IMO 2011 · Problem 6
Let \(ABC\) be an acute triangle with circumcircle \(\Gamma\). Let \(\ell\) be a tangent line to \(\Gamma\), and let \(\ell_a,\ell_b\) and \(\ell_c\) be the lines obtained by reflecting \(\ell\) in the lines \(BC,CA\) and \(AB\), respectively. Show that the circumcircle of the triangle determined by the lines \(\ell_a,\ell_b\) and \(\ell_c\) is tangent to the circle \(\Gamma\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Apply a similarity so that \(\Gamma\) is the unit circle in the complex plane and \(\ell\) has equation \(\operatorname{Re}z=1\). Let \(a,b,c\) be the complex coordinates of \(A,B,C\), and put \[ s=a+b+c,\qquad p=abc,\qquad d=1-\operatorname{Re}s. \]
The orthocenter of \(ABC\) has coordinate \(s\). Indeed, \[ \operatorname{Re}\bigl((s-a)\overline{(c-b)}\bigr) =\operatorname{Re}(b\bar c-c\bar b)=0, \] so \(s\) lies on the altitude from \(A\), and similarly on the other altitudes. Because \(ABC\) is acute, its orthocenter lies inside the triangle, hence inside \(\Gamma\). Thus \[ |s|<1,\qquad d>0. \] Also, none of \(a+b,b+c,c+a\) is zero: otherwise a side of \(ABC\) would be a diameter, giving a right angle.
Reflection in \(BC\) is the map \[ z\longmapsto b+c-bc\bar z, \] since this is an orientation-reversing isometry fixing \(b\) and \(c\). Consequently, the equation of \(\ell_a\) is \[ \operatorname{Re}(b+c-bc\bar z)=1, \] or, equivalently, \[ \operatorname{Re}\left(a\left(\frac z p+1\right)\right)=-d. \tag{1} \] The equations of \(\ell_b,\ell_c\) follow cyclically. In particular, none of these lines contains \(-p\).
Consider the bijective transformation \[ w=F(z)=-\frac{dp}{z+p}, \qquad z=-p\left(1+\frac d w\right), \] between \(\mathbb C\setminus\{-p\}\) and \(\mathbb C\setminus\{0\}\). By (1), the image of \(\ell_a\) satisfies \[ \operatorname{Re}\frac a w=1 \quad\Longleftrightarrow\quad \left|w-\frac a2\right|=\frac12. \] Thus \(F(\ell_a)\) is the circle \(\omega_a\) with diameter joining \(0\) to \(a\), with \(0\) omitted. Define \(\omega_b,\omega_c\) similarly.
The distinct circles \(\omega_b,\omega_c\) intersect at \[ 0\quad\text{and}\quad m_a=\frac{b+c}{2}, \] because \[ \left|m_a-\frac b2\right| =\left|m_a-\frac c2\right|=\frac12. \] Since \(m_a\ne0\), the lines \(\ell_b,\ell_c\) have the unique intersection \[ X=F^{-1}(m_a). \] Cyclically, their other intersections are \[ Y=F^{-1}\left(\frac{c+a}{2}\right), \qquad Z=F^{-1}\left(\frac{a+b}{2}\right). \] The three midpoints are distinct, so \(X,Y,Z\) are distinct. Hence the three reflected lines form a nondegenerate triangle.
The three midpoints lie on the circle \[ \mathcal N:\quad \left|w-\frac s2\right|=\frac12, \] since, for example, \(m_a-s/2=-a/2\). Moreover, \(0\notin\mathcal N\), because \(|s|<1\).
Its inverse image under \(F\) is a genuine circle. To verify this directly, put \(u=(z+p)/p\), so \(w=-d/u\). The equation of \(\mathcal N\) becomes \[ |su+2d|=|u|, \] which, on completing the square, is \[ \left|u-\frac{2d\bar s}{1-|s|^2}\right| =\frac{2d}{1-|s|^2}. \tag{2} \] The radius is positive, and \(u=0\) does not satisfy (2). Since \(u\) differs from \(z\) by a rotation and translation, this defines a circle \(\mathcal K\) avoiding \(-p\). It passes through \(X,Y,Z\), so it is their circumcircle.
Finally, using \(|p|=1\), we obtain \[ |z|=1 \quad\Longleftrightarrow\quad |w+d|=|w| \quad\Longleftrightarrow\quad \operatorname{Re}w=-\frac d2. \] Thus \(F\) maps \(\Gamma\setminus\{-p\}\) onto the line \[ L:\quad \operatorname{Re}w=-\frac d2. \] The distance from the center \(s/2\) of \(\mathcal N\) to \(L\) is \[ \left|\frac{\operatorname{Re}s+d}{2}\right|=\frac12, \] which equals the radius of \(\mathcal N\). Therefore \(L\) and \(\mathcal N\) have exactly one common point. This point is nonzero, since \(d>0\).
