IMO 2019 · Problem 2
In triangle \(ABC\), point \(A_1\) lies on side \(BC\) and point \(B_1\) lies on side \(AC\). Let \(P\) and \(Q\) be points on segments \(AA_1\) and \(BB_1\), respectively, such that \(PQ\) is parallel to \(AB\). Let \(P_1\) be a point on line \(PB_1\), such that \(B_1\) lies strictly between \(P\) and \(P_1\), and \(\angle PP_1C = \angle BAC\). Similarly, let \(Q_1\) be a point on line \(QA_1\), such that \(A_1\) lies strictly between \(Q\) and \(Q_1\), and \(\angle CQ_1Q = \angle CBA\).
Prove that points \(P\), \(Q\), \(P_1\), and \(Q_1\) are concyclic.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Write \(\alpha=\angle BAC\) and \(\beta=\angle CBA\).
First, we address possible endpoint configurations. The angle conditions exclude \(P=A\), \(Q=B\), \(B_1=C\), and \(A_1=C\): each would make one of the prescribed angles undefined, zero, or straight. If \(B_1=A\), then \(A\) lies strictly between \(P\) and \(P_1\). The collinear case is again impossible; otherwise, the exterior-angle theorem in triangle \(AP_1C\) gives \[ \angle PP_1C<\angle PAC\leq\alpha, \] contrary to the hypothesis. Symmetrically, \(A_1\ne B\). Thus \(A_1,B_1\) lie in the interiors of their respective sides. Also, \(P\ne Q\), since the line \(PQ\) is specified.
Let \(\omega\) be the circumcircle of \(ABC\). Let \(D\) be the second intersection of \(BB_1\) with \(\omega\), and let \(E\) be the second intersection of \(AA_1\) with \(\omega\). Since \(A_1,B_1\) lie strictly inside \(\omega\), the orders on these lines are \[ B,\ B_1,\ D \qquad\text{and}\qquad A,\ A_1,\ E. \] In particular, \(D\) lies on the open arc \(AC\) not containing \(B\), while \(E\) lies on the open arc \(BC\) not containing \(A\). Consequently, \(D\ne E\), and the inscribed-angle theorem gives \[ \angle B_1DC=\angle BDC=\alpha, \qquad \angle CEA_1=\angle CEA=\beta. \]
The points \(D\) and \(P_1\) are on the same side of \(AC\), opposite \(B\): this follows for \(P_1\) because \(P\) is on the same side as \(B\), and \(B_1\) lies strictly between \(P\) and \(P_1\). Therefore \[ \angle B_1P_1C=\angle PP_1C=\alpha=\angle B_1DC \] shows that \(C,B_1,D,P_1\) are concyclic. Symmetrically, \(E,Q_1\) are on the same side of \(BC\), and \(C,A_1,E,Q_1\) are concyclic. Denote these conclusions by \[ C,B_1,D,P_1\text{ are concyclic}, \qquad C,A_1,E,Q_1\text{ are concyclic}. \tag{1} \]
For the remainder of the proof, all angles are directed modulo \(180^\circ\).
Let \(\Sigma\) be the circle through \(P,Q,D\). These points are noncollinear: the line \(QD\) is \(BB_1\), which is not parallel to \(PQ\). Using \(A,P,E\) collinear, \(B,Q,D\) collinear, and \(PQ\parallel AB\), we obtain \[ \angle PED =\angle AED =\angle ABD =\angle PQD. \] Hence \(E\in\Sigma\).
If \(P_1=D\), then \(P_1\in\Sigma\) already. Otherwise, the first cyclicity in (1) yields \[ \begin{aligned} \angle PP_1D &=\angle B_1P_1D\\ &=\angle B_1CD\\ &=\angle ACD\\ &=\angle ABD\\ &=\angle PQD. \end{aligned} \] Thus \(P_1\in\Sigma\).
Similarly, if \(Q_1=E\), its membership is immediate. Otherwise, the second cyclicity in (1) yields \[ \begin{aligned} \angle QQ_1E &=\angle A_1Q_1E\\ &=\angle A_1CE\\ &=\angle BCE\\ &=\angle BAE\\ &=\angle QPE. \end{aligned} \] Therefore \(Q_1\) lies on the circle through \(Q,P,E\), which is \(\Sigma\).
