IMO 2020 · Problem 6
Prove that there exists a positive constant \(c\) such that the following statement is true:
Consider an integer \(n>1\), and a set \(S\) of \(n\) points in the plane such that the distance between any two different points in \(S\) is at least \(1\). It follows that there is a line \(\ell\) separating \(S\) such that the distance from any point of \(S\) to \(\ell\) is at least \(cn^{-1/3}\).
(A line \(\ell\) separates a set of points \(S\) if some segment joining two points in \(S\) crosses \(\ell\).)
Note. Weaker results with \(cn^{-1/3}\) replaced by \(cn^{-\alpha}\) may be awarded points depending on the value of the constant \(\alpha>1/3\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
We prove that \(c=\frac1{20}\) works.
Let \(D\) be the largest distance between two points of \(S\), and choose \(A,B\in S\) with \(AB=D\). Choose coordinates so that \[ A=(0,0),\qquad B=(D,0). \] We have \(D\ge1\). Every point \(P=(x,y)\in S\) has distance at most \(D\) from both \(A\) and \(B\), so \[ 0\le x\le D,\qquad x^2+y^2\le D^2. \]
Observe that if \(0\le u<v\le D\) and no point of \(S\) has its \(x\)-coordinate strictly between \(u\) and \(v\), then the line \[ x=\frac{u+v}{2} \] crosses \(AB\) and has distance at least \((v-u)/2\) from every point of \(S\). Thus it suffices to find a sufficiently long gap between \(x\)-coordinates.
Case 1: \(D\ge n^{2/3}\).
List the \(x\)-coordinates of all points, including repetitions, as \[ 0=x_1\le x_2\le\cdots\le x_n=D. \] The \(n-1\) consecutive gaps sum to \(D\), so one has length at least \(D/(n-1)\). Its midpoint gives a separating line whose distance from every point is at least \[ \frac{D}{2(n-1)} \ge \frac{n^{2/3}}{2n} =\frac12n^{-1/3} \ge\frac1{20}n^{-1/3}. \]
Case 2: \(D<n^{2/3}\).
Consider the points in the cap \[ T=\{(x,y)\in S:D-1\le x\le D\}, \] and write \(m=|T|\). Since \(B\in T\), we have \(m\ge1\). For every point in \(T\), \[ y^2\le D^2-x^2\le D^2-(D-1)^2=2D-1. \] Put \(h=\sqrt{2D-1}\). Thus \(T\) lies in a rectangle of width \(1\) and height \(2h\).
Partition \(T\) into the points with \(x\le D-\frac12\) and those with \(x>D-\frac12\). Within either part, two points have horizontal separation at most \(\frac12\). Their distance is at least \(1\), so their vertical separation is at least \[ \sqrt{1-\left(\frac12\right)^2}=\frac{\sqrt3}{2}. \] Consequently, if either part contains \(k\ge1\) points, ordering their vertical coordinates gives \[ (k-1)\frac{\sqrt3}{2}\le2h, \qquad\text{hence}\qquad k\le1+\frac{4h}{\sqrt3}. \] This upper bound also holds for an empty part. Therefore \[ m\le2+\frac{8h}{\sqrt3} =2+\frac8{\sqrt3}\sqrt{2D-1} \le10\sqrt D, \] where the last inequality uses \(D\ge1\) and \(2D-1\le3D\).
Now list the \(x\)-coordinates of the points in \(T\), including repetitions: \[ t_1\le t_2\le\cdots\le t_m=D, \] and set \(t_0=D-1\). Since \[ \sum_{i=1}^{m}(t_i-t_{i-1})=1, \] some gap has length at least \(1/m\). Its interior contains no \(x\)-coordinate of a point of \(S\): points outside \(T\) have \(x<D-1\).
By our initial observation, the midpoint of this gap gives a separating line whose distance from every point of \(S\) is at least \[ \frac1{2m}\ge\frac1{20\sqrt D} \ge\frac1{20}n^{-1/3}. \]
Both cases establish the result. \(\square\)
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2020 · Aufgabe 6
Man zeige, dass es eine positive Konstante \(c\) gibt, für die folgende Aussage zutrifft:
Es sei \(n>1\) eine ganze Zahl und \(S\) eine Menge von \(n\) Punkten in der Ebene, für die der Abstand zwischen je zwei verschiedenen Punkten aus \(S\) mindestens \(1\) beträgt. Dann gibt es eine Gerade \(\ell\), die \(S\) spaltet und für die jeder Punkt aus \(S\) mindestens den Abstand \(cn^{-1/3}\) zu \(\ell\) hat.