Taking inverse images, and recalling that \(-p\notin\mathcal K\), shows that \(\Gamma\) and \(\mathcal K\) have exactly one common point. They are distinct circles, because \(-p\in\Gamma\) but \(-p\notin\mathcal K\). Hence they are tangent. \(\square\)
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2011 · Aufgabe 6
Es seien \(ABC\) ein spitzwinkliges Dreieck mit dem Umkreis \(\Gamma\) und \(\ell\) eine Tangente an \(\Gamma\). Ferner seien \(\ell_a,\ell_b\) und \(\ell_c\) die Geraden, die durch Spiegelungen von \(\ell\) an den Geraden \(BC,CA\) bzw. \(AB\) entstehen. Man beweise, dass der Umkreis des Dreiecks, das von den Geraden \(\ell_a,\ell_b\) und \(\ell_c\) gebildet wird, den Kreis \(\Gamma\) berührt.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir wenden eine Ähnlichkeitsabbildung an, sodass \(\Gamma\) der Einheitskreis in der komplexen Ebene ist und \(\ell\) die Gleichung \(\operatorname{Re}z=1\) hat. Es seien \(a,b,c\) die komplexen Koordinaten von \(A,B,C\), und wir setzen \[ s=a+b+c,\qquad p=abc,\qquad d=1-\operatorname{Re}s. \]
Der Höhenschnittpunkt von \(ABC\) hat die Koordinate \(s\). Tatsächlich gilt \[ \operatorname{Re}\bigl((s-a)\overline{(c-b)}\bigr) =\operatorname{Re}(b\bar c-c\bar b)=0, \] also liegt \(s\) auf der Höhe durch \(A\), und entsprechend auf den anderen Höhen. Da \(ABC\) spitzwinklig ist, liegt sein Höhenschnittpunkt im Inneren des Dreiecks und somit im Inneren von \(\Gamma\). Daher gilt \[ |s|<1,\qquad d>0. \] Außerdem ist keine der Summen \(a+b,b+c,c+a\) null: Andernfalls wäre eine Seite von \(ABC\) ein Durchmesser, was einen rechten Winkel zur Folge hätte.
Die Spiegelung an \(BC\) ist die Abbildung \[ z\longmapsto b+c-bc\bar z, \] denn dies ist eine orientierungsumkehrende Isometrie, die \(b\) und \(c\) fest lässt. Folglich lautet die Gleichung von \(\ell_a\) \[ \operatorname{Re}(b+c-bc\bar z)=1, \] oder äquivalent dazu \[ \operatorname{Re}\left(a\left(\frac z p+1\right)\right)=-d. \tag{1} \] Die Gleichungen von \(\ell_b,\ell_c\) ergeben sich durch zyklische Vertauschung. Insbesondere enthält keine dieser Geraden \(-p\).
Wir betrachten die bijektive Transformation \[ w=F(z)=-\frac{dp}{z+p}, \qquad z=-p\left(1+\frac d w\right), \] zwischen \(\mathbb C\setminus\{-p\}\) und \(\mathbb C\setminus\{0\}\). Nach (1) erfüllt das Bild von \(\ell_a\) die Gleichung \[ \operatorname{Re}\frac a w=1 \quad\Longleftrightarrow\quad \left|w-\frac a2\right|=\frac12. \] Somit ist \(F(\ell_a)\) der Kreis \(\omega_a\) mit der Verbindungsstrecke von \(0\) und \(a\) als Durchmesser, wobei \(0\) ausgenommen ist. Wir definieren \(\omega_b,\omega_c\) entsprechend.
Die verschiedenen Kreise \(\omega_b,\omega_c\) schneiden sich in \[ 0\quad\text{und}\quad m_a=\frac{b+c}{2}, \] denn \[ \left|m_a-\frac b2\right| =\left|m_a-\frac c2\right|=\frac12. \] Wegen \(m_a\ne0\) haben die Geraden \(\ell_b,\ell_c\) den eindeutigen Schnittpunkt \[ X=F^{-1}(m_a). \] Durch zyklische Vertauschung ergeben sich ihre anderen Schnittpunkte als \[ Y=F^{-1}\left(\frac{c+a}{2}\right), \qquad Z=F^{-1}\left(\frac{a+b}{2}\right). \] Die drei Mittelpunkte sind verschieden, also sind \(X,Y,Z\) verschieden. Daher bilden die drei gespiegelten Geraden ein nicht entartetes Dreieck.
Die drei Mittelpunkte liegen auf dem Kreis \[ \mathcal N:\quad \left|w-\frac s2\right|=\frac12, \] denn beispielsweise gilt \(m_a-s/2=-a/2\). Außerdem gilt \(0\notin\mathcal N\), da \(|s|<1\).
Sein Urbild unter \(F\) ist ein echter Kreis. Um dies direkt zu überprüfen, setzen wir \(u=(z+p)/p\), sodass \(w=-d/u\) gilt. Die Gleichung von \(\mathcal N\) wird zu \[ |su+2d|=|u|, \] was nach quadratischer Ergänzung die Form \[ \left|u-\frac{2d\bar s}{1-|s|^2}\right| =\frac{2d}{1-|s|^2} \tag{2} \] annimmt. Der Radius ist positiv, und \(u=0\) erfüllt (2) nicht. Da sich \(u\) von \(z\) nur durch eine Drehung und eine Verschiebung unterscheidet, definiert dies einen Kreis \(\mathcal K\), der \(-p\) nicht enthält. Er geht durch \(X,Y,Z\), ist also deren Umkreis.
