IMO 2022 · Problem 4
Let \(ABCDE\) be a convex pentagon such that \(BC = DE\). Assume that there is a point \(T\) inside \(ABCDE\) with \(TB = TD\), \(TC = TE\) and \(\angle ABT = \angle TEA\). Let line \(AB\) intersect lines \(CD\) and \(CT\) at points \(P\) and \(Q\), respectively. Assume that the points \(P, B, A, Q\) occur on their line in that order. Let line \(AE\) intersect lines \(CD\) and \(DT\) at points \(R\) and \(S\), respectively. Assume that the points \(R, E, A, S\) occur on their line in that order. Prove that the points \(P, S, Q, R\) lie on a circle.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
By convexity and the prescribed orders, the supporting lines \(AB,AE,CD\) bound a triangle \(APR\) containing the pentagon. The points on its side \(PR\) occur in the order \(P,C,D,R\), and \(T\) lies strictly inside this triangle.
Moreover, \(Q,T,C\) occur in that order: \(C,T\) lie on the same side of \(AB\), while \(Q,T\) lie on the same side of \(CD\). Similarly, \(S,T,D\) occur in that order.
The three length equalities give \[ \triangle TBC\cong\triangle TDE \] by SSS, so \[ \angle BTC=\angle DTE. \] Since \(BQ\) and \(BA\) are the same ray, and \(ES\) and \(EA\) are the same ray, the given angle equality gives \[ \angle TBQ=\angle TES. \] Also, \(TQ\) is opposite to \(TC\), and \(TS\) is opposite to \(TD\). Consequently, \[ \angle BTQ =180^\circ-\angle BTC =180^\circ-\angle DTE =\angle ETS. \] Thus \[ \triangle TBQ\sim\triangle TES. \] In particular, \[ \frac{TQ}{TS}=\frac{TB}{TE}=\frac{TD}{TC}, \qquad \angle BQT=\angle EST. \] Using the point orders, set \[ \alpha=\angle PQC=\angle TSR. \]
The length ratio above can be rewritten as \[ \frac{TC}{TS}=\frac{TD}{TQ}. \] Furthermore, \(\angle CTD=\angle STQ\), because their respective sides are opposite rays. Hence, by SAS, \[ \triangle TCD\sim\triangle TSQ. \] Set \[ \beta=\angle TCD=\angle TSQ. \]
In triangle \(PCQ\), the rays \(CP\) and \(CD\) are opposite, while \(CQ\) and \(CT\) coincide. Therefore \[ \angle PCQ=180^\circ-\beta, \] and the angle sum gives \[ \angle RPQ=\angle CPQ =180^\circ-(180^\circ-\beta)-\alpha =\beta-\alpha. \]
At \(S\), ray \(SR\) lies inside \(\angle TSQ\). Indeed, \(A\) lies between \(P\) and \(Q\), so ray \(SA\), which is ray \(SR\), lies between \(SP\) and \(SQ\). Also, \(T\) lies inside triangle \(SPR\), so ray \(ST\) lies between \(SP\) and \(SR\). It follows that \[ \angle RSQ =\angle TSQ-\angle TSR =\beta-\alpha =\angle RPQ. \]
Finally, \(P\) and \(S\) lie on the same side of \(RQ\), since \(A\) lies inside both segments \(PQ\) and \(RS\). The equality \(\angle RSQ=\angle RPQ\) therefore proves that \(P,S,Q,R\) lie on a circle.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2022 · Aufgabe 4
Es sei \(ABCDE\) ein konvexes Fünfeck mit \(BC = DE\). Weiterhin sei angenommen, dass \(T\) ein Punkt im Inneren von \(ABCDE\) mit \(TB = TD\), \(TC = TE\) und \(\angle ABT = \angle TEA\) ist. Die Gerade \(AB\) schneide die Geraden \(CD\) und \(CT\) in den Punkten \(P\) bzw. \(Q\). Wir nehmen an, dass die Punkte \(P\), \(B\), \(A\), \(Q\) in dieser Reihenfolge auf der Geraden liegen. Die Gerade \(AE\) schneide die Geraden \(CD\) und \(DT\) in den Punkten \(R\) bzw. \(S\). Wir nehmen an, dass die Punkte \(R\), \(E\), \(A\), \(S\) in dieser Reihenfolge auf der Geraden liegen. Man beweise, dass die Punkte \(P\), \(S\), \(Q\), \(R\) auf einem Kreis liegen.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Aufgrund der Konvexität und der vorgegebenen Reihenfolgen begrenzen die Geraden \(AB,AE,CD\) ein Dreieck \(APR\), das das Fünfeck enthält. Auf seiner Seite \(PR\) liegen die Punkte in der Reihenfolge \(P,C,D,R\), und \(T\) liegt im Inneren dieses Dreiecks.
