IMO 2012 · Problem 1
Given triangle \(ABC\) the point \(J\) is the centre of the excircle opposite the vertex \(A\). This excircle is tangent to the side \(BC\) at \(M\), and to the lines \(AB\) and \(AC\) at \(K\) and \(L\), respectively. The lines \(LM\) and \(BJ\) meet at \(F\), and the lines \(KM\) and \(CJ\) meet at \(G\). Let \(S\) be the point of intersection of the lines \(AF\) and \(BC\), and let \(T\) be the point of intersection of the lines \(AG\) and \(BC\). Prove that \(M\) is the midpoint of \(ST\).
(The excircle of \(ABC\) opposite the vertex \(A\) is the circle that is tangent to the line segment \(BC\), to the ray \(AB\) beyond \(B\), and to the ray \(AC\) beyond \(C\).)
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Choose points \(X,Y\) on the line \(BC\), with \(X\) beyond \(B\) and \(Y\) beyond \(C\), such that \[ BX=BA,\qquad CY=CA. \] We will show that \(S=X\) and \(T=Y\).
Equal tangent lengths from \(A,B,C\) give \[ AK=AL,\qquad BK=BM,\qquad CL=CM. \] Since the orders of the relevant points are \(A,B,K\), \(A,C,L\), and \(X,B,M,C,Y\), we obtain \[ XM=XB+BM=AB+BK=AK \] and \[ MY=MC+CY=CL+CA=AL. \] Thus \(XM=MY\), so \(M\) is the midpoint of \(XY\).
Next, \(BM=BK\) and \(JM=JK\) show that \(BJ\) is the perpendicular bisector of \(MK\). Reflection in \(BJ\) therefore interchanges \(K\) and \(M\), and hence the rays \(BK\) and \(BM\). The rays \(BA\) and \(BX\) are opposite to these respective rays, and \(BA=BX\); consequently, this reflection maps \(A\) to \(X\). Thus \(BJ\) is also the perpendicular bisector of \(AX\).
Similarly, \(CJ\) is the perpendicular bisector of \(ML\). Reflection in \(CJ\) interchanges the rays \(CL\) and \(CM\), and therefore maps \(A\) to \(Y\). Hence \(CJ\) is also the perpendicular bisector of \(AY\).
Let \(P,Q\) be the midpoints of \(AX,AY\), respectively. The preceding observations give \[ P\in BJ,\qquad Q\in CJ,\qquad AX\perp BJ,\qquad AY\perp CJ. \] Applying the midpoint theorem in the nondegenerate triangle \(AXY\), we have \[ MP\parallel AY,\qquad MQ\parallel AX. \] But \(LM\perp CJ\) and \(KM\perp BJ\). Therefore \[ MP\parallel LM,\qquad MQ\parallel KM. \] Since these lines pass through \(M\), it follows that \(P\in LM\) and \(Q\in KM\). Consequently, \[ F=P,\qquad G=Q. \] These intersections are unique: \(J\notin BC\) and \(M\) lies strictly between \(B\) and \(C\), so \(M\notin BJ\cup CJ\); hence \(LM\ne BJ\) and \(KM\ne CJ\).
Finally, \(P\) and \(Q\) are interior points of \(AX\) and \(AY\), so \(AF=AX\) and \(AG=AY\) as lines. Since \(A\notin BC\), their intersections with \(BC\) are precisely \(X\) and \(Y\). Thus \(S=X\) and \(T=Y\), and the already established equality \(XM=MY\) proves that \(M\) is the midpoint of \(ST\). \(\square\)
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2012 · Aufgabe 1
Zum Dreieck \(ABC\) sei \(J\) der Mittelpunkt des Ankreises, der dem Eckpunkt \(A\) gegenüber liegt. Dieser Ankreis berührt \(BC\) in \(M\) und \(AB\) und \(AC\) in \(K\) bzw. \(L\). Die Geraden \(LM\) und \(BJ\) schneiden sich in \(F\) und die Geraden \(KM\) und \(CJ\) schneiden sich in \(G\). Es seien \(S\) der Schnittpunkt der Geraden \(AF\) und \(BC\) sowie \(T\) der Schnittpunkt der Geraden \(AG\) und \(BC\). Man beweise, dass \(M\) der Mittelpunkt von \(ST\) ist.
