IMO 2015 · Problem 1
We say that a finite set \(S\) of points in the plane is balanced if, for any two different points \(A\) and \(B\) in \(S\), there is a point \(C\) in \(S\) such that \(AC = BC\). We say that \(S\) is centre-free if for any three different points \(A\), \(B\) and \(C\) in \(S\), there is no point \(P\) in \(S\) such that \(PA = PB = PC\).
(a) Show that for all integers \(n \geq 3\), there exists a balanced set consisting of \(n\) points.
(b) Determine all integers \(n \geq 3\) for which there exists a balanced centre-free set consisting of \(n\) points.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
(a) Such a set exists for every integer \(n\geq 3\).
(b) Exactly the odd integers \(n\geq 3\).
Solution
Construction for odd \(n\), satisfying both conditions.
Let \(n\geq 3\) be odd, and let \(S\) be the vertices of a regular \(n\)-gon inscribed in a circle \(\omega\) with centre \(O\).
Take any two different vertices \(A,B\). The two arcs of \(\omega\) joining them contain, between them, \(n\) polygon sides. Since \(n\) is odd, exactly one arc contains an even number of sides. Its midpoint is therefore a vertex \(C\), different from \(A\) and \(B\). The arcs from \(C\) to \(A\) and \(B\) along this arc have equal lengths, so their chords satisfy \(AC=BC\). Thus \(S\) is balanced.
To show that \(S\) is centre-free, suppose that a vertex \(P\) were equidistant from three different vertices \(A,B,C\). Their common distance from \(P\) would be positive. The circle with centre \(P\) and this radius would contain \(A,B,C\), as does \(\omega\). These circles are distinct because their centres are \(P\) and \(O\), with \(P\neq O\). This contradicts the fact that two distinct circles have at most two common points.
Construction for even \(n\), proving the remaining cases of (a).
Write \(n=2m\), where \(m\geq 2\). Let \(\omega\) be a circle of radius \(1\) with centre \(O\). Choose three consecutive vertices \(A,B,C\) of a regular hexagon inscribed in \(\omega\). Then \[ AB=BC=1. \]
Choose \(m-2\) additional pairs of points \(X_i,Y_i\) on \(\omega\), with \[ X_iY_i=1, \] so that all chosen points are distinct. Such choices are always possible: rotate a unit chord around \(O\); only finitely many rotations make either endpoint coincide with a previously chosen point. When \(m=2\), no additional pairs are needed.
Set \[ S=\{O,A,B,C\}\cup\bigcup_{i=1}^{m-2}\{X_i,Y_i\}. \] This set has \(4+2(m-2)=n\) points.
Every point \(Q\in S\setminus\{O\}\) has another point \(R\in S\setminus\{O\}\) with \(QR=1\): use \(B\) for \(A\) or \(C\), use \(A\) for \(B\), and use the paired point for each \(X_i\) or \(Y_i\).
Now consider any two different points of \(S\). If both lie on \(\omega\), then \(O\) is equidistant from them. Otherwise, they are \(O\) and some \(Q\in\omega\). Choose its companion \(R\) as above; then \[ RO=1=RQ. \] Thus \(S\) is balanced, completing part (a).
Impossibility of even \(n\) in (b).
Suppose that \(S\) is balanced and centre-free, with even cardinality \(n\).
Fix \(P\in S\), and group the other \(n-1\) points according to their distances from \(P\). Each group has at most two points, since a group of three would violate the centre-free condition. Hence \(P\) can witness the equality \(PA=PB\) for at most \[ \left\lfloor\frac{n-1}{2}\right\rfloor=\frac{n-2}{2} \] unordered pairs \(\{A,B\}\). Here a witnessing point cannot equal either endpoint, because \(A\neq B\).
Count incidences consisting of an unordered pair and a point witnessing equal distances to its endpoints. Summing over all \(P\in S\), there are at most \[ \frac{n(n-2)}2 \] incidences. But balancedness requires at least one for every unordered pair, giving at least \[ \binom n2=\frac{n(n-1)}2 \] incidences. These bounds contradict each other.
Therefore \(n\) must be odd. The regular polygons constructed above establish existence for every odd \(n\geq 3\), proving (b).
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2015 · Aufgabe 1
Wir nennen eine endliche Menge \(S\) von Punkten in der Ebene balanciert, falls es zu je zwei verschiedenen Punkten \(A\) und \(B\) aus \(S\) einen Punkt \(C\) in \(S\) mit \(AC = BC\) gibt. Wir bezeichnen \(S\) als zentrumsfrei, wenn es für keine paarweise verschiedenen Punkte \(A\), \(B\) und \(C\) aus \(S\) einen Punkt \(P\) in \(S\) mit \(PA = PB = PC\) gibt.
