IMO 2018 · Problem 1
Let \(\Gamma\) be the circumcircle of acute-angled triangle \(ABC\). Points \(D\) and \(E\) lie on segments \(AB\) and \(AC\), respectively, such that \(AD = AE\). The perpendicular bisectors of \(BD\) and \(CE\) intersect the minor arcs \(AB\) and \(AC\) of \(\Gamma\) at points \(F\) and \(G\), respectively. Prove that the lines \(DE\) and \(FG\) are parallel (or are the same line).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let \(O\) and \(R\) be the circumcenter and circumradius, and put \[ t=AD=AE,\qquad \theta=\frac12\angle BAC. \] Here \(t>0\), since otherwise \(D=E=A\) and the line \(DE\) is undefined.
Choose Cartesian coordinates with origin \(O\), whose positive horizontal direction is parallel to the internal angle bisector from \(A\). Orient the vertical axis so that the unit vectors along \(AB\) and \(AC\) are \[ u=(\cos\theta,\sin\theta), \qquad v=(\cos\theta,-\sin\theta). \] Consequently, \[ D-E=t(u-v)=(0,2t\sin\theta), \] so \(DE\) is vertical. We shall prove that \(F\) and \(G\) have equal horizontal coordinates.
Let \(M\) be the midpoint of \(AB\), and \(P\) the midpoint of \(BD\). Since \(OM\perp AB\), we have \(M\cdot u=0\). Moreover, \[ P=M+\frac t2u. \] The perpendicular bisector of \(BD\) passes through \(P\) perpendicular to \(u\). Thus \[ F\cdot u=P\cdot u=\frac t2. \] Applying the same argument to \(AC\) and \(CE\) gives \[ G\cdot v=\frac t2. \]
The outward unit normals to the sides \(AB\) and \(AC\), respectively, are \[ n=(-\sin\theta,\cos\theta), \qquad m=(-\sin\theta,-\cos\theta). \] Because \(ABC\) is acute, \(O\) lies strictly inside the triangle. A minor arc lies on the side of its chord opposite the center; hence the specified arc choices imply \[ F\cdot n>0,\qquad G\cdot m>0. \] This determines which of the two circle intersections is being used.
Since \(|F|=|G|=R\), and each of \((u,n)\) and \((v,m)\) is an orthonormal pair, it follows that \[ F=\frac t2u+hn,\qquad G=\frac t2v+hm, \qquad h=\sqrt{R^2-\frac{t^2}{4}}. \] Here \(h>0\): indeed, \(t\le\min\{AB,AC\}<2R\), since neither side is a diameter in an acute triangle. Expanding, \[ F=\left( \frac t2\cos\theta-h\sin\theta,\, \frac t2\sin\theta+h\cos\theta \right), \] \[ G=\left( \frac t2\cos\theta-h\sin\theta,\, -\frac t2\sin\theta-h\cos\theta \right). \] Their horizontal coordinates are equal, and their vertical coordinates differ by \[ t\sin\theta+2h\cos\theta>0. \] Therefore \(FG\) is a well-defined vertical line. Since \(DE\) is also vertical, the two lines are parallel or coincide, as required.
For completeness, if \(D=B\) or \(E=C\), the corresponding zero-length segment has no ordinary perpendicular bisector. If such endpoints are admitted using the natural limiting construction—the perpendicular to the containing side through the endpoint—the same proof applies. Its formulas give \(F=D=B\) or \(G=E=C\), respectively, and the two lines then coincide.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2018 · Aufgabe 1
Es sei \(\Gamma\) der Umkreis eines spitzwinkligen Dreiecks \(ABC\). Punkte \(D\) und \(E\) liegen so auf den Strecken \(AB\) bzw. \(AC\), dass \(AD = AE\) gilt. Die Mittelsenkrechten der Strecken \(BD\) und \(CE\) schneiden die kürzeren Kreisbögen \(AB\) bzw. \(AC\) von \(\Gamma\) in den Punkten \(F\) bzw. \(G\). Man beweise, dass die Geraden \(DE\) und \(FG\) parallel oder gleich sind.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Es seien \(O\) und \(R\) der Umkreismittelpunkt und der Umkreisradius, und wir setzen \[ t=AD=AE,\qquad \theta=\frac12\angle BAC. \] Hier ist \(t>0\), da andernfalls \(D=E=A\) wäre und die Gerade \(DE\) nicht definiert wäre.