(Der Ankreis von \(ABC\), der dem Eckpunkt \(A\) gegenüber liegt, ist der Kreis, der die Strecke \(BC\) berührt sowie den Strahl \(AB\) jenseits von \(B\) und den Strahl \(AC\) jenseits von \(C\).)
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir wählen Punkte \(X,Y\) auf der Geraden \(BC\), wobei \(X\) jenseits von \(B\) und \(Y\) jenseits von \(C\) liegt, so dass \[ BX=BA,\qquad CY=CA. \] Wir zeigen, dass \(S=X\) und \(T=Y\) gilt.
Aus der Gleichheit der Tangentenabschnitte von \(A,B,C\) aus folgt \[ AK=AL,\qquad BK=BM,\qquad CL=CM. \] Da die betreffenden Punkte in den Reihenfolgen \(A,B,K\), \(A,C,L\) und \(X,B,M,C,Y\) liegen, erhalten wir \[ XM=XB+BM=AB+BK=AK \] und \[ MY=MC+CY=CL+CA=AL. \] Somit ist \(XM=MY\), also ist \(M\) der Mittelpunkt von \(XY\).
Weiter zeigen \(BM=BK\) und \(JM=JK\), dass \(BJ\) die Mittelsenkrechte von \(MK\) ist. Die Spiegelung an \(BJ\) vertauscht daher \(K\) und \(M\) und somit die Strahlen \(BK\) und \(BM\). Die Strahlen \(BA\) und \(BX\) sind die Gegenstrahlen dieser beiden Strahlen, und es gilt \(BA=BX\); folglich bildet diese Spiegelung \(A\) auf \(X\) ab. Somit ist \(BJ\) auch die Mittelsenkrechte von \(AX\).
Ebenso ist \(CJ\) die Mittelsenkrechte von \(ML\). Die Spiegelung an \(CJ\) vertauscht die Strahlen \(CL\) und \(CM\) und bildet daher \(A\) auf \(Y\) ab. Also ist \(CJ\) auch die Mittelsenkrechte von \(AY\).
Es seien \(P,Q\) die Mittelpunkte von \(AX\) bzw. \(AY\). Aus den vorangehenden Beobachtungen folgt \[ P\in BJ,\qquad Q\in CJ,\qquad AX\perp BJ,\qquad AY\perp CJ. \] Nach dem Mittelliniensatz im nicht entarteten Dreieck \(AXY\) gilt \[ MP\parallel AY,\qquad MQ\parallel AX. \] Es gilt aber \(LM\perp CJ\) und \(KM\perp BJ\). Daher ist \[ MP\parallel LM,\qquad MQ\parallel KM. \] Da diese Geraden durch \(M\) gehen, folgt \(P\in LM\) und \(Q\in KM\). Folglich gilt \[ F=P,\qquad G=Q. \] Diese Schnittpunkte sind eindeutig: Es gilt \(J\notin BC\), und \(M\) liegt echt zwischen \(B\) und \(C\), also ist \(M\notin BJ\cup CJ\); daher gilt \(LM\ne BJ\) und \(KM\ne CJ\).
Schließlich sind \(P\) und \(Q\) innere Punkte von \(AX\) bzw. \(AY\), also gilt \(AF=AX\) und \(AG=AY\) als Gleichheit von Geraden. Da \(A\notin BC\), sind ihre Schnittpunkte mit \(BC\) genau \(X\) und \(Y\). Somit gilt \(S=X\) und \(T=Y\), und die bereits bewiesene Gleichheit \(XM=MY\) zeigt, dass \(M\) der Mittelpunkt von \(ST\) ist. \(\square\)
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2012 · Soru 1
Bir \(ABC\) üçgeninde \(A\) köşesinin karşısındaki dışteğet çemberin merkezi \(J\) noktası olsun. Bu dışteğet çember \(BC\) kenarına \(M\), \(AB\) ve \(AC\) doğrularına ise sırasıyla \(K\) ve \(L\) noktalarında teğettir. \(LM\) ve \(BJ\) doğruları \(F\) noktasında, \(KM\) ve \(CJ\) doğruları ise \(G\) noktasında kesişiyor. \(AF\) ve \(BC\) doğrularının kesişim noktası \(S\), \(AG\) ve \(BC\) doğrularının kesişim noktası ise \(T\) olsun.
