IMO 2016 · Problem 3
Let \(P=A_1A_2\ldots A_k\) be a convex polygon in the plane. The vertices \(A_1, A_2, \ldots, A_k\) have integral coordinates and lie on a circle. Let \(S\) be the area of \(P\). An odd positive integer \(n\) is given such that the squares of the side lengths of \(P\) are integers divisible by \(n\). Prove that \(2S\) is an integer divisible by \(n\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
For vectors \(u=(u_x,u_y)\) and \(v=(v_x,v_y)\), write \[ [u,v]=u_xv_y-u_yv_x. \] If \(S=0\), the conclusion is immediate. Otherwise, orient the vertices counterclockwise and set \(A_{k+1}=A_1\). The shoelace formula gives \[ 2S=\sum_{i=1}^k[A_i,A_{i+1}]\in\mathbb Z. \]
Let \(O\) and \(R\) be the centre and radius of the circle. Both coordinates of \(O\) are rational: subtracting the equations \[ |A_i-O|^2=|A_j-O|^2 \] gives linear equations with integer coefficients, and three noncollinear vertices give two independent such equations. Consequently, \(R^2\) is rational.
Fix any prime power \(p^e\mid n\), where \(p\) is odd. For a nonzero rational number \(t\), let \(v(t)\) denote its exponent of \(p\), and put \(v(0)=+\infty\). We use \[ v(xy)=v(x)+v(y),\qquad v(x+y)\geq\min\{v(x),v(y)\}, \] with equality in the second relation when the two valuations differ. Set \(r=v(R^2)\).
Case 1: \(r\geq e\). For each side, put \[ d_i=|A_{i+1}-A_i|^2,\qquad T_i=[A_i-O,A_{i+1}-O]. \] The two vectors in this determinant have squared length \(R^2\), and their dot product is \(R^2-d_i/2\). Thus \[ T_i^2 =R^4-\left(R^2-\frac{d_i}{2}\right)^2 =R^2d_i-\frac{d_i^2}{4}. \] Since \(v(d_i)\geq e\) and \(p\) is odd, both terms on the right have valuation at least \(2e\). Hence \(v(T_i)\geq e\).
Translation does not change the sum in the shoelace formula, because the extra terms telescope. Therefore \[ 2S=\sum_{i=1}^kT_i, \] so \(v(2S)\geq e\). This argument also covers \(T_i=0\), and does not require \(O\) to lie inside the polygon.
Case 2: \(r<e\). We first prove that, for any three distinct vertices \(X,Y,Z\), \[ p^e\mid |X-Y|^2,\quad p^e\mid |Y-Z|^2 \quad\Longrightarrow\quad p^e\mid |Z-X|^2. \]
Write \[ a=|X-Y|^2,\qquad b=|Y-Z|^2,\qquad c=|Z-X|^2, \qquad D=[Y-X,Z-X]. \] The dot-product identity and the circumradius formula give, respectively, \[ 4D^2=4ab-(a+b-c)^2, \qquad abc=4R^2D^2. \tag{1} \] For the second identity, the triangle has area \(|D|/2\), so the usual formula for its circumradius is \(\sqrt{abc}=2R|D|\). The three vertices are noncollinear because they are distinct points of a circle.
Suppose \(v(a),v(b)\geq e\), but \(f=v(c)<e\). Then \[ v(a+b-c)=f,\qquad v(4ab)\geq 2e>2f. \] The first identity in (1) therefore yields \(v(D)=f\). Taking valuations in the second gives \[ r=v(a)+v(b)+v(c)-2v(D) =v(a)+v(b)-f \geq 2e-f>e, \] contrary to \(r<e\). This proves the implication.
Starting with the side \(A_1A_2\), apply this implication successively to \[ (A_1,A_2,A_3),\ (A_1,A_3,A_4),\ \ldots,\ (A_1,A_{k-1},A_k). \] It follows that every squared length \(|A_1-A_j|^2\) is divisible by \(p^e\).
Thus all three squared side lengths of every triangle \(A_1A_jA_{j+1}\), for \(2\leq j\leq k-1\), are divisible by \(p^e\). By the first identity in (1), its signed double area \[ D_j=[A_j-A_1,A_{j+1}-A_1] \] satisfies \(v(4D_j^2)\geq 2e\). Since \(p\) is odd, \(v(D_j)\geq e\). These triangles partition the convex polygon, so \[ 2S=\sum_{j=2}^{k-1}D_j \] is divisible by \(p^e\).
We have proved this for every prime power dividing \(n\). Since \(2S\) is an integer, it follows that \(n\mid 2S\). \(\square\)
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2016 · Aufgabe 3
Es sei \(P = A_1A_2\ldots A_k\) ein ebenes konvexes Vieleck. Die Eckpunkte \(A_1, A_2, \ldots, A_k\) haben ganzzahlige Koordinaten und liegen auf einem Kreis. Es sei \(S\) der Flächeninhalt von \(P\). Ferner sei eine ungerade positive ganze Zahl \(n\) gegeben, sodass die Quadrate der Seitenlängen von \(P\) durch \(n\) teilbare ganze Zahlen sind.