(a) Man zeige, dass für jedes \(n \geq 3\) eine balancierte Menge von \(n\) Punkten existiert.
(b) Man bestimme alle ganzen Zahlen \(n \geq 3\), für die eine balancierte zentrumsfreie Menge von \(n\) Punkten existiert.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
(a) Eine solche Menge existiert für jede ganze Zahl \(n\geq 3\).
(b) Genau die ungeraden ganzen Zahlen \(n\geq 3\).
Lösung
Konstruktion für ungerade \(n\), die beide Bedingungen erfüllt.
Sei \(n\geq 3\) ungerade, und sei \(S\) die Menge der Eckpunkte eines regelmäßigen \(n\)-Ecks, das einem Kreis \(\omega\) mit Mittelpunkt \(O\) einbeschrieben ist.
Wir wählen zwei beliebige verschiedene Eckpunkte \(A,B\). Die beiden Kreisbögen von \(\omega\), die sie verbinden, umfassen zusammen \(n\) Seiten des Vielecks. Da \(n\) ungerade ist, umfasst genau einer der Bögen eine gerade Anzahl von Seiten. Sein Mittelpunkt ist daher ein Eckpunkt \(C\), der von \(A\) und \(B\) verschieden ist. Die Teilbögen dieses Bogens von \(C\) nach \(A\) und \(B\) sind gleich lang, also erfüllen ihre Sehnen \(AC=BC\). Somit ist \(S\) balanciert.
Um zu zeigen, dass \(S\) zentrumsfrei ist, nehmen wir an, ein Eckpunkt \(P\) hätte von drei verschiedenen Eckpunkten \(A,B,C\) denselben Abstand. Ihr gemeinsamer Abstand von \(P\) wäre positiv. Der Kreis mit Mittelpunkt \(P\) und diesem Radius enthielte ebenso wie \(\omega\) die Punkte \(A,B,C\). Diese Kreise sind verschieden, da ihre Mittelpunkte \(P\) und \(O\) sind und \(P\neq O\) gilt. Dies widerspricht der Tatsache, dass zwei verschiedene Kreise höchstens zwei gemeinsame Punkte haben.
Konstruktion für gerade \(n\), die die verbleibenden Fälle von (a) beweist.
Wir schreiben \(n=2m\), wobei \(m\geq 2\). Sei \(\omega\) ein Kreis mit Radius \(1\) und Mittelpunkt \(O\). Wir wählen drei aufeinanderfolgende Eckpunkte \(A,B,C\) eines regelmäßigen Sechsecks, das \(\omega\) einbeschrieben ist. Dann gilt \[ AB=BC=1. \]
Wir wählen \(m-2\) zusätzliche Punktpaare \(X_i,Y_i\) auf \(\omega\) mit \[ X_iY_i=1, \] so, dass alle gewählten Punkte verschieden sind. Eine solche Wahl ist stets möglich: Man drehe eine Sehne der Länge eins um \(O\); nur bei endlich vielen Drehungen fällt einer ihrer Endpunkte mit einem zuvor gewählten Punkt zusammen. Für \(m=2\) werden keine zusätzlichen Paare benötigt.
Wir setzen \[ S=\{O,A,B,C\}\cup\bigcup_{i=1}^{m-2}\{X_i,Y_i\}. \] Diese Menge hat \(4+2(m-2)=n\) Punkte.
Zu jedem Punkt \(Q\in S\setminus\{O\}\) gibt es einen anderen Punkt \(R\in S\setminus\{O\}\) mit \(QR=1\): Für \(A\) oder \(C\) wählen wir \(B\), für \(B\) wählen wir \(A\), und für jedes \(X_i\) oder \(Y_i\) wählen wir den zugehörigen Partnerpunkt.
Nun betrachten wir zwei beliebige verschiedene Punkte von \(S\). Liegen beide auf \(\omega\), so hat \(O\) von ihnen denselben Abstand. Andernfalls handelt es sich um \(O\) und einen Punkt \(Q\in\omega\). Wir wählen seinen Partnerpunkt \(R\) wie oben; dann gilt \[ RO=1=RQ. \] Somit ist \(S\) balanciert, womit Teil (a) bewiesen ist.
Unmöglichkeit gerader \(n\) in (b).
Angenommen, \(S\) ist balanciert und zentrumsfrei und hat die gerade Mächtigkeit \(n\).
Wir fixieren \(P\in S\) und teilen die übrigen \(n-1\) Punkte nach ihrem Abstand von \(P\) in Gruppen ein. Jede Gruppe hat höchstens zwei Punkte, da eine Gruppe mit drei Punkten der Zentrumsfreiheit widerspräche. Daher kann \(P\) die Gleichheit \(PA=PB\) für höchstens \[ \left\lfloor\frac{n-1}{2}\right\rfloor=\frac{n-2}{2} \] ungeordnete Paare \(\{A,B\}\) bezeugen. Dabei kann ein solcher Zeugenpunkt mit keinem der beiden Endpunkte übereinstimmen, weil \(A\neq B\) gilt.