Consequently, \(P,Q,P_1,Q_1\) are concyclic. \(\square\)
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2019 · Aufgabe 2
Im Dreieck \(ABC\) liegt ein Punkt \(A_1\) auf der Seite \(BC\) und ein Punkt \(B_1\) auf der Seite \(AC\). Es seien \(P\) und \(Q\) Punkte auf den Strecken \(AA_1\) bzw. \(BB_1\), so dass \(PQ\) parallel zu \(AB\) ist. Es sei \(P_1\) ein Punkt auf der Geraden \(PB_1\), so dass \(B_1\) im Inneren der Strecke \(PP_1\) liegt und \(\angle PP_1C=\angle BAC\) gilt. Analog, sei \(Q_1\) ein Punkt auf der Geraden \(QA_1\), so dass \(A_1\) im Inneren der Strecke \(QQ_1\) liegt und \(\angle CQ_1Q=\angle CBA\) gilt.
Man beweise, dass die Punkte \(P\), \(Q\), \(P_1\) und \(Q_1\) auf einem Kreis liegen.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Setze \(\alpha=\angle BAC\) und \(\beta=\angle CBA\).
Zunächst behandeln wir mögliche Konfigurationen mit Endpunkten. Die Winkelbedingungen schließen \(P=A\), \(Q=B\), \(B_1=C\) und \(A_1=C\) aus: In jedem dieser Fälle wäre einer der vorgeschriebenen Winkel nicht definiert, ein Nullwinkel oder ein gestreckter Winkel. Falls \(B_1=A\) ist, liegt \(A\) strikt zwischen \(P\) und \(P_1\). Der kollineare Fall ist wiederum unmöglich; andernfalls ergibt der Außenwinkelsatz im Dreieck \(AP_1C\) \[ \angle PP_1C<\angle PAC\leq\alpha, \] im Widerspruch zur Voraussetzung. Analog gilt \(A_1\ne B\). Somit liegen \(A_1,B_1\) im Inneren ihrer jeweiligen Seiten. Außerdem ist \(P\ne Q\), da die Gerade \(PQ\) vorgegeben ist.
Sei \(\omega\) der Umkreis von \(ABC\). Sei \(D\) der zweite Schnittpunkt von \(BB_1\) mit \(\omega\), und sei \(E\) der zweite Schnittpunkt von \(AA_1\) mit \(\omega\). Da \(A_1,B_1\) strikt innerhalb von \(\omega\) liegen, ist die Reihenfolge auf diesen Geraden \[ B,\ B_1,\ D \qquad\text{und}\qquad A,\ A_1,\ E. \] Insbesondere liegt \(D\) auf dem offenen Kreisbogen \(AC\), der \(B\) nicht enthält, während \(E\) auf dem offenen Kreisbogen \(BC\) liegt, der \(A\) nicht enthält. Folglich ist \(D\ne E\), und der Peripheriewinkelsatz ergibt \[ \angle B_1DC=\angle BDC=\alpha, \qquad \angle CEA_1=\angle CEA=\beta. \]
Die Punkte \(D\) und \(P_1\) liegen auf derselben Seite von \(AC\), gegenüber von \(B\): Für \(P_1\) folgt dies daraus, dass \(P\) auf derselben Seite wie \(B\) liegt und \(B_1\) strikt zwischen \(P\) und \(P_1\) liegt. Daher zeigt \[ \angle B_1P_1C=\angle PP_1C=\alpha=\angle B_1DC, \] dass \(C,B_1,D,P_1\) auf einem Kreis liegen. Analog liegen \(E,Q_1\) auf derselben Seite von \(BC\), und \(C,A_1,E,Q_1\) liegen auf einem Kreis. Wir halten diese Ergebnisse fest: \[ C,B_1,D,P_1\text{ liegen auf einem Kreis}, \qquad C,A_1,E,Q_1\text{ liegen auf einem Kreis}. \tag{1} \]
Im restlichen Beweis sind alle Winkel gerichtete Winkel modulo \(180^\circ\).
Sei \(\Sigma\) der Kreis durch \(P,Q,D\). Diese Punkte sind nicht kollinear: Die Gerade \(QD\) ist \(BB_1\), die nicht parallel zu \(PQ\) ist. Da \(A,P,E\) kollinear sind, \(B,Q,D\) kollinear sind und \(PQ\parallel AB\) gilt, erhalten wir \[ \angle PED =\angle AED =\angle ABD =\angle PQD. \] Also ist \(E\in\Sigma\).