\(M\)’nin, \([ST]\) doğru parçasının orta noktası olduğunu kanıtlayınız.
(\(ABC\) üçgeninin \(A\) köşesinin karşısındaki dışteğet çember: \(BC\) kenarına, \(B\)’nin ötesinde \([AB\) ışınına ve \(C\)’nin ötesinde \([AC\) ışınına teğet olan çemberdir.)
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(BC\) doğrusu üzerinde, \(X\) noktası \(B\)’nin ötesinde ve \(Y\) noktası \(C\)’nin ötesinde olacak şekilde, \[ BX=BA,\qquad CY=CA \] eşitliklerini sağlayan \(X,Y\) noktalarını seçelim. \(S=X\) ve \(T=Y\) olduğunu göstereceğiz.
\(A,B,C\) noktalarından çizilen teğet parçalarının uzunluklarının eşitliğinden \[ AK=AL,\qquad BK=BM,\qquad CL=CM \] elde edilir. İlgili noktaların sıralamaları \(A,B,K\), \(A,C,L\) ve \(X,B,M,C,Y\) olduğundan, \[ XM=XB+BM=AB+BK=AK \] ve \[ MY=MC+CY=CL+CA=AL \] elde ederiz. Böylece \(XM=MY\) olur; dolayısıyla \(M\), \(XY\)’nin orta noktasıdır.
Şimdi, \(BM=BK\) ve \(JM=JK\) eşitlikleri \(BJ\)’nin \(MK\)’nin orta dikmesi olduğunu gösterir. Dolayısıyla \(BJ\)’ye göre yansıma \(K\) ve \(M\)’yi, dolayısıyla da \(BK\) ve \(BM\) ışınlarını birbiriyle yer değiştirir. \(BA\) ve \(BX\) ışınları sırasıyla bu ışınlara zıt yönlüdür ve \(BA=BX\)’tir; bu nedenle bu yansıma \(A\)’yı \(X\)’e götürür. Böylece \(BJ\), aynı zamanda \(AX\)’in orta dikmesidir.
Benzer şekilde, \(CJ\), \(ML\)’nin orta dikmesidir. \(CJ\)’ye göre yansıma \(CL\) ve \(CM\) ışınlarını birbiriyle yer değiştirir ve dolayısıyla \(A\)’yı \(Y\)’ye götürür. O hâlde \(CJ\), aynı zamanda \(AY\)’nin orta dikmesidir.
\(P,Q\), sırasıyla \(AX,AY\)’nin orta noktaları olsun. Önceki gözlemlerden \[ P\in BJ,\qquad Q\in CJ,\qquad AX\perp BJ,\qquad AY\perp CJ \] elde edilir. Dejenere olmayan \(AXY\) üçgeninde orta taban teoremini uygulayarak \[ MP\parallel AY,\qquad MQ\parallel AX \] buluruz. Ancak \(LM\perp CJ\) ve \(KM\perp BJ\)’dir. Dolayısıyla \[ MP\parallel LM,\qquad MQ\parallel KM. \] Bu doğrular \(M\)’den geçtiğinden, \(P\in LM\) ve \(Q\in KM\) olur. Sonuç olarak, \[ F=P,\qquad G=Q. \] Bu kesişim noktaları tektir: \(J\notin BC\) ve \(M\), \(B\) ile \(C\)’nin kesin olarak arasında olduğundan \(M\notin BJ\cup CJ\)’dir; dolayısıyla \(LM\ne BJ\) ve \(KM\ne CJ\)’dir.