Schließlich erhalten wir unter Verwendung von \(|p|=1\) \[ |z|=1 \quad\Longleftrightarrow\quad |w+d|=|w| \quad\Longleftrightarrow\quad \operatorname{Re}w=-\frac d2. \] Somit bildet \(F\) die Menge \(\Gamma\setminus\{-p\}\) auf die Gerade \[ L:\quad \operatorname{Re}w=-\frac d2 \] ab. Der Abstand des Mittelpunkts \(s/2\) von \(\mathcal N\) zur Geraden \(L\) beträgt \[ \left|\frac{\operatorname{Re}s+d}{2}\right|=\frac12, \] und ist damit gleich dem Radius von \(\mathcal N\). Daher haben \(L\) und \(\mathcal N\) genau einen gemeinsamen Punkt. Dieser Punkt ist nicht null, da \(d>0\).
Betrachten wir die Urbilder und berücksichtigen \(-p\notin\mathcal K\), so sehen wir, dass \(\Gamma\) und \(\mathcal K\) genau einen gemeinsamen Punkt haben. Es sind verschiedene Kreise, denn \(-p\in\Gamma\), aber \(-p\notin\mathcal K\). Also berühren sie einander. \(\square\)
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2011 · Soru 6
\(ABC\), çevrel çemberi \(\Gamma\) olan dar açılı bir üçgen olsun. \(\ell\), \(\Gamma\) ya teğet olan bir doğru ve \(\ell\) nin \(BC,CA\) ve \(AB\) doğrularına göre yansıtılmasıyla elde edilen doğrular da sırasıyla, \(\ell_a,\ell_b\) ve \(\ell_c\) olsun. \(\ell_a,\ell_b\) ve \(\ell_c\) doğrularının belirlediği üçgenin çevrel çemberinin \(\Gamma\) çemberine teğet olduğunu gösteriniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(\Gamma\) karmaşık düzlemde birim çember ve \(\ell\) nin denklemi \(\operatorname{Re}z=1\) olacak şekilde bir benzerlik dönüşümü uygulayalım. \(A,B,C\) nin karmaşık koordinatları \(a,b,c\) olsun ve \[ s=a+b+c,\qquad p=abc,\qquad d=1-\operatorname{Re}s \] olarak tanımlayalım.
\(ABC\) nin diklik merkezinin koordinatı \(s\) dir. Gerçekten, \[ \operatorname{Re}\bigl((s-a)\overline{(c-b)}\bigr) =\operatorname{Re}(b\bar c-c\bar b)=0 \] olduğundan \(s\), \(A\) dan çizilen yükseklik üzerinde ve benzer şekilde diğer yükseklikler üzerinde yer alır. \(ABC\) dar açılı olduğundan diklik merkezi üçgenin içinde, dolayısıyla \(\Gamma\) nın içinde yer alır. Böylece \[ |s|<1,\qquad d>0. \] Ayrıca, \(a+b,b+c,c+a\) nın hiçbiri sıfır değildir: aksi halde \(ABC\) nin bir kenarı çap olur ve bir dik açı oluşurdu.
\(BC\) doğrusuna göre yansıma, \[ z\longmapsto b+c-bc\bar z, \] dönüşümüdür; çünkü bu, \(b\) ve \(c\) yi sabit bırakan, yönelimi tersine çeviren bir izometridir. Dolayısıyla \(\ell_a\) nın denklemi \[ \operatorname{Re}(b+c-bc\bar z)=1, \] veya eşdeğer olarak, \[ \operatorname{Re}\left(a\left(\frac z p+1\right)\right)=-d \tag{1} \] olur. \(\ell_b,\ell_c\) nin denklemleri döngüsel olarak elde edilir. Özellikle, bu doğruların hiçbiri \(-p\) yi içermez.
Bire bir ve örten \[ w=F(z)=-\frac{dp}{z+p}, \qquad z=-p\left(1+\frac d w\right) \] dönüşümünü \(\mathbb C\setminus\{-p\}\) ile \(\mathbb C\setminus\{0\}\) arasında ele alalım. (1) gereği, \(\ell_a\) nın görüntüsü \[ \operatorname{Re}\frac a w=1 \quad\Longleftrightarrow\quad \left|w-\frac a2\right|=\frac12 \] koşulunu sağlar. Böylece \(F(\ell_a)\), çapı \(0\) ile \(a\) yı birleştiren doğru parçası olan \(\omega_a\) çemberinden \(0\) çıkarılarak elde edilen kümedir. \(\omega_b,\omega_c\) yi benzer şekilde tanımlayalım.
Birbirinden farklı \(\omega_b,\omega_c\) çemberleri \[ 0\quad\text{ve}\quad m_a=\frac{b+c}{2} \] noktalarında kesişir; çünkü \[ \left|m_a-\frac b2\right| =\left|m_a-\frac c2\right|=\frac12. \] \(m_a\ne0\) olduğundan, \(\ell_b,\ell_c\) doğrularının tek kesişim noktası \[ X=F^{-1}(m_a) \] olur. Döngüsel olarak, diğer kesişim noktaları \[ Y=F^{-1}\left(\frac{c+a}{2}\right), \qquad Z=F^{-1}\left(\frac{a+b}{2}\right) \] olur. Üç orta nokta birbirinden farklı olduğundan \(X,Y,Z\) birbirinden farklıdır. Dolayısıyla yansımayla elde edilen üç doğru, dejenere olmayan bir üçgen oluşturur.