Falls \(P_1=D\) ist, gilt bereits \(P_1\in\Sigma\). Andernfalls ergibt die erste Aussage über die Lage auf einem Kreis in (1) \[ \begin{aligned} \angle PP_1D &=\angle B_1P_1D\\ &=\angle B_1CD\\ &=\angle ACD\\ &=\angle ABD\\ &=\angle PQD. \end{aligned} \] Somit ist \(P_1\in\Sigma\).
Ebenso liegt \(Q_1\) im Fall \(Q_1=E\) unmittelbar auf \(\Sigma\). Andernfalls ergibt die zweite Aussage über die Lage auf einem Kreis in (1) \[ \begin{aligned} \angle QQ_1E &=\angle A_1Q_1E\\ &=\angle A_1CE\\ &=\angle BCE\\ &=\angle BAE\\ &=\angle QPE. \end{aligned} \] Daher liegt \(Q_1\) auf dem Kreis durch \(Q,P,E\), also auf \(\Sigma\).
Folglich liegen \(P,Q,P_1,Q_1\) auf einem Kreis. \(\square\)
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2019 · Soru 2
Bir \(ABC\) üçgeninde, \([BC]\) kenarı üzerinde \(A_1\) ve \([AC]\) kenarı üzerinde \(B_1\) noktaları alınıyor. Sırasıyla \([AA_1]\) ve \([BB_1]\) doğru parçaları üzerinde \(P\) ve \(Q\) noktaları, \(PQ\) ile \(AB\) paralel olacak şekilde alınıyor. \(PB_1\) doğrusu üzerinde \(P_1\) noktası, \(B_1\) noktası \(P\) ile \(P_1\) arasında kalacak ve \(\angle PP_1C=\angle BAC\) olacak şekilde alınıyor. Benzer şekilde, \(QA_1\) doğrusu üzerinde \(Q_1\) noktası, \(A_1\) noktası \(Q\) ile \(Q_1\) arasında kalacak ve \(\angle CQ_1Q=\angle CBA\) olacak şekilde alınıyor.
\(P\), \(Q\), \(P_1\) ve \(Q_1\) noktalarının çemberdeş olduğunu gösteriniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(\alpha=\angle BAC\) ve \(\beta=\angle CBA\) yazalım.
Önce, noktaların uç noktalarda bulunduğu olası durumları ele alalım. Açı koşulları \(P=A\), \(Q=B\), \(B_1=C\) ve \(A_1=C\) durumlarını dışlar: bunların her biri, verilen açılardan birinin tanımsız, sıfır veya doğru açı olmasına yol açar. \(B_1=A\) ise \(A\), \(P\) ile \(P_1\)'in kesin olarak arasında kalır. Doğrusal olma durumu yine olanaksızdır; aksi durumda, \(AP_1C\) üçgeninde dış açı teoreminden \[ \angle PP_1C<\angle PAC\leq\alpha, \] elde edilir ve bu, varsayımla çelişir. Simetrik olarak, \(A_1\ne B\) olur. Böylece \(A_1,B_1\), bulundukları kenarların iç noktalarıdır. Ayrıca, \(PQ\) doğrusu belirtilmiş olduğundan \(P\ne Q\)'dur.
\(ABC\)'nin çevrel çemberi \(\omega\) olsun. \(BB_1\)'in \(\omega\) ile ikinci kesişim noktası \(D\), \(AA_1\)'in \(\omega\) ile ikinci kesişim noktası ise \(E\) olsun. \(A_1,B_1\), \(\omega\)'nın kesin olarak içinde bulunduğundan, bu doğrular üzerindeki sıralamalar \[ B,\ B_1,\ D \qquad\text{ve}\qquad A,\ A_1,\ E \] şeklindedir. Özellikle \(D\), \(B\)'yi içermeyen açık \(AC\) yayı üzerinde, \(E\) ise \(A\)'yı içermeyen açık \(BC\) yayı üzerindedir. Dolayısıyla \(D\ne E\) olur ve çevre açı teoreminden \[ \angle B_1DC=\angle BDC=\alpha, \qquad \angle CEA_1=\angle CEA=\beta \] elde edilir.
\(D\) ve \(P_1\) noktaları, \(AC\)'nin aynı tarafında, \(B\)'nin karşı tarafındadır: \(P_1\) için bu sonuç, \(P\)'nin \(B\) ile aynı tarafta bulunmasından ve \(B_1\)'in \(P\) ile \(P_1\)'in kesin olarak arasında kalmasından çıkar. Bu nedenle \[ \angle B_1P_1C=\angle PP_1C=\alpha=\angle B_1DC \] eşitliği, \(C,B_1,D,P_1\)'in çemberdeş olduğunu gösterir. Simetrik olarak, \(E,Q_1\), \(BC\)'nin aynı tarafındadır ve \(C,A_1,E,Q_1\) çemberdeştir. Bu sonuçları \[ C,B_1,D,P_1\text{ çemberdeştir}, \qquad C,A_1,E,Q_1\text{ çemberdeştir} \tag{1} \] ile gösterelim.