(Eine Gerade \(\ell\) spaltet eine Punktmenge \(S\), wenn es eine Strecke zwischen zwei Punkten aus \(S\) gibt, die \(\ell\) schneidet.)
Hinweis. Falls eine schwächere Aussage mit \(cn^{-\alpha}\) anstelle von \(cn^{-1/3}\) bewiesen wird, können abhängig vom Wert der Konstanten \(\alpha>1/3\) Punkte vergeben werden.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir beweisen, dass \(c=\frac1{20}\) geeignet ist.
Sei \(D\) der größte Abstand zwischen zwei Punkten von \(S\), und wähle \(A,B\in S\) mit \(AB=D\). Wähle die Koordinaten so, dass \[ A=(0,0),\qquad B=(D,0). \] Es gilt \(D\ge1\). Jeder Punkt \(P=(x,y)\in S\) hat sowohl von \(A\) als auch von \(B\) höchstens den Abstand \(D\), also gilt \[ 0\le x\le D,\qquad x^2+y^2\le D^2. \]
Beachte: Wenn \(0\le u<v\le D\) gilt und kein Punkt von \(S\) eine \(x\)-Koordinate echt zwischen \(u\) und \(v\) hat, dann schneidet die Gerade \[ x=\frac{u+v}{2} \] die Strecke \(AB\) und hat von jedem Punkt von \(S\) mindestens den Abstand \((v-u)/2\). Es genügt also, eine hinreichend lange Lücke zwischen den \(x\)-Koordinaten zu finden.
Fall 1: \(D\ge n^{2/3}\).
Ordne die \(x\)-Koordinaten aller Punkte unter Berücksichtigung von Wiederholungen wie folgt: \[ 0=x_1\le x_2\le\cdots\le x_n=D. \] Die \(n-1\) aufeinanderfolgenden Lücken haben zusammen die Länge \(D\), also hat eine von ihnen mindestens die Länge \(D/(n-1)\). Ihr Mittelpunkt liefert eine spaltende Gerade, deren Abstand von jedem Punkt mindestens \[ \frac{D}{2(n-1)} \ge \frac{n^{2/3}}{2n} =\frac12n^{-1/3} \ge\frac1{20}n^{-1/3} \] beträgt.
Fall 2: \(D<n^{2/3}\).
Betrachte die Punkte in der Kappe \[ T=\{(x,y)\in S:D-1\le x\le D\}, \] und schreibe \(m=|T|\). Wegen \(B\in T\) gilt \(m\ge1\). Für jeden Punkt in \(T\) gilt \[ y^2\le D^2-x^2\le D^2-(D-1)^2=2D-1. \] Setze \(h=\sqrt{2D-1}\). Somit liegt \(T\) in einem Rechteck der Breite \(1\) und der Höhe \(2h\).
Zerlege \(T\) in die Punkte mit \(x\le D-\frac12\) und diejenigen mit \(x>D-\frac12\). Innerhalb jedes Teils haben zwei Punkte einen horizontalen Abstand von höchstens \(\frac12\). Ihr Abstand beträgt mindestens \(1\), also beträgt ihr vertikaler Abstand mindestens \[ \sqrt{1-\left(\frac12\right)^2}=\frac{\sqrt3}{2}. \] Enthält einer der beiden Teile \(k\ge1\) Punkte, so ergibt das Ordnen ihrer vertikalen Koordinaten folglich \[ (k-1)\frac{\sqrt3}{2}\le2h, \qquad\text{also}\qquad k\le1+\frac{4h}{\sqrt3}. \] Diese obere Schranke gilt auch für einen leeren Teil. Daher gilt \[ m\le2+\frac{8h}{\sqrt3} =2+\frac8{\sqrt3}\sqrt{2D-1} \le10\sqrt D, \] wobei die letzte Ungleichung \(D\ge1\) und \(2D-1\le3D\) verwendet.
