IMO 2015 · Problem 3
Let \(ABC\) be an acute triangle with \(AB > AC\). Let \(\Gamma\) be its circumcircle, \(H\) its orthocentre, and \(F\) the foot of the altitude from \(A\). Let \(M\) be the midpoint of \(BC\). Let \(Q\) be the point on \(\Gamma\) such that \(\angle HQA = 90^\circ\), and let \(K\) be the point on \(\Gamma\) such that \(\angle HKQ = 90^\circ\). Assume that the points \(A, B, C, K\) and \(Q\) are all different, and lie on \(\Gamma\) in this order.
Prove that the circumcircles of triangles \(KQH\) and \(FKM\) are tangent to each other.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let \(D\ne Q\) be the second intersection of \(HQ\) with \(\Gamma\). Since the triangle is acute, \(H\) lies strictly inside \(\Gamma\), so \(H\) lies between \(D\) and \(Q\). The condition \(\angle HQA=90^\circ\) gives \(\angle DQA=90^\circ\), hence \(AD\) is a diameter of \(\Gamma\).
Consequently, \[ BD\perp AB,\qquad CD\perp AC. \] Since \(CH\perp AB\) and \(BH\perp AC\), the quadrilateral \(BHCD\) is a parallelogram. Its diagonals \(BC\) and \(HD\) bisect each other, so \(M\) is the midpoint of \(HD\). In particular, \(D,M,H,Q\) are collinear, in that order.
Let \(E\) be the reflection of \(H\) in \(BC\). Then \(F\) is the midpoint of \(HE\). Moreover, \(E\) and \(A\) lie on opposite sides of \(BC\), and \[ \angle BEC=\angle BHC=180^\circ-\angle BAC, \] so \(E\in\Gamma\).
Notice that \(F\ne M\), since otherwise \(AF\) would be the perpendicular bisector of \(BC\), giving \(AB=AC\). Also \(K\notin BC\), because \(K\in\Gamma\) and \(K\ne B,C\). Thus the circumcircle of \(FKM\) is well-defined.
Now perform an inversion with centre \(H\) and any positive radius. Write \(X'\) for the inverse of a point \(X\ne H\). Since \(H\notin\Gamma\), the image of \(\Gamma\) is a circle \(\Gamma'\).
Because \(M\) and \(F\) are the midpoints of \(HD\) and \(HE\), respectively, inversion gives \[ D'\text{ is the midpoint of }HM', \qquad E'\text{ is the midpoint of }HF'. \tag{1} \]
The circle with diameter \(HM\) contains \(F\), since \(HF\perp FM\). Its inverse is the line through \(M'\) perpendicular to \(HM\). Therefore \[ F'M'\perp HM. \tag{2} \] Likewise, the circumcircle of \(KQH\) has diameter \(HQ\), so its inverse is the line \(Q'K'\), perpendicular to \(HQ\). As \(H,M,Q\) are collinear, \[ Q'K'\parallel F'M'\perp HM. \tag{3} \] These two parallel lines are distinct: they intersect \(HM\) at the distinct points \(Q'\) and \(M'\). Hence \(F',M',K'\) are noncollinear, and the inverse of the circumcircle of \(FKM\) is the circle \[ \sigma'=(F'K'M'). \]
By (1), the midpoint theorem in triangle \(HF'M'\) gives \[ D'E'\parallel F'M'. \] Since \(D',Q'\) lie on \(HM\), equation (2) yields \[ \angle E'D'Q'=90^\circ. \] Thus \(E'Q'\) is a diameter of \(\Gamma'\). The lines \(D'E'\) and \(Q'K'\) are distinct parallel lines, so \(K'\ne E'\). As \(K'\in\Gamma'\), we obtain \[ \angle E'K'Q'=90^\circ, \qquad\text{and therefore}\qquad E'K'\parallel HM. \tag{4} \]
Let \(T\) be the midpoint of \(F'M'\). Because \(E'\) is the midpoint of \(HF'\), the midpoint theorem gives \(E'T\parallel HM'\). Together with (2) and (4), this shows that \(E'K'\) is the perpendicular bisector of \(F'M'\).
The centre of \(\sigma'\) therefore lies on the line \(E'K'\), which also contains \(K'\). Its tangent at \(K'\) is consequently perpendicular to \(E'K'\), and hence is exactly \(Q'K'\).
Thus the inverses of the two circles are tangent at \(K'\). Inversion preserves tangency away from its centre, so the original circumcircles of \(KQH\) and \(FKM\) are tangent at \(K\).