İspatın geri kalanında tüm açılar \(180^\circ\) modülüne göre yönlü açılardır.
\(P,Q,D\)'den geçen çember \(\Sigma\) olsun. Bu noktalar doğrusal değildir: \(QD\) doğrusu \(BB_1\)'dir ve \(PQ\)'ya paralel değildir. \(A,P,E\)'nin doğrusal, \(B,Q,D\)'nin doğrusal ve \(PQ\parallel AB\) olmasını kullanarak \[ \angle PED =\angle AED =\angle ABD =\angle PQD \] elde ederiz. Demek ki \(E\in\Sigma\)'dır.
\(P_1=D\) ise zaten \(P_1\in\Sigma\)'dır. Aksi durumda, (1)'deki ilk çemberdeşlikten \[ \begin{aligned} \angle PP_1D &=\angle B_1P_1D\\ &=\angle B_1CD\\ &=\angle ACD\\ &=\angle ABD\\ &=\angle PQD \end{aligned} \] elde edilir. Böylece \(P_1\in\Sigma\) olur.
Benzer biçimde, \(Q_1=E\) ise çember üzerinde bulunduğu açıktır. Aksi durumda, (1)'deki ikinci çemberdeşlikten \[ \begin{aligned} \angle QQ_1E &=\angle A_1Q_1E\\ &=\angle A_1CE\\ &=\angle BCE\\ &=\angle BAE\\ &=\angle QPE \end{aligned} \] elde edilir. Dolayısıyla \(Q_1\), \(Q,P,E\)'den geçen çember üzerinde bulunur; bu çember \(\Sigma\)'dır.
Sonuç olarak, \(P,Q,P_1,Q_1\) çemberdeştir. \(\square\)
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2019 · Problema 2
En el triángulo \(ABC\), el punto \(A_1\) está en el lado \(BC\) y el punto \(B_1\) está en el lado \(AC\). Sean \(P\) y \(Q\) puntos en los segmentos \(AA_1\) y \(BB_1\), respectivamente, tales que \(PQ\) es paralelo a \(AB\). Sea \(P_1\) un punto en la recta \(PB_1\) distinto de \(B_1\), con \(B_1\) entre \(P\) y \(P_1\), y \(\angle PP_1C=\angle BAC\). Análogamente, sea \(Q_1\) un punto en la recta \(QA_1\) distinto de \(A_1\), con \(A_1\) entre \(Q\) y \(Q_1\), y \(\angle CQ_1Q=\angle CBA\).
Demostrar que los puntos \(P\), \(Q\), \(P_1\), y \(Q_1\) son concíclicos.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Escribimos \(\alpha=\angle BAC\) y \(\beta=\angle CBA\).
Primero, consideramos las posibles configuraciones con puntos en los extremos. Las condiciones sobre los ángulos excluyen \(P=A\), \(Q=B\), \(B_1=C\) y \(A_1=C\): cada una de ellas haría que uno de los ángulos prescritos no estuviera definido, fuera nulo o fuera llano. Si \(B_1=A\), entonces \(A\) está estrictamente entre \(P\) y \(P_1\). El caso de puntos colineales es de nuevo imposible; en caso contrario, el teorema del ángulo exterior en el triángulo \(AP_1C\) da \[ \angle PP_1C<\angle PAC\leq\alpha, \] en contradicción con la hipótesis. Simétricamente, \(A_1\ne B\). Por tanto, \(A_1,B_1\) están en el interior de sus respectivos lados. Además, \(P\ne Q\), puesto que se especifica la recta \(PQ\).