Ordne nun die \(x\)-Koordinaten der Punkte in \(T\) unter Berücksichtigung von Wiederholungen: \[ t_1\le t_2\le\cdots\le t_m=D, \] und setze \(t_0=D-1\). Wegen \[ \sum_{i=1}^{m}(t_i-t_{i-1})=1, \] hat eine Lücke mindestens die Länge \(1/m\). Ihr Inneres enthält keine \(x\)-Koordinate eines Punktes von \(S\): Punkte außerhalb von \(T\) erfüllen \(x<D-1\).
Nach unserer anfänglichen Beobachtung liefert der Mittelpunkt dieser Lücke eine spaltende Gerade, deren Abstand von jedem Punkt von \(S\) mindestens \[ \frac1{2m}\ge\frac1{20\sqrt D} \ge\frac1{20}n^{-1/3} \] beträgt.
Beide Fälle beweisen die Behauptung. \(\square\)
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2020 · Soru 6
Aşağıdaki önermeyi doğru kılan pozitif bir \(c\) sabiti bulunduğunu gösteriniz:
Düzlemde herhangi ikisinin arasındaki uzaklık en az \(1\) olan \(n>1\) noktadan oluşan herhangi bir \(S\) kümesi alındığında, \(S\) kümesindeki her noktadan uzaklığı en az \(cn^{-1/3}\) olan ve \(S\) deki noktaları ayıran bir \(\ell\) doğrusu bulunur.
(Bir \(\ell\) doğrusu, uçları \(S\) de olan en az bir doğru parçasını kesiyorsa \(\ell\) doğrusu \(S\) deki noktaları ayırır.)
Not. Bir \(\alpha>1/3\) gerçel sayısı için, \(cn^{-1/3}\) yerine \(cn^{-\alpha}\) için elde edilen sonuçlara \(\alpha\) nın değerine göre puan verilebilir.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(c=\frac1{20}\) değerinin uygun olduğunu kanıtlayacağız.
\(S\) nin iki noktası arasındaki en büyük uzaklık \(D\) olsun ve \(AB=D\) olacak şekilde \(A,B\in S\) seçelim. Koordinatları \[ A=(0,0),\qquad B=(D,0) \] olacak şekilde seçelim. \(D\ge1\) dir. Her \(P=(x,y)\in S\) noktasının hem \(A\) ya hem de \(B\) ye uzaklığı en fazla \(D\) olduğundan \[ 0\le x\le D,\qquad x^2+y^2\le D^2 \] olur.
\(0\le u<v\le D\) olduğunda ve \(S\) nin hiçbir noktasının \(x\)-koordinatı kesin olarak \(u\) ile \(v\) arasında bulunmadığında, \[ x=\frac{u+v}{2} \] doğrusunun \(AB\) yi kestiğini ve \(S\) nin her noktasına uzaklığının en az \((v-u)/2\) olduğunu gözlemleyelim. Dolayısıyla \(x\)-koordinatları arasında yeterince uzun bir boşluk bulmak yeterlidir.
Durum 1: \(D\ge n^{2/3}\).
Tüm noktaların \(x\)-koordinatlarını, tekrarları da dahil ederek, \[ 0=x_1\le x_2\le\cdots\le x_n=D \] biçiminde sıralayalım. Ardışık \(n-1\) boşluğun uzunluklarının toplamı \(D\) olduğundan bunlardan birinin uzunluğu en az \(D/(n-1)\) dir. Bu boşluğun orta noktası, her noktaya uzaklığı en az \[ \frac{D}{2(n-1)} \ge \frac{n^{2/3}}{2n} =\frac12n^{-1/3} \ge\frac1{20}n^{-1/3} \] olan ayırıcı bir doğru verir.
Durum 2: \(D<n^{2/3}\).
Uç bölgede bulunan \[ T=\{(x,y)\in S:D-1\le x\le D\}, \] noktalarını ele alalım ve \(m=|T|\) yazalım. \(B\in T\) olduğundan \(m\ge1\) dir. \(T\) deki her nokta için, \[ y^2\le D^2-x^2\le D^2-(D-1)^2=2D-1. \] \(h=\sqrt{2D-1}\) olsun. Böylece \(T\), genişliği \(1\), yüksekliği \(2h\) olan bir dikdörtgenin içinde yer alır.