Außerdem liegen \(Q,T,C\) in dieser Reihenfolge: \(C,T\) liegen auf derselben Seite von \(AB\), während \(Q,T\) auf derselben Seite von \(CD\) liegen. Ebenso liegen \(S,T,D\) in dieser Reihenfolge.
Aus den drei Längengleichheiten folgt nach dem Kongruenzsatz SSS \[ \triangle TBC\cong\triangle TDE \] und somit \[ \angle BTC=\angle DTE. \] Da \(BQ\) und \(BA\) derselbe Strahl sind und auch \(ES\) und \(EA\) derselbe Strahl sind, liefert die gegebene Winkelgleichheit \[ \angle TBQ=\angle TES. \] Außerdem ist \(TQ\) der Gegenstrahl zu \(TC\) und \(TS\) der Gegenstrahl zu \(TD\). Folglich gilt \[ \angle BTQ =180^\circ-\angle BTC =180^\circ-\angle DTE =\angle ETS. \] Also ist \[ \triangle TBQ\sim\triangle TES. \] Insbesondere gilt \[ \frac{TQ}{TS}=\frac{TB}{TE}=\frac{TD}{TC}, \qquad \angle BQT=\angle EST. \] Unter Verwendung der Punktreihenfolgen setzen wir \[ \alpha=\angle PQC=\angle TSR. \]
Das obige Längenverhältnis lässt sich als \[ \frac{TC}{TS}=\frac{TD}{TQ} \] schreiben. Außerdem gilt \(\angle CTD=\angle STQ\), da ihre jeweiligen Schenkel Gegenstrahlen sind. Nach dem Ähnlichkeitssatz SWS gilt daher \[ \triangle TCD\sim\triangle TSQ. \] Wir setzen \[ \beta=\angle TCD=\angle TSQ. \]
Im Dreieck \(PCQ\) sind die Strahlen \(CP\) und \(CD\) Gegenstrahlen, während \(CQ\) und \(CT\) zusammenfallen. Daher gilt \[ \angle PCQ=180^\circ-\beta, \] und die Winkelsumme liefert \[ \angle RPQ=\angle CPQ =180^\circ-(180^\circ-\beta)-\alpha =\beta-\alpha. \]
Bei \(S\) liegt der Strahl \(SR\) im Inneren von \(\angle TSQ\). Tatsächlich liegt \(A\) zwischen \(P\) und \(Q\), sodass der Strahl \(SA\), der mit dem Strahl \(SR\) übereinstimmt, zwischen \(SP\) und \(SQ\) liegt. Außerdem liegt \(T\) im Inneren des Dreiecks \(SPR\), sodass der Strahl \(ST\) zwischen \(SP\) und \(SR\) liegt. Daraus folgt \[ \angle RSQ =\angle TSQ-\angle TSR =\beta-\alpha =\angle RPQ. \]
Schließlich liegen \(P\) und \(S\) auf derselben Seite von \(RQ\), da \(A\) im Inneren beider Strecken \(PQ\) und \(RS\) liegt. Die Gleichheit \(\angle RSQ=\angle RPQ\) beweist daher, dass \(P,S,Q,R\) auf einem Kreis liegen.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2022 · Soru 4
Bir \(ABCDE\) dışbükey beşgeninde \(|BC|=|DE|\) dir. \(ABCDE\) beşgeninin iç bölgesinde bulunan bir \(T\) noktasının \(|TB|=|TD|\), \(|TC|=|TE|\) ve \(\angle ABT=\angle TEA\) olacak şekilde alındığını varsayalım. \(AB\) doğrusunun \(CD\) ve \(CT\) doğrularıyla kesiştiği noktalar sırasıyla \(P\) ve \(Q\) olsun. \(P,B,A,Q\) noktaları bulundukları doğru üzerinde bu sırayla yer alsın. \(AE\) doğrusunun \(CD\) ve \(DT\) doğrularıyla kesiştiği noktalar sırasıyla \(R\) ve \(S\) olsun. \(R,E,A,S\) noktaları bulundukları doğru üzerinde bu sırayla yer alsın. \(P,S,Q,R\) noktalarının çemberdeş olduğunu gösteriniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Dışbükeylik ve verilen sıralamalar gereği, \(AB,AE,CD\) kenarlarının üzerinde bulunduğu doğrular, beşgeni içeren bir \(APR\) üçgenini sınırlar. Bu üçgenin \(PR\) kenarındaki noktalar \(P,C,D,R\) sırasıyla yer alır ve \(T\) bu üçgenin kesin olarak içindedir.