Wir wählen kartesische Koordinaten mit Ursprung \(O\), deren positive horizontale Richtung parallel zur inneren Winkelhalbierenden von \(A\) ist. Wir orientieren die vertikale Achse so, dass die Einheitsvektoren entlang \(AB\) und \(AC\) die Gestalt \[ u=(\cos\theta,\sin\theta), \qquad v=(\cos\theta,-\sin\theta) \] haben. Folglich gilt \[ D-E=t(u-v)=(0,2t\sin\theta), \] also ist \(DE\) vertikal. Wir werden zeigen, dass \(F\) und \(G\) dieselbe horizontale Koordinate haben.
Es sei \(M\) der Mittelpunkt von \(AB\) und \(P\) der Mittelpunkt von \(BD\). Wegen \(OM\perp AB\) gilt \(M\cdot u=0\). Außerdem ist \[ P=M+\frac t2u. \] Die Mittelsenkrechte von \(BD\) verläuft durch \(P\) und steht senkrecht auf \(u\). Somit gilt \[ F\cdot u=P\cdot u=\frac t2. \] Dasselbe Argument für \(AC\) und \(CE\) liefert \[ G\cdot v=\frac t2. \]
Die nach außen gerichteten Einheitsnormalen der Seiten \(AB\) bzw. \(AC\) sind \[ n=(-\sin\theta,\cos\theta), \qquad m=(-\sin\theta,-\cos\theta). \] Da \(ABC\) spitzwinklig ist, liegt \(O\) echt im Inneren des Dreiecks. Ein kürzerer Kreisbogen liegt auf der dem Mittelpunkt gegenüberliegenden Seite seiner Sehne; daher folgt aus der vorgegebenen Wahl der Kreisbögen \[ F\cdot n>0,\qquad G\cdot m>0. \] Damit ist festgelegt, welcher der beiden Schnittpunkte mit dem Kreis verwendet wird.
Da \(|F|=|G|=R\) gilt und sowohl \((u,n)\) als auch \((v,m)\) ein Orthonormalpaar ist, folgt \[ F=\frac t2u+hn,\qquad G=\frac t2v+hm, \qquad h=\sqrt{R^2-\frac{t^2}{4}}. \] Hier ist \(h>0\): Tatsächlich gilt \(t\le\min\{AB,AC\}<2R\), da in einem spitzwinkligen Dreieck keine der beiden Seiten ein Durchmesser ist. Ausgeschrieben ergibt dies \[ F=\left( \frac t2\cos\theta-h\sin\theta,\, \frac t2\sin\theta+h\cos\theta \right), \] \[ G=\left( \frac t2\cos\theta-h\sin\theta,\, -\frac t2\sin\theta-h\cos\theta \right). \] Ihre horizontalen Koordinaten stimmen überein, und ihre vertikalen Koordinaten unterscheiden sich um \[ t\sin\theta+2h\cos\theta>0. \] Somit ist \(FG\) eine wohldefinierte vertikale Gerade. Da auch \(DE\) vertikal ist, sind die beiden Geraden wie gefordert parallel oder fallen zusammen.