Wir zählen die Inzidenzen, die aus einem ungeordneten Paar und einem Punkt bestehen, der von dessen Endpunkten denselben Abstand hat. Summieren wir über alle \(P\in S\), so gibt es höchstens \[ \frac{n(n-2)}2 \] Inzidenzen. Da die Menge balanciert ist, muss es jedoch für jedes ungeordnete Paar mindestens eine solche Inzidenz geben, also insgesamt mindestens \[ \binom n2=\frac{n(n-1)}2 \] Inzidenzen. Diese Schranken widersprechen einander.
Daher muss \(n\) ungerade sein. Die oben konstruierten regelmäßigen Vielecke zeigen die Existenz für jedes ungerade \(n\geq 3\), womit (b) bewiesen ist.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2015 · Soru 1
Düzlemin sonlu sayıda noktasından oluşan bir \(S\) kümesindeki herhangi iki farklı \(A\) ve \(B\) noktaları alındığında; \(|AC|=|BC|\) olacak şekilde, \(S\) nin elemanı olan bir \(C\) noktası bulunabiliyorsa, \(S\) kümesine dengeli diyelim. \(S\) deki herhangi üç birbirinden farklı \(A\), \(B\) ve \(C\) noktaları alındığında; \(|PA|=|PB|=|PC|\) olacak şekilde, \(S\) nin elemanı olan bir \(P\) noktası bulunamıyorsa, \(S\) kümesine merkezsiz diyelim.
(a) Her \(n\geq 3\) tam sayısı için, \(n\) noktadan oluşan dengeli bir küme bulunduğunu gösteriniz.
(b) Hangi \(n\geq 3\) tam sayıları için, \(n\) noktadan oluşan dengeli ve merkezsiz bir küme bulunabilir?
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
(a) Her \(n\geq 3\) tam sayısı için böyle bir küme vardır.
(b) Tam olarak \(n\geq 3\) tek tam sayıları.
Çözüm
Tek \(n\) için her iki koşulu da sağlayan bir inşa.
\(n\geq 3\) tek olsun ve \(S\), merkezi \(O\) olan bir \(\omega\) çemberine çizilmiş bir düzgün \(n\)-genin köşelerinden oluşsun.
Herhangi iki farklı \(A,B\) köşesini alalım. \(\omega\) üzerinde bu köşeleri birleştiren iki yay, toplamda çokgenin \(n\) kenarını içerir. \(n\) tek olduğundan, bu yaylardan tam olarak biri çift sayıda kenar içerir. Dolayısıyla bu yayın orta noktası, \(A\) ve \(B\) den farklı bir \(C\) köşesidir. Bu yay boyunca \(C\) den \(A\) ve \(B\) ye uzanan yayların uzunlukları eşittir; dolayısıyla bunların kirişleri \(AC=BC\) eşitliğini sağlar. Böylece \(S\) dengelidir.
\(S\) nin merkezsiz olduğunu göstermek için, bir \(P\) köşesinin üç farklı \(A,B,C\) köşesine eşit uzaklıkta olduğunu varsayalım. Bu köşelerin \(P\) ye ortak uzaklığı pozitif olur. Merkezi \(P\) ve yarıçapı bu uzaklık olan çember, tıpkı \(\omega\) gibi \(A,B,C\) noktalarından geçer. Merkezleri \(P\) ve \(O\) olup \(P\neq O\) olduğundan bu çemberler farklıdır. Bu ise iki farklı çemberin en fazla iki ortak noktası olabileceği gerçeğiyle çelişir.
Çift \(n\) için (a) şıkkının kalan durumlarını kanıtlayan bir inşa.
\(m\geq 2\) olmak üzere \(n=2m\) yazalım. \(\omega\), merkezi \(O\) ve yarıçapı \(1\) olan bir çember olsun. \(\omega\) içine çizilmiş bir düzgün altıgenin ardışık üç \(A,B,C\) köşesini seçelim. O hâlde \[ AB=BC=1. \]
\(\omega\) üzerinde, seçilen tüm noktalar birbirinden farklı olacak ve \[ X_iY_i=1, \] eşitliği sağlanacak şekilde \(m-2\) ek \(X_i,Y_i\) nokta çifti seçelim. Böyle seçimler her zaman mümkündür: birim uzunlukta bir kirişi \(O\) etrafında döndürürsek, uçlarından birinin daha önce seçilmiş bir noktayla çakışmasına yol açan yalnızca sonlu sayıda dönme vardır. \(m=2\) olduğunda ek çiftlere gerek yoktur.
\[ S=\{O,A,B,C\}\cup\bigcup_{i=1}^{m-2}\{X_i,Y_i\} \] olarak tanımlayalım. Bu kümenin \(4+2(m-2)=n\) noktası vardır.
