IMO 2014 · Problem 3
Convex quadrilateral \(ABCD\) has \(\angle ABC=\angle CDA=90^\circ\). Point \(H\) is the foot of the perpendicular from \(A\) to \(BD\). Points \(S\) and \(T\) lie on sides \(AB\) and \(AD\), respectively, such that \(H\) lies inside triangle \(SCT\) and \[ \angle CHS-\angle CSB=90^\circ,\qquad \angle THC-\angle DTC=90^\circ. \] Prove that line \(BD\) is tangent to the circumcircle of triangle \(TSH\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
We use coordinates, taking care of the signs of the angles.
Since triangle \(SCT\) is contained in the convex quadrilateral, its interior point \(H\) is also interior to the quadrilateral. Thus \(H\) lies strictly between \(B\) and \(D\). After scaling and choosing axes, write \[ H=(0,0),\qquad A=(0,1),\qquad B=(-b,0),\qquad D=(d,0), \] where \(b,d>0\).
The perpendicularities \(BC\perp AB\) and \(DC\perp AD\) give \[ C=(d-b,-bd). \] Indeed, the equations of \(BC\) and \(DC\) are respectively \[ y=-b(x+b),\qquad y=d(x-d). \]
The given angles require \(S\ne B\) and \(T\ne D\). Consequently, we may write \[ S=(-bu,1-u),\qquad T=(dv,1-v), \qquad 0\le u,v<1. \] This also allows either point to equal \(A\), so those possible endpoint cases have not been excluded.
For vectors \(X,Y\), put \[ [X,Y]=x_Xy_Y-y_Xx_Y. \] We have \[ [S,T]=-bu(1-v)-dv(1-u)<0, \] because \(S,T\) cannot both equal \(A\). Moreover, since \(H=0\) lies strictly inside triangle \(SCT\), there are positive numbers \(\lambda,\mu,\nu\) such that \[ 0=\lambda S+\mu C+\nu T. \] Taking determinants with \(S\) and with \(T\) yields \[ [S,C]>0,\qquad [C,T]>0. \]
In the right triangle \(SBC\), \[ \tan\angle CSB=\frac{BC}{BS}=\frac{d}{1-u}. \] Using the first angle condition and the positive determinant just established, we obtain \[ \frac{b^2u-bd}{b^2du-(d-b)(1-u)} =\frac{C\cdot S}{[S,C]} =\cot\angle CHS =-\tan\angle CSB =-\frac{d}{1-u}. \] Multiplying out gives \[ (b^2u-d^2)(1-u)+b^2d^2u=0, \] or \[ b^2u^2-Lu+d^2=0, \qquad L=b^2+d^2+b^2d^2. \tag{1} \]
Likewise, the right triangle \(TDC\) gives \[ \tan\angle DTC=\frac{b}{1-v}. \] The second angle condition therefore implies \[ \frac{d^2v-bd}{bd^2v+(d-b)(1-v)} =\frac{T\cdot C}{[C,T]} =-\frac{b}{1-v}, \] which simplifies to \[ d^2v^2-Lv+b^2=0. \tag{2} \]
Multiply (1) by \(v\), multiply (2) by \(u\), and subtract. This gives \[ (uv-1)(b^2u-d^2v)=0. \] Since \(uv<1\), we conclude that \[ b^2u=d^2v. \tag{3} \] Combining this with (1), we find \[ \begin{aligned} d^2(1-u)(1-v) &=d^2-(b^2+d^2)u+b^2u^2\\ &=b^2d^2u. \end{aligned} \] Thus \[ (1-u)(1-v)=b^2u=d^2v. \tag{4} \]
Now (4) gives \[ \begin{aligned} |S|^2 &=b^2u^2+(1-u)^2\\ &=u(1-u)(1-v)+(1-u)^2\\ &=(1-u)(1-uv). \end{aligned} \] Similarly, \[ |T|^2=(1-v)(1-uv). \] Hence \(H,S,T\) all lie on the circle \[ x^2+y^2=(1-uv)y. \] Because \(1-uv>0\), this is a nondegenerate circle with centre \[ \left(0,\frac{1-uv}{2}\right). \] Also, \(H,S,T\) are noncollinear, since \(H\) lies strictly inside triangle \(SCT\). The displayed circle is therefore their circumcircle.