Der Vollständigkeit halber sei bemerkt, dass für \(D=B\) oder \(E=C\) die entsprechende Strecke der Länge null keine Mittelsenkrechte im üblichen Sinne besitzt. Lässt man solche Endpunkte mittels der natürlichen Grenzkonstruktion zu — der Senkrechten zur tragenden Seitengeraden durch den Endpunkt —, so gilt derselbe Beweis. Seine Formeln ergeben dann \(F=D=B\) bzw. \(G=E=C\), und die beiden Geraden fallen in diesem Fall zusammen.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2018 · Soru 1
Dar açılı bir \(ABC\) üçgeninin çevrel çemberi \(\Gamma\) olsun. \([AB]\) ve \([AC]\) doğru parçaları üzerinde sırasıyla \(D\) ve \(E\) noktaları \(|AD|=|AE|\) olacak şekilde alınıyor. \([BD]\) ve \([CE]\) nin orta dikmeleri \(\Gamma\) nın küçük \(\widehat{AB}\) ve \(\widehat{AC}\) yaylarını sırasıyla \(F\) ve \(G\) noktalarında kesiyor. \(DE\) ve \(FG\) doğrularının paralel olduklarını veya aynı doğru olduklarını gösteriniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Çevrel çemberin merkezi \(O\), yarıçapı \(R\) olsun ve \[ t=AD=AE,\qquad \theta=\frac12\angle BAC \] olarak tanımlayalım. Burada \(t>0\) dır; aksi hâlde \(D=E=A\) olur ve \(DE\) doğrusu tanımlı olmaz.
Başlangıç noktası \(O\) olan ve pozitif yatay yönü \(A\) dan çizilen iç açıortaya paralel olan bir Kartezyen koordinat sistemi seçelim. Düşey ekseni, \(AB\) ve \(AC\) yönlerindeki birim vektörler \[ u=(\cos\theta,\sin\theta), \qquad v=(\cos\theta,-\sin\theta) \] olacak şekilde yönlendirelim. Dolayısıyla, \[ D-E=t(u-v)=(0,2t\sin\theta), \] olduğundan \(DE\) düşeydir. \(F\) ve \(G\) nin yatay koordinatlarının eşit olduğunu kanıtlayacağız.
\(AB\) nin orta noktası \(M\), \(BD\) nin orta noktası \(P\) olsun. \(OM\perp AB\) olduğundan \(M\cdot u=0\) dır. Ayrıca, \[ P=M+\frac t2u. \] \(BD\) nin orta dikmesi \(P\) den geçer ve \(u\) ya diktir. Böylece \[ F\cdot u=P\cdot u=\frac t2. \] Aynı akıl yürütmeyi \(AC\) ve \(CE\) ye uygulayarak \[ G\cdot v=\frac t2 \] elde ederiz.
\(AB\) ve \(AC\) kenarlarının dışa dönük birim normal vektörleri sırasıyla \[ n=(-\sin\theta,\cos\theta), \qquad m=(-\sin\theta,-\cos\theta) \] şeklindedir. \(ABC\) dar açılı olduğundan \(O\) üçgenin iç bölgesindedir. Bir küçük yay, ait olduğu kirişin merkeze göre karşı tarafında bulunur; dolayısıyla belirtilen yay seçimlerinden \[ F\cdot n>0,\qquad G\cdot m>0 \] elde edilir. Bu, çemberle iki kesişim noktasından hangisinin kullanıldığını belirler.
\(|F|=|G|=R\) olduğundan ve \((u,n)\) ile \((v,m)\) çiftlerinin her biri birer ortonormal çift olduğundan, \[ F=\frac t2u+hn,\qquad G=\frac t2v+hm, \qquad h=\sqrt{R^2-\frac{t^2}{4}} \] sonucuna ulaşılır. Burada \(h>0\) dır: gerçekten, dar açılı bir üçgende bu iki kenardan hiçbiri çap olmadığından \(t\le\min\{AB,AC\}<2R\) dir. Açarsak, \[ F=\left( \frac t2\cos\theta-h\sin\theta,\, \frac t2\sin\theta+h\cos\theta \right), \] \[ G=\left( \frac t2\cos\theta-h\sin\theta,\, -\frac t2\sin\theta-h\cos\theta \right). \] Yatay koordinatları eşittir ve düşey koordinatlarının farkı \[ t\sin\theta+2h\cos\theta>0 \] dır. Dolayısıyla \(FG\), iyi tanımlı bir düşey doğrudur. \(DE\) de düşey olduğundan, istendiği gibi, bu iki doğru paraleldir veya çakışır.