Her \(Q\in S\setminus\{O\}\) noktası için \(QR=1\) olacak şekilde başka bir \(R\in S\setminus\{O\}\) noktası vardır: \(A\) veya \(C\) için \(B\) yi, \(B\) için \(A\) yı ve her \(X_i\) veya \(Y_i\) için eşleştirildiği noktayı kullanırız.
Şimdi \(S\) nin herhangi iki farklı noktasını ele alalım. Her ikisi de \(\omega\) üzerinde ise \(O\) bu noktalara eşit uzaklıktadır. Aksi hâlde bu noktalar \(O\) ve bir \(Q\in\omega\) noktasıdır. Yukarıdaki gibi bu noktaya eşlik eden \(R\) yi seçelim; o zaman \[ RO=1=RQ. \] Böylece \(S\) dengelidir ve (a) şıkkı tamamlanır.
(b) şıkkında çift \(n\) nin olanaksızlığı.
\(S\) nin dengeli ve merkezsiz olduğunu, eleman sayısı \(n\) nin de çift olduğunu varsayalım.
Bir \(P\in S\) noktasını sabitleyelim ve diğer \(n-1\) noktayı \(P\) ye uzaklıklarına göre gruplandıralım. Üç noktalı bir grup merkezsizlik koşulunu ihlal edeceğinden, her grupta en fazla iki nokta vardır. Dolayısıyla \(P\), en fazla \[ \left\lfloor\frac{n-1}{2}\right\rfloor=\frac{n-2}{2} \] sırasız \(\{A,B\}\) çifti için \(PA=PB\) eşitliğine tanıklık edebilir. Burada \(A\neq B\) olduğundan, tanıklık eden nokta çiftin noktalarından herhangi birine eşit olamaz.
Bir sırasız çift ile bu çiftin noktalarına eşit uzaklıkta olduğuna tanıklık eden bir noktadan oluşan eşleşmeleri sayalım. Tüm \(P\in S\) noktaları üzerinden topladığımızda en fazla \[ \frac{n(n-2)}2 \] eşleşme vardır. Ancak dengelilik, her sırasız çift için en az bir eşleşme gerektirir; dolayısıyla en az \[ \binom n2=\frac{n(n-1)}2 \] eşleşme vardır. Bu sınırlar birbiriyle çelişir.
Dolayısıyla \(n\) tek olmalıdır. Yukarıda inşa edilen düzgün çokgenler, her tek \(n\geq 3\) için varlığı göstererek (b) şıkkını kanıtlar.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2015 · Problema 1
Decimos que un conjunto finito \(S\) de puntos del plano es equilibrado si para cada dos puntos distintos \(A\) y \(B\) en \(S\) hay un punto \(C\) en \(S\) tal que \(AC = BC\). Decimos que \(S\) es libre de centros si para cada tres puntos distintos \(A, B, C\) en \(S\) no existe ningún punto \(P\) en \(S\) tal que \(PA = PB = PC\).
(a) Demostrar que para todo \(n \geq 3\) existe un conjunto de \(n\) puntos equilibrado.
(b) Determinar todos los enteros \(n \geq 3\) para los que existe un conjunto de \(n\) puntos equilibrado y libre de centros.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
(a) Existe tal conjunto para todo entero \(n\geq 3\).
(b) Exactamente los enteros impares \(n\geq 3\).
Solución
Construcción para \(n\) impar que satisface ambas condiciones.
Sea \(n\geq 3\) impar, y sea \(S\) el conjunto de vértices de un polígono regular de \(n\) lados inscrito en una circunferencia \(\omega\) de centro \(O\).
Tomemos dos vértices distintos cualesquiera \(A,B\). Los dos arcos de \(\omega\) que los unen contienen, entre ambos, \(n\) lados del polígono. Como \(n\) es impar, exactamente uno de los arcos contiene un número par de lados. Por tanto, su punto medio es un vértice \(C\), distinto de \(A\) y \(B\). Los arcos de \(C\) a \(A\) y a \(B\) contenidos en este arco tienen la misma longitud, por lo que sus cuerdas satisfacen \(AC=BC\). Así, \(S\) es equilibrado.
Para demostrar que \(S\) es libre de centros, supongamos que un vértice \(P\) equidista de tres vértices distintos \(A,B,C\). Su distancia común a \(P\) sería positiva. La circunferencia de centro \(P\) y de ese radio contendría a \(A,B,C\), al igual que \(\omega\). Estas circunferencias son distintas porque sus centros son \(P\) y \(O\), con \(P\neq O\). Esto contradice el hecho de que dos circunferencias distintas tienen a lo sumo dos puntos en común.