Its radius at \(H=(0,0)\) is vertical, so its tangent at \(H\) is the horizontal line \(y=0\), which is precisely \(BD\). \(\square\)
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2014 · Aufgabe 3
Es sei \(ABCD\) ein konvexes Viereck mit \(\angle ABC=\angle CDA=90^\circ\). Der Punkt \(H\) sei der Lotfußpunkt von \(A\) auf \(BD\). Die Punkte \(S\) und \(T\) befinden sich so auf den Seiten \(AB\) bzw. \(AD\), dass \(H\) im Inneren des Dreiecks \(SCT\) liegt und \[ \angle CHS-\angle CSB=90^\circ,\qquad \angle THC-\angle DTC=90^\circ \] gilt. Man beweise, dass die Gerade \(BD\) eine Tangente an den Umkreis des Dreiecks \(TSH\) ist.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir verwenden Koordinaten und achten dabei auf die Vorzeichen der Winkel.
Da das Dreieck \(SCT\) im konvexen Viereck enthalten ist, liegt sein innerer Punkt \(H\) auch im Inneren des Vierecks. Somit liegt \(H\) echt zwischen \(B\) und \(D\). Nach einer Skalierung und Wahl der Koordinatenachsen schreiben wir \[ H=(0,0),\qquad A=(0,1),\qquad B=(-b,0),\qquad D=(d,0), \] wobei \(b,d>0\).
Aus den Orthogonalitäten \(BC\perp AB\) und \(DC\perp AD\) folgt \[ C=(d-b,-bd). \] Tatsächlich lauten die Gleichungen von \(BC\) bzw. \(DC\) \[ y=-b(x+b),\qquad y=d(x-d). \]
Die gegebenen Winkel setzen \(S\ne B\) und \(T\ne D\) voraus. Daher können wir schreiben \[ S=(-bu,1-u),\qquad T=(dv,1-v), \qquad 0\le u,v<1. \] Dabei darf auch einer der beiden Punkte mit \(A\) zusammenfallen; diese möglichen Randfälle sind also nicht ausgeschlossen worden.
Für Vektoren \(X,Y\) setzen wir \[ [X,Y]=x_Xy_Y-y_Xx_Y. \] Es gilt \[ [S,T]=-bu(1-v)-dv(1-u)<0, \] denn \(S,T\) können nicht beide mit \(A\) zusammenfallen. Da außerdem \(H=0\) strikt im Inneren des Dreiecks \(SCT\) liegt, gibt es positive Zahlen \(\lambda,\mu,\nu\) mit \[ 0=\lambda S+\mu C+\nu T. \] Durch Bildung der Determinanten mit \(S\) und mit \(T\) erhalten wir \[ [S,C]>0,\qquad [C,T]>0. \]
Im rechtwinkligen Dreieck \(SBC\) gilt \[ \tan\angle CSB=\frac{BC}{BS}=\frac{d}{1-u}. \] Mit der ersten Winkelbedingung und der soeben nachgewiesenen Positivität der Determinante erhalten wir \[ \frac{b^2u-bd}{b^2du-(d-b)(1-u)} =\frac{C\cdot S}{[S,C]} =\cot\angle CHS =-\tan\angle CSB =-\frac{d}{1-u}. \] Ausmultiplizieren ergibt \[ (b^2u-d^2)(1-u)+b^2d^2u=0, \] also \[ b^2u^2-Lu+d^2=0, \qquad L=b^2+d^2+b^2d^2. \tag{1} \]
Ebenso liefert das rechtwinklige Dreieck \(TDC\) \[ \tan\angle DTC=\frac{b}{1-v}. \] Aus der zweiten Winkelbedingung folgt daher \[ \frac{d^2v-bd}{bd^2v+(d-b)(1-v)} =\frac{T\cdot C}{[C,T]} =-\frac{b}{1-v}, \] was sich zu folgender Gleichung vereinfacht: \[ d^2v^2-Lv+b^2=0. \tag{2} \]
Wir multiplizieren (1) mit \(v\), multiplizieren (2) mit \(u\) und subtrahieren. Dies ergibt \[ (uv-1)(b^2u-d^2v)=0. \] Wegen \(uv<1\) folgern wir \[ b^2u=d^2v. \tag{3} \] Zusammen mit (1) ergibt dies \[ \begin{aligned} d^2(1-u)(1-v) &=d^2-(b^2+d^2)u+b^2u^2\\ &=b^2d^2u. \end{aligned} \] Somit gilt \[ (1-u)(1-v)=b^2u=d^2v. \tag{4} \]
Nun liefert (4) \[ \begin{aligned} |S|^2 &=b^2u^2+(1-u)^2\\ &=u(1-u)(1-v)+(1-u)^2\\ &=(1-u)(1-uv). \end{aligned} \] Ebenso gilt \[ |T|^2=(1-v)(1-uv). \] Also liegen \(H,S,T\) alle auf dem Kreis \[ x^2+y^2=(1-uv)y. \] Wegen \(1-uv>0\) ist dies ein nicht entarteter Kreis mit Mittelpunkt \[ \left(0,\frac{1-uv}{2}\right). \] Außerdem sind \(H,S,T\) nicht kollinear, da \(H\) strikt im Inneren des Dreiecks \(SCT\) liegt. Der angegebene Kreis ist daher ihr Umkreis.
