IMO 2021 · Problem 3
Let \(D\) be an interior point of the acute triangle \(ABC\) with \(AB > AC\) so that \(\angle DAB = \angle CAD\). The point \(E\) on the segment \(AC\) satisfies \(\angle ADE = \angle BCD\), the point \(F\) on the segment \(AB\) satisfies \(\angle FDA = \angle DBC\), and the point \(X\) on the line \(AC\) satisfies \(CX = BX\). Let \(O_1\) and \(O_2\) be the circumcentres of the triangles \(ADC\) and \(EXD\), respectively. Prove that the lines \(BC\), \(EF\), and \(O_1O_2\) are concurrent.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Apply a similarity so that \[ A=(0,0),\qquad D=(1,0). \] Put \(u=\cos\frac{\angle BAC}{2}\) and \(v=\sin\frac{\angle BAC}{2}\). Choosing the orientation appropriately, write \[ B=(bu,bv),\qquad C=(cu,-cv), \] where \(b=AB>c=AC>0\), \(u,v>0\), and \(u^2+v^2=1\). Also write \[ E=(eu,-ev),\qquad F=(fu,fv). \] The prescribed angles are positive, so \(e,f>0\).
The intersection of \(AD\) with \(BC\) has first coordinate \(2bcu/(b+c)\). Since \(D\) is interior to the triangle, \[ \Delta:=2bcu-b-c>0. \]
Both \(\angle BCD\) and \(\angle DBC\) are acute. Thus the angle conditions imply \(1-eu>0\) and \(1-fu>0\). Computing the tangents of those equal angles and cancelling \(v\) gives \[ \frac{e}{1-eu} = \frac{\Delta}{u(b-c)+c^2-bc(u^2-v^2)}, \] \[ \frac{f}{1-fu} = \frac{\Delta}{u(c-b)+b^2-bc(u^2-v^2)}. \] For example, the numerator and denominator on the first right-hand side, before cancelling \(v\), are respectively the determinant and dot product of \(B-C\) and \(D-C\).
Cross-multiplication, using \(u^2+v^2=1\), yields \[ ce(b+c-2u)=\Delta,\qquad bf(b+c-2u)=\Delta. \] Since \(ce>0\) and \(\Delta>0\), the common factor \(b+c-2u\) is positive. Consequently, we may put \[ k=ce=bf>0. \] The preceding equations also give \[ k(b+c-2u)=2bcu-b-c, \] or equivalently, \[ (1+k)(b+c)=2u(bc+k). \tag{1} \]
For variable coordinates \((r,s)\), the equations of \(BC\) and \(EF\) are \[ BC:\quad \frac{(b+c)r}{u}-\frac{(b-c)s}{v}=2bc, \] \[ EF:\quad \frac{(b+c)r}{u}+\frac{(b-c)s}{v}=2k. \] The second equation follows by substituting \(E\) and \(F\), using \(ce=bf=k\). Since \(b>c\), these lines have a unique intersection \(T\). Adding their equations and using (1), we obtain \[ T_x=\frac{u(bc+k)}{b+c}=\frac{1+k}{2}. \tag{2} \] Moreover, because \(T\in BC\), comparison of first coordinates gives \[ T=C+\frac{k-c^2}{b^2-c^2}(B-C). \tag{3} \]
We now regard points as their position vectors and use the usual dot product. Set \[ \mathbf w=(u,-v), \] so that \(C=c\mathbf w\) and \(E=e\mathbf w\). Write \(X=z\mathbf w\), where \(z\) is a signed real number. Expanding \(XB^2=XC^2\) gives \[ 2z\,\mathbf w\cdot(B-C)=b^2-c^2. \tag{4} \] Since the angle at \(C\) is acute, \[ (A-C)\cdot(B-C)>0. \] As \(A-C=-c\mathbf w\), this means \(\mathbf w\cdot(B-C)<0\). Hence (4) implies \(z<0\). In particular, \(z\ne0\) and \(X\ne E\); together with \(D\notin AC\), this ensures that both circumcircles are nondegenerate.
Equations (3) and (4) imply \[ 2T\cdot\mathbf w =2c+\frac{k-c^2}{z}. \tag{5} \]
The circumcentre \(O_1\), being equidistant from \(A,D,C\), satisfies \[ 2(O_1)_x=1,\qquad 2O_1\cdot\mathbf w=c. \tag{6} \] Similarly, equality of the distances from \(O_2\) to \(E\) and \(X\) gives \[ 2O_2\cdot\mathbf w=e+z. \] Using equality of its distances to \(D\) and \(E\) then gives \[ 2(O_2)_x=1+ez. \tag{7} \]
Define \[ Q=O_1+\frac{z}{c}(T-O_1). \] By (2), (6), and \(k=ce\), \[ 2Q_x =1+\frac{z}{c}\bigl(2T_x-1\bigr) =1+\frac{zk}{c} =1+ez. \] Likewise, by (5) and (6), \[ \begin{aligned} 2Q\cdot\mathbf w &=c+\frac{z}{c}\bigl(2T\cdot\mathbf w-c\bigr)\\ &=c+\frac{z}{c}\left(c+\frac{k-c^2}{z}\right)\\ &=e+z. \end{aligned} \] Because \(v>0\), a point is uniquely determined by its first coordinate and its dot product with \(\mathbf w=(u,-v)\). Comparing with (7), we conclude that \(Q=O_2\). Thus \[ O_2=O_1+\frac{z}{c}(T-O_1). \]
Finally, \(ez\ne0\), so (6)–(7) show that \(O_1\ne O_2\). Since \(z\ne0\), the displayed relation proves that \(T\in O_1O_2\). By construction, \(T\in BC\cap EF\), establishing the required concurrency. \(\square\)
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2021 · Aufgabe 3
Es sei \(D\) ein innerer Punkt des spitzwinkligen Dreiecks \(ABC\) mit \(AB>AC\), für den \(\angle DAB=\angle CAD\) gilt. Für den Punkt \(E\) auf der Strecke \(AC\) gilt \(\angle ADE=\angle BCD\), für den Punkt \(F\) auf der Strecke \(AB\) gilt \(\angle FDA=\angle DBC\), und für den Punkt \(X\) auf der Geraden \(AC\) gilt \(CX=BX\). Es seien \(O_1\) und \(O_2\) die Umkreismittelpunkte der Dreiecke \(ADC\) beziehungsweise \(EXD\). Man beweise, dass die Geraden \(BC\), \(EF\) und \(O_1O_2\) durch einen gemeinsamen Punkt gehen.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir wenden eine Ähnlichkeitsabbildung an, sodass \[ A=(0,0),\qquad D=(1,0). \] Setze \(u=\cos\frac{\angle BAC}{2}\) und \(v=\sin\frac{\angle BAC}{2}\). Bei geeigneter Wahl der Orientierung schreiben wir \[ B=(bu,bv),\qquad C=(cu,-cv), \] wobei \(b=AB>c=AC>0\), \(u,v>0\) und \(u^2+v^2=1\) gelten. Außerdem schreiben wir \[ E=(eu,-ev),\qquad F=(fu,fv). \] Die vorgegebenen Winkel sind positiv, also gilt \(e,f>0\).