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2015 · Aufgabe 3
Es sei \(ABC\) ein spitzwinkliges Dreieck mit \(AB > AC\). Es seien \(\Gamma\) sein Umkreis, \(H\) sein Höhenschnittpunkt und \(F\) der Höhenfußpunkt von \(A\). Ferner sei \(M\) der Mittelpunkt von \(BC\). Es bezeichne \(Q\) den Punkt auf \(\Gamma\) mit \(\angle HQA = 90^\circ\) und \(K\) den Punkt auf \(\Gamma\) mit \(\angle HKQ = 90^\circ\). Dabei sei angenommen, dass die Punkte \(A, B, C, K\) und \(Q\) paarweise verschieden sind und in dieser Reihenfolge auf \(\Gamma\) liegen.
Man beweise, dass sich die Umkreise der Dreiecke \(KQH\) und \(FKM\) berühren.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Sei \(D\ne Q\) der zweite Schnittpunkt von \(HQ\) mit \(\Gamma\). Da das Dreieck spitzwinklig ist, liegt \(H\) im Inneren von \(\Gamma\), also liegt \(H\) zwischen \(D\) und \(Q\). Aus der Bedingung \(\angle HQA=90^\circ\) folgt \(\angle DQA=90^\circ\), also ist \(AD\) ein Durchmesser von \(\Gamma\).
Folglich gilt \[ BD\perp AB,\qquad CD\perp AC. \] Wegen \(CH\perp AB\) und \(BH\perp AC\) ist das Viereck \(BHCD\) ein Parallelogramm. Seine Diagonalen \(BC\) und \(HD\) halbieren einander, also ist \(M\) der Mittelpunkt von \(HD\). Insbesondere liegen \(D,M,H,Q\) in dieser Reihenfolge auf einer Geraden.
Sei \(E\) das Spiegelbild von \(H\) an \(BC\). Dann ist \(F\) der Mittelpunkt von \(HE\). Außerdem liegen \(E\) und \(A\) auf verschiedenen Seiten von \(BC\), und es gilt \[ \angle BEC=\angle BHC=180^\circ-\angle BAC, \] also \(E\in\Gamma\).
Man beachte, dass \(F\ne M\) gilt, da andernfalls \(AF\) die Mittelsenkrechte von \(BC\) wäre, woraus \(AB=AC\) folgte. Außerdem gilt \(K\notin BC\), weil \(K\in\Gamma\) und \(K\ne B,C\) sind. Somit ist der Umkreis von \(FKM\) wohldefiniert.
Wir führen nun eine Inversion mit Zentrum \(H\) und einem beliebigen positiven Radius durch. Das Bild eines Punktes \(X\ne H\) bezeichnen wir mit \(X'\). Da \(H\notin\Gamma\) gilt, ist das Bild von \(\Gamma\) ein Kreis \(\Gamma'\).
Da \(M\) und \(F\) die Mittelpunkte von \(HD\) beziehungsweise \(HE\) sind, ergibt die Inversion \[ D'\text{ ist der Mittelpunkt von }HM', \qquad E'\text{ ist der Mittelpunkt von }HF'. \tag{1} \]
Der Kreis mit Durchmesser \(HM\) enthält \(F\), da \(HF\perp FM\) gilt. Sein Bild unter der Inversion ist die Gerade durch \(M'\), die senkrecht auf \(HM\) steht. Daher gilt \[ F'M'\perp HM. \tag{2} \] Ebenso hat der Umkreis von \(KQH\) den Durchmesser \(HQ\), also ist sein Bild unter der Inversion die Gerade \(Q'K'\), die senkrecht auf \(HQ\) steht. Da \(H,M,Q\) auf einer Geraden liegen, gilt \[ Q'K'\parallel F'M'\perp HM. \tag{3} \] Diese beiden parallelen Geraden sind verschieden: Sie schneiden \(HM\) in den verschiedenen Punkten \(Q'\) und \(M'\). Daher liegen \(F',M',K'\) nicht auf einer Geraden, und das Bild des Umkreises von \(FKM\) unter der Inversion ist der Kreis \[ \sigma'=(F'K'M'). \]
Nach (1) ergibt der Mittelliniensatz im Dreieck \(HF'M'\) \[ D'E'\parallel F'M'. \] Da \(D',Q'\) auf \(HM\) liegen, liefert Gleichung (2) \[ \angle E'D'Q'=90^\circ. \] Somit ist \(E'Q'\) ein Durchmesser von \(\Gamma'\). Die Geraden \(D'E'\) und \(Q'K'\) sind verschiedene parallele Geraden, also gilt \(K'\ne E'\). Wegen \(K'\in\Gamma'\) erhalten wir \[ \angle E'K'Q'=90^\circ, \qquad\text{und daher}\qquad E'K'\parallel HM. \tag{4} \]
Sei \(T\) der Mittelpunkt von \(F'M'\). Da \(E'\) der Mittelpunkt von \(HF'\) ist, ergibt der Mittelliniensatz \(E'T\parallel HM'\). Zusammen mit (2) und (4) zeigt dies, dass \(E'K'\) die Mittelsenkrechte von \(F'M'\) ist.