Man beweise, dass \(2S\) eine durch \(n\) teilbare ganze Zahl ist.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Für Vektoren \(u=(u_x,u_y)\) und \(v=(v_x,v_y)\) schreiben wir \[ [u,v]=u_xv_y-u_yv_x. \] Ist \(S=0\), so ist die Behauptung unmittelbar klar. Andernfalls ordnen wir die Eckpunkte gegen den Uhrzeigersinn an und setzen \(A_{k+1}=A_1\). Die Gaußsche Trapezformel liefert \[ 2S=\sum_{i=1}^k[A_i,A_{i+1}]\in\mathbb Z. \]
Es seien \(O\) und \(R\) der Mittelpunkt und der Radius des Kreises. Beide Koordinaten von \(O\) sind rational: Durch Subtraktion der Gleichungen \[ |A_i-O|^2=|A_j-O|^2 \] erhält man lineare Gleichungen mit ganzzahligen Koeffizienten, und drei nicht kollineare Eckpunkte liefern zwei unabhängige solche Gleichungen. Folglich ist \(R^2\) rational.
Wir wählen eine beliebige Primzahlpotenz \(p^e\mid n\), wobei \(p\) ungerade ist. Für eine von null verschiedene rationale Zahl \(t\) bezeichne \(v(t)\) ihren Exponenten von \(p\), und wir setzen \(v(0)=+\infty\). Wir verwenden \[ v(xy)=v(x)+v(y),\qquad v(x+y)\geq\min\{v(x),v(y)\}, \] wobei in der zweiten Beziehung Gleichheit gilt, wenn die beiden Bewertungen verschieden sind. Wir setzen \(r=v(R^2)\).
Fall 1: \(r\geq e\). Für jede Seite setzen wir \[ d_i=|A_{i+1}-A_i|^2,\qquad T_i=[A_i-O,A_{i+1}-O]. \] Die beiden Vektoren in dieser Determinante haben das Längenquadrat \(R^2\), und ihr Skalarprodukt ist \(R^2-d_i/2\). Daher gilt \[ T_i^2 =R^4-\left(R^2-\frac{d_i}{2}\right)^2 =R^2d_i-\frac{d_i^2}{4}. \] Da \(v(d_i)\geq e\) gilt und \(p\) ungerade ist, haben beide Terme auf der rechten Seite eine Bewertung von mindestens \(2e\). Also gilt \(v(T_i)\geq e\).
Eine Verschiebung ändert die Summe in der Gaußschen Trapezformel nicht, da sich die zusätzlichen Terme teleskopartig aufheben. Daher ist \[ 2S=\sum_{i=1}^kT_i, \] also \(v(2S)\geq e\). Dieses Argument erfasst auch \(T_i=0\) und setzt nicht voraus, dass \(O\) im Inneren des Vielecks liegt.
Fall 2: \(r<e\). Wir beweisen zunächst, dass für drei beliebige verschiedene Eckpunkte \(X,Y,Z\) gilt: \[ p^e\mid |X-Y|^2,\quad p^e\mid |Y-Z|^2 \quad\Longrightarrow\quad p^e\mid |Z-X|^2. \]
Wir schreiben \[ a=|X-Y|^2,\qquad b=|Y-Z|^2,\qquad c=|Z-X|^2, \qquad D=[Y-X,Z-X]. \] Die Skalarproduktidentität und die Umkreisradiusformel liefern der Reihe nach \[ 4D^2=4ab-(a+b-c)^2, \qquad abc=4R^2D^2. \tag{1} \] Zur zweiten Identität: Das Dreieck hat den Flächeninhalt \(|D|/2\), sodass die übliche Formel für seinen Umkreisradius \(\sqrt{abc}=2R|D|\) lautet. Die drei Eckpunkte sind nicht kollinear, da sie verschiedene Punkte eines Kreises sind.
Angenommen, es gilt \(v(a),v(b)\geq e\), aber \(f=v(c)<e\). Dann ist \[ v(a+b-c)=f,\qquad v(4ab)\geq 2e>2f. \] Die erste Identität in (1) liefert daher \(v(D)=f\). Die Bewertung der zweiten ergibt \[ r=v(a)+v(b)+v(c)-2v(D) =v(a)+v(b)-f \geq 2e-f>e, \] im Widerspruch zu \(r<e\). Damit ist die Implikation bewiesen.
Ausgehend von der Seite \(A_1A_2\) wenden wir diese Implikation nacheinander auf \[ (A_1,A_2,A_3),\ (A_1,A_3,A_4),\ \ldots, (A_1,A_{k-1},A_k) \] an. Es folgt, dass jedes Längenquadrat \(|A_1-A_j|^2\) durch \(p^e\) teilbar ist.