Der Schnittpunkt von \(AD\) mit \(BC\) hat die erste Koordinate \(2bcu/(b+c)\). Da \(D\) im Inneren des Dreiecks liegt, gilt \[ \Delta:=2bcu-b-c>0. \]
Sowohl \(\angle BCD\) als auch \(\angle DBC\) sind spitz. Daher folgen aus den Winkelbedingungen \(1-eu>0\) und \(1-fu>0\). Berechnen wir die Tangenswerte dieser gleichen Winkel und kürzen \(v\), so erhalten wir \[ \frac{e}{1-eu} = \frac{\Delta}{u(b-c)+c^2-bc(u^2-v^2)}, \] \[ \frac{f}{1-fu} = \frac{\Delta}{u(c-b)+b^2-bc(u^2-v^2)}. \] Zum Beispiel sind Zähler und Nenner auf der ersten rechten Seite vor dem Kürzen von \(v\) die Determinante beziehungsweise das Skalarprodukt von \(B-C\) und \(D-C\).
Durch Kreuzmultiplikation unter Verwendung von \(u^2+v^2=1\) erhalten wir \[ ce(b+c-2u)=\Delta,\qquad bf(b+c-2u)=\Delta. \] Wegen \(ce>0\) und \(\Delta>0\) ist der gemeinsame Faktor \(b+c-2u\) positiv. Folglich können wir \[ k=ce=bf>0 \] setzen. Die vorstehenden Gleichungen liefern außerdem \[ k(b+c-2u)=2bcu-b-c, \] oder äquivalent dazu \[ (1+k)(b+c)=2u(bc+k). \tag{1} \]
Für variable Koordinaten \((r,s)\) lauten die Gleichungen von \(BC\) und \(EF\) \[ BC:\quad \frac{(b+c)r}{u}-\frac{(b-c)s}{v}=2bc, \] \[ EF:\quad \frac{(b+c)r}{u}+\frac{(b-c)s}{v}=2k. \] Die zweite Gleichung folgt durch Einsetzen von \(E\) und \(F\) unter Verwendung von \(ce=bf=k\). Wegen \(b>c\) haben diese Geraden genau einen Schnittpunkt \(T\). Durch Addition ihrer Gleichungen und Verwendung von (1) erhalten wir \[ T_x=\frac{u(bc+k)}{b+c}=\frac{1+k}{2}. \tag{2} \] Da \(T\in BC\) gilt, ergibt der Vergleich der ersten Koordinaten außerdem \[ T=C+\frac{k-c^2}{b^2-c^2}(B-C). \tag{3} \]
Wir identifizieren nun die Punkte mit ihren Ortsvektoren und verwenden das übliche Skalarprodukt. Setze \[ \mathbf w=(u,-v), \] sodass \(C=c\mathbf w\) und \(E=e\mathbf w\) gelten. Schreibe \(X=z\mathbf w\), wobei \(z\) eine reelle Zahl mit beliebigem Vorzeichen ist. Ausmultiplizieren von \(XB^2=XC^2\) ergibt \[ 2z\,\mathbf w\cdot(B-C)=b^2-c^2. \tag{4} \] Da der Winkel bei \(C\) spitz ist, gilt \[ (A-C)\cdot(B-C)>0. \] Wegen \(A-C=-c\mathbf w\) bedeutet dies \(\mathbf w\cdot(B-C)<0\). Somit folgt aus (4), dass \(z<0\) gilt. Insbesondere sind \(z\ne0\) und \(X\ne E\); zusammen mit \(D\notin AC\) stellt dies sicher, dass beide Umkreise nicht entartet sind.