Der Mittelpunkt von \(\sigma'\) liegt daher auf der Geraden \(E'K'\), die auch \(K'\) enthält. Seine Tangente in \(K'\) steht folglich senkrecht auf \(E'K'\) und ist somit genau \(Q'K'\).
Somit berühren sich die Bilder der beiden Kreise unter der Inversion in \(K'\). Eine Inversion erhält Berührungen außerhalb ihres Zentrums, also berühren sich die ursprünglichen Umkreise von \(KQH\) und \(FKM\) in \(K\).
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2015 · Soru 3
\(|AB|>|AC|\) koşulunu sağlayan bir \(ABC\) dar açılı üçgeninin çevrel çemberi \(\Gamma\), diklik merkezi \(H\), \(A\) dan geçen yüksekliğinin ayağı ise \(F\) olsun. \([BC]\) nin orta noktasına \(M\) diyelim. \(\Gamma\) çemberi üzerinde \(\angle HQA=90^\circ\) olacak şekilde bir \(Q\) ve yine \(\Gamma\) çemberi üzerinde \(\angle HKQ=90^\circ\) olacak şekilde bir \(K\) noktası alınıyor. \(A\), \(B\), \(C\), \(K\) ve \(Q\) noktalarının birbirlerinden farklı oldukları ve \(\Gamma\) üzerinde yazıldıkları sırada bulundukları varsayılıyor.
\(KQH\) ve \(FKM\) üçgenlerinin çevrel çemberlerinin birbirlerine teğet olduklarını gösteriniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(HQ\) nun \(\Gamma\) ile ikinci kesişim noktası \(D\ne Q\) olsun. Üçgen dar açılı olduğundan \(H\), \(\Gamma\) nın tam olarak iç bölgesinde yer alır; dolayısıyla \(H\), \(D\) ile \(Q\) arasındadır. \(\angle HQA=90^\circ\) koşulu \(\angle DQA=90^\circ\) eşitliğini verir; dolayısıyla \(AD\), \(\Gamma\) nın bir çapıdır.
Bunun sonucunda, \[ BD\perp AB,\qquad CD\perp AC. \] \(CH\perp AB\) ve \(BH\perp AC\) olduğundan, \(BHCD\) dörtgeni bir paralelkenardır. Köşegenleri \(BC\) ve \(HD\) birbirini ortaladığından \(M\), \(HD\) nin orta noktasıdır. Özellikle \(D,M,H,Q\) noktaları bu sırayla doğrusaldır.
\(E\), \(H\) nin \(BC\) ye göre yansıması olsun. O zaman \(F\), \(HE\) nin orta noktasıdır. Ayrıca \(E\) ve \(A\), \(BC\) nin karşı taraflarında yer alır ve \[ \angle BEC=\angle BHC=180^\circ-\angle BAC, \] olduğundan \(E\in\Gamma\) dır.
\(F\ne M\) olduğuna dikkat edelim; aksi hâlde \(AF\), \(BC\) nin orta dikmesi olur ve \(AB=AC\) elde edilirdi. Ayrıca \(K\in\Gamma\) ve \(K\ne B,C\) olduğundan \(K\notin BC\) dir. Böylece \(FKM\) nin çevrel çemberi iyi tanımlıdır.
Şimdi merkezi \(H\) ve yarıçapı herhangi bir pozitif sayı olan bir inversiyon uygulayalım. \(X\ne H\) noktasının inversiyon altındaki görüntüsünü \(X'\) ile gösterelim. \(H\notin\Gamma\) olduğundan, \(\Gamma\) nın görüntüsü bir \(\Gamma'\) çemberidir.