Ayrıca, \(Q,T,C\) bu sırayla yer alır: \(C,T\), \(AB\)'nin aynı tarafında, \(Q,T\) ise \(CD\)'nin aynı tarafında bulunur. Benzer biçimde \(S,T,D\) bu sırayla yer alır.
Üç uzunluk eşitliği, KKK eşlik kuralıyla \[ \triangle TBC\cong\triangle TDE \] verir; dolayısıyla \[ \angle BTC=\angle DTE. \] \(BQ\) ve \(BA\) aynı ışın, \(ES\) ve \(EA\) da aynı ışın olduğundan, verilen açı eşitliği \[ \angle TBQ=\angle TES \] verir. Ayrıca \(TQ\), \(TC\)'nin zıt ışını, \(TS\) de \(TD\)'nin zıt ışınıdır. Sonuç olarak, \[ \angle BTQ =180^\circ-\angle BTC =180^\circ-\angle DTE =\angle ETS. \] Böylece \[ \triangle TBQ\sim\triangle TES. \] Özellikle, \[ \frac{TQ}{TS}=\frac{TB}{TE}=\frac{TD}{TC}, \qquad \angle BQT=\angle EST. \] Noktaların sıralamalarını kullanarak \[ \alpha=\angle PQC=\angle TSR \] diyelim.
Yukarıdaki uzunluk oranı \[ \frac{TC}{TS}=\frac{TD}{TQ} \] biçiminde yeniden yazılabilir. Ayrıca, karşılık gelen kenarları zıt ışınlar olduğundan \(\angle CTD=\angle STQ\) olur. Dolayısıyla KAK benzerlik kuralıyla \[ \triangle TCD\sim\triangle TSQ. \] \[ \beta=\angle TCD=\angle TSQ \] diyelim.
\(PCQ\) üçgeninde \(CP\) ve \(CD\) ışınları zıttır, \(CQ\) ve \(CT\) ise çakışıktır. Bu nedenle \[ \angle PCQ=180^\circ-\beta, \] ve iç açıların toplamından \[ \angle RPQ=\angle CPQ =180^\circ-(180^\circ-\beta)-\alpha =\beta-\alpha \] elde edilir.
\(S\) noktasında \(SR\) ışını \(\angle TSQ\)'nun içinde kalır. Gerçekten, \(A\), \(P\) ile \(Q\) arasında olduğundan, \(SR\) ışınıyla aynı olan \(SA\) ışını, \(SP\) ile \(SQ\) arasında kalır. Ayrıca \(T\), \(SPR\) üçgeninin içinde olduğundan \(ST\) ışını, \(SP\) ile \(SR\) arasında kalır. Buradan \[ \angle RSQ =\angle TSQ-\angle TSR =\beta-\alpha =\angle RPQ \] sonucu çıkar.
Son olarak, \(A\) hem \(PQ\) hem de \(RS\) doğru parçasının iç kısmında bulunduğundan \(P\) ve \(S\), \(RQ\)'nun aynı tarafındadır. Dolayısıyla \(\angle RSQ=\angle RPQ\) eşitliği, \(P,S,Q,R\) noktalarının çemberdeş olduğunu kanıtlar.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2022 · Problema 4
Sea \(ABCDE\) un pentágono convexo tal que \(BC=DE\). Supongamos que existe un punto \(T\) en el interior de \(ABCDE\) tal que \(TB=TD\), \(TC=TE\) y \(\angle ABT=\angle TEA\). La recta \(AB\) corta a las rectas \(CD\) y \(CT\) en los puntos \(P\) y \(Q\), respectivamente. Supongamos que los puntos \(P, B, A, Q\) aparecen sobre su recta en ese orden. La recta \(AE\) corta a las rectas \(CD\) y \(DT\) en los puntos \(R\) y \(S\), respectivamente. Supongamos que los puntos \(R, E, A, S\) aparecen sobre su recta en ese orden. Demostrar que los puntos \(P, S, Q, R\) están en una misma circunferencia.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Por la convexidad y los órdenes dados, las rectas que contienen los lados \(AB,AE,CD\) delimitan un triángulo \(APR\) que contiene el pentágono. Los puntos de su lado \(PR\) aparecen en el orden \(P,C,D,R\), y \(T\) está estrictamente en el interior de este triángulo.