Aus den Gleichungen (3) und (4) folgt \[ 2T\cdot\mathbf w =2c+\frac{k-c^2}{z}. \tag{5} \]
Der Umkreismittelpunkt \(O_1\) hat von \(A,D,C\) denselben Abstand und erfüllt daher \[ 2(O_1)_x=1,\qquad 2O_1\cdot\mathbf w=c. \tag{6} \] Ebenso ergibt die Gleichheit der Abstände von \(O_2\) zu \(E\) und \(X\) \[ 2O_2\cdot\mathbf w=e+z. \] Verwenden wir anschließend die Gleichheit seiner Abstände zu \(D\) und \(E\), so erhalten wir \[ 2(O_2)_x=1+ez. \tag{7} \]
Definiere \[ Q=O_1+\frac{z}{c}(T-O_1). \] Nach (2), (6) und \(k=ce\) gilt \[ 2Q_x =1+\frac{z}{c}\bigl(2T_x-1\bigr) =1+\frac{zk}{c} =1+ez. \] Ebenso gilt nach (5) und (6) \[ \begin{aligned} 2Q\cdot\mathbf w &=c+\frac{z}{c}\bigl(2T\cdot\mathbf w-c\bigr)\\ &=c+\frac{z}{c}\left(c+\frac{k-c^2}{z}\right)\\ &=e+z. \end{aligned} \] Wegen \(v>0\) ist ein Punkt durch seine erste Koordinate und sein Skalarprodukt mit \(\mathbf w=(u,-v)\) eindeutig bestimmt. Durch Vergleich mit (7) schließen wir, dass \(Q=O_2\) gilt. Somit ist \[ O_2=O_1+\frac{z}{c}(T-O_1). \]
Schließlich gilt \(ez\ne0\), sodass (6)–(7) zeigen, dass \(O_1\ne O_2\) gilt. Wegen \(z\ne0\) beweist die dargestellte Beziehung, dass \(T\in O_1O_2\) gilt. Nach Konstruktion ist \(T\in BC\cap EF\), womit gezeigt ist, dass die drei Geraden durch einen gemeinsamen Punkt gehen. \(\square\)
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2021 · Soru 3
\(|AB|>|AC|\) olan dar açılı bir \(ABC\) üçgeninin iç bölgesinde \(\angle DAB=\angle CAD\) olacak şekilde bir \(D\) noktası alınıyor. \([AC]\) kenarı üzerinde \(\angle ADE=\angle BCD\) olacak şekilde bir \(E\) noktası, \([AB]\) kenarı üzerinde \(\angle FDA=\angle DBC\) olacak şekilde bir \(F\) noktası ve \(AC\) doğrusu üzerinde \(|CX|=|BX|\) olacak şekilde bir \(X\) noktası alınıyor. \(ADC\) ve \(EXD\) üçgenlerinin çevrel çemberlerinin merkezleri sırasıyla \(O_1\) ve \(O_2\) olsun. \(BC\), \(EF\) ve \(O_1O_2\) doğrularının noktadaş olduğunu gösteriniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Bir benzerlik dönüşümü uygulayarak \[ A=(0,0),\qquad D=(1,0) \] olmasını sağlayalım. \(u=\cos\frac{\angle BAC}{2}\) ve \(v=\sin\frac{\angle BAC}{2}\) olsun. Yönelimi uygun seçerek \[ B=(bu,bv),\qquad C=(cu,-cv), \] yazalım; burada \(b=AB>c=AC>0\), \(u,v>0\) ve \(u^2+v^2=1\) olur. Ayrıca \[ E=(eu,-ev),\qquad F=(fu,fv) \] yazalım. Verilen açılar pozitif olduğundan \(e,f>0\) olur.
\(AD\) ile \(BC\)'nin kesişiminin birinci koordinatı \(2bcu/(b+c)\)'dir. \(D\) üçgenin iç bölgesinde olduğundan, \[ \Delta:=2bcu-b-c>0. \]
Hem \(\angle BCD\) hem de \(\angle DBC\) dar açıdır. Dolayısıyla açı koşullarından \(1-eu>0\) ve \(1-fu>0\) çıkar. Bu eşit açıların tanjantlarını hesaplayıp \(v\)'yi sadeleştirerek \[ \frac{e}{1-eu} = \frac{\Delta}{u(b-c)+c^2-bc(u^2-v^2)}, \] \[ \frac{f}{1-fu} = \frac{\Delta}{u(c-b)+b^2-bc(u^2-v^2)} \] elde ederiz. Örneğin, ilk eşitliğin sağ tarafındaki pay ve payda, \(v\) sadeleştirilmeden önce, sırasıyla \(B-C\) ve \(D-C\) vektörlerinin determinantı ve skaler çarpımıdır.
İçler dışlar çarpımı yapıp \(u^2+v^2=1\) eşitliğini kullanarak \[ ce(b+c-2u)=\Delta,\qquad bf(b+c-2u)=\Delta \] elde ederiz. \(ce>0\) ve \(\Delta>0\) olduğundan ortak çarpan \(b+c-2u\) pozitiftir. Dolayısıyla \[ k=ce=bf>0 \] olarak tanımlayabiliriz. Önceki eşitlikler ayrıca \[ k(b+c-2u)=2bcu-b-c, \] ya da eşdeğer olarak, \[ (1+k)(b+c)=2u(bc+k) \tag{1} \] eşitliğini verir.
Değişken \((r,s)\) koordinatları için \(BC\) ve \(EF\)'nin denklemleri şöyledir: \[ BC:\quad \frac{(b+c)r}{u}-\frac{(b-c)s}{v}=2bc, \] \[ EF:\quad \frac{(b+c)r}{u}+\frac{(b-c)s}{v}=2k. \] İkinci denklem, \(ce=bf=k\) kullanılarak \(E\) ve \(F\)'nin koordinatları yerine konulduğunda elde edilir. \(b>c\) olduğundan bu doğruların tek bir \(T\) kesişim noktası vardır. Denklemlerini toplayıp (1)'i kullanarak \[ T_x=\frac{u(bc+k)}{b+c}=\frac{1+k}{2} \tag{2} \] elde ederiz. Ayrıca, \(T\in BC\) olduğundan, birinci koordinatların karşılaştırılmasıyla \[ T=C+\frac{k-c^2}{b^2-c^2}(B-C) \tag{3} \] bulunur.