Son olarak, \(P\) ve \(Q\), \(AX\) ve \(AY\)’nin iç noktaları olduğundan, doğru olarak \(AF=AX\) ve \(AG=AY\)’dir. \(A\notin BC\) olduğundan, bunların \(BC\) ile kesişimleri tam olarak \(X\) ve \(Y\)’dir. Böylece \(S=X\) ve \(T=Y\) olur ve daha önce elde edilen \(XM=MY\) eşitliği, \(M\)’nin \(ST\)’nin orta noktası olduğunu kanıtlar. \(\square\)
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2012 · Problema 1
Dado un triángulo \(ABC\), el punto \(J\) es el centro del excírculo opuesto al vértice \(A\). Este excírculo es tangente al lado \(BC\) en \(M\), y a las rectas \(AB\) y \(AC\) en \(K\) y \(L\), respectivamente. Las rectas \(LM\) y \(BJ\) se cortan en \(F\), y las rectas \(KM\) y \(CJ\) se cortan en \(G\). Sea \(S\) el punto de intersección de las rectas \(AF\) y \(BC\), y sea \(T\) el punto de intersección de las rectas \(AG\) y \(BC\). Demostrar que \(M\) es el punto medio de \(ST\).
(El excírculo de \(ABC\) opuesto al vértice \(A\) es la circunferencia que es tangente al segmento \(BC\), a la prolongación del lado \(AB\) más allá de \(B\), y a la prolongación del lado \(AC\) más allá de \(C\).)
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Elegimos puntos \(X,Y\) en la recta \(BC\), con \(X\) más allá de \(B\) e \(Y\) más allá de \(C\), tales que \[ BX=BA,\qquad CY=CA. \] Demostraremos que \(S=X\) y \(T=Y\).
La igualdad de las longitudes de los segmentos tangentes desde \(A,B,C\) da \[ AK=AL,\qquad BK=BM,\qquad CL=CM. \] Como los puntos correspondientes están en los órdenes \(A,B,K\), \(A,C,L\) y \(X,B,M,C,Y\), obtenemos \[ XM=XB+BM=AB+BK=AK \] y \[ MY=MC+CY=CL+CA=AL. \] Así, \(XM=MY\), por lo que \(M\) es el punto medio de \(XY\).
A continuación, \(BM=BK\) y \(JM=JK\) muestran que \(BJ\) es la mediatriz de \(MK\). Por tanto, la reflexión respecto de \(BJ\) intercambia \(K\) y \(M\), y, en consecuencia, las semirrectas \(BK\) y \(BM\). Las semirrectas \(BA\) y \(BX\) son opuestas a estas semirrectas, respectivamente, y \(BA=BX\); por consiguiente, esta reflexión lleva \(A\) a \(X\). Así, \(BJ\) es también la mediatriz de \(AX\).
Análogamente, \(CJ\) es la mediatriz de \(ML\). La reflexión respecto de \(CJ\) intercambia las semirrectas \(CL\) y \(CM\), y, por tanto, lleva \(A\) a \(Y\). Luego \(CJ\) es también la mediatriz de \(AY\).
Sean \(P,Q\) los puntos medios de \(AX,AY\), respectivamente. Las observaciones anteriores dan \[ P\in BJ,\qquad Q\in CJ,\qquad AX\perp BJ,\qquad AY\perp CJ. \] Aplicando el teorema del segmento medio en el triángulo no degenerado \(AXY\), tenemos \[ MP\parallel AY,\qquad MQ\parallel AX. \] Pero \(LM\perp CJ\) y \(KM\perp BJ\). Por tanto, \[ MP\parallel LM,\qquad MQ\parallel KM. \] Como estas rectas pasan por \(M\), se sigue que \(P\in LM\) y \(Q\in KM\). En consecuencia, \[ F=P,\qquad G=Q. \] Estas intersecciones son únicas: \(J\notin BC\) y \(M\) está estrictamente entre \(B\) y \(C\), por lo que \(M\notin BJ\cup CJ\); luego \(LM\ne BJ\) y \(KM\ne CJ\).