Üç orta nokta \[ \mathcal N:\quad \left|w-\frac s2\right|=\frac12 \] çemberi üzerindedir; çünkü örneğin, \(m_a-s/2=-a/2\) dir. Üstelik, \(|s|<1\) olduğundan \(0\notin\mathcal N\) dir.
Bu çemberin \(F\) altındaki ters görüntüsü gerçek bir çemberdir. Bunu doğrudan doğrulamak için \(u=(z+p)/p\) koyalım; böylece \(w=-d/u\) olur. \(\mathcal N\) nin denklemi \[ |su+2d|=|u| \] haline gelir; bu da tam kareye tamamlanınca \[ \left|u-\frac{2d\bar s}{1-|s|^2}\right| =\frac{2d}{1-|s|^2} \tag{2} \] olur. Yarıçap pozitiftir ve \(u=0\), (2) yi sağlamaz. \(u\), \(z\) den bir dönme ve öteleme ile elde edildiğinden, bu denklem \(-p\) den geçmeyen bir \(\mathcal K\) çemberi tanımlar. Bu çember \(X,Y,Z\) den geçer; dolayısıyla onların çevrel çemberidir.
Son olarak, \(|p|=1\) eşitliğini kullanarak \[ |z|=1 \quad\Longleftrightarrow\quad |w+d|=|w| \quad\Longleftrightarrow\quad \operatorname{Re}w=-\frac d2 \] elde ederiz. Böylece \(F\), \(\Gamma\setminus\{-p\}\) yi \[ L:\quad \operatorname{Re}w=-\frac d2 \] doğrusu üzerine götürür. \(\mathcal N\) nin merkezi \(s/2\) nin \(L\) ye uzaklığı \[ \left|\frac{\operatorname{Re}s+d}{2}\right|=\frac12, \] olup \(\mathcal N\) nin yarıçapına eşittir. Dolayısıyla \(L\) ile \(\mathcal N\) nin tam olarak bir ortak noktası vardır. \(d>0\) olduğundan bu nokta sıfır değildir.
Ters görüntüleri alıp \(-p\notin\mathcal K\) olduğunu hatırlarsak, \(\Gamma\) ile \(\mathcal K\) nin tam olarak bir ortak noktası olduğunu görürüz. Bunlar farklı çemberlerdir; çünkü \(-p\in\Gamma\) iken \(-p\notin\mathcal K\) dir. Öyleyse birbirlerine teğettirler. \(\square\)
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2011 · Problema 6
Sea \(ABC\) un triángulo acutángulo cuya circunferencia circunscrita es \(\Gamma\). Sea \(\ell\) una recta tangente a \(\Gamma\), y sean \(\ell_a\), \(\ell_b\) y \(\ell_c\) las rectas que se obtienen al reflejar \(\ell\) con respecto a las rectas \(BC\), \(CA\) y \(AB\), respectivamente. Demostrar que la circunferencia circunscrita del triángulo determinado por las rectas \(\ell_a\), \(\ell_b\) y \(\ell_c\) es tangente a la circunferencia \(\Gamma\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Apliquemos una semejanza de modo que \(\Gamma\) sea la circunferencia unidad en el plano complejo y \(\ell\) tenga ecuación \(\operatorname{Re}z=1\). Sean \(a,b,c\) las coordenadas complejas de \(A,B,C\), y pongamos \[ s=a+b+c,\qquad p=abc,\qquad d=1-\operatorname{Re}s. \]
El ortocentro de \(ABC\) tiene coordenada \(s\). En efecto, \[ \operatorname{Re}\bigl((s-a)\overline{(c-b)}\bigr) =\operatorname{Re}(b\bar c-c\bar b)=0, \] por lo que \(s\) está en la altura desde \(A\), y de manera análoga en las otras alturas. Como \(ABC\) es acutángulo, su ortocentro está en el interior del triángulo y, por tanto, en el interior de \(\Gamma\). Así, \[ |s|<1,\qquad d>0. \] Además, ninguno de \(a+b,b+c,c+a\) es cero: de lo contrario, un lado de \(ABC\) sería un diámetro, lo que daría un ángulo recto.
La reflexión respecto de \(BC\) es la aplicación \[ z\longmapsto b+c-bc\bar z, \] pues esta es una isometría que invierte la orientación y fija \(b\) y \(c\). En consecuencia, la ecuación de \(\ell_a\) es \[ \operatorname{Re}(b+c-bc\bar z)=1, \] o, equivalentemente, \[ \operatorname{Re}\left(a\left(\frac z p+1\right)\right)=-d. \tag{1} \] Las ecuaciones de \(\ell_b,\ell_c\) se obtienen por permutación cíclica. En particular, ninguna de estas rectas contiene a \(-p\).
Consideremos la transformación biyectiva \[ w=F(z)=-\frac{dp}{z+p}, \qquad z=-p\left(1+\frac d w\right), \] entre \(\mathbb C\setminus\{-p\}\) y \(\mathbb C\setminus\{0\}\). Por (1), la imagen de \(\ell_a\) satisface \[ \operatorname{Re}\frac a w=1 \quad\Longleftrightarrow\quad \left|w-\frac a2\right|=\frac12. \] Así, \(F(\ell_a)\) es la circunferencia \(\omega_a\) cuyo diámetro une \(0\) con \(a\), excluyendo \(0\). Definamos \(\omega_b,\omega_c\) de manera análoga.