\(M\) ve \(F\), sırasıyla \(HD\) ve \(HE\) nin orta noktaları olduğundan, inversiyon altında \[ D'\text{ şu parçanın orta noktasıdır: }HM', \qquad E'\text{ şu parçanın orta noktasıdır: }HF'. \tag{1} \]
\(HF\perp FM\) olduğundan, çapı \(HM\) olan çember \(F\) den geçer. Bu çemberin inversiyon altındaki görüntüsü, \(M'\) den geçen ve \(HM\) ye dik olan doğrudur. Dolayısıyla \[ F'M'\perp HM. \tag{2} \] Benzer şekilde, \(KQH\) nin çevrel çemberinin çapı \(HQ\) olduğundan, inversiyon altındaki görüntüsü \(HQ\) ya dik olan \(Q'K'\) doğrusudur. \(H,M,Q\) doğrusal olduğundan, \[ Q'K'\parallel F'M'\perp HM. \tag{3} \] Bu iki paralel doğru farklıdır: \(HM\) yi farklı \(Q'\) ve \(M'\) noktalarında keserler. Dolayısıyla \(F',M',K'\) doğrusal değildir ve \(FKM\) nin çevrel çemberinin inversiyon altındaki görüntüsü \[ \sigma'=(F'K'M') \] çemberidir.
(1) uyarınca, \(HF'M'\) üçgeninde orta taban teoremi \[ D'E'\parallel F'M' \] sonucunu verir. \(D',Q'\) noktaları \(HM\) üzerinde olduğundan, (2) eşitliğinden \[ \angle E'D'Q'=90^\circ \] elde edilir. Böylece \(E'Q'\), \(\Gamma'\) nın bir çapıdır. \(D'E'\) ve \(Q'K'\) doğruları farklı paralel doğrular olduğundan \(K'\ne E'\) dir. \(K'\in\Gamma'\) olduğundan, \[ \angle E'K'Q'=90^\circ, \qquad\text{ve dolayısıyla}\qquad E'K'\parallel HM \tag{4} \] elde ederiz.
\(T\), \(F'M'\) nin orta noktası olsun. \(E'\), \(HF'\) nin orta noktası olduğundan, orta taban teoremi \(E'T\parallel HM'\) sonucunu verir. Bu, (2) ve (4) ile birlikte \(E'K'\) nün \(F'M'\) nin orta dikmesi olduğunu gösterir.
Dolayısıyla \(\sigma'\) nün merkezi, \(K'\) noktasını da içeren \(E'K'\) doğrusu üzerindedir. Bu nedenle \(K'\) deki teğeti \(E'K'\) ye diktir ve dolayısıyla tam olarak \(Q'K'\) doğrusudur.
Böylece iki çemberin inversiyon altındaki görüntüleri \(K'\) de teğettir. İnversiyon, merkezi dışındaki noktalarda teğetliği koruduğundan, başlangıçtaki \(KQH\) ve \(FKM\) çevrel çemberleri \(K\) de teğettir.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2015 · Problema 3
Sea \(ABC\) un triángulo acutángulo con \(AB > AC\). Sea \(\Gamma\) su circunferencia circunscrita, \(H\) su ortocentro, y \(F\) el pie de la altura desde \(A\). Sea \(M\) el punto medio del segmento \(BC\). Sea \(Q\) el punto de \(\Gamma\) tal que \(\angle HQA = 90^\circ\) y sea \(K\) el punto de \(\Gamma\) tal que \(\angle HKQ = 90^\circ\). Supongamos que los puntos \(A, B, C, K\) y \(Q\) son todos distintos y están sobre \(\Gamma\) en este orden.
Demostrar que la circunferencia circunscrita al triángulo \(KQH\) es tangente a la circunferencia circunscrita al triángulo \(FKM\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sea \(D\ne Q\) la segunda intersección de \(HQ\) con \(\Gamma\). Como el triángulo es acutángulo, \(H\) se encuentra estrictamente en el interior de \(\Gamma\), de modo que \(H\) está entre \(D\) y \(Q\). La condición \(\angle HQA=90^\circ\) da \(\angle DQA=90^\circ\), por lo que \(AD\) es un diámetro de \(\Gamma\).
En consecuencia, \[ BD\perp AB,\qquad CD\perp AC. \] Como \(CH\perp AB\) y \(BH\perp AC\), el cuadrilátero \(BHCD\) es un paralelogramo. Sus diagonales \(BC\) y \(HD\) se cortan en sus puntos medios, de modo que \(M\) es el punto medio de \(HD\). En particular, \(D,M,H,Q\) son colineales, en ese orden.
Sea \(E\) el simétrico de \(H\) respecto de \(BC\). Entonces \(F\) es el punto medio de \(HE\). Además, \(E\) y \(A\) están en lados opuestos de \(BC\), y \[ \angle BEC=\angle BHC=180^\circ-\angle BAC, \] por lo que \(E\in\Gamma\).
Observemos que \(F\ne M\), pues, de lo contrario, \(AF\) sería la mediatriz de \(BC\), lo que daría \(AB=AC\). Además, \(K\notin BC\), porque \(K\in\Gamma\) y \(K\ne B,C\). Por tanto, la circunferencia circunscrita a \(FKM\) está bien definida.