Sein Radius in \(H=(0,0)\) verläuft senkrecht, also ist seine Tangente in \(H\) die waagerechte Gerade \(y=0\), das heißt genau \(BD\). \(\square\)
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2014 · Soru 3
Bir \(ABCD\) konveks dörtgeninde \(\angle ABC=\angle CDA=90^\circ\) dir. \(A\) dan \(BD\) ye çizilen dikmenin ayağı \(H\) olsun. \(S\) ve \(T\) noktaları sırasıyla \([AB]\) ve \([AD]\) kenarları üzerinde olmak üzere, \(H\) noktası \(SCT\) üçgeninin içinde ve \[ \angle CHS-\angle CSB=90^\circ,\qquad \angle THC-\angle DTC=90^\circ \] ise, \(BD\) doğrusunun \(TSH\) üçgeninin çevrel çemberine teğet olduğunu gösteriniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Açıların işaretlerine dikkat ederek koordinatları kullanacağız.
\(SCT\) üçgeni konveks dörtgenin içinde olduğundan, üçgenin iç noktası \(H\) de dörtgenin içindedir. Dolayısıyla \(H\), \(B\) ile \(D\) arasında, uç noktalardan farklı bir noktadır. Ölçeklendirme yapıp eksenleri seçtikten sonra \[ H=(0,0),\qquad A=(0,1),\qquad B=(-b,0),\qquad D=(d,0), \] yazalım; burada \(b,d>0\) olsun.
\(BC\perp AB\) ve \(DC\perp AD\) dikliklerinden \[ C=(d-b,-bd) \] elde edilir. Gerçekten de \(BC\) ve \(DC\) doğrularının denklemleri sırasıyla \[ y=-b(x+b),\qquad y=d(x-d) \] şeklindedir.
Verilen açıların tanımlı olması için \(S\ne B\) ve \(T\ne D\) olmalıdır. Dolayısıyla \[ S=(-bu,1-u),\qquad T=(dv,1-v), \qquad 0\le u,v<1 \] yazabiliriz. Bu gösterim, noktaların her birinin \(A\)'ya eşit olmasına da izin verir; dolayısıyla bu olası uç nokta durumları dışlanmamıştır.
\(X,Y\) vektörleri için \[ [X,Y]=x_Xy_Y-y_Xx_Y \] tanımını yapalım. Şu eşitsizlik geçerlidir: \[ [S,T]=-bu(1-v)-dv(1-u)<0, \] çünkü \(S,T\)'nin ikisi birden \(A\)'ya eşit olamaz. Ayrıca \(H=0\), \(SCT\) üçgeninin kesin olarak içinde olduğundan, \[ 0=\lambda S+\mu C+\nu T \] olacak şekilde pozitif \(\lambda,\mu,\nu\) sayıları vardır. \(S\) ve \(T\) ile determinant alınırsa \[ [S,C]>0,\qquad [C,T]>0 \] elde edilir.
\(SBC\) dik üçgeninde \[ \tan\angle CSB=\frac{BC}{BS}=\frac{d}{1-u}. \] İlk açı koşulunu ve az önce elde edilen pozitif determinantı kullanarak \[ \frac{b^2u-bd}{b^2du-(d-b)(1-u)} =\frac{C\cdot S}{[S,C]} =\cot\angle CHS =-\tan\angle CSB =-\frac{d}{1-u} \] buluruz. Çarpımlar açıldığında \[ (b^2u-d^2)(1-u)+b^2d^2u=0, \] veya \[ b^2u^2-Lu+d^2=0, \qquad L=b^2+d^2+b^2d^2 \tag{1} \] elde edilir.