Además, \(Q,T,C\) aparecen en ese orden: \(C,T\) están en el mismo semiplano respecto de \(AB\), mientras que \(Q,T\) están en el mismo semiplano respecto de \(CD\). Análogamente, \(S,T,D\) aparecen en ese orden.
Las tres igualdades de longitudes dan \[ \triangle TBC\cong\triangle TDE \] por el criterio LLL, de modo que \[ \angle BTC=\angle DTE. \] Como \(BQ\) y \(BA\) son la misma semirrecta, y \(ES\) y \(EA\) son la misma semirrecta, la igualdad de ángulos dada implica \[ \angle TBQ=\angle TES. \] Además, \(TQ\) es opuesta a \(TC\), y \(TS\) es opuesta a \(TD\). Por consiguiente, \[ \angle BTQ =180^\circ-\angle BTC =180^\circ-\angle DTE =\angle ETS. \] Así pues, \[ \triangle TBQ\sim\triangle TES. \] En particular, \[ \frac{TQ}{TS}=\frac{TB}{TE}=\frac{TD}{TC}, \qquad \angle BQT=\angle EST. \] Usando los órdenes de los puntos, definamos \[ \alpha=\angle PQC=\angle TSR. \]
La proporción de longitudes anterior se puede reescribir como \[ \frac{TC}{TS}=\frac{TD}{TQ}. \] Además, \(\angle CTD=\angle STQ\), porque sus lados respectivos son semirrectas opuestas. Por tanto, por el criterio LAL, \[ \triangle TCD\sim\triangle TSQ. \] Definamos \[ \beta=\angle TCD=\angle TSQ. \]
En el triángulo \(PCQ\), las semirrectas \(CP\) y \(CD\) son opuestas, mientras que \(CQ\) y \(CT\) coinciden. Por tanto, \[ \angle PCQ=180^\circ-\beta, \] y la suma de los ángulos da \[ \angle RPQ=\angle CPQ =180^\circ-(180^\circ-\beta)-\alpha =\beta-\alpha. \]
En \(S\), la semirrecta \(SR\) está en el interior de \(\angle TSQ\). En efecto, \(A\) está entre \(P\) y \(Q\), de modo que la semirrecta \(SA\), que es la semirrecta \(SR\), está entre \(SP\) y \(SQ\). Además, \(T\) está en el interior del triángulo \(SPR\), de modo que la semirrecta \(ST\) está entre \(SP\) y \(SR\). Se deduce que \[ \angle RSQ =\angle TSQ-\angle TSR =\beta-\alpha =\angle RPQ. \]
Finalmente, \(P\) y \(S\) están en el mismo semiplano respecto de \(RQ\), ya que \(A\) está en el interior de ambos segmentos \(PQ\) y \(RS\). Por tanto, la igualdad \(\angle RSQ=\angle RPQ\) demuestra que \(P,S,Q,R\) están en una misma circunferencia.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2022 · 问题 4
令 \(ABCDE\) 为一凸五边形满足 \(BC=DE\)。假设在 \(ABCDE\) 内部存在一点 \(T\) 使得 \(TB=TD\), \(TC=TE\) 且 \(\angle ABT=\angle TEA\)。令直线 \(AB\) 分别与直线 \(CD\) 和 \(CT\) 交于点 \(P\) 和 \(Q\),假设 \(P,B,A,Q\) 在同一直线上按照此顺序排列。令直线 \(AE\) 分别与直线 \(CD\) 和 \(DT\) 交于点 \(R\) 和 \(S\),假设 \(R,E,A,S\) 在同一直线上按照此顺序排列。证明 \(P,S,Q,R\) 落在同一个圆上。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
由凸性和给定的点序,边所在的直线 \(AB,AE,CD\) 围成一个包含该五边形的三角形 \(APR\)。在其边 \(PR\) 上,各点按 \(P,C,D,R\) 的顺序排列,且 \(T\) 严格位于这个三角形的内部。
此外,\(Q,T,C\) 按此顺序排列:\(C,T\) 位于 \(AB\) 的同侧,而 \(Q,T\) 位于 \(CD\) 的同侧。同理,\(S,T,D\) 按此顺序排列。
由三个长度等式,根据边边边判定可得 \[ \triangle TBC\cong\triangle TDE \] 所以 \[ \angle BTC=\angle DTE. \] 由于 \(BQ\) 与 \(BA\) 是同一条射线,\(ES\) 与 \(EA\) 是同一条射线,由已知的角相等关系可得 \[ \angle TBQ=\angle TES. \] 又因为 \(TQ\) 与 \(TC\) 是反向射线,\(TS\) 与 \(TD\) 是反向射线,所以 \[ \angle BTQ =180^\circ-\angle BTC =180^\circ-\angle DTE =\angle ETS. \] 于是 \[ \triangle TBQ\sim\triangle TES. \] 特别地, \[ \frac{TQ}{TS}=\frac{TB}{TE}=\frac{TD}{TC}, \qquad \angle BQT=\angle EST. \] 利用点序,令 \[ \alpha=\angle PQC=\angle TSR. \]