Eksiksiz olması için, \(D=B\) veya \(E=C\) olduğunda ilgili sıfır uzunluklu doğru parçasının olağan anlamda bir orta dikmesi bulunmadığını belirtelim. Bu uç noktalar, doğal limit inşasıyla, yani uç noktadan geçen ve doğru parçasını içeren kenara dik olan doğru kullanılarak kabul edilirse aynı kanıt geçerlidir. Bu kanıttaki formüller sırasıyla \(F=D=B\) veya \(G=E=C\) verir ve bu durumda iki doğru çakışır.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2018 · Problema 1
Sea \(\Gamma\) la circunferencia circunscrita al triángulo acutángulo \(ABC\). Los puntos \(D\) y \(E\) están en los segmentos \(AB\) y \(AC\), respectivamente, y son tales que \(AD = AE\). Las mediatrices de \(BD\) y \(CE\) cortan a los arcos menores \(AB\) y \(AC\) de \(\Gamma\) en los puntos \(F\) y \(G\), respectivamente. Demostrar que las rectas \(DE\) y \(FG\) son paralelas (o son la misma recta).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sean \(O\) y \(R\) el circuncentro y el circunradio, y pongamos \[ t=AD=AE,\qquad \theta=\frac12\angle BAC. \] Aquí \(t>0\), pues, de lo contrario, \(D=E=A\) y la recta \(DE\) no está definida.
Elijamos coordenadas cartesianas con origen en \(O\), cuya dirección horizontal positiva sea paralela a la bisectriz interior que parte de \(A\). Orientemos el eje vertical de modo que los vectores unitarios en las direcciones de \(AB\) y \(AC\) sean \[ u=(\cos\theta,\sin\theta), \qquad v=(\cos\theta,-\sin\theta). \] Por consiguiente, \[ D-E=t(u-v)=(0,2t\sin\theta), \] por lo que \(DE\) es vertical. Demostraremos que \(F\) y \(G\) tienen la misma coordenada horizontal.
Sea \(M\) el punto medio de \(AB\), y \(P\) el punto medio de \(BD\). Como \(OM\perp AB\), tenemos \(M\cdot u=0\). Además, \[ P=M+\frac t2u. \] La mediatriz de \(BD\) pasa por \(P\) y es perpendicular a \(u\). Por tanto, \[ F\cdot u=P\cdot u=\frac t2. \] Aplicando el mismo argumento a \(AC\) y \(CE\), obtenemos \[ G\cdot v=\frac t2. \]
Los vectores normales unitarios exteriores a los lados \(AB\) y \(AC\), respectivamente, son \[ n=(-\sin\theta,\cos\theta), \qquad m=(-\sin\theta,-\cos\theta). \] Como \(ABC\) es acutángulo, \(O\) está estrictamente en el interior del triángulo. Un arco menor está en el semiplano determinado por su cuerda opuesto al centro; por ello, la elección de los arcos especificados implica \[ F\cdot n>0,\qquad G\cdot m>0. \] Esto determina cuál de las dos intersecciones con la circunferencia se está utilizando.
Como \(|F|=|G|=R\), y tanto \((u,n)\) como \((v,m)\) son pares ortonormales, se deduce que \[ F=\frac t2u+hn,\qquad G=\frac t2v+hm, \qquad h=\sqrt{R^2-\frac{t^2}{4}}. \] Aquí \(h>0\): en efecto, \(t\le\min\{AB,AC\}<2R\), pues ningún lado es un diámetro en un triángulo acutángulo. Desarrollando, \[ F=\left( \frac t2\cos\theta-h\sin\theta,\, \frac t2\sin\theta+h\cos\theta \right), \] \[ G=\left( \frac t2\cos\theta-h\sin\theta,\, -\frac t2\sin\theta-h\cos\theta \right). \] Sus coordenadas horizontales son iguales, y sus coordenadas verticales difieren en \[ t\sin\theta+2h\cos\theta>0. \] Por tanto, \(FG\) es una recta vertical bien definida. Como \(DE\) también es vertical, las dos rectas son paralelas o coinciden, como se quería demostrar.
