стрелке \(t\) и обозначим через \(u(t)\) вектор, полученный поворотом \(u_0\) по часовой стрелке на угол \(t\). Если \(P(t)\) — текущий центр, то движущаяся прямая задается уравнением \[ u(t)\cdot X=c(t),\qquad c(t)=u(t)\cdot P(t). \] Назовем сторону, на которой \(u(t)\cdot X<c(t)\), отрицательной.
Движение корректно определено для сколь угодно больших \(t\). Действительно, следующая встреча происходит после поворота на положительный угол, не превосходящий \(\pi\), и встреченная точка единственна, поскольку никакие три точки не лежат на одной прямой. Каждая встреча происходит при направлении прямой, параллельном отрезку, соединяющему две точки множества \(S\). Таких направлений по модулю \(\pi\) лишь конечное число, поэтому на любом ограниченном промежутке суммарного угла поворота может произойти лишь конечное число встреч.
Утверждается, что, за исключением самих моментов смены центра, на отрицательной стороне всегда находится ровно \(r-1\) точек. В начальный момент это верно. Между сменами центра ни одна точка не пересекает прямую. При смене центра с \(A\) на \(B\) рассмотрим \[ f(t)=u(t)\cdot(B-A). \] Это выражение меняет знак, когда вращающаяся прямая проходит через положение \(AB\). Непосредственно перед сменой центра положение \(B\) относительно прямой с учетом знака задается величиной \(f(t)\); непосредственно после нее положение \(A\) с учетом знака задается величиной \(-f(t)\). Таким образом, \(A\) покидает прямую с той же обозначенной знаком стороны, с которой к ней подошла \(B\). Каждая другая точка остается на своей прежней стороне, поскольку на \(AB\) нет третьей точки. Следовательно, число точек на каждой стороне сохраняется, что доказывает утверждение.
Поэтому всякий раз, когда проекции на \(u(t)\) попарно различны, центром является точка с \(r\)-й по величине проекцией в порядке возрастания.
После половины оборота \[ u(\pi)=-u_0, \] поэтому порядок проекций меняется на обратный. Следовательно, центром при \(t=\pi\) является \[ Q=A_{n+1-r}. \] Индексы \(r\) и \(n+1-r\) равны при нечетном \(n\) и являются последовательными при четном \(n\). Поэтому у каждой точки \(X\in S\setminus\{P,Q\}\) проекция на \(u_0\) либо меньше обеих проекций \(P,Q\), либо больше обеих.
Для такой точки \(X\) ее положения с учетом знака в начале и в конце этой половины оборота задаются величинами \[ u_0\cdot(X-P) \quad\text{и}\quad -u_0\cdot(X-Q). \] Они имеют противоположные знаки.
Чтобы обосновать, что \(X\) обязательно встретит движущуюся прямую, заметим, что \(c(t)\) непрерывна: в момент смены центра с \(A\) на \(B\) обе точки лежат на одной прямой, поэтому \[ u(t)\cdot A=u(t)\cdot B. \] Таким образом, \(u(t)\cdot X-c(t)\) непрерывна. Противоположные знаки на концах промежутка означают, что в некоторый момент в течение этой половины оборота она обращается в нуль. В этот момент \(X\) либо уже является центром, либо оказывается встреченной точкой и становится новым центром.
Точки \(P\) и \(Q\) сами являются центрами в начале и в конце промежутка. Тем самым мы доказали, что каждая точка множества \(S\) выступает в роли центра в течение первой половины оборота, в том числе при \(n=2\).
Наконец, после полного оборота \(u(2\pi)=u_0\). Из доказанного инварианта следует, что центром должна быть точка \(A_r=P\), а движущаяся прямая снова совпадает с \(\ell\). Мельница вернулась в начальное состояние. Поскольку каждая следующая встреча определяется однозначно, движение повторяется после каждого полного оборота. Следовательно, каждая точка выступает в роли центра бесконечное число раз.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2011 · المسألة 2
لتكن \(S\) مجموعة منتهية مكونة من نقطتين على الأقل في المستوي. لنفرض عدم وجود ثلاث نقط على استقامة واحدة في \(S\). نطلق على العملية التالية اسم طاحونة الهواء: نبدأ بمستقيم \(l\) يمر بنقطة واحدة \(P\in S\)، ثم ندير \(l\) باتجاه عقارب الساعة حول مركز الدوران \(P\) حتى يمر على أول نقطة \(Q\) في \(S\) مختلفة عن \(P\). النقطة \(Q\) تصبح مركز الدوران الجديد للمستقيم \(l\) الذي يدور حولها باتجاه عقارب الساعة إلى أن يلتقي مع نقطة في \(S\)، و هكذا تستمر هذه العملية ما لانهاية من المرات.
بيّن أنه يمكننا اختيار نقطة \(P\) في \(S\) و مستقيم مناسب \(l\) يمر في \(P\) بحيث أن الطاحونة الناتجة تمر على جميع نقط \(S\) كمراكز دوران بعدد لانهائي من المرات.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نكتب \(n=|S|\). نختار متجه وحدة \(u_0\) بحيث تكون مساقط نقاط \(S\) على \(u_0\) مختلفة جميعها. وهذا ممكن لأن عدد الاتجاهات العمودية على قطعة تصل بين نقطتين من \(S\) منتهٍ. نسمّي النقاط بحيث \[ u_0\cdot A_1<u_0\cdot A_2<\cdots<u_0\cdot A_n. \] نضع \[ r=\left\lceil\frac n2\right\rceil. \] نبدأ طاحونة الهواء عند \(P=A_r\)، بحيث يكون \(\ell\) عموديًا على \(u_0\). وبحسب الإنشاء، لا يحتوي \(\ell\) على أي نقطة أخرى من \(S\).
