IMO 2016 · Problem 1
Triangle \(BCF\) has a right angle at \(B\). Let \(A\) be the point on line \(CF\) such that \(FA = FB\) and \(F\) lies between \(A\) and \(C\). Point \(D\) is chosen such that \(DA = DC\) and \(AC\) is the bisector of \(\angle DAB\). Point \(E\) is chosen such that \(EA = ED\) and \(AD\) is the bisector of \(\angle EAC\). Let \(M\) be the midpoint of \(CF\). Let \(X\) be the point such that \(AMXE\) is a parallelogram (where \(AM \parallel EX\) and \(AE \parallel MX\)). Prove that lines \(BD\), \(FX\), and \(ME\) are concurrent.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Apply a similarity and, if necessary, a reflection so that \[ F=(0,0),\qquad A=(-1,0),\qquad C=(t,0), \] and \(B\) lies above the \(x\)-axis. Since \(FC\) is the hypotenuse of the right triangle \(BCF\), we have \(t>1\). Put \[ h=\sqrt{t^2-1}>0. \]
Writing \(B=(x,y)\), the conditions \(BF=1\) and \(BF\perp BC\) give \[ x^2+y^2=1,\qquad x(x-t)+y^2=0. \] Consequently, \[ B=\left(\frac1t,\frac ht\right). \]
Because \(AC\) bisects \(\angle DAB\), the ray \(AD\) is the reflection of the ray \(AB\) across the \(x\)-axis. Thus its direction is \((t+1,-h)\). Also, \(DA=DC\) places \(D\) on the perpendicular bisector of \(AC\), whose equation is \(x=(t-1)/2\). Hence \[ D=\left(\frac{t-1}{2},-\frac h2\right). \]
We next determine \(E\). The sum of two unit vectors points along their internal angle bisector. Since \[ \|(1,-h)\|=t,\qquad (1,0)+\frac1t(1,-h)=\frac1t(t+1,-h), \] the ray of direction \((t+1,-h)\) bisects the angle between the positive \(x\)-axis and the ray of direction \((1,-h)\). Therefore the given bisector condition implies \[ E=A+s(1,-h) \] for some \(s>0\). Now \(EA=ED\) yields \[ \begin{aligned} 0 &=\|E-A\|^2-\|E-D\|^2\\ &=2(E-A)\cdot(D-A)-\|D-A\|^2\\ &=s(t+1+h^2)-\frac{(t+1)^2+h^2}{4}\\ &=t(t+1)\left(s-\frac12\right). \end{aligned} \] Thus \[ E=\left(-\frac12,-\frac h2\right). \]
The midpoint and parallelogram conditions now give \[ M=\left(\frac t2,0\right),\qquad X=M+E-A=\left(\frac{t+1}{2},-\frac h2\right). \]
Define \[ \lambda=\frac{t}{2(t+1)},\qquad P=\left(\frac t4,-\frac{th}{4(t+1)}\right). \] Direct substitution into the coordinates above gives the three identities \[ P=(1-\lambda)F+\lambda X, \qquad P=(1-\lambda)M+\lambda E, \qquad P=\lambda B+(1-\lambda)D. \] The first places \(P\) on \(FX\), the second on \(ME\), and the third on \(BD\). Therefore the three lines are concurrent.
All denominators are nonzero because \(t>1\), and \(h>0\) ensures that each line is well-defined. Thus the argument covers every admissible configuration. \(\square\)
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2016 · Aufgabe 1
Das Dreieck \(BCF\) habe einen rechten Winkel in \(B\). Es sei \(A\) der Punkt auf der Geraden \(CF\), für den \(FA = FB\) gilt und \(F\) zwischen \(A\) und \(C\) liegt. Der Punkt \(D\) sei so gewählt, dass \(DA = DC\) gilt und \(AC\) den Winkel \(\angle DAB\) halbiert. Der Punkt \(E\) sei so gewählt, dass \(EA = ED\) gilt und \(AD\) den Winkel \(\angle EAC\) halbiert. Es sei \(M\) der Mittelpunkt von \(CF\). Ferner sei \(X\) derjenige Punkt, für den \(AMXE\) ein Parallelogramm (mit \(AM \parallel EX\) und \(AE \parallel MX\)) ist.