Construcción para \(n\) par que demuestra los casos restantes de (a).
Escribamos \(n=2m\), donde \(m\geq 2\). Sea \(\omega\) una circunferencia de radio \(1\) y centro \(O\). Elijamos tres vértices consecutivos \(A,B,C\) de un hexágono regular inscrito en \(\omega\). Entonces \[ AB=BC=1. \]
Elijamos \(m-2\) pares adicionales de puntos \(X_i,Y_i\) en \(\omega\), con \[ X_iY_i=1, \] de modo que todos los puntos elegidos sean distintos. Siempre es posible hacer estas elecciones: basta girar una cuerda de longitud unidad alrededor de \(O\); solo un número finito de giros hace que alguno de sus extremos coincida con un punto elegido anteriormente. Cuando \(m=2\), no se necesitan pares adicionales.
Sea \[ S=\{O,A,B,C\}\cup\bigcup_{i=1}^{m-2}\{X_i,Y_i\}. \] Este conjunto tiene \(4+2(m-2)=n\) puntos.
Para cada punto \(Q\in S\setminus\{O\}\) existe otro punto \(R\in S\setminus\{O\}\) con \(QR=1\): tomamos \(B\) para \(A\) o \(C\), tomamos \(A\) para \(B\), y tomamos el otro punto del par para cada \(X_i\) o \(Y_i\).
Consideremos ahora dos puntos distintos cualesquiera de \(S\). Si ambos pertenecen a \(\omega\), entonces \(O\) equidista de ellos. En caso contrario, son \(O\) y algún \(Q\in\omega\). Elijamos su compañero \(R\) como antes; entonces \[ RO=1=RQ. \] Por tanto, \(S\) es equilibrado, lo que completa la parte (a).
Imposibilidad de \(n\) par en (b).
Supongamos que \(S\) es equilibrado y libre de centros, con cardinalidad par \(n\).
Fijemos \(P\in S\) y agrupemos los otros \(n-1\) puntos según sus distancias a \(P\). Cada grupo tiene a lo sumo dos puntos, pues un grupo de tres infringiría la condición de ser libre de centros. Por tanto, \(P\) puede verificar la igualdad \(PA=PB\) para a lo sumo \[ \left\lfloor\frac{n-1}{2}\right\rfloor=\frac{n-2}{2} \] pares no ordenados \(\{A,B\}\). Aquí, un punto que verifica la igualdad no puede coincidir con ninguno de los extremos, porque \(A\neq B\).
Contemos las incidencias formadas por un par no ordenado y un punto que equidista de sus extremos. Sumando sobre todos los \(P\in S\), hay a lo sumo \[ \frac{n(n-2)}2 \] incidencias. Pero la condición de equilibrio exige al menos una para cada par no ordenado, lo que da al menos \[ \binom n2=\frac{n(n-1)}2 \] incidencias. Estas cotas se contradicen.
Por tanto, \(n\) debe ser impar. Los polígonos regulares construidos antes demuestran la existencia para todo \(n\geq 3\) impar, lo que prueba (b).
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2015 · 问题 1
我们称平面上一个有限点集\(S\)是平衡的,如果对\(S\)中任意两个不同的点\(A,B\),都存在\(S\)中一点\(C\),满足\(AC = BC\)。我们称\(S\)是无中心的,如果对\(S\)中任意三个不同的点\(A,B,C\),都不存在\(S\)中一点\(P\),满足\(PA = PB = PC\)。
(a) 证明:对每个整数\(n \geq 3\),均存在一个由\(n\)个点构成的平衡点集。
(b) 确定所有的整数\(n \geq 3\),使得存在一个由\(n\)个点构成的平衡且无中心的点集。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
(a) 对每个整数\(n\geq 3\),这样的点集都存在。
(b) 恰为所有奇数\(n\geq 3\)。
解答
奇数\(n\)的构造,同时满足两个条件。
设\(n\geq 3\)为奇数,令\(S\)为内接于以\(O\)为圆心的圆\(\omega\)的正\(n\)边形的顶点集。
任取两个不同的顶点\(A,B\)。圆\(\omega\)上连接它们的两段弧合计包含多边形的\(n\)条边。由于\(n\)为奇数,恰有一段弧包含偶数条边。因此,这段弧的中点是一个不同于\(A\)和\(B\)的顶点\(C\)。沿这段弧从\(C\)到\(A\)和\(B\)的两段弧长相等,故它们所对的弦满足\(AC=BC\)。因此\(S\)是平衡的。