Somit sind alle drei Seitenlängenquadrate jedes Dreiecks \(A_1A_jA_{j+1}\) für \(2\leq j\leq k-1\) durch \(p^e\) teilbar. Nach der ersten Identität in (1) erfüllt sein orientierter doppelter Flächeninhalt \[ D_j=[A_j-A_1,A_{j+1}-A_1] \] die Ungleichung \(v(4D_j^2)\geq 2e\). Da \(p\) ungerade ist, gilt \(v(D_j)\geq e\). Diese Dreiecke zerlegen das konvexe Vieleck, sodass \[ 2S=\sum_{j=2}^{k-1}D_j \] durch \(p^e\) teilbar ist.
Wir haben dies für jede Primzahlpotenz bewiesen, die \(n\) teilt. Da \(2S\) eine ganze Zahl ist, folgt \(n\mid 2S\). \(\square\)
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2016 · Soru 3
\(P=A_1A_2\ldots A_k\) koordinat düzleminde bir dışbükey çokgen olsun. \(A_1,A_2,\ldots,A_k\) köşeleri tam sayı koordinatlıdır ve hepsi bir çember üzerindedir. \(P\) nin alanı \(S\) olsun. \(P\) nin kenar uzunluklarının her birinin karesini tam bölen bir \(n\) tek pozitif tam sayısı veriliyor. \(2S\) nin \(n\) ile tam bölünen bir tam sayı olduğunu gösteriniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(u=(u_x,u_y)\) ve \(v=(v_x,v_y)\) vektörleri için \[ [u,v]=u_xv_y-u_yv_x \] yazalım. \(S=0\) ise sonuç açıktır. Aksi hâlde köşeleri saat yönünün tersine sıralayalım ve \(A_{k+1}=A_1\) alalım. Bağcık formülü \[ 2S=\sum_{i=1}^k[A_i,A_{i+1}]\in\mathbb Z \] eşitliğini verir.
Çemberin merkezi \(O\), yarıçapı \(R\) olsun. \(O\) nun her iki koordinatı da rasyoneldir: \[ |A_i-O|^2=|A_j-O|^2 \] denklemlerinde taraflar birbirinden çıkarıldığında tam sayı katsayılı doğrusal denklemler elde edilir ve doğrudaş olmayan üç köşe bu türden bağımsız iki denklem verir. Dolayısıyla \(R^2\) rasyoneldir.
\(p\) tek olmak üzere herhangi bir \(p^e\mid n\) asal kuvvetini sabitleyelim. Sıfırdan farklı bir \(t\) rasyonel sayısı için, \(v(t)\) ile bu sayıdaki \(p\) nin üssünü gösterelim ve \(v(0)=+\infty\) alalım. \[ v(xy)=v(x)+v(y),\qquad v(x+y)\geq\min\{v(x),v(y)\}, \] özelliklerini kullanacağız; ikinci bağıntıda iki değerleme farklı olduğunda eşitlik sağlanır. \(r=v(R^2)\) alalım.
Durum 1: \(r\geq e\). Her kenar için \[ d_i=|A_{i+1}-A_i|^2,\qquad T_i=[A_i-O,A_{i+1}-O] \] olarak tanımlayalım. Bu determinantta yer alan iki vektörün uzunluklarının kareleri \(R^2\), skaler çarpımları ise \(R^2-d_i/2\) dir. Böylece \[ T_i^2 =R^4-\left(R^2-\frac{d_i}{2}\right)^2 =R^2d_i-\frac{d_i^2}{4}. \] \(v(d_i)\geq e\) ve \(p\) tek olduğundan, sağdaki iki terimin de değerlemesi en az \(2e\) dir. Dolayısıyla \(v(T_i)\geq e\) olur.
Öteleme, bağcık formülündeki toplamı değiştirmez; çünkü ortaya çıkan ek terimler teleskopik olarak birbirini götürür. Dolayısıyla \[ 2S=\sum_{i=1}^kT_i, \] ve buradan \(v(2S)\geq e\) olur. Bu kanıt \(T_i=0\) durumunu da kapsar ve \(O\) nun çokgenin içinde olmasını gerektirmez.
Durum 2: \(r<e\). Önce, herhangi üç farklı \(X,Y,Z\) köşesi için \[ p^e\mid |X-Y|^2,\quad p^e\mid |Y-Z|^2 \quad\Longrightarrow\quad p^e\mid |Z-X|^2 \] olduğunu kanıtlayalım.
\[ a=|X-Y|^2,\qquad b=|Y-Z|^2,\qquad c=|Z-X|^2, \qquad D=[Y-X,Z-X] \] yazalım. Skaler çarpım özdeşliği ve çevrel çember yarıçapı formülü sırasıyla \[ 4D^2=4ab-(a+b-c)^2, \qquad abc=4R^2D^2 \tag{1} \] eşitliklerini verir. İkinci özdeşlik için, üçgenin alanı \(|D|/2\) olduğundan çevrel çember yarıçapının bilinen formülü \(\sqrt{abc}=2R|D|\) olur. Üç köşe, bir çemberin farklı noktaları oldukları için doğrudaş değildir.