Sea \(\omega\) la circunferencia circunscrita a \(ABC\). Sea \(D\) la segunda intersección de \(BB_1\) con \(\omega\), y sea \(E\) la segunda intersección de \(AA_1\) con \(\omega\). Como \(A_1,B_1\) están estrictamente en el interior de \(\omega\), los órdenes en estas rectas son \[ B,\ B_1,\ D \qquad\text{y}\qquad A,\ A_1,\ E. \] En particular, \(D\) está en el arco abierto \(AC\) que no contiene a \(B\), mientras que \(E\) está en el arco abierto \(BC\) que no contiene a \(A\). Por consiguiente, \(D\ne E\), y el teorema del ángulo inscrito da \[ \angle B_1DC=\angle BDC=\alpha, \qquad \angle CEA_1=\angle CEA=\beta. \]
Los puntos \(D\) y \(P_1\) están en el mismo semiplano respecto de \(AC\), opuesto al que contiene a \(B\): para \(P_1\), esto se deduce de que \(P\) está en el mismo semiplano que \(B\) y \(B_1\) está estrictamente entre \(P\) y \(P_1\). Por lo tanto, \[ \angle B_1P_1C=\angle PP_1C=\alpha=\angle B_1DC \] muestra que \(C,B_1,D,P_1\) son concíclicos. Simétricamente, \(E,Q_1\) están en el mismo semiplano respecto de \(BC\), y \(C,A_1,E,Q_1\) son concíclicos. Denotamos estas conclusiones por \[ C,B_1,D,P_1\text{ son concíclicos}, \qquad C,A_1,E,Q_1\text{ son concíclicos}. \tag{1} \]
En el resto de la demostración, todos los ángulos son orientados módulo \(180^\circ\).
Sea \(\Sigma\) la circunferencia que pasa por \(P,Q,D\). Estos puntos no son colineales: la recta \(QD\) es \(BB_1\), que no es paralela a \(PQ\). Usando que \(A,P,E\) son colineales, que \(B,Q,D\) son colineales y que \(PQ\parallel AB\), obtenemos \[ \angle PED =\angle AED =\angle ABD =\angle PQD. \] Por tanto, \(E\in\Sigma\).
Si \(P_1=D\), ya se tiene \(P_1\in\Sigma\). En caso contrario, la primera conciclicidad de (1) da \[ \begin{aligned} \angle PP_1D &=\angle B_1P_1D\\ &=\angle B_1CD\\ &=\angle ACD\\ &=\angle ABD\\ &=\angle PQD. \end{aligned} \] Así pues, \(P_1\in\Sigma\).
Análogamente, si \(Q_1=E\), su pertenencia es inmediata. En caso contrario, la segunda conciclicidad de (1) da \[ \begin{aligned} \angle QQ_1E &=\angle A_1Q_1E\\ &=\angle A_1CE\\ &=\angle BCE\\ &=\angle BAE\\ &=\angle QPE. \end{aligned} \] Por lo tanto, \(Q_1\) está en la circunferencia que pasa por \(Q,P,E\), que es \(\Sigma\).
Por consiguiente, \(P,Q,P_1,Q_1\) son concíclicos. \(\square\)
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2019 · 问题 2
在三角形\(ABC\)中, 点\(A_1\)在边\(BC\)上, 点\(B_1\)在边\(AC\)上. 点\(P\)和\(Q\)分别在线段\(AA_1\)和\(BB_1\)上, 且满足\(PQ\)平行于\(AB\). 在直线\(PB_1\)上取点\(P_1\), 使得点\(B_1\)严格位于点\(P\)与点\(P_1\)之间, 并且\(\angle PP_1C=\angle BAC\). 类似地, 在直线\(QA_1\)上取点\(Q_1\), 使得点\(A_1\)严格位于点\(Q\)与点\(Q_1\)之间, 并且\(\angle CQ_1Q=\angle CBA\).
证明: 点\(P,Q,P_1,Q_1\)共圆.