Şimdi noktaları konum vektörleri olarak ele alıp alışılmış skaler çarpımı kullanacağız. \[ \mathbf w=(u,-v), \] olsun; böylece \(C=c\mathbf w\) ve \(E=e\mathbf w\) olur. \(z\) işaretli bir gerçek sayı olmak üzere \(X=z\mathbf w\) yazalım. \(XB^2=XC^2\) eşitliğinin açılımı \[ 2z\,\mathbf w\cdot(B-C)=b^2-c^2 \tag{4} \] eşitliğini verir. \(C\) köşesindeki açı dar olduğundan, \[ (A-C)\cdot(B-C)>0. \] \(A-C=-c\mathbf w\) olduğundan bu, \(\mathbf w\cdot(B-C)<0\) demektir. Dolayısıyla (4)'ten \(z<0\) çıkar. Özellikle, \(z\ne0\) ve \(X\ne E\) olur; bunlar, \(D\notin AC\) ile birlikte, her iki çevrel çemberin de dejenere olmamasını sağlar.
(3) ve (4) eşitliklerinden \[ 2T\cdot\mathbf w =2c+\frac{k-c^2}{z} \tag{5} \] çıkar.
Çevrel çember merkezi \(O_1\), \(A,D,C\) noktalarına eşit uzaklıkta olduğundan \[ 2(O_1)_x=1,\qquad 2O_1\cdot\mathbf w=c \tag{6} \] eşitliklerini sağlar. Benzer şekilde, \(O_2\)'nin \(E\) ve \(X\)'e uzaklıklarının eşitliği \[ 2O_2\cdot\mathbf w=e+z \] eşitliğini verir. Ardından \(D\) ve \(E\)'ye uzaklıklarının eşitliğini kullanarak \[ 2(O_2)_x=1+ez \tag{7} \] elde ederiz.
Şöyle tanımlayalım: \[ Q=O_1+\frac{z}{c}(T-O_1). \] (2), (6) ve \(k=ce\) eşitliklerinden, \[ 2Q_x =1+\frac{z}{c}\bigl(2T_x-1\bigr) =1+\frac{zk}{c} =1+ez. \] Benzer şekilde, (5) ve (6)'dan, \[ \begin{aligned} 2Q\cdot\mathbf w &=c+\frac{z}{c}\bigl(2T\cdot\mathbf w-c\bigr)\\ &=c+\frac{z}{c}\left(c+\frac{k-c^2}{z}\right)\\ &=e+z. \end{aligned} \] \(v>0\) olduğundan bir nokta, birinci koordinatı ve \(\mathbf w=(u,-v)\) ile skaler çarpımı tarafından tek türlü belirlenir. (7) ile karşılaştırarak \(Q=O_2\) sonucuna varırız. Böylece \[ O_2=O_1+\frac{z}{c}(T-O_1). \]
Son olarak, \(ez\ne0\) olduğundan (6)–(7) eşitlikleri \(O_1\ne O_2\) olduğunu gösterir. \(z\ne0\) olduğundan yukarıdaki bağıntı \(T\in O_1O_2\) olduğunu kanıtlar. Tanımı gereği \(T\in BC\cap EF\) olduğundan istenen noktadaşlık kanıtlanmış olur. \(\square\)
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2021 · Problema 3
Sea \(D\) un punto interior de un triángulo acutángulo \(ABC\), con \(AB > AC\), de forma que \(\angle DAB = \angle CAD\). El punto \(E\) en el segmento \(AC\) satisface que \(\angle ADE = \angle BCD\), el punto \(F\) en el segmento \(AB\) satisface \(\angle FDA = \angle DBC\), y el punto \(X\) en la recta \(AC\) satisface \(CX = BX\). Sean \(O_1\) y \(O_2\) los circuncentros de los triángulos \(ADC\) y \(EXD\) respectivamente. Probar que las rectas \(BC\), \(EF\) y \(O_1O_2\) son concurrentes.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Apliquemos una semejanza de modo que \[ A=(0,0),\qquad D=(1,0). \] Sean \(u=\cos\frac{\angle BAC}{2}\) y \(v=\sin\frac{\angle BAC}{2}\). Eligiendo adecuadamente la orientación, escribamos \[ B=(bu,bv),\qquad C=(cu,-cv), \] donde \(b=AB>c=AC>0\), \(u,v>0\), y \(u^2+v^2=1\). Escribamos también \[ E=(eu,-ev),\qquad F=(fu,fv). \] Los ángulos dados son positivos, así que \(e,f>0\).
La intersección de \(AD\) con \(BC\) tiene primera coordenada \(2bcu/(b+c)\). Como \(D\) es interior al triángulo, \[ \Delta:=2bcu-b-c>0. \]
Tanto \(\angle BCD\) como \(\angle DBC\) son agudos. Por tanto, las condiciones sobre los ángulos implican \(1-eu>0\) y \(1-fu>0\). Al calcular las tangentes de esos ángulos iguales y cancelar \(v\), obtenemos \[ \frac{e}{1-eu} = \frac{\Delta}{u(b-c)+c^2-bc(u^2-v^2)}, \] \[ \frac{f}{1-fu} = \frac{\Delta}{u(c-b)+b^2-bc(u^2-v^2)}. \] Por ejemplo, el numerador y el denominador del primer miembro derecho, antes de cancelar \(v\), son respectivamente el determinante y el producto escalar de \(B-C\) y \(D-C\).