Para completar la discusión, si \(D=B\) o \(E=C\), el segmento correspondiente, de longitud cero, no tiene mediatriz en el sentido usual. Si se admiten tales extremos mediante la construcción límite natural —la perpendicular al lado que lo contiene por dicho extremo—, se aplica la misma demostración. Sus fórmulas dan \(F=D=B\) o \(G=E=C\), respectivamente, y las dos rectas coinciden entonces.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2018 · 问题 1
设\(\Gamma\)是锐角三角形\(ABC\)的外接圆.点\(D\)和\(E\)分别在线段\(AB\)和\(AC\)上,满足\(AD = AE\).线段\(BD\)和\(CE\)的垂直平分线分别与\(\Gamma\)的劣弧\(\widehat{AB}\)和\(\widehat{AC}\)交于点\(F\)和\(G\).证明:直线\(DE\)与\(FG\)平行(或重合).
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
设\(O\)和\(R\)分别为外心和外接圆半径,并令 \[ t=AD=AE,\qquad \theta=\frac12\angle BAC. \] 这里\(t>0\),否则\(D=E=A\),直线\(DE\)无定义。
选取以\(O\)为原点的直角坐标系,使水平轴的正方向平行于从\(A\)出发的内角平分线。选取竖直轴的方向,使沿\(AB\)和\(AC\)方向的单位向量分别为 \[ u=(\cos\theta,\sin\theta), \qquad v=(\cos\theta,-\sin\theta). \] 于是, \[ D-E=t(u-v)=(0,2t\sin\theta), \] 所以\(DE\)是竖直的。我们将证明\(F\)和\(G\)的横坐标相等。
设\(M\)为\(AB\)的中点,\(P\)为\(BD\)的中点。由于\(OM\perp AB\),有\(M\cdot u=0\)。此外, \[ P=M+\frac t2u. \] 线段\(BD\)的垂直平分线经过\(P\),且垂直于\(u\)。因此 \[ F\cdot u=P\cdot u=\frac t2. \] 对\(AC\)和\(CE\)作同样的论证,得到 \[ G\cdot v=\frac t2. \]
边\(AB\)和\(AC\)的外法向单位向量分别为 \[ n=(-\sin\theta,\cos\theta), \qquad m=(-\sin\theta,-\cos\theta). \] 由于\(ABC\)是锐角三角形,\(O\)严格位于三角形内部。劣弧与圆心位于其所对弦的两侧;因此,题目中对弧的选取意味着 \[ F\cdot n>0,\qquad G\cdot m>0. \] 这就确定了所取的是与圆的两个交点中的哪一个。
由于\(|F|=|G|=R\),且\((u,n)\)和\((v,m)\)各自都是一对相互垂直的单位向量,可得 \[ F=\frac t2u+hn,\qquad G=\frac t2v+hm, \qquad h=\sqrt{R^2-\frac{t^2}{4}}. \] 这里\(h>0\):事实上,\(t\le\min\{AB,AC\}<2R\),因为锐角三角形的这两条边都不是直径。展开得 \[ F=\left( \frac t2\cos\theta-h\sin\theta,\, \frac t2\sin\theta+h\cos\theta \right), \] \[ G=\left( \frac t2\cos\theta-h\sin\theta,\, -\frac t2\sin\theta-h\cos\theta \right). \] 它们的横坐标相等,而纵坐标之差为 \[ t\sin\theta+2h\cos\theta>0. \] 因此,\(FG\)是一条定义明确的竖直直线。由于\(DE\)也是竖直的,两条直线平行或重合,得证。
为完整起见,如果\(D=B\)或\(E=C\),相应的零长度线段在通常意义下没有垂直平分线。如果采用自然的极限构造,即过端点作垂直于所在边的直线,从而允许这样的端点情形,那么上述证明仍然适用。其中的公式分别给出\(F=D=B\)或\(G=E=C\),此时两条直线重合。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2018 · Задача 1
Пусть \(\Gamma\) — окружность, описанная около остроугольного треугольника \(ABC\). Точки \(D\) и \(E\) лежат на отрезках \(AB\) и \(AC\) соответственно, причём \(AD = AE\). Серединные перпендикуляры к отрезкам \(BD\) и \(CE\) пересекают меньшие дуги \(AB\) и \(AC\) окружности \(\Gamma\) в точках \(F\) и \(G\) соответственно. Докажите, что прямые \(DE\) и \(FG\) параллельны или совпадают.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Пусть \(O\) и \(R\) — центр и радиус описанной окружности, и положим \[ t=AD=AE,\qquad \theta=\frac12\angle BAC. \] Здесь \(t>0\), поскольку в противном случае \(D=E=A\) и прямая \(DE\) не определена.