Finalmente, \(P\) y \(Q\) son puntos interiores de \(AX\) y \(AY\), por lo que \(AF=AX\) y \(AG=AY\) como rectas. Puesto que \(A\notin BC\), sus intersecciones con \(BC\) son precisamente \(X\) e \(Y\). Así, \(S=X\) y \(T=Y\), y la igualdad \(XM=MY\), ya establecida, demuestra que \(M\) es el punto medio de \(ST\). \(\square\)
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2012 · 问题 1
设 \(J\) 为三角形 \(ABC\) 顶点 \(A\) 所对旁切圆的圆心. 该旁切圆与边 \(BC\) 相切于点 \(M\),与直线 \(AB\) 和 \(AC\) 分别相切于点 \(K\) 和 \(L\). 直线 \(LM\) 和 \(BJ\) 相交于点 \(F\),直线 \(KM\) 与 \(CJ\) 相交于点 \(G\). 设 \(S\) 是直线 \(AF\) 和 \(BC\) 的交点,\(T\) 是直线 \(AG\) 和 \(BC\) 的交点.
证明:\(M\) 是线段 \(ST\) 的中点.
(三角形 \(ABC\) 的顶点 \(A\) 所对的旁切圆是指与边 \(BC\) 相切,并且与边 \(AB,AC\) 的延长线相切的圆.)
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
在直线 \(BC\) 上取点 \(X,Y\),其中 \(X\) 在 \(B\) 的外侧,\(Y\) 在 \(C\) 的外侧,使得 \[ BX=BA,\qquad CY=CA. \] 我们将证明 \(S=X\) 且 \(T=Y\)。
由从 \(A,B,C\) 引出的切线长相等,得 \[ AK=AL,\qquad BK=BM,\qquad CL=CM. \] 由于有关各点的排列顺序分别为 \(A,B,K\)、\(A,C,L\) 和 \(X,B,M,C,Y\),我们得到 \[ XM=XB+BM=AB+BK=AK \] 以及 \[ MY=MC+CY=CL+CA=AL. \] 于是 \(XM=MY\),故 \(M\) 是 \(XY\) 的中点。
其次,由 \(BM=BK\) 和 \(JM=JK\) 可知,\(BJ\) 是 \(MK\) 的垂直平分线。因此,关于 \(BJ\) 的轴对称变换将 \(K\) 与 \(M\) 互换,从而将射线 \(BK\) 与 \(BM\) 互换。射线 \(BA\) 和 \(BX\) 分别是这两条射线的反向射线,且 \(BA=BX\);因此,这一轴对称变换将 \(A\) 映到 \(X\)。所以 \(BJ\) 也是 \(AX\) 的垂直平分线。
同理,\(CJ\) 是 \(ML\) 的垂直平分线。关于 \(CJ\) 的轴对称变换将射线 \(CL\) 与 \(CM\) 互换,因而将 \(A\) 映到 \(Y\)。故 \(CJ\) 也是 \(AY\) 的垂直平分线。
设 \(P,Q\) 分别为 \(AX,AY\) 的中点。由上述结论得 \[ P\in BJ,\qquad Q\in CJ,\qquad AX\perp BJ,\qquad AY\perp CJ. \] 在非退化三角形 \(AXY\) 中应用中位线定理,得 \[ MP\parallel AY,\qquad MQ\parallel AX. \] 而 \(LM\perp CJ\),\(KM\perp BJ\)。因此 \[ MP\parallel LM,\qquad MQ\parallel KM. \] 由于这些直线都经过 \(M\),可知 \(P\in LM\),\(Q\in KM\)。所以 \[ F=P,\qquad G=Q. \] 这些交点是唯一的:\(J\notin BC\),且 \(M\) 严格位于 \(B\) 与 \(C\) 之间,所以 \(M\notin BJ\cup CJ\);故 \(LM\ne BJ\),\(KM\ne CJ\)。
最后,\(P\) 和 \(Q\) 分别是 \(AX\) 和 \(AY\) 的内点,故作为直线有 \(AF=AX\),\(AG=AY\)。由于 \(A\notin BC\),它们与 \(BC\) 的交点恰好为 \(X\) 和 \(Y\)。于是 \(S=X\),\(T=Y\),而已经证明的等式 \(XM=MY\) 表明 \(M\) 是 \(ST\) 的中点。\(\square\)
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2012 · Задача 1
Дан треугольник \(ABC\); точка \(J\) является центром вневписанной окружности, соответствующей вершине \(A\). Эта вневписанная окружность касается отрезка \(BC\) в точке \(M\), а прямых \(AB\) и \(AC\) — в точках \(K\) и \(L\) соответственно. Прямые \(LM\) и \(BJ\) пересекаются в точке \(F\), а прямые \(KM\) и \(CJ\) пересекаются в точке \(G\). Пусть \(S\) — точка пересечения прямых \(AF\) и \(BC\), а \(T\) — точка пересечения прямых \(AG\) и \(BC\).