Al multiplicar en cruz y usar \(u^2+v^2=1\), obtenemos \[ ce(b+c-2u)=\Delta,\qquad bf(b+c-2u)=\Delta. \] Como \(ce>0\) y \(\Delta>0\), el factor común \(b+c-2u\) es positivo. Por consiguiente, podemos poner \[ k=ce=bf>0. \] Las ecuaciones anteriores también dan \[ k(b+c-2u)=2bcu-b-c, \] o, equivalentemente, \[ (1+k)(b+c)=2u(bc+k). \tag{1} \]
Para coordenadas variables \((r,s)\), las ecuaciones de \(BC\) y \(EF\) son \[ BC:\quad \frac{(b+c)r}{u}-\frac{(b-c)s}{v}=2bc, \] \[ EF:\quad \frac{(b+c)r}{u}+\frac{(b-c)s}{v}=2k. \] La segunda ecuación se obtiene al sustituir \(E\) y \(F\), usando \(ce=bf=k\). Como \(b>c\), estas rectas tienen un único punto de intersección \(T\). Sumando sus ecuaciones y usando (1), obtenemos \[ T_x=\frac{u(bc+k)}{b+c}=\frac{1+k}{2}. \tag{2} \] Además, como \(T\in BC\), la comparación de las primeras coordenadas da \[ T=C+\frac{k-c^2}{b^2-c^2}(B-C). \tag{3} \]
Identifiquemos ahora los puntos con sus vectores de posición y usemos el producto escalar usual. Sea \[ \mathbf w=(u,-v), \] de modo que \(C=c\mathbf w\) y \(E=e\mathbf w\). Escribamos \(X=z\mathbf w\), donde \(z\) es un número real con signo. Al desarrollar \(XB^2=XC^2\), obtenemos \[ 2z\,\mathbf w\cdot(B-C)=b^2-c^2. \tag{4} \] Como el ángulo en \(C\) es agudo, \[ (A-C)\cdot(B-C)>0. \] Puesto que \(A-C=-c\mathbf w\), esto significa que \(\mathbf w\cdot(B-C)<0\). Por tanto, (4) implica \(z<0\). En particular, \(z\ne0\) y \(X\ne E\); junto con \(D\notin AC\), esto garantiza que ambas circunferencias circunscritas son no degeneradas.
Las ecuaciones (3) y (4) implican \[ 2T\cdot\mathbf w =2c+\frac{k-c^2}{z}. \tag{5} \]
El circuncentro \(O_1\), al equidistar de \(A,D,C\), satisface \[ 2(O_1)_x=1,\qquad 2O_1\cdot\mathbf w=c. \tag{6} \] Análogamente, la igualdad de las distancias de \(O_2\) a \(E\) y \(X\) da \[ 2O_2\cdot\mathbf w=e+z. \] Usando entonces la igualdad de sus distancias a \(D\) y \(E\), obtenemos \[ 2(O_2)_x=1+ez. \tag{7} \]
Definamos \[ Q=O_1+\frac{z}{c}(T-O_1). \] Por (2), (6) y \(k=ce\), \[ 2Q_x =1+\frac{z}{c}\bigl(2T_x-1\bigr) =1+\frac{zk}{c} =1+ez. \] Asimismo, por (5) y (6), \[ \begin{aligned} 2Q\cdot\mathbf w &=c+\frac{z}{c}\bigl(2T\cdot\mathbf w-c\bigr)\\ &=c+\frac{z}{c}\left(c+\frac{k-c^2}{z}\right)\\ &=e+z. \end{aligned} \] Como \(v>0\), un punto queda determinado de manera única por su primera coordenada y su producto escalar con \(\mathbf w=(u,-v)\). Comparando con (7), concluimos que \(Q=O_2\). Así, \[ O_2=O_1+\frac{z}{c}(T-O_1). \]
Finalmente, \(ez\ne0\), por lo que (6)–(7) muestran que \(O_1\ne O_2\). Como \(z\ne0\), la relación anterior demuestra que \(T\in O_1O_2\). Por construcción, \(T\in BC\cap EF\), lo que demuestra la concurrencia requerida. \(\square\)
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2021 · 问题 3
设 \(D\) 是锐角三角形 \(ABC\) \((AB>AC)\) 内部一点, 使得 \(\angle DAB=\angle CAD\). 线段 \(AC\) 上的点 \(E\) 满足 \(\angle ADE=\angle BCD\), 线段 \(AB\) 上的点 \(F\) 满足 \(\angle FDA=\angle DBC\), 且直线 \(AC\) 上的点 \(X\) 满足 \(CX=BX\). 设 \(O_1\) 和 \(O_2\) 分别为三角形 \(ADC\) 和三角形 \(EXD\) 的外心. 证明: 直线 \(BC\), \(EF\) 和 \(O_1O_2\) 共点.