Las circunferencias distintas \(\omega_b,\omega_c\) se cortan en \[ 0\quad\text{y}\quad m_a=\frac{b+c}{2}, \] porque \[ \left|m_a-\frac b2\right| =\left|m_a-\frac c2\right|=\frac12. \] Como \(m_a\ne0\), las rectas \(\ell_b,\ell_c\) tienen una única intersección \[ X=F^{-1}(m_a). \] Por permutación cíclica, sus otras intersecciones son \[ Y=F^{-1}\left(\frac{c+a}{2}\right), \qquad Z=F^{-1}\left(\frac{a+b}{2}\right). \] Los tres puntos medios son distintos, por lo que \(X,Y,Z\) son distintos. Por tanto, las tres rectas reflejadas forman un triángulo no degenerado.
Los tres puntos medios están sobre la circunferencia \[ \mathcal N:\quad \left|w-\frac s2\right|=\frac12, \] pues, por ejemplo, \(m_a-s/2=-a/2\). Además, \(0\notin\mathcal N\), porque \(|s|<1\).
Su imagen inversa por \(F\) es una circunferencia propiamente dicha. Para comprobarlo directamente, pongamos \(u=(z+p)/p\), de modo que \(w=-d/u\). La ecuación de \(\mathcal N\) se convierte en \[ |su+2d|=|u|, \] que, completando el cuadrado, queda \[ \left|u-\frac{2d\bar s}{1-|s|^2}\right| =\frac{2d}{1-|s|^2}. \tag{2} \] El radio es positivo, y \(u=0\) no satisface (2). Como \(u\) se obtiene de \(z\) mediante una rotación y una traslación, esto define una circunferencia \(\mathcal K\) que no pasa por \(-p\). Pasa por \(X,Y,Z\), por lo que es su circunferencia circunscrita.
Finalmente, usando \(|p|=1\), obtenemos \[ |z|=1 \quad\Longleftrightarrow\quad |w+d|=|w| \quad\Longleftrightarrow\quad \operatorname{Re}w=-\frac d2. \] Así, \(F\) aplica \(\Gamma\setminus\{-p\}\) sobre la recta \[ L:\quad \operatorname{Re}w=-\frac d2. \] La distancia del centro \(s/2\) de \(\mathcal N\) a \(L\) es \[ \left|\frac{\operatorname{Re}s+d}{2}\right|=\frac12, \] que es igual al radio de \(\mathcal N\). Por tanto, \(L\) y \(\mathcal N\) tienen exactamente un punto en común. Este punto es distinto de cero, pues \(d>0\).
Tomando imágenes inversas, y recordando que \(-p\notin\mathcal K\), se deduce que \(\Gamma\) y \(\mathcal K\) tienen exactamente un punto en común. Son circunferencias distintas, porque \(-p\in\Gamma\) pero \(-p\notin\mathcal K\). Por tanto, son tangentes. \(\square\)
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2011 · 问题 6
设锐角三角形 \(ABC\) 的外接圆为 \(\Gamma\),\(\ell\) 是圆 \(\Gamma\) 的一条切线。记切线 \(\ell\) 关于直线 \(BC\),\(CA\) 和 \(AB\) 的对称直线分别为 \(\ell_a\),\(\ell_b\) 和 \(\ell_c\)。证明:由直线 \(\ell_a\),\(\ell_b\) 和 \(\ell_c\) 构成的三角形的外接圆与圆 \(\Gamma\) 相切。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
作一个相似变换,使 \(\Gamma\) 成为复平面上的单位圆,且 \(\ell\) 的方程为 \(\operatorname{Re}z=1\)。设 \(a,b,c\) 分别为 \(A,B,C\) 的复数坐标,并令 \[ s=a+b+c,\qquad p=abc,\qquad d=1-\operatorname{Re}s. \]
\(ABC\) 的垂心的坐标为 \(s\)。事实上, \[ \operatorname{Re}\bigl((s-a)\overline{(c-b)}\bigr) =\operatorname{Re}(b\bar c-c\bar b)=0, \] 所以 \(s\) 位于从 \(A\) 引出的高上,同理也位于其他两条高上。因为 \(ABC\) 是锐角三角形,其垂心位于三角形内部,从而位于 \(\Gamma\) 内部。因此 \[ |s|<1,\qquad d>0. \] 另外,\(a+b,b+c,c+a\) 均不为零:否则,\(ABC\) 的一条边将是直径,从而产生一个直角。
关于 \(BC\) 的反射是映射 \[ z\longmapsto b+c-bc\bar z, \] 因为这是一个保持 \(b\) 和 \(c\) 不动的反向等距变换。因此,\(\ell_a\) 的方程为 \[ \operatorname{Re}(b+c-bc\bar z)=1, \] 或者等价地, \[ \operatorname{Re}\left(a\left(\frac z p+1\right)\right)=-d. \tag{1} \] 循环替换即可得到 \(\ell_b,\ell_c\) 的方程。特别地,这些直线都不经过 \(-p\)。