Докажите, что точка \(M\) является серединой отрезка \(ST\).
(Вневписанной окружностью треугольника \(ABC\), соответствующей вершине \(A\), называется окружность, касающаяся стороны \(BC\) и продолжений сторон \(AB\) и \(AC\).)
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Выберем на прямой \(BC\) точки \(X,Y\), причём \(X\) лежит за точкой \(B\), а \(Y\) — за точкой \(C\), так, чтобы \[ BX=BA,\qquad CY=CA. \] Покажем, что \(S=X\) и \(T=Y\).
Из равенства отрезков касательных, проведённых из точек \(A,B,C\), получаем \[ AK=AL,\qquad BK=BM,\qquad CL=CM. \] Поскольку соответствующие точки расположены в порядке \(A,B,K\), \(A,C,L\) и \(X,B,M,C,Y\), имеем \[ XM=XB+BM=AB+BK=AK \] и \[ MY=MC+CY=CL+CA=AL. \] Следовательно, \(XM=MY\), поэтому \(M\) — середина \(XY\).
Далее, из \(BM=BK\) и \(JM=JK\) следует, что \(BJ\) — серединный перпендикуляр к \(MK\). Поэтому симметрия относительно \(BJ\) меняет местами точки \(K\) и \(M\), а значит, и лучи \(BK\) и \(BM\). Лучи \(BA\) и \(BX\) противоположны этим лучам соответственно, и \(BA=BX\); следовательно, эта симметрия переводит \(A\) в \(X\). Таким образом, \(BJ\) является также серединным перпендикуляром к \(AX\).
Аналогично, \(CJ\) — серединный перпендикуляр к \(ML\). Симметрия относительно \(CJ\) меняет местами лучи \(CL\) и \(CM\) и потому переводит \(A\) в \(Y\). Значит, \(CJ\) является также серединным перпендикуляром к \(AY\).
Пусть \(P,Q\) — середины \(AX,AY\) соответственно. Из предыдущих наблюдений следует \[ P\in BJ,\qquad Q\in CJ,\qquad AX\perp BJ,\qquad AY\perp CJ. \] Применяя теорему о средней линии к невырожденному треугольнику \(AXY\), получаем \[ MP\parallel AY,\qquad MQ\parallel AX. \] Но \(LM\perp CJ\) и \(KM\perp BJ\). Поэтому \[ MP\parallel LM,\qquad MQ\parallel KM. \] Поскольку эти прямые проходят через \(M\), отсюда следует, что \(P\in LM\) и \(Q\in KM\). Следовательно, \[ F=P,\qquad G=Q. \] Эти точки пересечения определены однозначно: \(J\notin BC\), а \(M\) лежит строго между \(B\) и \(C\), поэтому \(M\notin BJ\cup CJ\); значит, \(LM\ne BJ\) и \(KM\ne CJ\).
Наконец, \(P\) и \(Q\) — внутренние точки отрезков \(AX\) и \(AY\), поэтому \(AF=AX\) и \(AG=AY\) как прямые. Поскольку \(A\notin BC\), эти прямые пересекают \(BC\) именно в точках \(X\) и \(Y\). Таким образом, \(S=X\) и \(T=Y\), а уже установленное равенство \(XM=MY\) доказывает, что \(M\) — середина \(ST\). \(\square\)
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2012 · المسألة 1
ليكن \(ABC\) مثلثا والنقطة \(J\) هي مركز دائرته الخارجية المقابلة للرأس \(A\). هذه الدائرة الخارجية تمس الضلع \(BC\) في النقطة \(M\)، وتمس المستقيمين \(AB\) و \(AC\) في النقطتين \(K\) و \(L\)، على الترتيب. المستقيمان \(LM\) و \(BJ\) يتقاطعان في \(F\)، والمستقيمان \(KM\) و \(CJ\) يتقاطعان في \(G\). لتكن \(S\) نقطة تقاطع المستقيمين \(AF\) و \(BC\)، ولتكن \(T\) نقطة تقاطع المستقيمين \(AG\) و \(BC\). برهن أن \(M\) تقع في منتصف القطعة المستقيمة \(ST\).