\(v(a),v(b)\geq e\), fakat \(f=v(c)<e\) olduğunu varsayalım. O zaman \[ v(a+b-c)=f,\qquad v(4ab)\geq 2e>2f. \] Dolayısıyla (1) deki birinci özdeşlikten \(v(D)=f\) elde edilir. İkincide değerlemeler alınırsa \[ r=v(a)+v(b)+v(c)-2v(D) =v(a)+v(b)-f \geq 2e-f>e, \] olur; bu ise \(r<e\) ile çelişir. Böylece gerektirme kanıtlanmış olur.
\(A_1A_2\) kenarından başlayarak bu gerektirmeyi sırasıyla \[ (A_1,A_2,A_3),\ (A_1,A_3,A_4),\ \ldots, (A_1,A_{k-1},A_k) \] üçlülerine uygulayalım. Buradan her \(|A_1-A_j|^2\) uzunluk karesinin \(p^e\) ile bölündüğü çıkar.
Dolayısıyla \(2\leq j\leq k-1\) için her \(A_1A_jA_{j+1}\) üçgeninin üç kenar uzunluğunun kareleri de \(p^e\) ile bölünür. (1) deki birinci özdeşlik gereğince, bu üçgenin işaretli alanının iki katı olan \[ D_j=[A_j-A_1,A_{j+1}-A_1] \] sayısı \(v(4D_j^2)\geq 2e\) koşulunu sağlar. \(p\) tek olduğundan \(v(D_j)\geq e\) olur. Bu üçgenler dışbükey çokgeni parçalara ayırdığından \[ 2S=\sum_{j=2}^{k-1}D_j \] sayısı \(p^e\) ile bölünür.
Bunu \(n\) yi bölen her asal kuvvet için kanıtladık. \(2S\) bir tam sayı olduğundan \(n\mid 2S\) sonucuna ulaşılır. \(\square\)
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2016 · Problema 3
Sea \(P = A_1A_2\ldots A_k\) un polígono convexo en el plano. Los vértices \(A_1, A_2, \ldots, A_k\) tienen coordenadas enteras y se encuentran sobre una circunferencia. Sea \(S\) el área de \(P\). Sea \(n\) un entero positivo impar tal que los cuadrados de las longitudes de los lados de \(P\) son todos números enteros divisibles por \(n\). Demostrar que \(2S\) es un entero divisible por \(n\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Para los vectores \(u=(u_x,u_y)\) y \(v=(v_x,v_y)\), escribamos \[ [u,v]=u_xv_y-u_yv_x. \] Si \(S=0\), la conclusión es inmediata. En caso contrario, ordenemos los vértices en sentido antihorario y pongamos \(A_{k+1}=A_1\). La fórmula del área por coordenadas da \[ 2S=\sum_{i=1}^k[A_i,A_{i+1}]\in\mathbb Z. \]
Sean \(O\) y \(R\) el centro y el radio de la circunferencia. Ambas coordenadas de \(O\) son racionales: al restar las ecuaciones \[ |A_i-O|^2=|A_j-O|^2 \] se obtienen ecuaciones lineales con coeficientes enteros, y tres vértices no colineales proporcionan dos de estas ecuaciones que son independientes. Por consiguiente, \(R^2\) es racional.
Fijemos una potencia de primo cualquiera \(p^e\mid n\), donde \(p\) es impar. Para un número racional no nulo \(t\), denotemos por \(v(t)\) su exponente de \(p\), y pongamos \(v(0)=+\infty\). Usaremos \[ v(xy)=v(x)+v(y),\qquad v(x+y)\geq\min\{v(x),v(y)\}, \] con igualdad en la segunda relación cuando las dos valoraciones son distintas. Pongamos \(r=v(R^2)\).
Caso 1: \(r\geq e\). Para cada lado, pongamos \[ d_i=|A_{i+1}-A_i|^2,\qquad T_i=[A_i-O,A_{i+1}-O]. \] Los dos vectores de este determinante tienen longitud al cuadrado \(R^2\), y su producto escalar es \(R^2-d_i/2\). Por tanto, \[ T_i^2 =R^4-\left(R^2-\frac{d_i}{2}\right)^2 =R^2d_i-\frac{d_i^2}{4}. \] Como \(v(d_i)\geq e\) y \(p\) es impar, ambos términos del segundo miembro tienen valoración al menos \(2e\). Así pues, \(v(T_i)\geq e\).