考虑 \(\mathbb C\setminus\{-p\}\) 与 \(\mathbb C\setminus\{0\}\) 之间的双射变换 \[ w=F(z)=-\frac{dp}{z+p}, \qquad z=-p\left(1+\frac d w\right), \] 由 (1),\(\ell_a\) 的像满足 \[ \operatorname{Re}\frac a w=1 \quad\Longleftrightarrow\quad \left|w-\frac a2\right|=\frac12. \] 因此,\(F(\ell_a)\) 是以连接 \(0\) 与 \(a\) 的线段为直径的圆 \(\omega_a\) 去掉点 \(0\) 后所得的集合。类似地定义 \(\omega_b,\omega_c\)。
两个不同的圆 \(\omega_b,\omega_c\) 相交于 \[ 0\quad\text{和}\quad m_a=\frac{b+c}{2}, \] 因为 \[ \left|m_a-\frac b2\right| =\left|m_a-\frac c2\right|=\frac12. \] 由于 \(m_a\ne0\),直线 \(\ell_b,\ell_c\) 有唯一的交点 \[ X=F^{-1}(m_a). \] 循环替换可得其余两个交点为 \[ Y=F^{-1}\left(\frac{c+a}{2}\right), \qquad Z=F^{-1}\left(\frac{a+b}{2}\right). \] 这三个中点互不相同,所以 \(X,Y,Z\) 互不相同。因此,三条反射所得的直线构成一个非退化三角形。
这三个中点位于圆 \[ \mathcal N:\quad \left|w-\frac s2\right|=\frac12, \] 上,因为例如有 \(m_a-s/2=-a/2\)。此外,由于 \(|s|<1\),有 \(0\notin\mathcal N\)。
它在 \(F\) 下的原像是一个真正的圆。为直接验证这一点,令 \(u=(z+p)/p\),则 \(w=-d/u\)。\(\mathcal N\) 的方程变为 \[ |su+2d|=|u|, \] 配方后得到 \[ \left|u-\frac{2d\bar s}{1-|s|^2}\right| =\frac{2d}{1-|s|^2}. \tag{2} \] 半径为正,且 \(u=0\) 不满足 (2)。由于 \(u\) 与 \(z\) 之间只相差一个旋转和平移,这就定义了一个不经过 \(-p\) 的圆 \(\mathcal K\)。它经过 \(X,Y,Z\),所以是它们的外接圆。
最后,利用 \(|p|=1\),可得 \[ |z|=1 \quad\Longleftrightarrow\quad |w+d|=|w| \quad\Longleftrightarrow\quad \operatorname{Re}w=-\frac d2. \] 因此,\(F\) 将 \(\Gamma\setminus\{-p\}\) 映满直线 \[ L:\quad \operatorname{Re}w=-\frac d2. \] \(\mathcal N\) 的圆心 \(s/2\) 到 \(L\) 的距离为 \[ \left|\frac{\operatorname{Re}s+d}{2}\right|=\frac12, \] 这等于 \(\mathcal N\) 的半径。因此,\(L\) 与 \(\mathcal N\) 恰有一个公共点。由于 \(d>0\),这个点非零。
取原像,并注意到 \(-p\notin\mathcal K\),可知 \(\Gamma\) 与 \(\mathcal K\) 恰有一个公共点。它们是两个不同的圆,因为 \(-p\in\Gamma\),但 \(-p\notin\mathcal K\)。因此它们相切。\(\square\)
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2011 · Задача 6
Пусть \(ABC\) — остроугольный треугольник, и \(\Gamma\) — описанная около него окружность. Пусть прямая \(\ell\) — некоторая касательная к окружности \(\Gamma\), и пусть \(\ell_a\), \(\ell_b\) и \(\ell_c\) — прямые, симметричные прямой \(\ell\) относительно прямых \(BC\), \(CA\) и \(AB\) соответственно. Докажите, что окружность, описанная около треугольника, образованного прямыми \(\ell_a\), \(\ell_b\) и \(\ell_c\), касается окружности \(\Gamma\).
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Применим подобие так, чтобы \(\Gamma\) стала единичной окружностью на комплексной плоскости, а \(\ell\) задавалась уравнением \(\operatorname{Re}z=1\). Пусть \(a,b,c\) — комплексные координаты \(A,B,C\), и положим \[ s=a+b+c,\qquad p=abc,\qquad d=1-\operatorname{Re}s. \]
Ортоцентр \(ABC\) имеет координату \(s\). Действительно, \[ \operatorname{Re}\bigl((s-a)\overline{(c-b)}\bigr) =\operatorname{Re}(b\bar c-c\bar b)=0, \] поэтому \(s\) лежит на высоте из \(A\), и аналогично — на остальных высотах. Поскольку \(ABC\) остроугольный, его ортоцентр лежит внутри треугольника, а значит, внутри \(\Gamma\). Таким образом, \[ |s|<1,\qquad d>0. \] Кроме того, ни одно из чисел \(a+b,b+c,c+a\) не равно нулю: иначе одна из сторон \(ABC\) была бы диаметром, и противолежащий угол был бы прямым.