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
记\(\alpha=\angle BAC\),\(\beta=\angle CBA\)。
首先处理可能出现的端点情形。角的条件排除了\(P=A\)、\(Q=B\)、\(B_1=C\)和\(A_1=C\):其中每一种都会使某个指定的角无定义、为零角或为平角。若\(B_1=A\),则\(A\)严格位于\(P\)与\(P_1\)之间。共线的情形仍然不可能;否则,由三角形\(AP_1C\)的外角定理可得 \[ \angle PP_1C<\angle PAC\leq\alpha, \] 这与假设矛盾。由对称性,\(A_1\ne B\)。因此,\(A_1,B_1\)分别位于相应边的内部。另外,由于题目指定了直线\(PQ\),所以\(P\ne Q\)。
设\(\omega\)为\(ABC\)的外接圆。设\(D\)为\(BB_1\)与\(\omega\)的第二个交点,\(E\)为\(AA_1\)与\(\omega\)的第二个交点。由于\(A_1,B_1\)严格位于\(\omega\)内部,这两条直线上的点的顺序分别为 \[ B,\ B_1,\ D \qquad\text{和}\qquad A,\ A_1,\ E. \] 特别地,\(D\)位于不含\(B\)的开弧\(AC\)上,而\(E\)位于不含\(A\)的开弧\(BC\)上。因此,\(D\ne E\),且由圆周角定理可得 \[ \angle B_1DC=\angle BDC=\alpha, \qquad \angle CEA_1=\angle CEA=\beta. \]
点\(D\)和\(P_1\)位于\(AC\)的同一侧,且与\(B\)异侧:对于\(P_1\),这是因为\(P\)与\(B\)位于同一侧,而\(B_1\)严格位于\(P\)与\(P_1\)之间。因此, \[ \angle B_1P_1C=\angle PP_1C=\alpha=\angle B_1DC \] 表明\(C,B_1,D,P_1\)共圆。由对称性,\(E,Q_1\)位于\(BC\)的同一侧,且\(C,A_1,E,Q_1\)共圆。将这些结论记为 \[ C,B_1,D,P_1\text{ 共圆}, \qquad C,A_1,E,Q_1\text{ 共圆}. \tag{1} \]
在以下证明中,所有角均为模\(180^\circ\)的有向角。
设\(\Sigma\)为经过\(P,Q,D\)的圆。这三点不共线:直线\(QD\)就是\(BB_1\),它不平行于\(PQ\)。利用\(A,P,E\)共线、\(B,Q,D\)共线以及\(PQ\parallel AB\),得到 \[ \angle PED =\angle AED =\angle ABD =\angle PQD. \] 故\(E\in\Sigma\)。
若\(P_1=D\),则已有\(P_1\in\Sigma\)。否则,由 (1) 中的第一个共圆结论可得 \[ \begin{aligned} \angle PP_1D &=\angle B_1P_1D\\ &=\angle B_1CD\\ &=\angle ACD\\ &=\angle ABD\\ &=\angle PQD. \end{aligned} \] 因此\(P_1\in\Sigma\)。
类似地,若\(Q_1=E\),则它显然在圆上。否则,由 (1) 中的第二个共圆结论可得 \[ \begin{aligned} \angle QQ_1E &=\angle A_1Q_1E\\ &=\angle A_1CE\\ &=\angle BCE\\ &=\angle BAE\\ &=\angle QPE. \end{aligned} \] 因此,\(Q_1\)位于经过\(Q,P,E\)的圆上,而这个圆就是\(\Sigma\)。
综上,\(P,Q,P_1,Q_1\)共圆。\(\square\)
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2019 · Задача 2
В треугольнике \(ABC\) точка \(A_1\) лежит на отрезке \(BC\), а точка \(B_1\) лежит на отрезке \(AC\). Пусть \(P\) и \(Q\) — точки на отрезках \(AA_1\) и \(BB_1\) соответственно, такие, что прямая \(PQ\) параллельна \(AB\). Точка \(P_1\), лежащая на прямой \(PB_1\), такова, что \(B_1\) находится строго между \(P\) и \(P_1\), причем \(\angle PP_1C=\angle BAC\). Аналогично, точка \(Q_1\), лежащая на прямой \(QA_1\), такова, что \(A_1\) находится строго между \(Q\) и \(Q_1\), причем \(\angle CQ_1Q=\angle CBA\).
Докажите, что точки \(P\), \(Q\), \(P_1\) и \(Q_1\) лежат на одной окружности.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Обозначим \(\alpha=\angle BAC\) и \(\beta=\angle CBA\).
Сначала рассмотрим возможные случаи совпадения точек с концами отрезков. Условия на углы исключают \(P=A\), \(Q=B\), \(B_1=C\) и \(A_1=C\): в каждом из этих случаев один из заданных углов был бы не определён, равен нулю или развёрнут. Если \(B_1=A\), то \(A\) лежит строго между \(P\) и \(P_1\). Случай, когда точки лежат на одной прямой, снова невозможен; в противном случае по теореме о внешнем угле треугольника \(AP_1C\) получаем \[ \angle PP_1C<\angle PAC\leq\alpha, \] что противоречит условию. Аналогично, \(A_1\ne B\). Таким образом, \(A_1,B_1\) лежат во внутренних точках соответствующих сторон. Кроме того, \(P\ne Q\), поскольку задана прямая \(PQ\).