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
作相似变换,使得 \[ A=(0,0),\qquad D=(1,0). \] 令 \(u=\cos\frac{\angle BAC}{2}\),\(v=\sin\frac{\angle BAC}{2}\)。适当选取坐标轴的方向,可写成 \[ B=(bu,bv),\qquad C=(cu,-cv), \] 其中 \(b=AB>c=AC>0\),\(u,v>0\),且 \(u^2+v^2=1\)。再记 \[ E=(eu,-ev),\qquad F=(fu,fv). \] 题设中的角均为正,故 \(e,f>0\)。
\(AD\) 与 \(BC\) 的交点的第一坐标为 \(2bcu/(b+c)\)。由于 \(D\) 在三角形内部, \[ \Delta:=2bcu-b-c>0. \]
\(\angle BCD\) 和 \(\angle DBC\) 均为锐角。因此,由题设的角度条件可知 \(1-eu>0\) 且 \(1-fu>0\)。计算这些相等的角的正切,并约去 \(v\),得到 \[ \frac{e}{1-eu} = \frac{\Delta}{u(b-c)+c^2-bc(u^2-v^2)}, \] \[ \frac{f}{1-fu} = \frac{\Delta}{u(c-b)+b^2-bc(u^2-v^2)}. \] 例如,第一个等式右端在约去 \(v\) 之前,分子和分母分别为向量 \(B-C\) 与 \(D-C\) 的行列式和数量积。
交叉相乘,并利用 \(u^2+v^2=1\),得到 \[ ce(b+c-2u)=\Delta,\qquad bf(b+c-2u)=\Delta. \] 由于 \(ce>0\) 且 \(\Delta>0\),公共因子 \(b+c-2u\) 为正。因此,可以令 \[ k=ce=bf>0. \] 上述等式还给出 \[ k(b+c-2u)=2bcu-b-c, \] 等价地, \[ (1+k)(b+c)=2u(bc+k). \tag{1} \]
以 \((r,s)\) 为动点坐标,\(BC\) 和 \(EF\) 的方程为 \[ BC:\quad \frac{(b+c)r}{u}-\frac{(b-c)s}{v}=2bc, \] \[ EF:\quad \frac{(b+c)r}{u}+\frac{(b-c)s}{v}=2k. \] 第二个方程可通过代入 \(E\) 和 \(F\) 的坐标并利用 \(ce=bf=k\) 得到。由于 \(b>c\),这两条直线有唯一的交点 \(T\)。将两式相加并利用 (1),得到 \[ T_x=\frac{u(bc+k)}{b+c}=\frac{1+k}{2}. \tag{2} \] 此外,由于 \(T\in BC\),比较第一坐标可得 \[ T=C+\frac{k-c^2}{b^2-c^2}(B-C). \tag{3} \]
现在将各点视为其位置向量,并使用通常的数量积。令 \[ \mathbf w=(u,-v), \] 则 \(C=c\mathbf w\),\(E=e\mathbf w\)。记 \(X=z\mathbf w\),其中 \(z\) 是可正可负的实数。展开 \(XB^2=XC^2\),得到 \[ 2z\,\mathbf w\cdot(B-C)=b^2-c^2. \tag{4} \] 由于顶点 \(C\) 处的角为锐角, \[ (A-C)\cdot(B-C)>0. \] 又因 \(A-C=-c\mathbf w\),这意味着 \(\mathbf w\cdot(B-C)<0\)。因此,由 (4) 得 \(z<0\)。特别地,\(z\ne0\) 且 \(X\ne E\);再结合 \(D\notin AC\),可知两个外接圆均不退化。
由 (3) 和 (4) 可得 \[ 2T\cdot\mathbf w =2c+\frac{k-c^2}{z}. \tag{5} \]
外心 \(O_1\) 到 \(A,D,C\) 的距离相等,故满足 \[ 2(O_1)_x=1,\qquad 2O_1\cdot\mathbf w=c. \tag{6} \] 类似地,由 \(O_2\) 到 \(E\) 和 \(X\) 的距离相等,得到 \[ 2O_2\cdot\mathbf w=e+z. \] 再利用它到 \(D\) 和 \(E\) 的距离相等,得到 \[ 2(O_2)_x=1+ez. \tag{7} \]
定义 \[ Q=O_1+\frac{z}{c}(T-O_1). \] 由 (2)、(6) 及 \(k=ce\), \[ 2Q_x =1+\frac{z}{c}\bigl(2T_x-1\bigr) =1+\frac{zk}{c} =1+ez. \] 同样,由 (5) 和 (6), \[ \begin{aligned} 2Q\cdot\mathbf w &=c+\frac{z}{c}\bigl(2T\cdot\mathbf w-c\bigr)\\ &=c+\frac{z}{c}\left(c+\frac{k-c^2}{z}\right)\\ &=e+z. \end{aligned} \] 因为 \(v>0\),一个点由其第一坐标以及其位置向量与 \(\mathbf w=(u,-v)\) 的数量积唯一确定。与 (7) 比较,可知 \(Q=O_2\)。因此 \[ O_2=O_1+\frac{z}{c}(T-O_1). \]
最后,\(ez\ne0\),故由 (6)–(7) 可知 \(O_1\ne O_2\)。由于 \(z\ne0\),上式证明了 \(T\in O_1O_2\)。由构造,\(T\in BC\cap EF\),从而所要证明的三线共点成立。\(\square\)
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2021 · Задача 3
Точка \(D\) внутри остроугольного треугольника \(ABC\), в котором \(AB>AC\), такова, что \(\angle DAB=\angle CAD\). Точка \(E\) на отрезке \(AC\) такова, что \(\angle ADE=\angle BCD\); точка \(F\) на отрезке \(AB\) такова, что \(\angle FDA=\angle DBC\); точка \(X\) на прямой \(AC\) такова, что \(CX=BX\). Точки \(O_1\) и \(O_2\) — центры описанных окружностей треугольников \(ADC\) и \(EXD\) соответственно. Докажите, что прямые \(BC\), \(EF\) и \(O_1O_2\) пересекаются в одной точке.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Применим преобразование подобия так, чтобы \[ A=(0,0),\qquad D=(1,0). \] Положим \(u=\cos\frac{\angle BAC}{2}\) и \(v=\sin\frac{\angle BAC}{2}\). Выбрав подходящую ориентацию, запишем \[ B=(bu,bv),\qquad C=(cu,-cv), \] где \(b=AB>c=AC>0\), \(u,v>0\) и \(u^2+v^2=1\). Также запишем \[ E=(eu,-ev),\qquad F=(fu,fv). \] Углы, заданные в условии, положительны, поэтому \(e,f>0\).
Первая координата точки пересечения \(AD\) с \(BC\) равна \(2bcu/(b+c)\). Поскольку \(D\) лежит внутри треугольника, \[ \Delta:=2bcu-b-c>0. \]
Оба угла \(\angle BCD\) и \(\angle DBC\) острые. Поэтому из условий на углы следует, что \(1-eu>0\) и \(1-fu>0\). Вычисляя тангенсы этих равных углов и сокращая на \(v\), получаем \[ \frac{e}{1-eu} = \frac{\Delta}{u(b-c)+c^2-bc(u^2-v^2)}, \] \[ \frac{f}{1-fu} = \frac{\Delta}{u(c-b)+b^2-bc(u^2-v^2)}. \] Например, числитель и знаменатель первой правой части до сокращения на \(v\) равны соответственно определителю и скалярному произведению векторов \(B-C\) и \(D-C\).