\(T\) yi, \(x\le D-\frac12\) olan noktalar ve \(x>D-\frac12\) olan noktalar olmak üzere iki parçaya ayıralım. Her bir parçada, iki nokta arasındaki yatay uzaklık en fazla \(\frac12\) dir. Aralarındaki uzaklık en az \(1\) olduğundan dikey uzaklıkları en az \[ \sqrt{1-\left(\frac12\right)^2}=\frac{\sqrt3}{2} \] olur. Dolayısıyla parçalardan biri \(k\ge1\) nokta içeriyorsa, bu noktaların dikey koordinatlarını sıralayarak \[ (k-1)\frac{\sqrt3}{2}\le2h, \qquad\text{dolayısıyla}\qquad k\le1+\frac{4h}{\sqrt3} \] elde ederiz. Bu üst sınır boş bir parça için de geçerlidir. Bu nedenle \[ m\le2+\frac{8h}{\sqrt3} =2+\frac8{\sqrt3}\sqrt{2D-1} \le10\sqrt D, \] burada son eşitsizlikte \(D\ge1\) ve \(2D-1\le3D\) kullanılmıştır.
Şimdi \(T\) deki noktaların \(x\)-koordinatlarını, tekrarları da dahil ederek sıralayalım: \[ t_1\le t_2\le\cdots\le t_m=D, \] ve \(t_0=D-1\) olsun. \[ \sum_{i=1}^{m}(t_i-t_{i-1})=1, \] olduğundan boşluklardan birinin uzunluğu en az \(1/m\) dir. Bu boşluğun içinde \(S\) nin hiçbir noktasının \(x\)-koordinatı bulunmaz: \(T\) dışındaki noktalar için \(x<D-1\) dir.
Başlangıçtaki gözlemimize göre, bu boşluğun orta noktası, \(S\) nin her noktasına uzaklığı en az \[ \frac1{2m}\ge\frac1{20\sqrt D} \ge\frac1{20}n^{-1/3} \] olan ayırıcı bir doğru verir.
Her iki durumda da sonuç elde edilir. \(\square\)
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2020 · Problema 6
Pruebe que existe una constante positiva \(c\) para la que se satisface la siguiente afirmación:
Sea \(n>1\) un entero y sea \(S\) un conjunto de \(n\) puntos del plano tal que la distancia entre cualesquiera dos puntos diferentes de \(S\) es al menos \(1\). Entonces existe una recta \(\ell\) separando \(S\) tal que la distancia de cualquier punto de \(S\) a \(\ell\) es al menos \(cn^{-1/3}\).
(Una recta \(\ell\) separa un conjunto de puntos \(S\) si \(\ell\) corta a alguno de los segmentos que une dos puntos de \(S\).)
Nota. Los resultados más débiles que se obtienen al sustituir \(cn^{-1/3}\) por \(cn^{-\alpha}\) se podrán valorar dependiendo del valor de la constante \(\alpha>1/3\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Demostraremos que \(c=\frac1{20}\) sirve.
Sea \(D\) la mayor distancia entre dos puntos de \(S\), y elijamos \(A,B\in S\) con \(AB=D\). Elijamos coordenadas de modo que \[ A=(0,0),\qquad B=(D,0). \] Tenemos \(D\ge1\). Todo punto \(P=(x,y)\in S\) está a distancia a lo sumo \(D\) tanto de \(A\) como de \(B\), por lo que \[ 0\le x\le D,\qquad x^2+y^2\le D^2. \]
Observemos que, si \(0\le u<v\le D\) y ningún punto de \(S\) tiene su coordenada \(x\) estrictamente entre \(u\) y \(v\), entonces la recta \[ x=\frac{u+v}{2} \] corta a \(AB\) y está a distancia al menos \((v-u)/2\) de todo punto de \(S\). Así pues, basta encontrar un intervalo suficientemente largo entre coordenadas \(x\) consecutivas.
Caso 1: \(D\ge n^{2/3}\).
Ordenemos las coordenadas \(x\) de todos los puntos, incluyendo las repeticiones, como \[ 0=x_1\le x_2\le\cdots\le x_n=D. \] Las longitudes de los \(n-1\) intervalos consecutivos suman \(D\), de modo que uno tiene longitud al menos \(D/(n-1)\). Su punto medio determina una recta separadora cuya distancia a cada punto es al menos \[ \frac{D}{2(n-1)} \ge \frac{n^{2/3}}{2n} =\frac12n^{-1/3} \ge\frac1{20}n^{-1/3}. \]
Caso 2: \(D<n^{2/3}\).