Man beweise, dass sich \(BD\), \(FX\) und \(ME\) in einem Punkt schneiden.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir wenden eine Ähnlichkeitsabbildung und, falls nötig, eine Spiegelung an, sodass \[ F=(0,0),\qquad A=(-1,0),\qquad C=(t,0), \] gilt und \(B\) oberhalb der \(x\)-Achse liegt. Da \(FC\) die Hypotenuse des rechtwinkligen Dreiecks \(BCF\) ist, gilt \(t>1\). Wir setzen \[ h=\sqrt{t^2-1}>0. \]
Schreiben wir \(B=(x,y)\), so liefern die Bedingungen \(BF=1\) und \(BF\perp BC\) \[ x^2+y^2=1,\qquad x(x-t)+y^2=0. \] Folglich ist \[ B=\left(\frac1t,\frac ht\right). \]
Da \(AC\) den Winkel \(\angle DAB\) halbiert, ist der Strahl \(AD\) das Spiegelbild des Strahls \(AB\) an der \(x\)-Achse. Sein Richtungsvektor ist daher \((t+1,-h)\). Wegen \(DA=DC\) liegt \(D\) außerdem auf der Mittelsenkrechten von \(AC\), deren Gleichung \(x=(t-1)/2\) lautet. Somit ist \[ D=\left(\frac{t-1}{2},-\frac h2\right). \]
Als Nächstes bestimmen wir \(E\). Die Summe zweier Einheitsvektoren zeigt in Richtung ihrer inneren Winkelhalbierenden. Wegen \[ \|(1,-h)\|=t,\qquad (1,0)+\frac1t(1,-h)=\frac1t(t+1,-h), \] halbiert der Strahl mit Richtungsvektor \((t+1,-h)\) den Winkel zwischen der positiven \(x\)-Achse und dem Strahl mit Richtungsvektor \((1,-h)\). Aus der gegebenen Winkelhalbierendenbedingung folgt daher \[ E=A+s(1,-h) \] für ein \(s>0\). Nun ergibt \(EA=ED\) \[ \begin{aligned} 0 &=\|E-A\|^2-\|E-D\|^2\\ &=2(E-A)\cdot(D-A)-\|D-A\|^2\\ &=s(t+1+h^2)-\frac{(t+1)^2+h^2}{4}\\ &=t(t+1)\left(s-\frac12\right). \end{aligned} \] Also ist \[ E=\left(-\frac12,-\frac h2\right). \]
Die Mittelpunkt- und Parallelogrammbedingungen liefern nun \[ M=\left(\frac t2,0\right),\qquad X=M+E-A=\left(\frac{t+1}{2},-\frac h2\right). \]
Wir definieren \[ \lambda=\frac{t}{2(t+1)},\qquad P=\left(\frac t4,-\frac{th}{4(t+1)}\right). \] Direktes Einsetzen der obigen Koordinaten ergibt die drei Identitäten \[ P=(1-\lambda)F+\lambda X, \qquad P=(1-\lambda)M+\lambda E, \qquad P=\lambda B+(1-\lambda)D. \] Die erste zeigt, dass \(P\) auf \(FX\) liegt, die zweite, dass \(P\) auf \(ME\) liegt, und die dritte, dass \(P\) auf \(BD\) liegt. Somit schneiden sich die drei Geraden in einem Punkt.