Умножая на знаменатели и используя \(u^2+v^2=1\), получаем \[ ce(b+c-2u)=\Delta,\qquad bf(b+c-2u)=\Delta. \] Поскольку \(ce>0\) и \(\Delta>0\), общий множитель \(b+c-2u\) положителен. Следовательно, можно положить \[ k=ce=bf>0. \] Из предыдущих равенств также следует \[ k(b+c-2u)=2bcu-b-c, \] или, что равносильно, \[ (1+k)(b+c)=2u(bc+k). \tag{1} \]
В переменных координатах \((r,s)\) уравнения прямых \(BC\) и \(EF\) имеют вид \[ BC:\quad \frac{(b+c)r}{u}-\frac{(b-c)s}{v}=2bc, \] \[ EF:\quad \frac{(b+c)r}{u}+\frac{(b-c)s}{v}=2k. \] Второе уравнение получается подстановкой координат \(E\) и \(F\) с учётом \(ce=bf=k\). Поскольку \(b>c\), эти прямые имеют единственную точку пересечения \(T\). Складывая их уравнения и используя (1), получаем \[ T_x=\frac{u(bc+k)}{b+c}=\frac{1+k}{2}. \tag{2} \] Кроме того, поскольку \(T\in BC\), сравнение первых координат даёт \[ T=C+\frac{k-c^2}{b^2-c^2}(B-C). \tag{3} \]
Теперь отождествим точки с их радиус-векторами и будем использовать обычное скалярное произведение. Положим \[ \mathbf w=(u,-v), \] так что \(C=c\mathbf w\) и \(E=e\mathbf w\). Запишем \(X=z\mathbf w\), где \(z\) — вещественное число, которое может иметь любой знак. Раскрывая равенство \(XB^2=XC^2\), получаем \[ 2z\,\mathbf w\cdot(B-C)=b^2-c^2. \tag{4} \] Поскольку угол при \(C\) острый, \[ (A-C)\cdot(B-C)>0. \] Так как \(A-C=-c\mathbf w\), это означает, что \(\mathbf w\cdot(B-C)<0\). Поэтому из (4) следует \(z<0\). В частности, \(z\ne0\) и \(X\ne E\); вместе с \(D\notin AC\) это гарантирует, что обе описанные окружности невырождены.
Из равенств (3) и (4) следует \[ 2T\cdot\mathbf w =2c+\frac{k-c^2}{z}. \tag{5} \]
Центр описанной окружности \(O_1\) равноудалён от \(A,D,C\), поэтому \[ 2(O_1)_x=1,\qquad 2O_1\cdot\mathbf w=c. \tag{6} \] Аналогично, из равенства расстояний от \(O_2\) до \(E\) и \(X\) получаем \[ 2O_2\cdot\mathbf w=e+z. \] Используя затем равенство расстояний от него до \(D\) и \(E\), получаем \[ 2(O_2)_x=1+ez. \tag{7} \]
Определим \[ Q=O_1+\frac{z}{c}(T-O_1). \] В силу (2), (6) и \(k=ce\), \[ 2Q_x =1+\frac{z}{c}\bigl(2T_x-1\bigr) =1+\frac{zk}{c} =1+ez. \] Аналогично, в силу (5) и (6), \[ \begin{aligned} 2Q\cdot\mathbf w &=c+\frac{z}{c}\bigl(2T\cdot\mathbf w-c\bigr)\\ &=c+\frac{z}{c}\left(c+\frac{k-c^2}{z}\right)\\ &=e+z. \end{aligned} \] Поскольку \(v>0\), точка однозначно определяется своей первой координатой и скалярным произведением её радиус-вектора с \(\mathbf w=(u,-v)\). Сравнивая с (7), заключаем, что \(Q=O_2\). Таким образом, \[ O_2=O_1+\frac{z}{c}(T-O_1). \]
Наконец, \(ez\ne0\), поэтому из (6)–(7) следует, что \(O_1\ne O_2\). Поскольку \(z\ne0\), последнее равенство доказывает, что \(T\in O_1O_2\). По построению \(T\in BC\cap EF\), что и доказывает пересечение указанных прямых в одной точке. \(\square\)
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2021 · المسألة 3
لتكن \(D\) نقطة داخل المثلث الحاد الزوايا \(ABC\) الذي فيه \(AB>AC\) و \(\angle DAB=\angle CAD\). النقطة \(E\) تقع على القطعة المستقيمة \(AC\) بحيث \(\angle ADE=\angle BCD\). النقطة \(F\) تقع على القطعة المستقيمة \(AB\) بحيث \(\angle FDA=\angle DBC\). النقطة \(X\) تقع على \(AC\) بحيث \(CX=BX\). أخيراً النقطتان \(O_1\) و \(O_2\) هما المركزان المحيطان بالمثلثين \(ADC\) و \(EXD\) توالياً. أثبت أن \(BC,EF,O_1O_2\) تتقاطع في نقطة واحدة.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نطبّق تحويلاً تشابهياً بحيث \[ A=(0,0),\qquad D=(1,0). \] نضع \(u=\cos\frac{\angle BAC}{2}\) و\(v=\sin\frac{\angle BAC}{2}\). وباختيار اتجاه المحاور على نحو مناسب، نكتب \[ B=(bu,bv),\qquad C=(cu,-cv), \] حيث \(b=AB>c=AC>0\)، و\(u,v>0\)، و\(u^2+v^2=1\). ونكتب أيضاً \[ E=(eu,-ev),\qquad F=(fu,fv). \] الزوايا المحددة موجبة، لذا \(e,f>0\).