Realicemos ahora una inversión de centro \(H\) y radio positivo cualquiera. Denotemos por \(X'\) la imagen por inversión de un punto \(X\ne H\). Como \(H\notin\Gamma\), la imagen de \(\Gamma\) es una circunferencia \(\Gamma'\).
Como \(M\) y \(F\) son los puntos medios de \(HD\) y \(HE\), respectivamente, la inversión da \[ D'\text{ es el punto medio de }HM', \qquad E'\text{ es el punto medio de }HF'. \tag{1} \]
La circunferencia de diámetro \(HM\) contiene a \(F\), pues \(HF\perp FM\). Su imagen por inversión es la recta que pasa por \(M'\) perpendicular a \(HM\). Por tanto, \[ F'M'\perp HM. \tag{2} \] Análogamente, la circunferencia circunscrita a \(KQH\) tiene diámetro \(HQ\), por lo que su imagen por inversión es la recta \(Q'K'\), perpendicular a \(HQ\). Como \(H,M,Q\) son colineales, \[ Q'K'\parallel F'M'\perp HM. \tag{3} \] Estas dos rectas paralelas son distintas: cortan a \(HM\) en los puntos distintos \(Q'\) y \(M'\). Por tanto, \(F',M',K'\) no son colineales, y la imagen por inversión de la circunferencia circunscrita a \(FKM\) es la circunferencia \[ \sigma'=(F'K'M'). \]
Por (1), el teorema del segmento medio aplicado al triángulo \(HF'M'\) da \[ D'E'\parallel F'M'. \] Como \(D',Q'\) pertenecen a \(HM\), la ecuación (2) da \[ \angle E'D'Q'=90^\circ. \] Por tanto, \(E'Q'\) es un diámetro de \(\Gamma'\). Las rectas \(D'E'\) y \(Q'K'\) son paralelas distintas, de modo que \(K'\ne E'\). Como \(K'\in\Gamma'\), obtenemos \[ \angle E'K'Q'=90^\circ, \qquad\text{y por tanto}\qquad E'K'\parallel HM. \tag{4} \]
Sea \(T\) el punto medio de \(F'M'\). Como \(E'\) es el punto medio de \(HF'\), el teorema del segmento medio da \(E'T\parallel HM'\). Junto con (2) y (4), esto demuestra que \(E'K'\) es la mediatriz de \(F'M'\).
El centro de \(\sigma'\) pertenece, por tanto, a la recta \(E'K'\), que también contiene a \(K'\). En consecuencia, su tangente en \(K'\) es perpendicular a \(E'K'\), y por ello es precisamente \(Q'K'\).
Así, las imágenes por inversión de las dos circunferencias son tangentes en \(K'\). La inversión conserva la tangencia fuera de su centro, por lo que las circunferencias circunscritas originales de \(KQH\) y \(FKM\) son tangentes en \(K\).
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2015 · 问题 3
在锐角三角形\(ABC\)中,\(AB > AC\)。设\(\Gamma\)是它的外接圆,\(H\)是它的垂心,\(F\)是由顶点\(A\)处所引高的垂足。\(M\)是边\(BC\)的中点。\(Q\)是\(\Gamma\)上一点,使得\(\angle HQA = 90^\circ\),\(K\)是\(\Gamma\)上一点,使得\(\angle HKQ = 90^\circ\)。已知点\(A,B,C,K,Q\)互不相同,且按此顺序排列在\(\Gamma\)上。
证明:三角形\(KQH\)的外接圆和三角形\(FKM\)的外接圆相切。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
设\(D\ne Q\)为\(HQ\)与\(\Gamma\)的另一个交点。由于三角形为锐角三角形,\(H\)严格位于\(\Gamma\)内部,因此\(H\)位于\(D\)和\(Q\)之间。条件\(\angle HQA=90^\circ\)给出\(\angle DQA=90^\circ\),故\(AD\)是\(\Gamma\)的直径。