نُمثّل الحركة بمعلمة هي زاوية دورانها الكلية باتجاه عقارب الساعة \(t\)، وليكن \(u(t)\) المتجه الناتج عن تدوير \(u_0\) باتجاه عقارب الساعة بزاوية \(t\). إذا كانت \(P(t)\) مركز الدوران الحالي، فإن معادلة المستقيم المتحرك هي \[ u(t)\cdot X=c(t),\qquad c(t)=u(t)\cdot P(t). \] نسمّي الجهة التي يتحقق فيها \(u(t)\cdot X<c(t)\) الجهة السالبة.
الحركة معرّفة تعريفًا سليمًا لقيم \(t\) كبيرة كيفما شئنا. بالفعل، يحدث الالتقاء التالي بعد دوران بزاوية موجبة لا تتجاوز \(\pi\)، وتكون النقطة التي يلتقي بها المستقيم وحيدة لعدم وجود ثلاث نقاط على استقامة واحدة. يحدث كل التقاء عند اتجاه موازٍ لقطعة تصل بين نقطتين من \(S\). وليس هناك سوى عدد منتهٍ من هذه الاتجاهات بترديد \(\pi\)، لذا لا يمكن أن يحدث إلا عدد منتهٍ من الالتقاءات في أي فترة محدودة من زاوية الدوران الكلية.
ندّعي أنه، باستثناء لحظات تبدّل مركز الدوران نفسها، تحتوي الجهة السالبة دائمًا على \(r-1\) نقطة بالضبط. وهذا صحيح في البداية. وبين تبدّلين لا تعبر أي نقطة المستقيم. عند تبدّل مركز الدوران من \(A\) إلى \(B\)، ننظر إلى \[ f(t)=u(t)\cdot(B-A). \] تتغير إشارة هذا التعبير عندما يدور المستقيم عبر الوضع \(AB\). قبيل التبدّل، يكون الموضع الموقّع للنقطة \(B\) بالنسبة إلى المستقيم هو \(f(t)\)؛ وبعيده، يكون الموضع الموقّع للنقطة \(A\) هو \(-f(t)\). وهكذا تغادر \(A\) المستقيم إلى الجهة ذات التسمية نفسها التي اقتربت منها \(B\). وتبقى كل نقطة أخرى في جهتها السابقة، إذ لا تقع نقطة ثالثة على \(AB\). ولذلك يبقى عدد النقاط في كل جهة ثابتًا، مما يثبت الادّعاء.
وبالتالي، كلما كانت المساقط على \(u(t)\) مختلفة جميعها، كان مركز الدوران هو النقطة ذات المسقط الذي يحتل المرتبة \(r\) في الترتيب التصاعدي.
بعد نصف دورة، \[ u(\pi)=-u_0, \] فينعكس ترتيب المساقط. ومن ثم يكون مركز الدوران عند \(t=\pi\) هو \[ Q=A_{n+1-r}. \] يتساوى الدليلان \(r\) و\(n+1-r\) عندما يكون \(n\) فرديًا، ويكونان متتاليين عندما يكون \(n\) زوجيًا. لذلك فإن مسقط كل نقطة \(X\in S\setminus\{P,Q\}\) على \(u_0\) إما أصغر من مسقطي \(P,Q\) كليهما، وإما أكبر منهما كليهما.
لنقطة كهذه \(X\)، يكون موضعاها الموقّعان عند طرفي نصف الدورة هذا هما \[ u_0\cdot(X-P) \quad\text{و}\quad -u_0\cdot(X-Q). \] وهما مختلفا الإشارة.
لتبرير أن \(X\) لا بد أن تلتقي بالمستقيم المتحرك، نلاحظ أن \(c(t)\) متصلة: فعند تبدّل مركز الدوران من \(A\) إلى \(B\)، تقع النقطتان على المستقيم نفسه، ولذلك \[ u(t)\cdot A=u(t)\cdot B. \] إذن \(u(t)\cdot X-c(t)\) متصلة. واختلاف إشارتها عند الطرفين يقتضي أن تنعدم في موضع ما خلال نصف الدورة. في تلك اللحظة، إما أن تكون \(X\) هي مركز الدوران بالفعل، وإما أن تكون النقطة التي يلتقي بها المستقيم فتصبح مركز الدوران الجديد.
النقطتان \(P\) و\(Q\) هما نفسيهما مركزا الدوران عند الطرفين. وهكذا أثبتنا أن كل نقطة من \(S\) تُستخدم مركزًا للدوران خلال نصف الدورة الأول، بما في ذلك الحالة \(n=2\).
أخيرًا، بعد دورة كاملة، يكون \(u(2\pi)=u_0\). وتقتضي الخاصية الثابتة أن يكون مركز الدوران هو \(A_r=P\)، ويعود المستقيم المتحرك إلى \(\ell\). وهكذا تكون طاحونة الهواء قد عادت إلى حالتها الابتدائية. وبما أن كل التقاء لاحق يتحدد على نحو وحيد، فإن الحركة تتكرر بعد كل دورة كاملة. وبالتالي تُستخدم كل نقطة مركزًا للدوران عددًا لا نهائيًا من المرات.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.