Выберем декартову систему координат с началом в \(O\), положительное направление горизонтальной оси которой параллельно внутренней биссектрисе угла \(A\). Ориентируем вертикальную ось так, чтобы единичные векторы, направленные вдоль \(AB\) и \(AC\), имели вид \[ u=(\cos\theta,\sin\theta), \qquad v=(\cos\theta,-\sin\theta). \] Следовательно, \[ D-E=t(u-v)=(0,2t\sin\theta), \] так что прямая \(DE\) вертикальна. Докажем, что горизонтальные координаты точек \(F\) и \(G\) равны.
Пусть \(M\) — середина \(AB\), а \(P\) — середина \(BD\). Поскольку \(OM\perp AB\), имеем \(M\cdot u=0\). Кроме того, \[ P=M+\frac t2u. \] Серединный перпендикуляр к \(BD\) проходит через \(P\) перпендикулярно \(u\). Поэтому \[ F\cdot u=P\cdot u=\frac t2. \] Применяя то же рассуждение к \(AC\) и \(CE\), получаем \[ G\cdot v=\frac t2. \]
Внешние единичные нормали к сторонам \(AB\) и \(AC\) соответственно имеют вид \[ n=(-\sin\theta,\cos\theta), \qquad m=(-\sin\theta,-\cos\theta). \] Поскольку треугольник \(ABC\) остроугольный, \(O\) лежит строго внутри него. Меньшая дуга лежит по другую сторону от своей хорды, чем центр; поэтому из указанного выбора дуг следует, что \[ F\cdot n>0,\qquad G\cdot m>0. \] Это определяет, какая из двух точек пересечения с окружностью используется.
Поскольку \(|F|=|G|=R\), а каждая из пар \((u,n)\) и \((v,m)\) ортонормирована, получаем \[ F=\frac t2u+hn,\qquad G=\frac t2v+hm, \qquad h=\sqrt{R^2-\frac{t^2}{4}}. \] Здесь \(h>0\): действительно, \(t\le\min\{AB,AC\}<2R\), поскольку в остроугольном треугольнике ни одна из сторон не является диаметром. Расписывая координаты, получаем \[ F=\left( \frac t2\cos\theta-h\sin\theta,\, \frac t2\sin\theta+h\cos\theta \right), \] \[ G=\left( \frac t2\cos\theta-h\sin\theta,\, -\frac t2\sin\theta-h\cos\theta \right). \] Их горизонтальные координаты равны, а вертикальные различаются на \[ t\sin\theta+2h\cos\theta>0. \] Следовательно, \(FG\) — однозначно определённая вертикальная прямая. Поскольку \(DE\) также вертикальна, эти две прямые параллельны или совпадают, что и требовалось доказать.
Для полноты отметим, что при \(D=B\) или \(E=C\) соответствующий отрезок нулевой длины не имеет серединного перпендикуляра в обычном смысле. Если такие положения на концах отрезков допускаются с использованием естественной предельной конструкции — перпендикуляра к содержащей отрезок стороне, проведённого через его конец, — то то же доказательство остаётся верным. Его формулы дают соответственно \(F=D=B\) или \(G=E=C\), и тогда две прямые совпадают.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2018 · المسألة 1
لتكن \(\Gamma\) الدائرة المحيطة بالمثلث الحاد الزوايا \(ABC\). النقطتان \(D\) و \(E\) تقعان على القطعتين \(AB\) و \(AC\) على الترتيب بحيث \(AD=AE\). العمودان المنصفان للقطعتين \(BD\) و \(CE\) يتقاطعان مع القوسين الصغيرين \(AB\) و \(AC\) من الدائرة \(\Gamma\) في النقطتين \(F\) و \(G\) على الترتيب. أثبت أن المستقيمين \(DE\) و \(FG\) متوازيان.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
ليكن \(O\) مركز الدائرة المحيطة و \(R\) نصف قطرها، ولنضع \[ t=AD=AE,\qquad \theta=\frac12\angle BAC. \] هنا \(t>0\)، إذ لو لم يكن كذلك لكان \(D=E=A\)، ولما كان المستقيم \(DE\) معرّفًا.