因此, \[ BD\perp AB,\qquad CD\perp AC. \] 由于\(CH\perp AB\)且\(BH\perp AC\),四边形\(BHCD\)是平行四边形。其对角线\(BC\)和\(HD\)互相平分,所以\(M\)是\(HD\)的中点。特别地,\(D,M,H,Q\)依此顺序共线。
设\(E\)为\(H\)关于\(BC\)的对称点。则\(F\)是\(HE\)的中点。此外,\(E\)和\(A\)位于\(BC\)的两侧,且 \[ \angle BEC=\angle BHC=180^\circ-\angle BAC, \] 故\(E\in\Gamma\)。
注意\(F\ne M\),否则\(AF\)将是\(BC\)的垂直平分线,从而\(AB=AC\)。又因为\(K\in\Gamma\)且\(K\ne B,C\),所以\(K\notin BC\)。因此,\(FKM\)的外接圆是确定的。
现在作以\(H\)为中心、以任意正数为半径的反演。用\(X'\)表示点\(X\ne H\)的反演像。由于\(H\notin\Gamma\),\(\Gamma\)的像是一个圆\(\Gamma'\)。
因为\(M\)和\(F\)分别是\(HD\)和\(HE\)的中点,反演后得到 \[ D'\text{ 是以下线段的中点:}HM', \qquad E'\text{ 是以下线段的中点:}HF'. \tag{1} \]
以\(HM\)为直径的圆经过\(F\),因为\(HF\perp FM\)。它的反演像是过\(M'\)且垂直于\(HM\)的直线。因此 \[ F'M'\perp HM. \tag{2} \] 同样,\(KQH\)的外接圆以\(HQ\)为直径,因此其反演像是垂直于\(HQ\)的直线\(Q'K'\)。由于\(H,M,Q\)共线, \[ Q'K'\parallel F'M'\perp HM. \tag{3} \] 这两条平行直线不同:它们与\(HM\)分别相交于不同的点\(Q'\)和\(M'\)。因此\(F',M',K'\)不共线,且\(FKM\)的外接圆的反演像是圆 \[ \sigma'=(F'K'M'). \]
由(1),在三角形\(HF'M'\)中应用中位线定理,得 \[ D'E'\parallel F'M'. \] 由于\(D',Q'\)位于\(HM\)上,由式(2)得 \[ \angle E'D'Q'=90^\circ. \] 因此\(E'Q'\)是\(\Gamma'\)的直径。直线\(D'E'\)和\(Q'K'\)是两条不同的平行直线,所以\(K'\ne E'\)。由于\(K'\in\Gamma'\),得到 \[ \angle E'K'Q'=90^\circ, \qquad\text{因此}\qquad E'K'\parallel HM. \tag{4} \]
设\(T\)为\(F'M'\)的中点。因为\(E'\)是\(HF'\)的中点,由中位线定理得\(E'T\parallel HM'\)。结合(2)和(4),可知\(E'K'\)是\(F'M'\)的垂直平分线。
因此,\(\sigma'\)的圆心位于直线\(E'K'\)上,而该直线也经过\(K'\)。所以\(\sigma'\)在\(K'\)处的切线垂直于\(E'K'\),从而恰为\(Q'K'\)。
这样,两个圆的反演像在\(K'\)处相切。反演保持反演中心以外的相切关系,因此原来的两个外接圆,即\(KQH\)和\(FKM\)的外接圆,在\(K\)处相切。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2015 · Задача 3
Пусть \(ABC\) — остроугольный треугольник, в котором \(AB > AC\). Пусть \(\Gamma\) — окружность, описанная около него, \(H\) — его ортоцентр, а \(F\) — основание высоты, опущенной из вершины \(A\). Пусть \(M\) — середина стороны \(BC\). Пусть \(Q\) — точка на окружности \(\Gamma\) такая, что \(\angle HQA = 90^\circ\), а \(K\) — точка на окружности \(\Gamma\) такая, что \(\angle HKQ = 90^\circ\). Пусть точки \(A\), \(B\), \(C\), \(K\) и \(Q\) различны и лежат на окружности \(\Gamma\) в указанном порядке.
Докажите, что окружности, описанные около треугольников \(KQH\) и \(FKM\), касаются друг друга.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Пусть \(D\ne Q\) — вторая точка пересечения \(HQ\) с \(\Gamma\). Поскольку треугольник остроугольный, \(H\) лежит строго внутри \(\Gamma\), поэтому \(H\) лежит между \(D\) и \(Q\). Из условия \(\angle HQA=90^\circ\) следует \(\angle DQA=90^\circ\), поэтому \(AD\) — диаметр \(\Gamma\).
Следовательно, \[ BD\perp AB,\qquad CD\perp AC. \] Поскольку \(CH\perp AB\) и \(BH\perp AC\), четырехугольник \(BHCD\) — параллелограмм. Его диагонали \(BC\) и \(HD\) точкой пересечения делятся пополам, поэтому \(M\) — середина \(HD\). В частности, точки \(D,M,H,Q\) лежат на одной прямой в указанном порядке.