Benzer biçimde, \(TDC\) dik üçgeninden \[ \tan\angle DTC=\frac{b}{1-v} \] bulunur. Dolayısıyla ikinci açı koşulu \[ \frac{d^2v-bd}{bd^2v+(d-b)(1-v)} =\frac{T\cdot C}{[C,T]} =-\frac{b}{1-v}, \] eşitliğini verir; bu da sadeleştirilince \[ d^2v^2-Lv+b^2=0 \tag{2} \] olur.
(1)'i \(v\) ile, (2)'yi \(u\) ile çarpıp çıkaralım. Böylece \[ (uv-1)(b^2u-d^2v)=0 \] elde edilir. \(uv<1\) olduğundan \[ b^2u=d^2v \tag{3} \] sonucuna varırız. Bunu (1) ile birleştirerek \[ \begin{aligned} d^2(1-u)(1-v) &=d^2-(b^2+d^2)u+b^2u^2\\ &=b^2d^2u \end{aligned} \] buluruz. Böylece \[ (1-u)(1-v)=b^2u=d^2v. \tag{4} \]
Şimdi (4)'ten \[ \begin{aligned} |S|^2 &=b^2u^2+(1-u)^2\\ &=u(1-u)(1-v)+(1-u)^2\\ &=(1-u)(1-uv) \end{aligned} \] elde edilir. Benzer biçimde, \[ |T|^2=(1-v)(1-uv). \] Dolayısıyla \(H,S,T\) noktalarının tümü \[ x^2+y^2=(1-uv)y \] çemberi üzerindedir. \(1-uv>0\) olduğundan bu, merkezi \[ \left(0,\frac{1-uv}{2}\right) \] olan dejenere olmayan bir çemberdir. Ayrıca \(H\), \(SCT\) üçgeninin kesin olarak içinde olduğundan \(H,S,T\) doğrusal değildir. Dolayısıyla yukarıdaki çember bu üç noktanın çevrel çemberidir.
Çemberin \(H=(0,0)\) noktasına çizilen yarıçapı düşeydir; dolayısıyla \(H\)'deki teğeti, tam olarak \(BD\) olan yatay \(y=0\) doğrusudur. \(\square\)
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2014 · Problema 3
En el cuadrilátero convexo \(ABCD\), se tiene \(\angle ABC=\angle CDA=90^\circ\). La perpendicular a \(BD\) desde \(A\) corta a \(BD\) en el punto \(H\). Los puntos \(S\) y \(T\) están en los lados \(AB\) y \(AD\), respectivamente, y son tales que \(H\) está dentro del triángulo \(SCT\) y \[ \angle CHS-\angle CSB=90^\circ,\qquad \angle THC-\angle DTC=90^\circ. \] Demostrar que la recta \(BD\) es tangente a la circunferencia circunscrita del triángulo \(TSH\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Usaremos coordenadas, cuidando los signos de los ángulos.
Como el triángulo \(SCT\) está contenido en el cuadrilátero convexo, su punto interior \(H\) también es interior al cuadrilátero. Por tanto, \(H\) se encuentra estrictamente entre \(B\) y \(D\). Tras cambiar la escala y elegir los ejes, escribamos \[ H=(0,0),\qquad A=(0,1),\qquad B=(-b,0),\qquad D=(d,0), \] donde \(b,d>0\).
Las perpendicularidades \(BC\perp AB\) y \(DC\perp AD\) dan \[ C=(d-b,-bd). \] En efecto, las ecuaciones de \(BC\) y \(DC\) son, respectivamente, \[ y=-b(x+b),\qquad y=d(x-d). \]
Los ángulos dados exigen que \(S\ne B\) y \(T\ne D\). Por consiguiente, podemos escribir \[ S=(-bu,1-u),\qquad T=(dv,1-v), \qquad 0\le u,v<1. \] Esto también permite que cualquiera de los dos puntos coincida con \(A\), por lo que no se han excluido esos posibles casos en los extremos.