Consideremos los puntos en la región extrema \[ T=\{(x,y)\in S:D-1\le x\le D\}, \] y escribamos \(m=|T|\). Como \(B\in T\), tenemos \(m\ge1\). Para todo punto de \(T\), \[ y^2\le D^2-x^2\le D^2-(D-1)^2=2D-1. \] Sea \(h=\sqrt{2D-1}\). Así, \(T\) está contenido en un rectángulo de anchura \(1\) y altura \(2h\).
Dividamos \(T\) en los puntos con \(x\le D-\frac12\) y los puntos con \(x>D-\frac12\). Dentro de cada parte, dos puntos tienen separación horizontal a lo sumo \(\frac12\). Su distancia es al menos \(1\), por lo que su separación vertical es al menos \[ \sqrt{1-\left(\frac12\right)^2}=\frac{\sqrt3}{2}. \] En consecuencia, si una de las partes contiene \(k\ge1\) puntos, al ordenar sus coordenadas verticales obtenemos \[ (k-1)\frac{\sqrt3}{2}\le2h, \qquad\text{por tanto}\qquad k\le1+\frac{4h}{\sqrt3}. \] Esta cota superior también se cumple para una parte vacía. Por tanto, \[ m\le2+\frac{8h}{\sqrt3} =2+\frac8{\sqrt3}\sqrt{2D-1} \le10\sqrt D, \] donde la última desigualdad utiliza \(D\ge1\) y \(2D-1\le3D\).
Ahora ordenemos las coordenadas \(x\) de los puntos de \(T\), incluyendo las repeticiones: \[ t_1\le t_2\le\cdots\le t_m=D, \] y pongamos \(t_0=D-1\). Como \[ \sum_{i=1}^{m}(t_i-t_{i-1})=1, \] algún intervalo tiene longitud al menos \(1/m\). Su interior no contiene ninguna coordenada \(x\) de un punto de \(S\): los puntos fuera de \(T\) tienen \(x<D-1\).
Por nuestra observación inicial, el punto medio de este intervalo determina una recta separadora cuya distancia a cada punto de \(S\) es al menos \[ \frac1{2m}\ge\frac1{20\sqrt D} \ge\frac1{20}n^{-1/3}. \]
Ambos casos establecen el resultado. \(\square\)
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2020 · 问题 6
证明: 存在正常数 \(c\) 具有如下性质:
对任意整数 \(n>1\), 以及平面上 \(n\) 个点的集合 \(S\), 若 \(S\) 中任意两点之间的距离不小于 \(1\), 则存在一条分离 \(S\) 的直线 \(\ell\), 使得 \(S\) 中的每个点到直线 \(\ell\) 的距离不小于 \(cn^{-1/3}\).
(我们称直线 \(\ell\) 分离 点集 \(S\), 如果某条以 \(S\) 中两点为端点的线段与 \(\ell\) 相交.)
注. 如果证明了比 \(cn^{-1/3}\) 弱的估计 \(cn^{-\alpha}\), 会根据 \(\alpha>1/3\) 的值, 适当给分.