الإحداثي الأول لنقطة تقاطع \(AD\) مع \(BC\) هو \(2bcu/(b+c)\). وبما أن \(D\) داخل المثلث، فإن \[ \Delta:=2bcu-b-c>0. \]
كل من \(\angle BCD\) و\(\angle DBC\) زاوية حادة. لذا تستلزم شروط الزوايا أن \(1-eu>0\) و\(1-fu>0\). وبحساب ظلال تلك الزوايا المتساوية واختزال \(v\)، نحصل على \[ \frac{e}{1-eu} = \frac{\Delta}{u(b-c)+c^2-bc(u^2-v^2)}, \] \[ \frac{f}{1-fu} = \frac{\Delta}{u(c-b)+b^2-bc(u^2-v^2)}. \] فعلى سبيل المثال، بسط الطرف الأيمن الأول ومقامه، قبل اختزال \(v\)، هما على الترتيب محدد المتجهين \(B-C\) و\(D-C\) وجداؤهما السلمي.
بضرب طرفي كل مساواة في المقامين، واستخدام \(u^2+v^2=1\)، نحصل على \[ ce(b+c-2u)=\Delta,\qquad bf(b+c-2u)=\Delta. \] بما أن \(ce>0\) و\(\Delta>0\)، فإن العامل المشترك \(b+c-2u\) موجب. وبالتالي، يمكننا أن نضع \[ k=ce=bf>0. \] تعطي المعادلات السابقة أيضاً \[ k(b+c-2u)=2bcu-b-c, \] أو، على نحو مكافئ، \[ (1+k)(b+c)=2u(bc+k). \tag{1} \]
بالنسبة إلى الإحداثيين المتغيرين \((r,s)\)، معادلتا \(BC\) و\(EF\) هما \[ BC:\quad \frac{(b+c)r}{u}-\frac{(b-c)s}{v}=2bc, \] \[ EF:\quad \frac{(b+c)r}{u}+\frac{(b-c)s}{v}=2k. \] تنتج المعادلة الثانية بالتعويض بإحداثيي \(E\) و\(F\)، واستخدام \(ce=bf=k\). وبما أن \(b>c\)، فإن لهذين المستقيمين نقطة تقاطع وحيدة \(T\). بجمع معادلتيهما واستخدام (1)، نحصل على \[ T_x=\frac{u(bc+k)}{b+c}=\frac{1+k}{2}. \tag{2} \] وعلاوة على ذلك، بما أن \(T\in BC\)، فإن مقارنة الإحداثيات الأولى تعطينا \[ T=C+\frac{k-c^2}{b^2-c^2}(B-C). \tag{3} \]
نعتبر الآن النقاط متجهات مواضعها، ونستخدم الجداء السلمي المعتاد. نضع \[ \mathbf w=(u,-v), \] بحيث \(C=c\mathbf w\) و\(E=e\mathbf w\). نكتب \(X=z\mathbf w\)، حيث \(z\) عدد حقيقي ذو إشارة. بتوسيع \(XB^2=XC^2\)، نحصل على \[ 2z\,\mathbf w\cdot(B-C)=b^2-c^2. \tag{4} \] بما أن الزاوية عند \(C\) حادة، فإن \[ (A-C)\cdot(B-C)>0. \] ولأن \(A-C=-c\mathbf w\)، فهذا يعني أن \(\mathbf w\cdot(B-C)<0\). ومن ثم تستلزم (4) أن \(z<0\). وعلى وجه الخصوص، \(z\ne0\) و\(X\ne E\)؛ وهذا، مع \(D\notin AC\)، يضمن أن كلتا الدائرتين المحيطتين غير منحلّة.
تستلزم المعادلتان (3) و(4) أن \[ 2T\cdot\mathbf w =2c+\frac{k-c^2}{z}. \tag{5} \]
بما أن مركز الدائرة المحيطة \(O_1\) متساوي البعد عن \(A,D,C\)، فإنه يحقق \[ 2(O_1)_x=1,\qquad 2O_1\cdot\mathbf w=c. \tag{6} \] وبالمثل، فإن تساوي بعدي \(O_2\) عن \(E\) و\(X\) يعطي \[ 2O_2\cdot\mathbf w=e+z. \] وباستخدام تساوي بعديه عن \(D\) و\(E\)، نحصل بعد ذلك على \[ 2(O_2)_x=1+ez. \tag{7} \]
نعرّف \[ Q=O_1+\frac{z}{c}(T-O_1). \] من (2) و(6) و\(k=ce\)، نحصل على \[ 2Q_x =1+\frac{z}{c}\bigl(2T_x-1\bigr) =1+\frac{zk}{c} =1+ez. \] وبالمثل، من (5) و(6)، \[ \begin{aligned} 2Q\cdot\mathbf w &=c+\frac{z}{c}\bigl(2T\cdot\mathbf w-c\bigr)\\ &=c+\frac{z}{c}\left(c+\frac{k-c^2}{z}\right)\\ &=e+z. \end{aligned} \] بما أن \(v>0\)، فإن النقطة تتحدد على نحو وحيد بإحداثيها الأول وجدائها السلمي مع \(\mathbf w=(u,-v)\). وبالمقارنة مع (7)، نستنتج أن \(Q=O_2\). إذن \[ O_2=O_1+\frac{z}{c}(T-O_1). \]
أخيراً، \(ez\ne0\)، لذا تبيّن (6)–(7) أن \(O_1\ne O_2\). وبما أن \(z\ne0\)، فإن العلاقة المعروضة تثبت أن \(T\in O_1O_2\). وبحسب الإنشاء، \(T\in BC\cap EF\)، مما يثبت التلاقي المطلوب. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.