Пусть \(E\) — точка, симметричная \(H\) относительно \(BC\). Тогда \(F\) — середина \(HE\). Кроме того, \(E\) и \(A\) лежат по разные стороны от \(BC\), и \[ \angle BEC=\angle BHC=180^\circ-\angle BAC, \] поэтому \(E\in\Gamma\).
Заметим, что \(F\ne M\), поскольку иначе \(AF\) была бы серединным перпендикуляром к \(BC\), откуда следовало бы \(AB=AC\). Кроме того, \(K\notin BC\), поскольку \(K\in\Gamma\) и \(K\ne B,C\). Таким образом, описанная окружность треугольника \(FKM\) определена корректно.
Теперь выполним инверсию с центром \(H\) и произвольным положительным радиусом. Обозначим через \(X'\) образ точки \(X\ne H\) при инверсии. Поскольку \(H\notin\Gamma\), образом \(\Gamma\) является окружность \(\Gamma'\).
Так как \(M\) и \(F\) — середины \(HD\) и \(HE\) соответственно, при инверсии получаем \[ D'\text{ — середина }HM', \qquad E'\text{ — середина }HF'. \tag{1} \]
Окружность с диаметром \(HM\) проходит через \(F\), поскольку \(HF\perp FM\). Ее образ при инверсии — прямая, проходящая через \(M'\) перпендикулярно \(HM\). Поэтому \[ F'M'\perp HM. \tag{2} \] Аналогично, описанная окружность треугольника \(KQH\) имеет диаметр \(HQ\), поэтому ее образ при инверсии — прямая \(Q'K'\), перпендикулярная \(HQ\). Поскольку \(H,M,Q\) лежат на одной прямой, \[ Q'K'\parallel F'M'\perp HM. \tag{3} \] Эти две параллельные прямые различны: они пересекают \(HM\) в различных точках \(Q'\) и \(M'\). Следовательно, \(F',M',K'\) не лежат на одной прямой, и образом описанной окружности треугольника \(FKM\) при инверсии является окружность \[ \sigma'=(F'K'M'). \]
В силу (1), по теореме о средней линии треугольника \(HF'M'\) получаем \[ D'E'\parallel F'M'. \] Поскольку \(D',Q'\) лежат на \(HM\), из равенства (2) следует \[ \angle E'D'Q'=90^\circ. \] Таким образом, \(E'Q'\) — диаметр \(\Gamma'\). Прямые \(D'E'\) и \(Q'K'\) различны и параллельны, поэтому \(K'\ne E'\). Так как \(K'\in\Gamma'\), получаем \[ \angle E'K'Q'=90^\circ, \qquad\text{и поэтому}\qquad E'K'\parallel HM. \tag{4} \]
Пусть \(T\) — середина \(F'M'\). Поскольку \(E'\) — середина \(HF'\), по теореме о средней линии имеем \(E'T\parallel HM'\). Вместе с (2) и (4) это показывает, что \(E'K'\) — серединный перпендикуляр к \(F'M'\).
Следовательно, центр \(\sigma'\) лежит на прямой \(E'K'\), которая также проходит через \(K'\). Поэтому касательная к этой окружности в \(K'\) перпендикулярна \(E'K'\) и, следовательно, совпадает с \(Q'K'\).
Таким образом, образы двух окружностей при инверсии касаются в \(K'\). Инверсия сохраняет касание вне своего центра, поэтому исходные описанные окружности треугольников \(KQH\) и \(FKM\) касаются в \(K\).
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2015 · المسألة 3
ليكن \(ABC\) مثلثا حاد الزوايا فيه \(AB>AC\)، و \(\Gamma\) دائرته المحيطة، و \(H\) ملتقى ارتفاعاته، و \(F\) قدم ارتفاعه المنشأ من الرأس \(A\). النقطة \(M\) هي منتصف الضلع \(BC\). لتكن \(Q\) النقطة على الدائرة \(\Gamma\) التي تحقق \(\widehat{HQA}=90^\circ\). لتكن \(K\) النقطة على الدائرة \(\Gamma\) التي تحقق \(\widehat{HKQ}=90^\circ\). لنفرض أن النقط \(A\)، \(B\)، \(C\)، \(K\)، \(Q\) مختلفة وهي وفق هذا الترتيب على الدائرة \(\Gamma\).
أثبت أن الدائرتين المحيطتين بالمثلثين \(KQH\) و \(FKM\) متماستان.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لتكن \(D\ne Q\) نقطة التقاطع الثانية للمستقيم \(HQ\) مع \(\Gamma\). بما أن المثلث حاد الزوايا، فإن \(H\) تقع داخل \(\Gamma\) تمامًا، ومن ثم تقع \(H\) بين \(D\) و\(Q\). يعطي الشرط \(\angle HQA=90^\circ\) أن \(\angle DQA=90^\circ\)، لذا فإن \(AD\) قطر في \(\Gamma\).