Una traslación no modifica la suma de la fórmula del área por coordenadas, porque los términos adicionales se cancelan telescópicamente. Por tanto, \[ 2S=\sum_{i=1}^kT_i, \] de modo que \(v(2S)\geq e\). Este argumento también abarca el caso \(T_i=0\), y no requiere que \(O\) esté dentro del polígono.
Caso 2: \(r<e\). Primero demostremos que, para cualesquiera tres vértices distintos \(X,Y,Z\), \[ p^e\mid |X-Y|^2,\quad p^e\mid |Y-Z|^2 \quad\Longrightarrow\quad p^e\mid |Z-X|^2. \]
Escribamos \[ a=|X-Y|^2,\qquad b=|Y-Z|^2,\qquad c=|Z-X|^2, \qquad D=[Y-X,Z-X]. \] La identidad del producto escalar y la fórmula del radio de la circunferencia circunscrita dan, respectivamente, \[ 4D^2=4ab-(a+b-c)^2, \qquad abc=4R^2D^2. \tag{1} \] Para la segunda identidad, el triángulo tiene área \(|D|/2\), por lo que la fórmula usual del radio de su circunferencia circunscrita es \(\sqrt{abc}=2R|D|\). Los tres vértices no son colineales porque son puntos distintos de una circunferencia.
Supongamos que \(v(a),v(b)\geq e\), pero \(f=v(c)<e\). Entonces \[ v(a+b-c)=f,\qquad v(4ab)\geq 2e>2f. \] Por tanto, la primera identidad de (1) da \(v(D)=f\). Tomando valoraciones en la segunda, obtenemos \[ r=v(a)+v(b)+v(c)-2v(D) =v(a)+v(b)-f \geq 2e-f>e, \] lo que contradice \(r<e\). Esto demuestra la implicación.
Partiendo del lado \(A_1A_2\), apliquemos esta implicación sucesivamente a \[ (A_1,A_2,A_3),\ (A_1,A_3,A_4),\ \ldots,\ (A_1,A_{k-1},A_k). \] Se deduce que toda longitud al cuadrado \(|A_1-A_j|^2\) es divisible por \(p^e\).
Así, los cuadrados de las longitudes de los tres lados de cada triángulo \(A_1A_jA_{j+1}\), para \(2\leq j\leq k-1\), son divisibles por \(p^e\). Por la primera identidad de (1), el doble de su área orientada \[ D_j=[A_j-A_1,A_{j+1}-A_1] \] satisface \(v(4D_j^2)\geq 2e\). Como \(p\) es impar, \(v(D_j)\geq e\). Estos triángulos forman una partición del polígono convexo, por lo que \[ 2S=\sum_{j=2}^{k-1}D_j \] es divisible por \(p^e\).
Hemos demostrado esto para toda potencia de primo que divide a \(n\). Como \(2S\) es un entero, se deduce que \(n\mid 2S\). \(\square\)
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2016 · 问题 3
设\(P=A_1A_2\cdots A_k\)是平面上的一个凸多边形. 顶点\(A_1,A_2,\cdots,A_k\)的纵横坐标均为整数, 且都在一个圆上. \(P\)的面积记为\(S\). 设\(n\)是一个正奇数, 满足\(P\)的每条边长度的平方是被\(n\)整除的整数.
证明: \(2S\)是整数, 且被\(n\)整除.
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
对于向量\(u=(u_x,u_y)\)和\(v=(v_x,v_y)\),记 \[ [u,v]=u_xv_y-u_yv_x. \] 若\(S=0\),结论显然成立。否则,将顶点按逆时针方向排列,并令\(A_{k+1}=A_1\)。由鞋带公式得 \[ 2S=\sum_{i=1}^k[A_i,A_{i+1}]\in\mathbb Z. \]
设\(O\)和\(R\)分别为该圆的圆心和半径。\(O\)的两个坐标均为有理数:将方程 \[ |A_i-O|^2=|A_j-O|^2 \] 两边展开并相减,得到具有整数系数的线性方程,而三个不共线的顶点给出两个相互独立的这样的方程。因此,\(R^2\)为有理数。
固定任意一个素数幂\(p^e\mid n\),其中\(p\)为奇素数。对于非零有理数\(t\),用\(v(t)\)表示其素因子\(p\)的指数,并令\(v(0)=+\infty\)。我们将使用 \[ v(xy)=v(x)+v(y),\qquad v(x+y)\geq\min\{v(x),v(y)\}, \] 且当两个赋值不同时,第二个关系中的等号成立。令\(r=v(R^2)\)。