为证明\(S\)是无中心的,假设某个顶点\(P\)到三个不同的顶点\(A,B,C\)等距。它们到\(P\)的共同距离为正。以\(P\)为圆心、以此距离为半径的圆经过\(A,B,C\),而\(\omega\)也经过这三点。这两个圆不同,因为它们的圆心分别为\(P\)和\(O\),且\(P\neq O\)。这与两个不同的圆至多有两个公共点相矛盾。
偶数\(n\)的构造,证明(a)中剩余的情形。
写成\(n=2m\),其中\(m\geq 2\)。设\(\omega\)是以\(O\)为圆心、半径为\(1\)的圆。取内接于\(\omega\)的一个正六边形的三个连续顶点\(A,B,C\)。则 \[ AB=BC=1. \]
在\(\omega\)上另取\(m-2\)对点\(X_i,Y_i\),使得 \[ X_iY_i=1, \] 且所有选取的点互不相同。这样的选取总是可行的:将一条单位长的弦绕\(O\)旋转;只有有限个旋转位置会使某个端点与先前选取的点重合。当\(m=2\)时,无须另取点对。
令 \[ S=\{O,A,B,C\}\cup\bigcup_{i=1}^{m-2}\{X_i,Y_i\}. \] 这个点集有\(4+2(m-2)=n\)个点。
每个点\(Q\in S\setminus\{O\}\)都有另一个点\(R\in S\setminus\{O\}\)满足\(QR=1\):对\(A\)或\(C\)取\(B\),对\(B\)取\(A\),对每个\(X_i\)或\(Y_i\)则取与其配对的点。
现在考虑\(S\)中任意两个不同的点。如果它们都在\(\omega\)上,则\(O\)到它们等距。否则,它们是\(O\)和某个\(Q\in\omega\)。按上述方法选取与\(Q\)对应的点\(R\),则 \[ RO=1=RQ. \] 因此\(S\)是平衡的,(a)得证。
(b)中偶数\(n\)的不可能性。
假设\(S\)是一个平衡且无中心的点集,其点数\(n\)为偶数。
固定\(P\in S\),将其余\(n-1\)个点按到\(P\)的距离分组。每组至多有两个点,因为若一组有三个点,就违反了无中心的条件。因此,\(P\)至多能使 \[ \left\lfloor\frac{n-1}{2}\right\rfloor=\frac{n-2}{2} \] 个无序点对\(\{A,B\}\)满足等式\(PA=PB\)。这里,由于\(A\neq B\),满足等距条件的点不可能是点对中的任何一个端点。
对由一个无序点对和一个到其两端点等距的点组成的关联进行计数。对所有\(P\in S\)求和,关联的个数至多为 \[ \frac{n(n-2)}2 \] 个。但平衡性要求每个无序点对至少对应一个这样的关联,因此关联的个数至少为 \[ \binom n2=\frac{n(n-1)}2 \] 个。这两个界相互矛盾。
所以\(n\)必须是奇数。上述正多边形的构造说明,对每个奇数\(n\geq 3\)都存在这样的点集,(b)得证。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2015 · Задача 1
Конечное множество \(S\) точек на плоскости будем называть сбалансированным, если для любых различных точек \(A\) и \(B\) из множества \(S\) найдется точка \(C\) из множества \(S\) такая, что \(AC = BC\). Множество \(S\) будем называть эксцентричным, если для любых трех различных точек \(A\), \(B\) и \(C\) из множества \(S\) не существует точки \(P\) из множества \(S\) такой, что \(PA = PB = PC\).
(а) Докажите, что для любого целого \(n \geq 3\) существует сбалансированное множество, состоящее из \(n\) точек.
(б) Найдите все целые \(n \geq 3\), для которых существует сбалансированное эксцентричное множество, состоящее из \(n\) точек.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
(a) Такое множество существует для каждого целого \(n\geq 3\).
(b) В точности все нечетные целые \(n\geq 3\).
Решение
Конструкция для нечетного \(n\), удовлетворяющая обоим условиям.
Пусть \(n\geq 3\) нечетно, а \(S\) — множество вершин правильного \(n\)-угольника, вписанного в окружность \(\omega\) с центром \(O\).
Возьмем любые две различные вершины \(A,B\). Две дуги окружности \(\omega\), соединяющие их, в совокупности содержат \(n\) сторон многоугольника. Поскольку \(n\) нечетно, ровно одна из дуг содержит четное число сторон. Поэтому ее середина является вершиной \(C\), отличной от \(A\) и \(B\). Дуги от \(C\) до \(A\) и до \(B\), лежащие на этой дуге, имеют равные длины, поэтому для их хорд выполняется \(AC=BC\). Таким образом, \(S\) сбалансировано.
Чтобы показать, что \(S\) эксцентрично, предположим, что некоторая вершина \(P\) равноудалена от трех различных вершин \(A,B,C\). Их общее расстояние до \(P\) было бы положительным. Окружность с центром \(P\) и этим радиусом проходила бы через \(A,B,C\), как и окружность \(\omega\). Эти окружности различны, поскольку их центры — \(P\) и \(O\), причем \(P\neq O\). Это противоречит тому, что две различные окружности имеют не более двух общих точек.