Para los vectores \(X,Y\), definamos \[ [X,Y]=x_Xy_Y-y_Xx_Y. \] Tenemos \[ [S,T]=-bu(1-v)-dv(1-u)<0, \] porque \(S,T\) no pueden coincidir ambos con \(A\). Además, como \(H=0\) está estrictamente dentro del triángulo \(SCT\), existen números positivos \(\lambda,\mu,\nu\) tales que \[ 0=\lambda S+\mu C+\nu T. \] Tomando determinantes con \(S\) y con \(T\), obtenemos \[ [S,C]>0,\qquad [C,T]>0. \]
En el triángulo rectángulo \(SBC\), \[ \tan\angle CSB=\frac{BC}{BS}=\frac{d}{1-u}. \] Usando la primera condición angular y el determinante positivo que acabamos de obtener, resulta \[ \frac{b^2u-bd}{b^2du-(d-b)(1-u)} =\frac{C\cdot S}{[S,C]} =\cot\angle CHS =-\tan\angle CSB =-\frac{d}{1-u}. \] Al eliminar los denominadores y desarrollar, obtenemos \[ (b^2u-d^2)(1-u)+b^2d^2u=0, \] o bien \[ b^2u^2-Lu+d^2=0, \qquad L=b^2+d^2+b^2d^2. \tag{1} \]
Análogamente, el triángulo rectángulo \(TDC\) da \[ \tan\angle DTC=\frac{b}{1-v}. \] Por tanto, la segunda condición angular implica \[ \frac{d^2v-bd}{bd^2v+(d-b)(1-v)} =\frac{T\cdot C}{[C,T]} =-\frac{b}{1-v}, \] que se simplifica a \[ d^2v^2-Lv+b^2=0. \tag{2} \]
Multipliquemos (1) por \(v\), multipliquemos (2) por \(u\) y restemos. Esto da \[ (uv-1)(b^2u-d^2v)=0. \] Como \(uv<1\), concluimos que \[ b^2u=d^2v. \tag{3} \] Combinando esto con (1), obtenemos \[ \begin{aligned} d^2(1-u)(1-v) &=d^2-(b^2+d^2)u+b^2u^2\\ &=b^2d^2u. \end{aligned} \] Así, \[ (1-u)(1-v)=b^2u=d^2v. \tag{4} \]
Ahora, (4) da \[ \begin{aligned} |S|^2 &=b^2u^2+(1-u)^2\\ &=u(1-u)(1-v)+(1-u)^2\\ &=(1-u)(1-uv). \end{aligned} \] Análogamente, \[ |T|^2=(1-v)(1-uv). \] Por tanto, \(H,S,T\) pertenecen todos a la circunferencia \[ x^2+y^2=(1-uv)y. \] Como \(1-uv>0\), esta es una circunferencia no degenerada con centro \[ \left(0,\frac{1-uv}{2}\right). \] Además, \(H,S,T\) no están alineados, pues \(H\) está estrictamente dentro del triángulo \(SCT\). Por tanto, la circunferencia anterior es su circunferencia circunscrita.
Su radio en \(H=(0,0)\) es vertical, de modo que su tangente en \(H\) es la recta horizontal \(y=0\), que es precisamente \(BD\). \(\square\)
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2014 · 问题 3
在凸四边形 \(ABCD\) 中, \(\angle ABC=\angle CDA=90^\circ\). 点 \(H\) 是 \(A\) 向 \(BD\) 引的垂线的垂足. 点 \(S\) 和点 \(T\) 分别在边 \(AB\) 和边 \(AD\) 上, 使得 \(H\) 在三角形 \(SCT\) 内部, 且 \[ \angle CHS-\angle CSB=90^\circ,\qquad \angle THC-\angle DTC=90^\circ. \] 证明: 直线 \(BD\) 和三角形 \(TSH\) 的外接圆相切.