وبالتالي، \[ BD\perp AB,\qquad CD\perp AC. \] بما أن \(CH\perp AB\) و\(BH\perp AC\)، فإن الرباعي \(BHCD\) متوازي أضلاع. ينصف قطراه \(BC\) و\(HD\) أحدهما الآخر، لذا فإن \(M\) منتصف \(HD\). وبخاصة، تقع \(D,M,H,Q\) على استقامة واحدة، بهذا الترتيب.
لتكن \(E\) نظيرة \(H\) بالنسبة إلى \(BC\). عندئذ تكون \(F\) منتصف \(HE\). فضلًا عن ذلك، تقع \(E\) و\(A\) على جهتين متقابلتين من \(BC\)، و \[ \angle BEC=\angle BHC=180^\circ-\angle BAC, \] ومن ثم \(E\in\Gamma\).
نلاحظ أن \(F\ne M\)، وإلا لكان \(AF\) المنصف العمودي للقطعة \(BC\)، مما يعطي \(AB=AC\). كذلك \(K\notin BC\)، لأن \(K\in\Gamma\) و\(K\ne B,C\). إذن الدائرة المحيطة بالمثلث \(FKM\) معرفة جيدًا.
نجري الآن تحويلًا بالقلب مركزه \(H\) ونصف قطره أي عدد موجب. نرمز بـ\(X'\) إلى صورة النقطة \(X\ne H\) بهذا القلب. بما أن \(H\notin\Gamma\)، فإن صورة \(\Gamma\) دائرة \(\Gamma'\).
بما أن \(M\) و\(F\) منتصفا \(HD\) و\(HE\)، على الترتيب، فإن القلب يعطي \[ D'\text{ منتصف }HM', \qquad E'\text{ منتصف }HF'. \tag{1} \]
الدائرة التي قطرها \(HM\) تمر بالنقطة \(F\)، لأن \(HF\perp FM\). وصورتها بالقلب هي المستقيم المار بـ\(M'\) والعمودي على \(HM\). لذلك \[ F'M'\perp HM. \tag{2} \] وبالمثل، فإن قطر الدائرة المحيطة بالمثلث \(KQH\) هو \(HQ\)، لذا فإن صورتها بالقلب هي المستقيم \(Q'K'\) العمودي على \(HQ\). وبما أن \(H,M,Q\) على استقامة واحدة، فإن \[ Q'K'\parallel F'M'\perp HM. \tag{3} \] هذان المستقيمان المتوازيان مختلفان: فهما يقطعان \(HM\) في النقطتين المختلفتين \(Q'\) و\(M'\). ومن ثم فإن \(F',M',K'\) ليست على استقامة واحدة، وصورة الدائرة المحيطة بالمثلث \(FKM\) بالقلب هي الدائرة \[ \sigma'=(F'K'M'). \]
بموجب (1)، تعطي مبرهنة منتصفي ضلعين في المثلث \(HF'M'\) أن \[ D'E'\parallel F'M'. \] وبما أن \(D',Q'\) تقعان على \(HM\)، فإن المعادلة (2) تعطي \[ \angle E'D'Q'=90^\circ. \] إذن \(E'Q'\) قطر في \(\Gamma'\). والمستقيمان \(D'E'\) و\(Q'K'\) متوازيان ومختلفان، لذا \(K'\ne E'\). وبما أن \(K'\in\Gamma'\)، نحصل على \[ \angle E'K'Q'=90^\circ, \qquad\text{ومن ثم}\qquad E'K'\parallel HM. \tag{4} \]
لتكن \(T\) منتصف \(F'M'\). بما أن \(E'\) منتصف \(HF'\)، فإن مبرهنة منتصفي ضلعين تعطي \(E'T\parallel HM'\). ومع (2) و(4)، يبين هذا أن \(E'K'\) هو المنصف العمودي للقطعة \(F'M'\).
إذن يقع مركز \(\sigma'\) على المستقيم \(E'K'\)، الذي يمر أيضًا بالنقطة \(K'\). وبالتالي يكون مماسها عند \(K'\) عموديًا على \(E'K'\)، ومن ثم فهو بالضبط \(Q'K'\).
إذن صورتا الدائرتين بالقلب متماستان عند \(K'\). ويحفظ القلب التماس بعيدًا عن مركزه، لذا فإن الدائرتين الأصليتين المحيطتين بالمثلثين \(KQH\) و\(FKM\) متماستان عند \(K\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.