情形 1:\(r\geq e\)。 对于每条边,令 \[ d_i=|A_{i+1}-A_i|^2,\qquad T_i=[A_i-O,A_{i+1}-O]. \] 此行列式中的两个向量的长度平方均为\(R^2\),它们的数量积为\(R^2-d_i/2\)。因此 \[ T_i^2 =R^4-\left(R^2-\frac{d_i}{2}\right)^2 =R^2d_i-\frac{d_i^2}{4}. \] 由于\(v(d_i)\geq e\)且\(p\)为奇数,右端两项的赋值都至少为\(2e\)。所以\(v(T_i)\geq e\)。
平移不改变鞋带公式中的和,因为附加项在求和时相互抵消。因此 \[ 2S=\sum_{i=1}^kT_i, \] 故\(v(2S)\geq e\)。这一论证也适用于\(T_i=0\)的情形,且不要求\(O\)位于多边形内部。
情形 2:\(r<e\)。 我们先证明,对于任意三个互异的顶点\(X,Y,Z\),有 \[ p^e\mid |X-Y|^2,\quad p^e\mid |Y-Z|^2 \quad\Longrightarrow\quad p^e\mid |Z-X|^2. \]
记 \[ a=|X-Y|^2,\qquad b=|Y-Z|^2,\qquad c=|Z-X|^2, \qquad D=[Y-X,Z-X]. \] 由数量积恒等式和外接圆半径公式分别得到 \[ 4D^2=4ab-(a+b-c)^2, \qquad abc=4R^2D^2. \tag{1} \] 对于第二个恒等式,该三角形的面积为\(|D|/2\),因此通常的外接圆半径公式为 \(\sqrt{abc}=2R|D|\)。这三个顶点不共线,因为它们是同一圆上的三个互异的点。
假设\(v(a),v(b)\geq e\),但\(f=v(c)<e\)。则 \[ v(a+b-c)=f,\qquad v(4ab)\geq 2e>2f. \] 因此,由 (1) 中的第一个恒等式得\(v(D)=f\)。对第二个恒等式两边取赋值,得 \[ r=v(a)+v(b)+v(c)-2v(D) =v(a)+v(b)-f \geq 2e-f>e, \] 这与\(r<e\)矛盾。上述蕴含关系得证。
从边\(A_1A_2\)出发,依次对 \[ (A_1,A_2,A_3),\ (A_1,A_3,A_4),\ \ldots, (A_1,A_{k-1},A_k). \] 应用这一蕴含关系。可知每个长度平方\(|A_1-A_j|^2\)都能被\(p^e\)整除。
因此,对于每个三角形 \(A_1A_jA_{j+1}\),其中\(2\leq j\leq k-1\),其三条边的长度平方都能被\(p^e\)整除。由 (1) 中的第一个恒等式,它的有向面积的两倍 \[ D_j=[A_j-A_1,A_{j+1}-A_1] \] 满足\(v(4D_j^2)\geq 2e\)。由于\(p\)为奇数,\(v(D_j)\geq e\)。这些三角形将凸多边形分割,因此 \[ 2S=\sum_{j=2}^{k-1}D_j \] 能被\(p^e\)整除。
对于整除\(n\)的每个素数幂,我们都已证明了这一结论。由于\(2S\)为整数,得到\(n\mid 2S\)。\(\square\)
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2016 · Задача 3
Пусть \(P=A_1A_2\ldots A_k\) — выпуклый многоугольник на плоскости. Вершины \(A_1,\ A_2,\ \ldots,\ A_k\) имеют целые координаты и лежат на одной окружности. Обозначим через \(S\) площадь многоугольника \(P\). Нечётное положительное целое \(n\) таково, что квадраты длин всех сторон многоугольника \(P\) являются целыми числами, делящимися на \(n\). Докажите, что \(2S\) — целое число, делящееся на \(n\).
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Для векторов \(u=(u_x,u_y)\) и \(v=(v_x,v_y)\) обозначим \[ [u,v]=u_xv_y-u_yv_x. \] Если \(S=0\), утверждение очевидно. В противном случае упорядочим вершины против часовой стрелки и положим \(A_{k+1}=A_1\). Формула площади многоугольника через координаты вершин даёт \[ 2S=\sum_{i=1}^k[A_i,A_{i+1}]\in\mathbb Z. \]
Пусть \(O\) и \(R\) — центр и радиус окружности. Обе координаты \(O\) рациональны: вычитание уравнений \[ |A_i-O|^2=|A_j-O|^2 \] даёт линейные уравнения с целыми коэффициентами, а три вершины, не лежащие на одной прямой, дают два независимых таких уравнения. Следовательно, \(R^2\) рационально.
Зафиксируем любую степень простого числа \(p^e\mid n\), где \(p\) нечётно. Для ненулевого рационального числа \(t\) обозначим через \(v(t)\) показатель степени \(p\) в его разложении и положим \(v(0)=+\infty\). Будем использовать свойства \[ v(xy)=v(x)+v(y),\qquad v(x+y)\geq\min\{v(x),v(y)\}, \] причём во втором соотношении достигается равенство, если показатели различны. Положим \(r=v(R^2)\).