Alle Nenner sind wegen \(t>1\) von null verschieden, und \(h>0\) stellt sicher, dass jede Gerade wohldefiniert ist. Damit erfasst der Beweis jede zulässige Konfiguration. \(\square\)
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2016 · Soru 1
Bir \(BCF\) üçgeninin \(B\) açısı diktir. \(CF\) doğrusu üzerinde bir \(A\) noktası, \(|FA| = |FB|\) olacak ve \(F\) noktası \(A\) ile \(C\) arasında kalacak şekilde seçiliyor. \(D\) noktası, \(|DA| = |DC|\) olacak ve \(\angle DAB\) nin açıortayı \(AC\) olacak şekilde seçiliyor. \(E\) noktası, \(|EA| = |ED|\) olacak ve \(\angle EAC\) nin açıortayı \(AD\) olacak şekilde seçiliyor. \([CF]\) nin orta noktası \(M\) olsun. \(X\) noktası, \(AMXE\) bir paralelkenar (\(AM \parallel EX\) ve \(AE \parallel MX\)) olacak şekilde seçiliyor. \(BD\), \(FX\), ve \(ME\) doğrularının noktadaş olduklarını gösteriniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Bir benzerlik ve gerekirse bir yansıma uygulayarak \[ F=(0,0),\qquad A=(-1,0),\qquad C=(t,0), \] ve \(B\) noktasının \(x\) ekseninin üstünde olmasını sağlayalım. \(FC\), \(BCF\) dik üçgeninin hipotenüsü olduğundan \(t>1\) olur. \[ h=\sqrt{t^2-1}>0 \] olarak tanımlayalım.
\(B=(x,y)\) yazarsak, \(BF=1\) ve \(BF\perp BC\) koşulları \[ x^2+y^2=1,\qquad x(x-t)+y^2=0 \] eşitliklerini verir. Dolayısıyla \[ B=\left(\frac1t,\frac ht\right). \]
\(AC\), \(\angle DAB\) nin açıortayı olduğundan, \(AD\) ışını \(AB\) ışınının \(x\) eksenine göre yansımasıdır. Bu nedenle yön vektörü \((t+1,-h)\) olur. Ayrıca \(DA=DC\) olduğundan \(D\), denklemi \(x=(t-1)/2\) olan \(AC\) nin orta dikmesi üzerindedir. Böylece \[ D=\left(\frac{t-1}{2},-\frac h2\right). \]
Şimdi \(E\) yi belirleyelim. İki birim vektörün toplamı, aralarındaki açının iç açıortayı yönündedir. \[ \|(1,-h)\|=t,\qquad (1,0)+\frac1t(1,-h)=\frac1t(t+1,-h), \] olduğundan, yön vektörü \((t+1,-h)\) olan ışın, pozitif \(x\) ekseni ile yön vektörü \((1,-h)\) olan ışın arasındaki açıyı iki eş parçaya böler. Dolayısıyla verilen açıortay koşulundan, bir \(s>0\) için \[ E=A+s(1,-h) \] olduğu çıkar. Şimdi \(EA=ED\) eşitliğinden \[ \begin{aligned} 0 &=\|E-A\|^2-\|E-D\|^2\\ &=2(E-A)\cdot(D-A)-\|D-A\|^2\\ &=s(t+1+h^2)-\frac{(t+1)^2+h^2}{4}\\ &=t(t+1)\left(s-\frac12\right) \end{aligned} \] elde edilir. O hâlde \[ E=\left(-\frac12,-\frac h2\right). \]
Orta nokta ve paralelkenar koşulları şimdi \[ M=\left(\frac t2,0\right),\qquad X=M+E-A=\left(\frac{t+1}{2},-\frac h2\right) \] eşitliklerini verir.
\[ \lambda=\frac{t}{2(t+1)},\qquad P=\left(\frac t4,-\frac{th}{4(t+1)}\right) \] olarak tanımlayalım. Yukarıdaki koordinatlar doğrudan yerine konulduğunda şu üç özdeşlik elde edilir: \[ P=(1-\lambda)F+\lambda X, \qquad P=(1-\lambda)M+\lambda E, \qquad P=\lambda B+(1-\lambda)D. \] Birinci özdeşlik \(P\) nin \(FX\) üzerinde, ikincisi \(ME\) üzerinde, üçüncüsü ise \(BD\) üzerinde olduğunu gösterir. Dolayısıyla bu üç doğru noktadaştır.