نختار إحداثيات ديكارتية مبدؤها \(O\)، ويكون فيها الاتجاه الأفقي الموجب موازيًا لمنصف الزاوية الداخلية المنطلق من \(A\). ونوجّه المحور الرأسي بحيث يكون متجها الوحدة في اتجاهي \(AB\) و \(AC\) هما \[ u=(\cos\theta,\sin\theta), \qquad v=(\cos\theta,-\sin\theta). \] وعليه، \[ D-E=t(u-v)=(0,2t\sin\theta), \] ومن ثم يكون \(DE\) رأسيًا. سنثبت أن الإحداثيين الأفقيين للنقطتين \(F\) و \(G\) متساويان.
ليكن \(M\) منتصف \(AB\)، و \(P\) منتصف \(BD\). بما أن \(OM\perp AB\)، فإن \(M\cdot u=0\). علاوة على ذلك، \[ P=M+\frac t2u. \] يمر العمود المنصف للقطعة \(BD\) بالنقطة \(P\) ويكون عموديًا على \(u\). لذلك \[ F\cdot u=P\cdot u=\frac t2. \] وبتطبيق الحجة نفسها على \(AC\) و \(CE\) نحصل على \[ G\cdot v=\frac t2. \]
متجها الوحدة العموديان على الضلعين \(AB\) و \(AC\) والمتجهان إلى الخارج هما، على الترتيب، \[ n=(-\sin\theta,\cos\theta), \qquad m=(-\sin\theta,-\cos\theta). \] بما أن المثلث \(ABC\) حاد الزوايا، فإن \(O\) يقع داخل المثلث تمامًا. يقع القوس الصغير في الجهة المقابلة للمركز بالنسبة إلى وتره؛ ومن ثم فإن اختيار القوسين المحددين في المسألة يقتضي \[ F\cdot n>0,\qquad G\cdot m>0. \] وهذا يحدد أيّ نقطتي التقاطع مع الدائرة نستخدم.
بما أن \(|F|=|G|=R\)، وكلًّا من \((u,n)\) و \((v,m)\) زوج من متجهات الوحدة المتعامدة، ينتج أن \[ F=\frac t2u+hn,\qquad G=\frac t2v+hm, \qquad h=\sqrt{R^2-\frac{t^2}{4}}. \] هنا \(h>0\): بالفعل، لدينا \(t\le\min\{AB,AC\}<2R\)، إذ لا يكون أي من هذين الضلعين قطرًا في مثلث حاد الزوايا. وبالتوسيع، \[ F=\left( \frac t2\cos\theta-h\sin\theta,\, \frac t2\sin\theta+h\cos\theta \right), \] \[ G=\left( \frac t2\cos\theta-h\sin\theta,\, -\frac t2\sin\theta-h\cos\theta \right). \] إحداثياهما الأفقيان متساويان، والفرق بين إحداثييهما الرأسيين هو \[ t\sin\theta+2h\cos\theta>0. \] إذن \(FG\) مستقيم رأسي معرّف تعريفًا سليمًا. وبما أن \(DE\) رأسي أيضًا، فإن المستقيمين متوازيان أو منطبقان، كما هو مطلوب.
واستكمالًا للبحث، إذا كان \(D=B\) أو \(E=C\)، فإن القطعة المقابلة ذات الطول الصفري لا تملك عمودًا منصفًا بالمعنى المعتاد. وإذا سُمح بهاتين الحالتين الطرفيتين باستخدام الإنشاء الحدي الطبيعي، أي العمود على الضلع الحامل المار بنقطة الطرف، فإن البرهان نفسه ينطبق. وتعطي صيغه \(F=D=B\) أو \(G=E=C\)، على الترتيب، وعندئذ ينطبق المستقيمان.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.