Случай 1: \(r\geq e\). Для каждой стороны положим \[ d_i=|A_{i+1}-A_i|^2,\qquad T_i=[A_i-O,A_{i+1}-O]. \] Квадраты длин двух векторов в этом определителе равны \(R^2\), а их скалярное произведение равно \(R^2-d_i/2\). Поэтому \[ T_i^2 =R^4-\left(R^2-\frac{d_i}{2}\right)^2 =R^2d_i-\frac{d_i^2}{4}. \] Поскольку \(v(d_i)\geq e\) и \(p\) нечётно, показатели обоих слагаемых справа не меньше \(2e\). Значит, \(v(T_i)\geq e\).
Параллельный перенос не меняет сумму в формуле площади, поскольку дополнительные слагаемые взаимно сокращаются. Поэтому \[ 2S=\sum_{i=1}^kT_i, \] откуда \(v(2S)\geq e\). Это рассуждение охватывает и случай \(T_i=0\) и не требует, чтобы \(O\) лежала внутри многоугольника.
Случай 2: \(r<e\). Сначала докажем, что для любых трёх различных вершин \(X,Y,Z\) \[ p^e\mid |X-Y|^2,\quad p^e\mid |Y-Z|^2 \quad\Longrightarrow\quad p^e\mid |Z-X|^2. \]
Обозначим \[ a=|X-Y|^2,\qquad b=|Y-Z|^2,\qquad c=|Z-X|^2, \qquad D=[Y-X,Z-X]. \] Тождество для скалярного произведения и формула радиуса описанной окружности дают соответственно \[ 4D^2=4ab-(a+b-c)^2, \qquad abc=4R^2D^2. \tag{1} \] Для второго равенства заметим, что площадь треугольника равна \(|D|/2\), поэтому обычная формула радиуса его описанной окружности принимает вид \(\sqrt{abc}=2R|D|\). Три вершины не лежат на одной прямой, поскольку они являются различными точками окружности.
Предположим, что \(v(a),v(b)\geq e\), но \(f=v(c)<e\). Тогда \[ v(a+b-c)=f,\qquad v(4ab)\geq 2e>2f. \] Поэтому первое равенство в (1) даёт \(v(D)=f\). Вычисляя показатели в обеих частях второго равенства, получаем \[ r=v(a)+v(b)+v(c)-2v(D) =v(a)+v(b)-f \geq 2e-f>e, \] что противоречит \(r<e\). Тем самым импликация доказана.
Начиная со стороны \(A_1A_2\), последовательно применим эту импликацию к тройкам \[ (A_1,A_2,A_3),\ (A_1,A_3,A_4),\ \ldots, (A_1,A_{k-1},A_k). \] Отсюда следует, что каждый квадрат длины \(|A_1-A_j|^2\) делится на \(p^e\).
Таким образом, все три квадрата длин сторон каждого треугольника \(A_1A_jA_{j+1}\), где \(2\leq j\leq k-1\), делятся на \(p^e\). По первому равенству в (1) его удвоенная ориентированная площадь \[ D_j=[A_j-A_1,A_{j+1}-A_1] \] удовлетворяет неравенству \(v(4D_j^2)\geq 2e\). Поскольку \(p\) нечётно, \(v(D_j)\geq e\). Эти треугольники разбивают выпуклый многоугольник, поэтому \[ 2S=\sum_{j=2}^{k-1}D_j \] делится на \(p^e\).
Мы доказали это для каждой степени простого числа, делящей \(n\). Поскольку \(2S\) — целое число, отсюда следует, что \(n\mid 2S\). \(\square\)
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2016 · المسألة 3
ليكن \(P=A_1A_2\ldots A_k\) مضلّعا محدّبا في المستوي. تقع الرؤوس \(A_1\)، \(A_2\)، \(\ldots\)، \(A_k\) كلّها على دائرة وإحداثيّات كلّ منها أعداد صحيحة. لتكن \(S\) مساحة الشكل \(P\). لدينا عدد فردي \(n\) بحيث مربّع طول كلّ ضلع من أضلاع \(P\) هو عدد صحيح ومن مضاعفات العدد \(n\). أثبت أنّ \(2S\) عدد صحيح يقبل القسمة على \(n\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
للمتجهين \(u=(u_x,u_y)\) و\(v=(v_x,v_y)\)، نكتب \[ [u,v]=u_xv_y-u_yv_x. \] إذا كان \(S=0\)، فالنتيجة مباشرة. وإلّا، نرتّب الرؤوس بعكس اتجاه عقارب الساعة ونضع \(A_{k+1}=A_1\). تعطينا صيغة رباط الحذاء \[ 2S=\sum_{i=1}^k[A_i,A_{i+1}]\in\mathbb Z. \]
ليكن \(O\) مركز الدائرة و\(R\) نصف قطرها. كلا إحداثيي \(O\) عدد نسبي: فبطرح المعادلات \[ |A_i-O|^2=|A_j-O|^2 \] نحصل على معادلات خطية ذات معاملات صحيحة، وتعطينا ثلاثة رؤوس غير واقعة على استقامة واحدة معادلتين مستقلتين من هذا النوع. وبالتالي فإنّ \(R^2\) عدد نسبي.