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
我们使用坐标法,并注意角的正负号。
由于三角形 \(SCT\) 包含在这个凸四边形内,其内点 \(H\) 也在四边形内部。因此,\(H\) 严格位于 \(B\) 和 \(D\) 之间。经过缩放并选取坐标轴后,记 \[ H=(0,0),\qquad A=(0,1),\qquad B=(-b,0),\qquad D=(d,0), \] 其中 \(b,d>0\)。
由垂直关系 \(BC\perp AB\) 和 \(DC\perp AD\) 得 \[ C=(d-b,-bd). \] 事实上,\(BC\) 和 \(DC\) 的方程分别为 \[ y=-b(x+b),\qquad y=d(x-d). \]
题设中的角要求 \(S\ne B\) 且 \(T\ne D\)。因此,我们可以写成 \[ S=(-bu,1-u),\qquad T=(dv,1-v), \qquad 0\le u,v<1. \] 这种表示也允许其中任一点与 \(A\) 重合,因此并未排除这些可能的端点情形。
对于向量 \(X,Y\),记 \[ [X,Y]=x_Xy_Y-y_Xx_Y. \] 我们有 \[ [S,T]=-bu(1-v)-dv(1-u)<0, \] 因为 \(S,T\) 不可能都与 \(A\) 重合。此外,由于 \(H=0\) 严格位于三角形 \(SCT\) 内部,存在正数 \(\lambda,\mu,\nu\),使得 \[ 0=\lambda S+\mu C+\nu T. \] 分别与 \(S\) 和 \(T\) 取行列式,得到 \[ [S,C]>0,\qquad [C,T]>0. \]
在直角三角形 \(SBC\) 中, \[ \tan\angle CSB=\frac{BC}{BS}=\frac{d}{1-u}. \] 利用第一个角条件及刚刚证明的行列式为正这一事实,得到 \[ \frac{b^2u-bd}{b^2du-(d-b)(1-u)} =\frac{C\cdot S}{[S,C]} =\cot\angle CHS =-\tan\angle CSB =-\frac{d}{1-u}. \] 交叉相乘并展开,得 \[ (b^2u-d^2)(1-u)+b^2d^2u=0, \] 即 \[ b^2u^2-Lu+d^2=0, \qquad L=b^2+d^2+b^2d^2. \tag{1} \]
同样,由直角三角形 \(TDC\) 得 \[ \tan\angle DTC=\frac{b}{1-v}. \] 因此,第二个角条件推出 \[ \frac{d^2v-bd}{bd^2v+(d-b)(1-v)} =\frac{T\cdot C}{[C,T]} =-\frac{b}{1-v}, \] 化简为 \[ d^2v^2-Lv+b^2=0. \tag{2} \]
将 (1) 乘以 \(v\),将 (2) 乘以 \(u\),再相减。得到 \[ (uv-1)(b^2u-d^2v)=0. \] 由于 \(uv<1\),可得 \[ b^2u=d^2v. \tag{3} \] 将此式与 (1) 结合,得到 \[ \begin{aligned} d^2(1-u)(1-v) &=d^2-(b^2+d^2)u+b^2u^2\\ &=b^2d^2u. \end{aligned} \] 因此 \[ (1-u)(1-v)=b^2u=d^2v. \tag{4} \]
现在,由 (4) 得 \[ \begin{aligned} |S|^2 &=b^2u^2+(1-u)^2\\ &=u(1-u)(1-v)+(1-u)^2\\ &=(1-u)(1-uv). \end{aligned} \] 同理, \[ |T|^2=(1-v)(1-uv). \] 所以 \(H,S,T\) 都在圆 \[ x^2+y^2=(1-uv)y \] 上。由于 \(1-uv>0\),这是一个非退化的圆,其圆心为 \[ \left(0,\frac{1-uv}{2}\right). \] 此外,\(H,S,T\) 不共线,因为 \(H\) 严格位于三角形 \(SCT\) 内部。因此,上述圆就是它们的外接圆。
该圆在 \(H=(0,0)\) 处的半径是竖直的,所以它在 \(H\) 处的切线是水平直线 \(y=0\),这正是 \(BD\)。\(\square\)
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2014 · Задача 3
Дан выпуклый четырёхугольник \(ABCD\), в котором \(\angle ABC=\angle CDA=90^\circ\). Точка \(H\) — основание перпендикуляра, опущенного из точки \(A\) на прямую \(BD\). Точки \(S\) и \(T\) выбраны на отрезках \(AB\) и \(AD\) соответственно так, что точка \(H\) находится внутри треугольника \(SCT\), и выполнены равенства \[ \angle CHS-\angle CSB=90^\circ,\qquad \angle THC-\angle DTC=90^\circ. \]
Докажите, что прямая \(BD\) касается окружности, описанной около треугольника \(TSH\).
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Воспользуемся координатами, внимательно учитывая знаки величин, связанных с углами.
Поскольку треугольник \(SCT\) содержится в выпуклом четырёхугольнике, его внутренняя точка \(H\) также лежит внутри четырёхугольника. Поэтому \(H\) лежит строго между \(B\) и \(D\). Выбрав масштаб и оси координат, запишем \[ H=(0,0),\qquad A=(0,1),\qquad B=(-b,0),\qquad D=(d,0), \] где \(b,d>0\).
Из перпендикулярности \(BC\perp AB\) и \(DC\perp AD\) получаем \[ C=(d-b,-bd). \] Действительно, уравнения прямых \(BC\) и \(DC\) имеют соответственно вид \[ y=-b(x+b),\qquad y=d(x-d). \]
Для того чтобы углы из условия были определены, необходимо \(S\ne B\) и \(T\ne D\). Следовательно, можно записать \[ S=(-bu,1-u),\qquad T=(dv,1-v), \qquad 0\le u,v<1. \] При этом любая из этих точек может совпадать с \(A\), так что эти возможные случаи совпадения с концом отрезка не исключены.