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
我们证明取 \(c=\frac1{20}\) 即可。
设 \(D\) 为 \(S\) 中两点之间的最大距离,并选取 \(A,B\in S\),使得 \(AB=D\)。选取坐标系,使得 \[ A=(0,0),\qquad B=(D,0). \] 有 \(D\ge1\)。每个点 \(P=(x,y)\in S\) 到 \(A\) 和 \(B\) 的距离都不超过 \(D\),因此 \[ 0\le x\le D,\qquad x^2+y^2\le D^2. \]
注意,如果 \(0\le u<v\le D\),且 \(S\) 中没有点的 \(x\) 坐标严格介于 \(u\) 与 \(v\) 之间,那么直线 \[ x=\frac{u+v}{2} \] 与 \(AB\) 相交,且到 \(S\) 中每个点的距离都至少为 \((v-u)/2\)。因此,只需在各点的 \(x\) 坐标之间找到一个足够长的空隙。
情形 1:\(D\ge n^{2/3}\)。
将所有点的 \(x\) 坐标(包括重复值)排列为 \[ 0=x_1\le x_2\le\cdots\le x_n=D. \] 这 \(n-1\) 个相邻坐标之间的间隔长度之和为 \(D\),故其中至少有一个的长度不小于 \(D/(n-1)\)。该间隔的中点给出一条分离直线,它到每个点的距离都至少为 \[ \frac{D}{2(n-1)} \ge \frac{n^{2/3}}{2n} =\frac12n^{-1/3} \ge\frac1{20}n^{-1/3}. \]
情形 2:\(D<n^{2/3}\)。
考虑位于端部区域中的点集 \[ T=\{(x,y)\in S:D-1\le x\le D\}, \] 并记 \(m=|T|\)。由于 \(B\in T\),有 \(m\ge1\)。对 \(T\) 中每个点, \[ y^2\le D^2-x^2\le D^2-(D-1)^2=2D-1. \] 令 \(h=\sqrt{2D-1}\)。因此,\(T\) 位于一个宽为 \(1\)、高为 \(2h\) 的矩形内。
将 \(T\) 分成满足 \(x\le D-\frac12\) 的点和满足 \(x>D-\frac12\) 的点两部分。在任一部分内,两点之间的水平距离至多为 \(\frac12\)。它们之间的距离至少为 \(1\),所以它们之间的竖直距离至少为 \[ \sqrt{1-\left(\frac12\right)^2}=\frac{\sqrt3}{2}. \] 因此,如果其中一部分包含 \(k\ge1\) 个点,将其纵坐标排序可得 \[ (k-1)\frac{\sqrt3}{2}\le2h, \qquad\text{从而}\qquad k\le1+\frac{4h}{\sqrt3}. \] 这一上界对空的部分也成立。因此 \[ m\le2+\frac{8h}{\sqrt3} =2+\frac8{\sqrt3}\sqrt{2D-1} \le10\sqrt D, \] 其中最后一个不等式用到了 \(D\ge1\) 和 \(2D-1\le3D\)。
现在,将 \(T\) 中各点的 \(x\) 坐标(包括重复值)排列为: \[ t_1\le t_2\le\cdots\le t_m=D, \] 并令 \(t_0=D-1\)。由于 \[ \sum_{i=1}^{m}(t_i-t_{i-1})=1, \] 其中至少有一个间隔的长度不小于 \(1/m\)。它的内部不含 \(S\) 中任何点的 \(x\) 坐标:\(T\) 之外的点都满足 \(x<D-1\)。
由最初的观察,该间隔的中点给出一条分离直线,它到 \(S\) 中每个点的距离都至少为 \[ \frac1{2m}\ge\frac1{20\sqrt D} \ge\frac1{20}n^{-1/3}. \]
两种情形都证明了所需结论。\(\square\)
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2020 · Задача 6
Докажите, что существует положительная константа \(c\), для которой выполняется следующее утверждение:
Пусть \(S\) — множество из \(n>1\) точек плоскости, в котором расстояние между любыми двумя точками не меньше 1. Тогда существует прямая \(\ell\), разделяющая множество \(S\), такая что расстояние от любой точки \(S\) до \(\ell\) не меньше чем \(cn^{-1/3}\).
(Прямая \(\ell\) разделяет множество точек \(S\), если она пересекает некоторый отрезок, концы которого принадлежат \(S\).)
Замечание. Более слабые результаты с заменой \(cn^{-1/3}\) на \(cn^{-\alpha}\) могут оцениваться в зависимости от значения константы \(\alpha>1/3\).
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Докажем, что подходит \(c=\frac1{20}\).
Пусть \(D\) — наибольшее расстояние между двумя точками множества \(S\), и выберем \(A,B\in S\) так, чтобы \(AB=D\). Выберем систему координат так, чтобы \[ A=(0,0),\qquad B=(D,0). \] Имеем \(D\ge1\). Каждая точка \(P=(x,y)\in S\) находится на расстоянии не более \(D\) как от \(A\), так и от \(B\), поэтому \[ 0\le x\le D,\qquad x^2+y^2\le D^2. \]
Заметим, что если \(0\le u<v\le D\) и ни у одной точки множества \(S\) абсцисса не лежит строго между \(u\) и \(v\), то прямая \[ x=\frac{u+v}{2} \] пересекает \(AB\) и находится на расстоянии не менее \((v-u)/2\) от каждой точки множества \(S\). Поэтому достаточно найти достаточно длинный промежуток между абсциссами.