\(t>1\) olduğundan bütün paydalar sıfırdan farklıdır ve \(h>0\) olması her doğrunun iyi tanımlı olmasını sağlar. Böylece kanıt, koşulları sağlayan bütün yerleşimleri kapsar. \(\square\)
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2016 · Problema 1
El triángulo \(BCF\) es rectángulo en \(B\). Sea \(A\) el punto de la recta \(CF\) tal que \(FA = FB\) y \(F\) está entre \(A\) y \(C\). Se elige el punto \(D\) de modo que \(DA = DC\) y \(AC\) es bisectriz del ángulo \(\angle DAB\). Se elige el punto \(E\) de modo que \(EA = ED\) y \(AD\) es bisectriz del ángulo \(\angle EAC\). Sea \(M\) el punto medio de \(CF\). Sea \(X\) el punto tal que \(AMXE\) es un paralelogramo (con \(AM \parallel EX\) y \(AE \parallel MX\)). Demostrar que las rectas \(BD\), \(FX\), y \(ME\) son concurrentes.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Apliquemos una semejanza y, si es necesario, una reflexión de modo que \[ F=(0,0),\qquad A=(-1,0),\qquad C=(t,0), \] y \(B\) quede por encima del eje \(x\). Como \(FC\) es la hipotenusa del triángulo rectángulo \(BCF\), tenemos \(t>1\). Pongamos \[ h=\sqrt{t^2-1}>0. \]
Escribiendo \(B=(x,y)\), las condiciones \(BF=1\) y \(BF\perp BC\) dan \[ x^2+y^2=1,\qquad x(x-t)+y^2=0. \] Por consiguiente, \[ B=\left(\frac1t,\frac ht\right). \]
Como \(AC\) es bisectriz de \(\angle DAB\), la semirrecta \(AD\) es la reflexión de la semirrecta \(AB\) respecto del eje \(x\). Por tanto, su dirección es \((t+1,-h)\). Además, \(DA=DC\) sitúa a \(D\) en la mediatriz de \(AC\), cuya ecuación es \(x=(t-1)/2\). Así pues, \[ D=\left(\frac{t-1}{2},-\frac h2\right). \]
Determinemos ahora \(E\). La suma de dos vectores unitarios tiene la dirección de la bisectriz interior del ángulo que forman. Como \[ \|(1,-h)\|=t,\qquad (1,0)+\frac1t(1,-h)=\frac1t(t+1,-h), \] la semirrecta de dirección \((t+1,-h)\) biseca el ángulo entre el semieje positivo de las \(x\) y la semirrecta de dirección \((1,-h)\). Por tanto, la condición dada sobre la bisectriz implica \[ E=A+s(1,-h) \] para algún \(s>0\). Ahora, \(EA=ED\) da \[ \begin{aligned} 0 &=\|E-A\|^2-\|E-D\|^2\\ &=2(E-A)\cdot(D-A)-\|D-A\|^2\\ &=s(t+1+h^2)-\frac{(t+1)^2+h^2}{4}\\ &=t(t+1)\left(s-\frac12\right). \end{aligned} \] Por tanto, \[ E=\left(-\frac12,-\frac h2\right). \]
Las condiciones de punto medio y de paralelogramo dan ahora \[ M=\left(\frac t2,0\right),\qquad X=M+E-A=\left(\frac{t+1}{2},-\frac h2\right). \]
Definamos \[ \lambda=\frac{t}{2(t+1)},\qquad P=\left(\frac t4,-\frac{th}{4(t+1)}\right). \] La sustitución directa en las coordenadas anteriores da las tres identidades \[ P=(1-\lambda)F+\lambda X, \qquad P=(1-\lambda)M+\lambda E, \qquad P=\lambda B+(1-\lambda)D. \] La primera sitúa a \(P\) en \(FX\), la segunda en \(ME\) y la tercera en \(BD\). Por tanto, las tres rectas son concurrentes.