Для векторов \(X,Y\) положим \[ [X,Y]=x_Xy_Y-y_Xx_Y. \] Имеем \[ [S,T]=-bu(1-v)-dv(1-u)<0, \] поскольку \(S,T\) не могут обе совпадать с \(A\). Кроме того, поскольку \(H=0\) лежит строго внутри треугольника \(SCT\), существуют положительные числа \(\lambda,\mu,\nu\), для которых \[ 0=\lambda S+\mu C+\nu T. \] Вычисляя определители с \(S\) и с \(T\), получаем \[ [S,C]>0,\qquad [C,T]>0. \]
В прямоугольном треугольнике \(SBC\) \[ \tan\angle CSB=\frac{BC}{BS}=\frac{d}{1-u}. \] Используя первое условие на углы и только что установленную положительность определителя, получаем \[ \frac{b^2u-bd}{b^2du-(d-b)(1-u)} =\frac{C\cdot S}{[S,C]} =\cot\angle CHS =-\tan\angle CSB =-\frac{d}{1-u}. \] Умножая на знаменатели и раскрывая скобки, получаем \[ (b^2u-d^2)(1-u)+b^2d^2u=0, \] то есть \[ b^2u^2-Lu+d^2=0, \qquad L=b^2+d^2+b^2d^2. \tag{1} \]
Аналогично из прямоугольного треугольника \(TDC\) получаем \[ \tan\angle DTC=\frac{b}{1-v}. \] Поэтому второе условие на углы даёт \[ \frac{d^2v-bd}{bd^2v+(d-b)(1-v)} =\frac{T\cdot C}{[C,T]} =-\frac{b}{1-v}, \] что после упрощения принимает вид \[ d^2v^2-Lv+b^2=0. \tag{2} \]
Умножим (1) на \(v\), умножим (2) на \(u\) и вычтем. Получаем \[ (uv-1)(b^2u-d^2v)=0. \] Поскольку \(uv<1\), заключаем, что \[ b^2u=d^2v. \tag{3} \] Объединяя это равенство с (1), находим \[ \begin{aligned} d^2(1-u)(1-v) &=d^2-(b^2+d^2)u+b^2u^2\\ &=b^2d^2u. \end{aligned} \] Таким образом, \[ (1-u)(1-v)=b^2u=d^2v. \tag{4} \]
Теперь из (4) получаем \[ \begin{aligned} |S|^2 &=b^2u^2+(1-u)^2\\ &=u(1-u)(1-v)+(1-u)^2\\ &=(1-u)(1-uv). \end{aligned} \] Аналогично, \[ |T|^2=(1-v)(1-uv). \] Следовательно, все три точки \(H,S,T\) лежат на окружности \[ x^2+y^2=(1-uv)y. \] Поскольку \(1-uv>0\), это невырожденная окружность с центром \[ \left(0,\frac{1-uv}{2}\right). \] Кроме того, точки \(H,S,T\) не лежат на одной прямой, поскольку \(H\) лежит строго внутри треугольника \(SCT\). Поэтому указанная окружность является их описанной окружностью.
Её радиус, проведённый в точку \(H=(0,0)\), вертикален, поэтому касательной к ней в точке \(H\) является горизонтальная прямая \(y=0\), то есть именно \(BD\). \(\square\)
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2014 · المسألة 3
لدينا رباعي محدّب \(ABCD\) فيه \(\angle ABC=\angle CDA=90^\circ\). النقطة \(H\) هي قدم العمود النّازل من \(A\) على \(BD\). تقع النقطتان \(S\) و \(T\) على الضلعين \(AB\) و \(AD\)، على الترتيب، بحيث تقع النقطة \(H\) داخل المثلث \(SCT\) و \[ \angle CHS-\angle CSB=90^\circ,\qquad \angle THC-\angle DTC=90^\circ. \] برهن أنّ المستقيم \(BD\) يمسّ الدائرة المحيطة بالمثلّث \(TSH\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نستخدم الإحداثيات، مع مراعاة إشارات الزوايا.
بما أنّ المثلث \(SCT\) محتوى في الرباعي المحدّب، فإنّ نقطته الداخلية \(H\) تقع أيضا داخل الرباعي. ومن ثمّ تقع \(H\) بين \(B\) و\(D\) تماما. بعد تغيير مقياس الأطوال واختيار المحورين، نكتب \[ H=(0,0),\qquad A=(0,1),\qquad B=(-b,0),\qquad D=(d,0), \] حيث \(b,d>0\).