Конструкция для четного \(n\), доказывающая оставшиеся случаи пункта (a).
Запишем \(n=2m\), где \(m\geq 2\). Пусть \(\omega\) — окружность радиуса \(1\) с центром \(O\). Выберем три последовательные вершины \(A,B,C\) правильного шестиугольника, вписанного в \(\omega\). Тогда \[ AB=BC=1. \]
Выберем на \(\omega\) еще \(m-2\) пары точек \(X_i,Y_i\), для которых \[ X_iY_i=1, \] так, чтобы все выбранные точки были различны. Такой выбор всегда возможен: будем вращать хорду единичной длины вокруг \(O\); лишь при конечном числе поворотов какой-либо из ее концов совпадет с ранее выбранной точкой. При \(m=2\) дополнительные пары не нужны.
Положим \[ S=\{O,A,B,C\}\cup\bigcup_{i=1}^{m-2}\{X_i,Y_i\}. \] Это множество содержит \(4+2(m-2)=n\) точек.
Для каждой точки \(Q\in S\setminus\{O\}\) найдется другая точка \(R\in S\setminus\{O\}\), для которой \(QR=1\): для \(A\) или \(C\) возьмем \(B\), для \(B\) возьмем \(A\), а для каждой \(X_i\) или \(Y_i\) возьмем вторую точку той же пары.
Теперь рассмотрим любые две различные точки множества \(S\). Если обе лежат на \(\omega\), то \(O\) равноудалена от них. В противном случае это \(O\) и некоторая точка \(Q\in\omega\). Выберем для нее точку \(R\), как указано выше; тогда \[ RO=1=RQ. \] Таким образом, \(S\) сбалансировано, что завершает доказательство пункта (a).
Невозможность четного \(n\) в пункте (b).
Предположим, что \(S\) сбалансировано и эксцентрично, а число его элементов \(n\) четно.
Зафиксируем \(P\in S\) и разобьем остальные \(n-1\) точек на группы по их расстояниям до \(P\). Каждая группа содержит не более двух точек, поскольку группа из трех точек нарушала бы условие эксцентричности. Следовательно, равенство \(PA=PB\) может выполняться не более чем для \[ \left\lfloor\frac{n-1}{2}\right\rfloor=\frac{n-2}{2} \] неупорядоченных пар \(\{A,B\}\). При этом точка, равноудаленная от концов пары, не может совпадать ни с одним из них, поскольку \(A\neq B\).
Подсчитаем число сочетаний, состоящих из неупорядоченной пары и точки, равноудаленной от ее концов. Суммируя по всем \(P\in S\), получаем не более \[ \frac{n(n-2)}2 \] таких сочетаний. Но условие сбалансированности требует хотя бы одного сочетания для каждой неупорядоченной пары, так что их должно быть не менее \[ \binom n2=\frac{n(n-1)}2 \] Эти оценки противоречат друг другу.
Следовательно, \(n\) должно быть нечетным. Построенные выше правильные многоугольники доказывают существование для каждого нечетного \(n\geq 3\), что доказывает пункт (b).
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2015 · المسألة 1
نقول عن مجموعة منتهية \(S\) من نقط المستوى إنها متوازنة إذا كان من أجل كل نقطتين مختلفتين \(A\) و \(B\) في \(S\) توجد نقطة \(C\) في \(S\) تحقق \(AC = BC\). نقول عن \(S\) إنها بدون مركز إذا كان من أجل كل ثلاث نقط مختلفة \(A\) و \(B\) و \(C\) في \(S\) لا توجد نقطة \(P\) في \(S\) تحقق \(PA = PB = PC\).
أ. أثبت أنه لكل عدد صحيح \(n\geq 3\)، توجد مجموعة متوازنة مكونة من \(n\) نقطة.
ب. حدد كل الأعداد الصحيحة \(n\geq 3\) التي لأجلها توجد مجموعة متوازنة بدون مركز مكونة من \(n\) نقطة.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
(أ) توجد مثل هذه المجموعة لكل عدد صحيح \(n\geq 3\).
(ب) هي بالضبط الأعداد الصحيحة الفردية \(n\geq 3\).
الحل
إنشاء يحقق الشرطين عندما يكون \(n\) فرديًا.
ليكن \(n\geq 3\) فرديًا، ولتكن \(S\) مجموعة رؤوس مضلع منتظم ذي \(n\) أضلاع مرسوم في دائرة \(\omega\) مركزها \(O\).