Симметрия относительно \(BC\) задается отображением \[ z\longmapsto b+c-bc\bar z, \] поскольку это меняющая ориентацию изометрия, оставляющая \(b\) и \(c\) неподвижными. Следовательно, уравнение \(\ell_a\) имеет вид \[ \operatorname{Re}(b+c-bc\bar z)=1, \] или, равносильно, \[ \operatorname{Re}\left(a\left(\frac z p+1\right)\right)=-d. \tag{1} \] Уравнения \(\ell_b,\ell_c\) получаются циклической перестановкой. В частности, ни одна из этих прямых не содержит \(-p\).
Рассмотрим взаимно однозначное преобразование \[ w=F(z)=-\frac{dp}{z+p}, \qquad z=-p\left(1+\frac d w\right), \] между \(\mathbb C\setminus\{-p\}\) и \(\mathbb C\setminus\{0\}\). Согласно (1), образ \(\ell_a\) удовлетворяет уравнению \[ \operatorname{Re}\frac a w=1 \quad\Longleftrightarrow\quad \left|w-\frac a2\right|=\frac12. \] Таким образом, \(F(\ell_a)\) — это окружность \(\omega_a\) с диаметром, соединяющим \(0\) и \(a\), из которой удалена точка \(0\). Аналогично определим \(\omega_b,\omega_c\).
Различные окружности \(\omega_b,\omega_c\) пересекаются в точках \[ 0\quad\text{и}\quad m_a=\frac{b+c}{2}, \] поскольку \[ \left|m_a-\frac b2\right| =\left|m_a-\frac c2\right|=\frac12. \] Так как \(m_a\ne0\), прямые \(\ell_b,\ell_c\) имеют единственную точку пересечения \[ X=F^{-1}(m_a). \] Циклической перестановкой получаем остальные точки пересечения: \[ Y=F^{-1}\left(\frac{c+a}{2}\right), \qquad Z=F^{-1}\left(\frac{a+b}{2}\right). \] Три середины сторон попарно различны, поэтому \(X,Y,Z\) попарно различны. Следовательно, три отраженные прямые образуют невырожденный треугольник.
Три середины сторон лежат на окружности \[ \mathcal N:\quad \left|w-\frac s2\right|=\frac12, \] поскольку, например, \(m_a-s/2=-a/2\). Кроме того, \(0\notin\mathcal N\), так как \(|s|<1\).
Ее прообраз при \(F\) является обычной окружностью. Чтобы проверить это непосредственно, положим \(u=(z+p)/p\), так что \(w=-d/u\). Уравнение \(\mathcal N\) принимает вид \[ |su+2d|=|u|, \] а после выделения полного квадрата — вид \[ \left|u-\frac{2d\bar s}{1-|s|^2}\right| =\frac{2d}{1-|s|^2}. \tag{2} \] Радиус положителен, а \(u=0\) не удовлетворяет (2). Поскольку \(u\) получается из \(z\) поворотом и параллельным переносом, это уравнение задает окружность \(\mathcal K\), не проходящую через \(-p\). Она проходит через \(X,Y,Z\), поэтому является описанной окружностью этого треугольника.
Наконец, используя \(|p|=1\), получаем \[ |z|=1 \quad\Longleftrightarrow\quad |w+d|=|w| \quad\Longleftrightarrow\quad \operatorname{Re}w=-\frac d2. \] Таким образом, \(F\) отображает \(\Gamma\setminus\{-p\}\) на прямую \[ L:\quad \operatorname{Re}w=-\frac d2. \] Расстояние от центра \(s/2\) окружности \(\mathcal N\) до \(L\) равно \[ \left|\frac{\operatorname{Re}s+d}{2}\right|=\frac12, \] то есть равно радиусу \(\mathcal N\). Поэтому \(L\) и \(\mathcal N\) имеют ровно одну общую точку. Эта точка отлична от нуля, поскольку \(d>0\).
Переходя к прообразам и вспоминая, что \(-p\notin\mathcal K\), получаем, что \(\Gamma\) и \(\mathcal K\) имеют ровно одну общую точку. Эти окружности различны, поскольку \(-p\in\Gamma\), но \(-p\notin\mathcal K\). Следовательно, они касаются. \(\square\)
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2011 · المسألة 6
لدينا مثلث \(ABC\) حاد الزوايا و \(\Gamma\) الدائرة المارة برؤوسه. ليكن \(l\) مستقيماً مماساً للدائرة \(\Gamma\). لتكن \(l_a,l_b,l_c\) المستقيمات المنعكسة من المستقيم (المناظرة للمستقيم) \(l\) نسبة إلى المستقيمات \(BC,CA,AB\) على الترتيب. بيّن أن الدائرة المحيطة برؤوس المثلث المتعين بالمستقيمات \(l_a,l_b,l_c\) تمس الدائرة \(\Gamma\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نطبّق تشابهًا بحيث تكون \(\Gamma\) دائرة الوحدة في المستوى العقدي، وتكون معادلة \(\ell\) هي \(\operatorname{Re}z=1\). لتكن \(a,b,c\) الإحداثيات العقدية للنقاط \(A,B,C\)، ونضع \[ s=a+b+c,\qquad p=abc,\qquad d=1-\operatorname{Re}s. \]
إحداثي ملتقى ارتفاعات \(ABC\) هو \(s\). بالفعل، \[ \operatorname{Re}\bigl((s-a)\overline{(c-b)}\bigr) =\operatorname{Re}(b\bar c-c\bar b)=0, \] ولذا تقع \(s\) على الارتفاع الخارج من \(A\)، وبالمثل على الارتفاعين الآخرين. وبما أن \(ABC\) حاد الزوايا، فإن ملتقى ارتفاعاته يقع داخل المثلث، ومن ثم داخل \(\Gamma\). إذن \[ |s|<1,\qquad d>0. \] كذلك، لا يساوي أي من \(a+b,b+c,c+a\) صفرًا: وإلا لكان أحد أضلاع \(ABC\) قطرًا، مما يعطي زاوية قائمة.