من التعامدين \(BC\perp AB\) و\(DC\perp AD\) نحصل على \[ C=(d-b,-bd). \] بالفعل، معادلتا \(BC\) و\(DC\) هما على الترتيب \[ y=-b(x+b),\qquad y=d(x-d). \]
تقتضي الزوايا المعطاة أن يكون \(S\ne B\) و\(T\ne D\). وبالتالي، يمكننا أن نكتب \[ S=(-bu,1-u),\qquad T=(dv,1-v), \qquad 0\le u,v<1. \] يسمح هذا أيضا بأن تساوي أيّ من النقطتين \(A\)، ولذلك لم نستبعد هاتين الحالتين الطرفيتين المحتملتين.
للمتجهين \(X,Y\)، نضع \[ [X,Y]=x_Xy_Y-y_Xx_Y. \] لدينا \[ [S,T]=-bu(1-v)-dv(1-u)<0, \] لأنّ \(S,T\) لا يمكن أن تساويا \(A\) معا. علاوة على ذلك، بما أنّ \(H=0\) تقع داخل المثلث \(SCT\) تماما، توجد أعداد موجبة \(\lambda,\mu,\nu\) بحيث \[ 0=\lambda S+\mu C+\nu T. \] بأخذ المحدّدات مع \(S\) ومع \(T\) نحصل على \[ [S,C]>0,\qquad [C,T]>0. \]
في المثلث القائم \(SBC\)، \[ \tan\angle CSB=\frac{BC}{BS}=\frac{d}{1-u}. \] باستخدام شرط الزاوية الأول وموجبية المحدّد التي أثبتناها للتو، نحصل على \[ \frac{b^2u-bd}{b^2du-(d-b)(1-u)} =\frac{C\cdot S}{[S,C]} =\cot\angle CHS =-\tan\angle CSB =-\frac{d}{1-u}. \] بالضرب والتوسيع نحصل على \[ (b^2u-d^2)(1-u)+b^2d^2u=0, \] أي \[ b^2u^2-Lu+d^2=0, \qquad L=b^2+d^2+b^2d^2. \tag{1} \]
وبالمثل، يعطي المثلث القائم \(TDC\) \[ \tan\angle DTC=\frac{b}{1-v}. \] ومن ثمّ يستلزم شرط الزاوية الثاني \[ \frac{d^2v-bd}{bd^2v+(d-b)(1-v)} =\frac{T\cdot C}{[C,T]} =-\frac{b}{1-v}, \] وبالتبسيط نحصل على \[ d^2v^2-Lv+b^2=0. \tag{2} \]
نضرب (1) في \(v\)، ونضرب (2) في \(u\)، ثم نطرح. فنحصل على \[ (uv-1)(b^2u-d^2v)=0. \] بما أنّ \(uv<1\)، نستنتج أنّ \[ b^2u=d^2v. \tag{3} \] بجمع ذلك مع (1)، نجد \[ \begin{aligned} d^2(1-u)(1-v) &=d^2-(b^2+d^2)u+b^2u^2\\ &=b^2d^2u. \end{aligned} \] إذن \[ (1-u)(1-v)=b^2u=d^2v. \tag{4} \]
تعطينا (4) الآن \[ \begin{aligned} |S|^2 &=b^2u^2+(1-u)^2\\ &=u(1-u)(1-v)+(1-u)^2\\ &=(1-u)(1-uv). \end{aligned} \] وبالمثل، \[ |T|^2=(1-v)(1-uv). \] ومن ثمّ تقع النقاط \(H,S,T\) جميعها على الدائرة \[ x^2+y^2=(1-uv)y. \] بما أنّ \(1-uv>0\)، فهذه دائرة غير منحلّة مركزها \[ \left(0,\frac{1-uv}{2}\right). \] كذلك، فإنّ \(H,S,T\) ليست على استقامة واحدة، لأنّ \(H\) تقع داخل المثلث \(SCT\) تماما. وبالتالي تكون الدائرة المذكورة هي الدائرة المحيطة بهذه النقاط.
نصف قطرها عند \(H=(0,0)\) رأسي، ولذلك يكون مماسّها عند \(H\) هو المستقيم الأفقي \(y=0\)، وهو بالضبط \(BD\). \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.