نثبّت أي قوة لعدد أولي \(p^e\mid n\)، حيث \(p\) فردي. لكل عدد نسبي غير صفري \(t\)، نرمز بـ\(v(t)\) إلى أسّ \(p\) في تحليله، ونضع \(v(0)=+\infty\). نستخدم \[ v(xy)=v(x)+v(y),\qquad v(x+y)\geq\min\{v(x),v(y)\}, \] مع تحقّق المساواة في العلاقة الثانية عندما تختلف القيمتان. نضع \(r=v(R^2)\).
الحالة 1: \(r\geq e\). لكل ضلع، نضع \[ d_i=|A_{i+1}-A_i|^2,\qquad T_i=[A_i-O,A_{i+1}-O]. \] مربّع طول كل من المتجهين في هذا المحدّد هو \(R^2\)، وجداؤهما السلمي هو \(R^2-d_i/2\). ومن ثمّ \[ T_i^2 =R^4-\left(R^2-\frac{d_i}{2}\right)^2 =R^2d_i-\frac{d_i^2}{4}. \] بما أنّ \(v(d_i)\geq e\) و\(p\) فردي، فإنّ قيمة \(v\) لكل من الحدّين في الطرف الأيمن لا تقلّ عن \(2e\). إذن \(v(T_i)\geq e\).
لا يغيّر الانسحاب المجموع في صيغة رباط الحذاء، لأنّ الحدود الإضافية تتلاشى بالتتابع. ولذلك \[ 2S=\sum_{i=1}^kT_i, \] ومن ثمّ \(v(2S)\geq e\). تشمل هذه الحجة أيضًا الحالة \(T_i=0\)، ولا تتطلب أن يقع \(O\) داخل المضلّع.
الحالة 2: \(r<e\). نثبت أولًا أنّه لأي ثلاثة رؤوس متمايزة \(X,Y,Z\)، \[ p^e\mid |X-Y|^2,\quad p^e\mid |Y-Z|^2 \quad\Longrightarrow\quad p^e\mid |Z-X|^2. \]
نكتب \[ a=|X-Y|^2,\qquad b=|Y-Z|^2,\qquad c=|Z-X|^2, \qquad D=[Y-X,Z-X]. \] تعطينا متطابقة الجداء السلمي وصيغة نصف قطر الدائرة المحيطة، على الترتيب، \[ 4D^2=4ab-(a+b-c)^2, \qquad abc=4R^2D^2. \tag{1} \] بالنسبة إلى المتطابقة الثانية، مساحة المثلث هي \(|D|/2\)، ومن ثمّ فإنّ الصيغة المعتادة لنصف قطر دائرته المحيطة هي \(\sqrt{abc}=2R|D|\). والرؤوس الثلاثة ليست على استقامة واحدة لأنّها نقاط متمايزة من دائرة.
نفترض أنّ \(v(a),v(b)\geq e\)، ولكن \(f=v(c)<e\). عندئذ \[ v(a+b-c)=f,\qquad v(4ab)\geq 2e>2f. \] ولذلك تعطينا المتطابقة الأولى في (1) أنّ \(v(D)=f\). وبأخذ قيم \(v\) في الثانية نحصل على \[ r=v(a)+v(b)+v(c)-2v(D) =v(a)+v(b)-f \geq 2e-f>e, \] وهذا يناقض \(r<e\). وبذلك ثبت الاستلزام.
بدءًا من الضلع \(A_1A_2\)، نطبّق هذا الاستلزام تباعًا على \[ (A_1,A_2,A_3),\ (A_1,A_3,A_4),\ \ldots, (A_1,A_{k-1},A_k). \] ينتج أنّ كل مربّع طول \(|A_1-A_j|^2\) يقبل القسمة على \(p^e\).
إذن مربّعات أطوال الأضلاع الثلاثة لكل مثلث \(A_1A_jA_{j+1}\)، حيث \(2\leq j\leq k-1\)، تقبل القسمة على \(p^e\). وبحسب المتطابقة الأولى في (1)، فإنّ ضعف مساحته الموجّهة \[ D_j=[A_j-A_1,A_{j+1}-A_1] \] يحقّق \(v(4D_j^2)\geq 2e\). وبما أنّ \(p\) فردي، فإنّ \(v(D_j)\geq e\). تقسّم هذه المثلثات المضلّع المحدّب، ولذلك فإنّ \[ 2S=\sum_{j=2}^{k-1}D_j \] يقبل القسمة على \(p^e\).
لقد أثبتنا ذلك لكل قوة لعدد أولي تقسم \(n\). وبما أنّ \(2S\) عدد صحيح، ينتج أنّ \(n\mid 2S\). \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.