الانعكاس بالنسبة إلى \(BC\) هو التحويل \[ z\longmapsto b+c-bc\bar z, \] إذ إنه تقايس يعكس التوجيه ويثبّت \(b\) و\(c\). وبناءً عليه، فإن معادلة \(\ell_a\) هي \[ \operatorname{Re}(b+c-bc\bar z)=1, \] أو، على نحو مكافئ، \[ \operatorname{Re}\left(a\left(\frac z p+1\right)\right)=-d. \tag{1} \] وتُستنتج معادلتا \(\ell_b,\ell_c\) بالتبديل الدوري. وعلى وجه الخصوص، لا يحتوي أي من هذه المستقيمات على \(-p\).
ننظر إلى التحويل التقابلي \[ w=F(z)=-\frac{dp}{z+p}, \qquad z=-p\left(1+\frac d w\right), \] بين \(\mathbb C\setminus\{-p\}\) و\(\mathbb C\setminus\{0\}\). بحسب (1)، تحقق صورة \(\ell_a\) \[ \operatorname{Re}\frac a w=1 \quad\Longleftrightarrow\quad \left|w-\frac a2\right|=\frac12. \] إذن \(F(\ell_a)\) هي الدائرة \(\omega_a\) التي قطرها القطعة الواصلة بين \(0\) و\(a\)، مع حذف \(0\). ونعرّف \(\omega_b,\omega_c\) بالمثل.
تتقاطع الدائرتان المختلفتان \(\omega_b,\omega_c\) عند \[ 0\quad\text{و}\quad m_a=\frac{b+c}{2}, \] لأن \[ \left|m_a-\frac b2\right| =\left|m_a-\frac c2\right|=\frac12. \] وبما أن \(m_a\ne0\)، فإن للمستقيمين \(\ell_b,\ell_c\) نقطة تقاطع وحيدة هي \[ X=F^{-1}(m_a). \] وبالتبديل الدوري، تكون نقطتا التقاطع الأخريان هي \[ Y=F^{-1}\left(\frac{c+a}{2}\right), \qquad Z=F^{-1}\left(\frac{a+b}{2}\right). \] نقاط المنتصف الثلاث مختلفة، لذا فإن \(X,Y,Z\) مختلفة. ومن ثم تشكّل المستقيمات المنعكسة الثلاثة مثلثًا غير منحل.
تقع نقاط المنتصف الثلاث على الدائرة \[ \mathcal N:\quad \left|w-\frac s2\right|=\frac12, \] إذ إن، مثلًا، \(m_a-s/2=-a/2\). فضلًا عن ذلك، \(0\notin\mathcal N\)، لأن \(|s|<1\).
صورتها العكسية تحت \(F\) دائرة حقيقية. للتحقق من ذلك مباشرة، نضع \(u=(z+p)/p\)، بحيث \(w=-d/u\). تصبح معادلة \(\mathcal N\) \[ |su+2d|=|u|, \] وبإكمال المربع تصبح \[ \left|u-\frac{2d\bar s}{1-|s|^2}\right| =\frac{2d}{1-|s|^2}. \tag{2} \] نصف القطر موجب، ولا يحقق \(u=0\) المعادلة (2). وبما أن \(u\) يُستحصل عليه من \(z\) بدوران وانسحاب، فإن هذه المعادلة تعرّف دائرة \(\mathcal K\) لا تمر بالنقطة \(-p\). وهي تمر بالنقاط \(X,Y,Z\)، ولذلك فهي دائرتها المحيطة.
أخيرًا، باستخدام \(|p|=1\)، نحصل على \[ |z|=1 \quad\Longleftrightarrow\quad |w+d|=|w| \quad\Longleftrightarrow\quad \operatorname{Re}w=-\frac d2. \] إذن يحوّل \(F\) المجموعة \(\Gamma\setminus\{-p\}\) إلى المستقيم \[ L:\quad \operatorname{Re}w=-\frac d2. \] المسافة من مركز \(\mathcal N\)، وهو \(s/2\)، إلى \(L\) هي \[ \left|\frac{\operatorname{Re}s+d}{2}\right|=\frac12, \] وهي تساوي نصف قطر \(\mathcal N\). لذلك فإن لـ\(L\) و\(\mathcal N\) نقطة مشتركة واحدة بالضبط. وهذه النقطة غير صفرية، لأن \(d>0\).
بأخذ الصور العكسية، واستحضار أن \(-p\notin\mathcal K\)، يتبين أن لـ\(\Gamma\) و\(\mathcal K\) نقطة مشتركة واحدة بالضبط. وهما دائرتان مختلفتان، لأن \(-p\in\Gamma\) لكن \(-p\notin\mathcal K\). ومن ثم فهما متماستان. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.