(الدائرة الخارجية للمثلث \(ABC\) والمقابلة للرأس \(A\) هي الدائرة التي تمس كلا من الضلع \(BC\)، وامتداد الضلع \(AB\) من جهة \(B\)، وامتداد الضلع \(AC\) من جهة \(C\).)
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نختار نقطتين \(X,Y\) على المستقيم \(BC\)، بحيث تقع \(X\) وراء \(B\) وتقع \(Y\) وراء \(C\)، وتحققان \[ BX=BA,\qquad CY=CA. \] سنثبت أن \(S=X\) و \(T=Y\).
من تساوي طولي المماسين المرسومين من كل من \(A,B,C\)، نحصل على \[ AK=AL,\qquad BK=BM,\qquad CL=CM. \] وبما أن ترتيب النقاط المعنية هو \(A,B,K\)، و \(A,C,L\)، و \(X,B,M,C,Y\)، فإننا نحصل على \[ XM=XB+BM=AB+BK=AK \] و \[ MY=MC+CY=CL+CA=AL. \] إذن \(XM=MY\)، ومن ثم فإن \(M\) هي منتصف \(XY\).
بعد ذلك، تبين المساواتان \(BM=BK\) و \(JM=JK\) أن \(BJ\) هو المنصف العمودي للقطعة \(MK\). لذلك يبادل الانعكاس حول \(BJ\) بين \(K\) و \(M\)، ومن ثم بين الشعاعين \(BK\) و \(BM\). والشعاعان \(BA\) و \(BX\) معاكسان لهذين الشعاعين على الترتيب، كما أن \(BA=BX\)؛ وبالتالي فإن هذا الانعكاس يحول \(A\) إلى \(X\). إذن \(BJ\) هو أيضا المنصف العمودي للقطعة \(AX\).
وبالمثل، فإن \(CJ\) هو المنصف العمودي للقطعة \(ML\). يبادل الانعكاس حول \(CJ\) بين الشعاعين \(CL\) و \(CM\)، ولذلك يحول \(A\) إلى \(Y\). ومن ثم فإن \(CJ\) هو أيضا المنصف العمودي للقطعة \(AY\).
لتكن \(P,Q\) منتصفي \(AX,AY\)، على الترتيب. تعطينا الملاحظات السابقة \[ P\in BJ,\qquad Q\in CJ,\qquad AX\perp BJ,\qquad AY\perp CJ. \] بتطبيق مبرهنة المنتصفين في المثلث غير المنعدم \(AXY\)، نحصل على \[ MP\parallel AY,\qquad MQ\parallel AX. \] لكن \(LM\perp CJ\) و \(KM\perp BJ\). لذلك \[ MP\parallel LM,\qquad MQ\parallel KM. \] وبما أن هذه المستقيمات تمر بالنقطة \(M\)، فإن \(P\in LM\) و \(Q\in KM\). وبالتالي، \[ F=P,\qquad G=Q. \] ونقطتا التقاطع هاتان وحيدتان: إذ إن \(J\notin BC\)، وتقع \(M\) بين \(B\) و \(C\) تماما، ومن ثم \(M\notin BJ\cup CJ\)؛ وبالتالي \(LM\ne BJ\) و \(KM\ne CJ\).
أخيرا، النقطتان \(P\) و \(Q\) داخليتان في القطعتين \(AX\) و \(AY\)، ولذلك فإن \(AF=AX\) و \(AG=AY\) بوصفها مستقيمات. وبما أن \(A\notin BC\)، فإن نقطتي تقاطعهما مع \(BC\) هما بالضبط \(X\) و \(Y\). إذن \(S=X\) و \(T=Y\)، والمساواة \(XM=MY\) التي أثبتناها سابقا تثبت أن \(M\) هي منتصف \(ST\). \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.