لنأخذ أي رأسين مختلفين \(A,B\). يحتوي القوسان من \(\omega\) اللذان يصلان بينهما، مجتمعين، على \(n\) ضلعًا من أضلاع المضلع. وبما أن \(n\) فردي، فإن أحد القوسين بالضبط يحتوي على عدد زوجي من الأضلاع. ومن ثم فإن منتصفه رأس \(C\) يختلف عن \(A\) و\(B\). والقوسان من \(C\) إلى \(A\) وإلى \(B\) ضمن هذا القوس متساويا الطول، لذا يحقق وتراهما \(AC=BC\). إذن \(S\) متوازنة.
لإثبات أن \(S\) بدون مركز، نفترض أن رأسًا \(P\) متساوي البعد عن ثلاثة رؤوس مختلفة \(A,B,C\). تكون المسافة المشتركة بينها وبين \(P\) موجبة. فتحتوي الدائرة التي مركزها \(P\) ونصف قطرها هذه المسافة على \(A,B,C\)، كما تحتوي عليها \(\omega\). وهاتان الدائرتان مختلفتان لأن مركزيهما هما \(P\) و\(O\)، حيث \(P\neq O\). وهذا يناقض كون دائرتين مختلفتين لا تشتركان في أكثر من نقطتين.
إنشاء عندما يكون \(n\) زوجيًا، لإثبات الحالات المتبقية من (أ).
نكتب \(n=2m\)، حيث \(m\geq 2\). لتكن \(\omega\) دائرة نصف قطرها \(1\) ومركزها \(O\). نختار ثلاثة رؤوس متتالية \(A,B,C\) لسداسي منتظم مرسوم في \(\omega\). عندئذ \[ AB=BC=1. \]
نختار \(m-2\) زوجًا إضافيًا من النقط \(X_i,Y_i\) على \(\omega\)، بحيث \[ X_iY_i=1, \] وتكون جميع النقط المختارة مختلفة. يمكن دائمًا إجراء هذه الاختيارات: ندير وترًا طوله واحد حول \(O\)؛ ولا يوجد إلا عدد منتهٍ من الدورانات التي تجعل أحد طرفيه ينطبق على نقطة سبق اختيارها. وعندما \(m=2\)، لا نحتاج إلى أزواج إضافية.
نضع \[ S=\{O,A,B,C\}\cup\bigcup_{i=1}^{m-2}\{X_i,Y_i\}. \] تحتوي هذه المجموعة على \(4+2(m-2)=n\) نقطة.
لكل نقطة \(Q\in S\setminus\{O\}\) نقطة أخرى \(R\in S\setminus\{O\}\) تحقق \(QR=1\): نأخذ \(B\) للنقطة \(A\) أو \(C\)، ونأخذ \(A\) للنقطة \(B\)، ونأخذ النقطة المرافقة في الزوج لكل \(X_i\) أو \(Y_i\).
لننظر الآن في أي نقطتين مختلفتين من \(S\). إذا كانتا كلتاهما على \(\omega\)، فإن \(O\) متساوي البعد عنهما. وإلا فهما \(O\) ونقطة \(Q\in\omega\). نختار النقطة المرافقة لها \(R\) كما سبق؛ عندئذ \[ RO=1=RQ. \] إذن \(S\) متوازنة، وبذلك يكتمل إثبات الجزء (أ).
استحالة كون \(n\) زوجيًا في (ب).
نفترض أن \(S\) متوازنة وبدون مركز، وأن عدد عناصرها \(n\) زوجي.
نثبت \(P\in S\)، ونقسم النقط الأخرى، وعددها \(n-1\)، إلى مجموعات بحسب بعدها عن \(P\). تحتوي كل مجموعة على نقطتين على الأكثر، لأن وجود مجموعة من ثلاث نقط يخالف شرط انعدام المركز. ومن ثم فإن \(P\) تحقق المساواة \(PA=PB\) لعدد من الأزواج غير المرتبة \(\{A,B\}\) لا يتجاوز \[ \left\lfloor\frac{n-1}{2}\right\rfloor=\frac{n-2}{2} \] زوجًا. وهنا لا يمكن للنقطة التي تحقق المساواة أن تكون أحد طرفي الزوج، لأن \(A\neq B\).
نعد حالات الاقتران المكونة من زوج غير مرتب ونقطة متساوية البعد عن طرفيه. بالجمع على جميع \(P\in S\)، لا يتجاوز عدد هذه الحالات \[ \frac{n(n-2)}2 \] حالة. لكن التوازن يقتضي وجود حالة واحدة على الأقل لكل زوج غير مرتب، فيكون عدد الحالات على الأقل \[ \binom n2=\frac{n(n-1)}2 \] حالة. وهذان الحدان متناقضان.
إذن لا بد أن يكون \(n\) فرديًا. وتثبت المضلعات المنتظمة المنشأة أعلاه الوجود لكل عدد فردي \(n\geq 3\)، وبذلك يثبت (ب).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.