Пусть \(\omega\) — описанная окружность треугольника \(ABC\). Пусть \(D\) — вторая точка пересечения \(BB_1\) с \(\omega\), а \(E\) — вторая точка пересечения \(AA_1\) с \(\omega\). Поскольку \(A_1,B_1\) лежат строго внутри \(\omega\), точки на этих прямых расположены в следующем порядке: \[ B,\ B_1,\ D \qquad\text{и}\qquad A,\ A_1,\ E. \] В частности, \(D\) лежит на открытой дуге \(AC\), не содержащей \(B\), а \(E\) — на открытой дуге \(BC\), не содержащей \(A\). Следовательно, \(D\ne E\), и по теореме о вписанном угле \[ \angle B_1DC=\angle BDC=\alpha, \qquad \angle CEA_1=\angle CEA=\beta. \]
Точки \(D\) и \(P_1\) лежат по одну сторону от \(AC\), противоположную \(B\): для \(P_1\) это следует из того, что \(P\) лежит по ту же сторону, что и \(B\), а \(B_1\) лежит строго между \(P\) и \(P_1\). Поэтому равенство \[ \angle B_1P_1C=\angle PP_1C=\alpha=\angle B_1DC \] показывает, что \(C,B_1,D,P_1\) лежат на одной окружности. Аналогично, \(E,Q_1\) лежат по одну сторону от \(BC\), а \(C,A_1,E,Q_1\) лежат на одной окружности. Обозначим эти выводы следующим образом: \[ C,B_1,D,P_1\text{ лежат на одной окружности}, \qquad C,A_1,E,Q_1\text{ лежат на одной окружности}. \tag{1} \]
В оставшейся части доказательства все углы считаются ориентированными по модулю \(180^\circ\).
Пусть \(\Sigma\) — окружность, проходящая через \(P,Q,D\). Эти точки не лежат на одной прямой: прямая \(QD\) совпадает с \(BB_1\), которая не параллельна \(PQ\). Используя то, что \(A,P,E\) лежат на одной прямой, \(B,Q,D\) лежат на одной прямой и \(PQ\parallel AB\), получаем \[ \angle PED =\angle AED =\angle ABD =\angle PQD. \] Следовательно, \(E\in\Sigma\).
Если \(P_1=D\), то уже имеем \(P_1\in\Sigma\). В противном случае из первого утверждения о принадлежности одной окружности в (1) следует \[ \begin{aligned} \angle PP_1D &=\angle B_1P_1D\\ &=\angle B_1CD\\ &=\angle ACD\\ &=\angle ABD\\ &=\angle PQD. \end{aligned} \] Таким образом, \(P_1\in\Sigma\).
Аналогично, если \(Q_1=E\), принадлежность окружности очевидна. В противном случае из второго утверждения о принадлежности одной окружности в (1) следует \[ \begin{aligned} \angle QQ_1E &=\angle A_1Q_1E\\ &=\angle A_1CE\\ &=\angle BCE\\ &=\angle BAE\\ &=\angle QPE. \end{aligned} \] Поэтому \(Q_1\) лежит на окружности, проходящей через \(Q,P,E\), то есть на \(\Sigma\).
Следовательно, \(P,Q,P_1,Q_1\) лежат на одной окружности. \(\square\)
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2019 · المسألة 2
في المثلث \(ABC\) النقطة \(A_1\) تقع على الضلع \(BC\) والنقطة \(B_1\) تقع على الضلع \(AC\). لتكن \(P,Q\) نقطتين تقعان على القطعتين \(AA_1,BB_1\) على الترتيب، بشرط \(PQ\) يوازي \(AB\). لتكن \(P_1\) نقطة على المستقيم \(PB_1\) حيث \(B_1\) تقع بين \(P,P_1\) بحيث \(\angle PP_1C=\angle BAC\). وبالمثل لتكن \(Q_1\) نقطة على المستقيم \(QA_1\) حيث \(A_1\) تقع بين \(Q,Q_1\) بحيث \(\angle CQ_1Q=\angle CBA\).
برهن أن النقاط \(P,Q,P_1,Q_1\) تقع على دائرة واحدة.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لنكتب \(\alpha=\angle BAC\) و\(\beta=\angle CBA\).