Todos los denominadores son distintos de cero porque \(t>1\), y \(h>0\) garantiza que cada recta está bien definida. Así, el argumento abarca todas las configuraciones admisibles. \(\square\)
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2016 · 问题 1
已知三角形\(BCF\)中, 角\(B\)是直角. 在直线\(CF\)上取点\(A\), 使得\(FA = FB\), 且\(F\)在点\(A\)和\(C\)之间. 取点\(D\), 使得\(DA = DC\), 且\(AC\)是\(\angle DAB\)的内角平分线. 取点\(E\), 使得\(EA = ED\), 且\(AD\)是\(\angle EAC\)的内角平分线. 设\(M\)是线段\(CF\)的中点. 取点\(X\)使得\(AMXE\)是一个平行四边形(这里 \(AM\parallel EX\), \(AE\parallel MX\)).
证明: 直线\(BD\), \(FX\)和\(ME\)三线共点.
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
作相似变换,并在必要时作反射,使得 \[ F=(0,0),\qquad A=(-1,0),\qquad C=(t,0), \] 且\(B\)位于\(x\)轴上方。由于\(FC\)是直角三角形\(BCF\)的斜边,有\(t>1\)。令 \[ h=\sqrt{t^2-1}>0. \]
设\(B=(x,y)\),由条件\(BF=1\)及\(BF\perp BC\)得 \[ x^2+y^2=1,\qquad x(x-t)+y^2=0. \] 因此, \[ B=\left(\frac1t,\frac ht\right). \]
由于\(AC\)平分\(\angle DAB\),射线\(AD\)是射线\(AB\)关于\(x\)轴的对称射线。因此,其方向向量为\((t+1,-h)\)。此外,由\(DA=DC\)可知,\(D\)位于\(AC\)的垂直平分线上,该直线的方程为\(x=(t-1)/2\)。于是 \[ D=\left(\frac{t-1}{2},-\frac h2\right). \]
接下来确定\(E\)。两个单位向量的和沿着它们所成角的内角平分线方向。由于 \[ \|(1,-h)\|=t,\qquad (1,0)+\frac1t(1,-h)=\frac1t(t+1,-h), \] 方向向量为\((t+1,-h)\)的射线平分\(x\)轴正方向与方向向量为\((1,-h)\)的射线所成的角。因此,由题设的角平分线条件可知 \[ E=A+s(1,-h) \] 其中\(s>0\)。此时,由\(EA=ED\)得 \[ \begin{aligned} 0 &=\|E-A\|^2-\|E-D\|^2\\ &=2(E-A)\cdot(D-A)-\|D-A\|^2\\ &=s(t+1+h^2)-\frac{(t+1)^2+h^2}{4}\\ &=t(t+1)\left(s-\frac12\right). \end{aligned} \] 因此 \[ E=\left(-\frac12,-\frac h2\right). \]
由中点条件和平行四边形条件,现得 \[ M=\left(\frac t2,0\right),\qquad X=M+E-A=\left(\frac{t+1}{2},-\frac h2\right). \]
定义 \[ \lambda=\frac{t}{2(t+1)},\qquad P=\left(\frac t4,-\frac{th}{4(t+1)}\right). \] 直接代入上述坐标,得到以下三个恒等式 \[ P=(1-\lambda)F+\lambda X, \qquad P=(1-\lambda)M+\lambda E, \qquad P=\lambda B+(1-\lambda)D. \] 第一个表明\(P\)在\(FX\)上,第二个表明\(P\)在\(ME\)上,第三个表明\(P\)在\(BD\)上。因此,三条直线共点。
由于\(t>1\),所有分母均非零,而\(h>0\)保证各条直线均有明确定义。因此,这一论证涵盖了所有满足题设的构型。\(\square\)
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2016 · Задача 1