Случай 1: \(D\ge n^{2/3}\).
Выпишем абсциссы всех точек с учётом повторений в порядке \[ 0=x_1\le x_2\le\cdots\le x_n=D. \] Сумма длин \(n-1\) промежутков между соседними абсциссами равна \(D\), поэтому длина одного из них не меньше \(D/(n-1)\). Его середина задаёт разделяющую прямую, расстояние от которой до каждой точки не меньше \[ \frac{D}{2(n-1)} \ge \frac{n^{2/3}}{2n} =\frac12n^{-1/3} \ge\frac1{20}n^{-1/3}. \]
Случай 2: \(D<n^{2/3}\).
Рассмотрим точки в крайней полосе \[ T=\{(x,y)\in S:D-1\le x\le D\}, \] и обозначим \(m=|T|\). Поскольку \(B\in T\), имеем \(m\ge1\). Для каждой точки из \(T\) \[ y^2\le D^2-x^2\le D^2-(D-1)^2=2D-1. \] Положим \(h=\sqrt{2D-1}\). Таким образом, \(T\) лежит в прямоугольнике ширины \(1\) и высоты \(2h\).
Разобьём \(T\) на точки с \(x\le D-\frac12\) и точки с \(x>D-\frac12\). В каждой из двух частей разность абсцисс любых двух точек по абсолютной величине не превосходит \(\frac12\). Расстояние между ними не меньше \(1\), поэтому разность их ординат по абсолютной величине не меньше \[ \sqrt{1-\left(\frac12\right)^2}=\frac{\sqrt3}{2}. \] Следовательно, если одна из частей содержит \(k\ge1\) точек, то, упорядочив их ординаты, получаем \[ (k-1)\frac{\sqrt3}{2}\le2h, \qquad\text{откуда}\qquad k\le1+\frac{4h}{\sqrt3}. \] Эта верхняя оценка верна и для пустой части. Поэтому \[ m\le2+\frac{8h}{\sqrt3} =2+\frac8{\sqrt3}\sqrt{2D-1} \le10\sqrt D, \] где в последнем неравенстве использованы \(D\ge1\) и \(2D-1\le3D\).
Теперь выпишем абсциссы точек множества \(T\) с учётом повторений: \[ t_1\le t_2\le\cdots\le t_m=D, \] и положим \(t_0=D-1\). Поскольку \[ \sum_{i=1}^{m}(t_i-t_{i-1})=1, \] длина некоторого промежутка не меньше \(1/m\). Внутри него нет абсцисс точек множества \(S\): для точек вне \(T\) выполнено \(x<D-1\).
По нашему первоначальному наблюдению середина этого промежутка задаёт разделяющую прямую, расстояние от которой до каждой точки множества \(S\) не меньше \[ \frac1{2m}\ge\frac1{20\sqrt D} \ge\frac1{20}n^{-1/3}. \]
В обоих случаях утверждение доказано. \(\square\)
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2020 · المسألة 6
أثبت وجود ثابت موجب \(c\) يجعل العبارة الآتية صحيحة:
إذا اعتبرنا عدداً صحيحاً \(n>1\)، ومجموعة \(S\) من \(n\) نقطة في المستوى بحيث تكون المسافة بين أي نقطتين في \(S\) تساوي \(1\) على الأقل، فإنه يوجد مستقيم \(\ell\) يفصل نقاط \(S\) بحيث تكون المسافة من أي نقطة في \(S\) إلى \(\ell\) تساوي \(cn^{-1/3}\) على الأقل.
(المستقيم \(\ell\) يفصل مجموعة نقاط \(S\) إذا وجدت قطعة مستقيمة تصل نقطتين من \(S\) وتقطع \(\ell\))
ملاحظة. من الممكن منح درجات جزئية على النتيجة البديلة الأضعف \(cn^{-\alpha}\) بدلا من \(cn^{-1/3}\) اعتمادا على قيمة \(\alpha>1/3\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نثبت أن \(c=\frac1{20}\) يفي بالغرض.