أولًا، نعالج الأوضاع المحتملة عند الأطراف. تستبعد شروط الزوايا الحالات \(P=A\)، و\(Q=B\)، و\(B_1=C\)، و\(A_1=C\): إذ تجعل كل منها إحدى الزوايا المحددة غير معرّفة أو صفرية أو مستقيمة. إذا كانت \(B_1=A\)، فإن \(A\) تقع قطعًا بين \(P\) و\(P_1\). وتكون حالة وقوع النقاط على استقامة واحدة مستحيلة أيضًا؛ وفي غير هذه الحالة، تعطي نظرية الزاوية الخارجية في المثلث \(AP_1C\) \[ \angle PP_1C<\angle PAC\leq\alpha, \] وهذا يناقض الفرض. وبالتناظر، \(A_1\ne B\). إذن تقع \(A_1,B_1\) في داخلي الضلعين المعنيين. كذلك، \(P\ne Q\)، لأن المستقيم \(PQ\) محدد.
لتكن \(\omega\) الدائرة المحيطة بالمثلث \(ABC\). ولتكن \(D\) نقطة التقاطع الثانية للمستقيم \(BB_1\) مع \(\omega\)، ولتكن \(E\) نقطة التقاطع الثانية للمستقيم \(AA_1\) مع \(\omega\). بما أن \(A_1,B_1\) تقعان داخل \(\omega\) قطعًا، فإن ترتيب النقاط على هذين المستقيمين هو \[ B,\ B_1,\ D \qquad\text{و}\qquad A,\ A_1,\ E. \] وعلى وجه الخصوص، تقع \(D\) على القوس المفتوح \(AC\) الذي لا يحتوي على \(B\)، بينما تقع \(E\) على القوس المفتوح \(BC\) الذي لا يحتوي على \(A\). وبالتالي، \(D\ne E\)، وتعطي نظرية الزاوية المحيطية \[ \angle B_1DC=\angle BDC=\alpha, \qquad \angle CEA_1=\angle CEA=\beta. \]
تقع النقطتان \(D\) و\(P_1\) في الجهة نفسها من \(AC\)، وهي الجهة المقابلة للنقطة \(B\): وينتج ذلك بالنسبة إلى \(P_1\) من كون \(P\) في الجهة نفسها التي تقع فيها \(B\)، ومن كون \(B_1\) تقع قطعًا بين \(P\) و\(P_1\). لذلك فإن \[ \angle B_1P_1C=\angle PP_1C=\alpha=\angle B_1DC \] يبين أن \(C,B_1,D,P_1\) تقع على دائرة واحدة. وبالتناظر، تقع \(E,Q_1\) في الجهة نفسها من \(BC\)، وتقع \(C,A_1,E,Q_1\) على دائرة واحدة. نرمز إلى هاتين النتيجتين بـ \[ C,B_1,D,P_1\text{ تقع على دائرة واحدة}, \qquad C,A_1,E,Q_1\text{ تقع على دائرة واحدة}. \tag{1} \]
فيما تبقى من البرهان، جميع الزوايا موجهة بترديد \(180^\circ\).
لتكن \(\Sigma\) الدائرة المارة بالنقاط \(P,Q,D\). هذه النقاط ليست على استقامة واحدة: فالمستقيم \(QD\) هو \(BB_1\)، وهو لا يوازي \(PQ\). باستخدام وقوع \(A,P,E\) على استقامة واحدة، ووقوع \(B,Q,D\) على استقامة واحدة، و\(PQ\parallel AB\)، نحصل على \[ \angle PED =\angle AED =\angle ABD =\angle PQD. \] ومن ثم \(E\in\Sigma\).
إذا كانت \(P_1=D\)، فإن \(P_1\in\Sigma\) بالفعل. وإلا، فإن وقوع النقاط في العلاقة الأولى من (1) على دائرة واحدة يعطي \[ \begin{aligned} \angle PP_1D &=\angle B_1P_1D\\ &=\angle B_1CD\\ &=\angle ACD\\ &=\angle ABD\\ &=\angle PQD. \end{aligned} \] إذن \(P_1\in\Sigma\).
وبالمثل، إذا كانت \(Q_1=E\)، فإن انتماءها إلى الدائرة مباشر. وإلا، فإن وقوع النقاط في العلاقة الثانية من (1) على دائرة واحدة يعطي \[ \begin{aligned} \angle QQ_1E &=\angle A_1Q_1E\\ &=\angle A_1CE\\ &=\angle BCE\\ &=\angle BAE\\ &=\angle QPE. \end{aligned} \] وعليه، تقع \(Q_1\) على الدائرة المارة بالنقاط \(Q,P,E\)، وهي \(\Sigma\).
وبالتالي، تقع \(P,Q,P_1,Q_1\) على دائرة واحدة. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.