Дан треугольник \(BCF\) с прямым углом при вершине \(B\). Точка \(A\) на прямой \(CF\) такова, что \(FA = FB\) и \(F\) лежит между \(A\) и \(C\). Точка \(D\) выбрана так, что \(DA = DC\) и \(AC\) — биссектриса угла \(DAB\). Точка \(E\) выбрана так, что \(EA = ED\) и \(AD\) — биссектриса угла \(EAC\). Точка \(M\) — середина отрезка \(CF\). Пусть точка \(X\) такова, что \(AMXE\) — параллелограмм (в котором \(AM \parallel EX\) и \(AE \parallel MX\)). Докажите, что прямые \(BD\), \(FX\) и \(ME\) пересекаются в одной точке.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Применим преобразование подобия и, при необходимости, отражение так, чтобы \[ F=(0,0),\qquad A=(-1,0),\qquad C=(t,0), \] а точка \(B\) лежала выше оси \(x\). Поскольку \(FC\) — гипотенуза прямоугольного треугольника \(BCF\), имеем \(t>1\). Положим \[ h=\sqrt{t^2-1}>0. \]
Обозначив \(B=(x,y)\), из условий \(BF=1\) и \(BF\perp BC\) получаем \[ x^2+y^2=1,\qquad x(x-t)+y^2=0. \] Следовательно, \[ B=\left(\frac1t,\frac ht\right). \]
Поскольку \(AC\) — биссектриса угла \(DAB\), луч \(AD\) симметричен лучу \(AB\) относительно оси \(x\). Поэтому его направляющий вектор равен \((t+1,-h)\). Кроме того, из \(DA=DC\) следует, что \(D\) лежит на серединном перпендикуляре к \(AC\), уравнение которого имеет вид \(x=(t-1)/2\). Значит, \[ D=\left(\frac{t-1}{2},-\frac h2\right). \]
Теперь найдём \(E\). Сумма двух единичных векторов направлена вдоль биссектрисы угла между ними. Поскольку \[ \|(1,-h)\|=t,\qquad (1,0)+\frac1t(1,-h)=\frac1t(t+1,-h), \] луч с направляющим вектором \((t+1,-h)\) делит пополам угол между положительным направлением оси \(x\) и лучом с направляющим вектором \((1,-h)\). Поэтому из данного условия о биссектрисе следует, что \[ E=A+s(1,-h) \] при некотором \(s>0\). Теперь равенство \(EA=ED\) даёт \[ \begin{aligned} 0 &=\|E-A\|^2-\|E-D\|^2\\ &=2(E-A)\cdot(D-A)-\|D-A\|^2\\ &=s(t+1+h^2)-\frac{(t+1)^2+h^2}{4}\\ &=t(t+1)\left(s-\frac12\right). \end{aligned} \] Таким образом, \[ E=\left(-\frac12,-\frac h2\right). \]
Из условий о середине отрезка и параллелограмме теперь получаем \[ M=\left(\frac t2,0\right),\qquad X=M+E-A=\left(\frac{t+1}{2},-\frac h2\right). \]
Положим \[ \lambda=\frac{t}{2(t+1)},\qquad P=\left(\frac t4,-\frac{th}{4(t+1)}\right). \] Непосредственная подстановка найденных выше координат даёт три тождества \[ P=(1-\lambda)F+\lambda X, \qquad P=(1-\lambda)M+\lambda E, \qquad P=\lambda B+(1-\lambda)D. \] Первое показывает, что \(P\) лежит на \(FX\), второе — на \(ME\), а третье — на \(BD\). Следовательно, три прямые пересекаются в одной точке.