لتكن \(D\) أكبر مسافة بين نقطتين من \(S\)، ولنختر \(A,B\in S\) بحيث \(AB=D\). نختار الإحداثيات بحيث \[ A=(0,0),\qquad B=(D,0). \] لدينا \(D\ge1\). تبعد كل نقطة \(P=(x,y)\in S\) مسافة لا تتجاوز \(D\) عن كل من \(A\) و\(B\)، ومن ثم \[ 0\le x\le D,\qquad x^2+y^2\le D^2. \]
نلاحظ أنه إذا كان \(0\le u<v\le D\) ولم يكن لأي نقطة من \(S\) إحداثي \(x\) يقع بين \(u\) و\(v\) تماما، فإن المستقيم \[ x=\frac{u+v}{2} \] يقطع \(AB\) ويبعد مسافة لا تقل عن \((v-u)/2\) عن كل نقطة من \(S\). لذا يكفي إيجاد فجوة طويلة بما يكفي بين الإحداثيات \(x\).
الحالة 1: \(D\ge n^{2/3}\).
نرتب الإحداثيات \(x\) لجميع النقاط، مع إبقاء التكرارات، كما يلي \[ 0=x_1\le x_2\le\cdots\le x_n=D. \] مجموع الفجوات المتتالية الـ\(n-1\) يساوي \(D\)، لذا لا يقل طول إحداها عن \(D/(n-1)\). يعطي منتصفها مستقيما فاصلا لا تقل مسافته عن كل نقطة عن \[ \frac{D}{2(n-1)} \ge \frac{n^{2/3}}{2n} =\frac12n^{-1/3} \ge\frac1{20}n^{-1/3}. \]
الحالة 2: \(D<n^{2/3}\).
لننظر في النقاط الواقعة في القطعة الدائرية \[ T=\{(x,y)\in S:D-1\le x\le D\}, \] ولنكتب \(m=|T|\). بما أن \(B\in T\)، فإن \(m\ge1\). لكل نقطة في \(T\)، \[ y^2\le D^2-x^2\le D^2-(D-1)^2=2D-1. \] نضع \(h=\sqrt{2D-1}\). إذن تقع \(T\) في مستطيل عرضه \(1\) وارتفاعه \(2h\).
نقسم \(T\) إلى النقاط التي تحقق \(x\le D-\frac12\) وتلك التي تحقق \(x>D-\frac12\). داخل أي من الجزأين، لا تتجاوز المسافة الأفقية بين نقطتين \(\frac12\). ولا تقل المسافة بينهما عن \(1\)، ولذلك لا تقل المسافة الرأسية بينهما عن \[ \sqrt{1-\left(\frac12\right)^2}=\frac{\sqrt3}{2}. \] وبالتالي، إذا احتوى أحد الجزأين على \(k\ge1\) نقطة، فإن ترتيب إحداثياتها الرأسية يعطي \[ (k-1)\frac{\sqrt3}{2}\le2h, \qquad\text{ومن ثم}\qquad k\le1+\frac{4h}{\sqrt3}. \] يصح هذا الحد العلوي أيضا للجزء الخالي. لذلك \[ m\le2+\frac{8h}{\sqrt3} =2+\frac8{\sqrt3}\sqrt{2D-1} \le10\sqrt D, \] حيث تستخدم المتباينة الأخيرة \(D\ge1\) و\(2D-1\le3D\).
والآن نرتب الإحداثيات \(x\) للنقاط في \(T\)، مع إبقاء التكرارات: \[ t_1\le t_2\le\cdots\le t_m=D, \] ونضع \(t_0=D-1\). بما أن \[ \sum_{i=1}^{m}(t_i-t_{i-1})=1, \] فإن إحدى الفجوات لا يقل طولها عن \(1/m\). لا يحتوي داخلها على أي إحداثي \(x\) لنقطة من \(S\): فالنقاط الواقعة خارج \(T\) تحقق \(x<D-1\).
بموجب ملاحظتنا الأولى، يعطي منتصف هذه الفجوة مستقيما فاصلا لا تقل مسافته عن كل نقطة من \(S\) عن \[ \frac1{2m}\ge\frac1{20\sqrt D} \ge\frac1{20}n^{-1/3}. \]
تثبت كلتا الحالتين النتيجة. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.