Все знаменатели отличны от нуля, поскольку \(t>1\), а условие \(h>0\) гарантирует, что каждая прямая определена корректно. Таким образом, рассуждение охватывает все допустимые конфигурации. \(\square\)
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2016 · المسألة 1
المثلّث \(BCF\) قائم في \(B\). لتكن \(A\) النقطة على المستقيم \(CF\) التي تحقّق \(FA=FB\) وتجعل \(F\) بين \(A\) و\(C\). نختار النقطة \(D\) بحيث \(DA=DC\) و\(AC\) هو منصف الزاوية \(\angle DAB\). نختار النقطة \(E\) بحيث \(EA=ED\) و\(AD\) هو منصف الزاوية \(\angle EAC\). لتكن \(M\) منتصف \(CF\)، و\(X\) النقطة التي تجعل \(AMXE\) متوازي الأضلاع (أي \(AM\parallel EX\) و\(AE\parallel MX\)). أثبت أنّ المستقيمات \(BD\) و\(FX\) و\(ME\) تتقاطع في نقطة واحدة.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نطبّق تشابهًا، وانعكاسًا عند الحاجة، بحيث \[ F=(0,0),\qquad A=(-1,0),\qquad C=(t,0), \] وتقع \(B\) فوق محور \(x\). بما أنّ \(FC\) هو وتر المثلث القائم \(BCF\)، فإنّ \(t>1\). نضع \[ h=\sqrt{t^2-1}>0. \]
بكتابة \(B=(x,y)\)، يعطينا الشرطان \(BF=1\) و\(BF\perp BC\) \[ x^2+y^2=1,\qquad x(x-t)+y^2=0. \] ومن ثمّ، \[ B=\left(\frac1t,\frac ht\right). \]
بما أنّ \(AC\) ينصف \(\angle DAB\)، فإنّ الشعاع \(AD\) هو صورة الشعاع \(AB\) بالانعكاس حول محور \(x\). لذا فإنّ متجه اتجاهه هو \((t+1,-h)\). كذلك، يقتضي الشرط \(DA=DC\) أن تقع \(D\) على المنصف العمودي للقطعة \(AC\)، الذي معادلته \(x=(t-1)/2\). وبالتالي \[ D=\left(\frac{t-1}{2},-\frac h2\right). \]
نحدّد الآن \(E\). يتجه مجموع متجهي وحدة وفق منصف الزاوية الداخلية بينهما. وبما أنّ \[ \|(1,-h)\|=t,\qquad (1,0)+\frac1t(1,-h)=\frac1t(t+1,-h), \] فإنّ الشعاع ذا الاتجاه \((t+1,-h)\) ينصف الزاوية بين الاتجاه الموجب لمحور \(x\) والشعاع ذي الاتجاه \((1,-h)\). ولذلك يقتضي شرط المنصف المعطى أن \[ E=A+s(1,-h) \] لبعض \(s>0\). والآن يعطينا \(EA=ED\) \[ \begin{aligned} 0 &=\|E-A\|^2-\|E-D\|^2\\ &=2(E-A)\cdot(D-A)-\|D-A\|^2\\ &=s(t+1+h^2)-\frac{(t+1)^2+h^2}{4}\\ &=t(t+1)\left(s-\frac12\right). \end{aligned} \] إذن \[ E=\left(-\frac12,-\frac h2\right). \]
يعطينا الآن شرطا المنتصف ومتوازي الأضلاع \[ M=\left(\frac t2,0\right),\qquad X=M+E-A=\left(\frac{t+1}{2},-\frac h2\right). \]
نعرّف \[ \lambda=\frac{t}{2(t+1)},\qquad P=\left(\frac t4,-\frac{th}{4(t+1)}\right). \] بالتعويض المباشر في الإحداثيات أعلاه نحصل على المتطابقات الثلاث \[ P=(1-\lambda)F+\lambda X, \qquad P=(1-\lambda)M+\lambda E, \qquad P=\lambda B+(1-\lambda)D. \] تبيّن الأولى أنّ \(P\) تقع على \(FX\)، والثانية أنّها تقع على \(ME\)، والثالثة أنّها تقع على \(BD\). ومن ثمّ تتلاقى المستقيمات الثلاثة في نقطة واحدة.
جميع المقامات غير منعدمة لأنّ \(t>1\)، ويضمن الشرط \(h>0\) أنّ كل مستقيم محدّد تحديدًا صحيحًا. وهكذا يشمل البرهان كل وضع هندسي يحقّق المعطيات. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.