上述长度比可以改写为 \[ \frac{TC}{TS}=\frac{TD}{TQ}. \] 此外,\(\angle CTD=\angle STQ\),因为它们的对应边分别是反向射线。因此,根据边角边判定, \[ \triangle TCD\sim\triangle TSQ. \] 令 \[ \beta=\angle TCD=\angle TSQ. \]
在三角形 \(PCQ\) 中,射线 \(CP\) 与 \(CD\) 反向,而 \(CQ\) 与 \(CT\) 重合。因此 \[ \angle PCQ=180^\circ-\beta, \] 由内角和可得 \[ \angle RPQ=\angle CPQ =180^\circ-(180^\circ-\beta)-\alpha =\beta-\alpha. \]
在 \(S\) 点,射线 \(SR\) 位于 \(\angle TSQ\) 内部。事实上,\(A\) 位于 \(P\) 与 \(Q\) 之间,所以射线 \(SA\),即射线 \(SR\),位于 \(SP\) 与 \(SQ\) 之间。又因为 \(T\) 位于三角形 \(SPR\) 内部,所以射线 \(ST\) 位于 \(SP\) 与 \(SR\) 之间。于是 \[ \angle RSQ =\angle TSQ-\angle TSR =\beta-\alpha =\angle RPQ. \]
最后,\(P\) 与 \(S\) 位于 \(RQ\) 的同侧,因为 \(A\) 同时位于线段 \(PQ\) 和 \(RS\) 的内部。因此,由 \(\angle RSQ=\angle RPQ\) 可知 \(P,S,Q,R\) 四点共圆。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2022 · Задача 4
Пусть \(ABCDE\) — выпуклый пятиугольник, в котором \(BC=DE\). Внутри пятиугольника \(ABCDE\) нашлась точка \(T\) такая, что \(TB=TD\), \(TC=TE\) и \(\angle ABT=\angle TEA\). Прямая \(AB\) пересекает прямые \(CD\) и \(CT\) в точках \(P\) и \(Q\) соответственно. Предположим, что точки \(P,B,A,Q\) расположены на прямой в указанном порядке. Прямая \(AE\) пересекает прямые \(CD\) и \(DT\) в точках \(R\) и \(S\) соответственно. Предположим, что точки \(R,E,A,S\) расположены на прямой в указанном порядке. Докажите, что точки \(P,Q,R,S\) лежат на одной окружности.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
В силу выпуклости и заданного порядка точек прямые \(AB,AE,CD\), содержащие стороны пятиугольника, ограничивают треугольник \(APR\), содержащий пятиугольник. Точки на его стороне \(PR\) расположены в порядке \(P,C,D,R\), а \(T\) лежит строго внутри этого треугольника.
Кроме того, точки \(Q,T,C\) расположены в указанном порядке: \(C,T\) лежат по одну сторону от \(AB\), а \(Q,T\) лежат по одну сторону от \(CD\). Аналогично, точки \(S,T,D\) расположены в указанном порядке.
Из трёх равенств длин следует \[ \triangle TBC\cong\triangle TDE \] по трём сторонам, поэтому \[ \angle BTC=\angle DTE. \] Поскольку \(BQ\) и \(BA\) — один и тот же луч, а \(ES\) и \(EA\) — один и тот же луч, из данного равенства углов получаем \[ \angle TBQ=\angle TES. \] Кроме того, луч \(TQ\) противоположен лучу \(TC\), а луч \(TS\) противоположен лучу \(TD\). Следовательно, \[ \angle BTQ =180^\circ-\angle BTC =180^\circ-\angle DTE =\angle ETS. \] Таким образом, \[ \triangle TBQ\sim\triangle TES. \] В частности, \[ \frac{TQ}{TS}=\frac{TB}{TE}=\frac{TD}{TC}, \qquad \angle BQT=\angle EST. \] Учитывая порядок точек, положим \[ \alpha=\angle PQC=\angle TSR. \]
Полученное выше отношение длин можно переписать в виде \[ \frac{TC}{TS}=\frac{TD}{TQ}. \] Кроме того, \(\angle CTD=\angle STQ\), поскольку их соответствующие стороны — противоположные лучи. Значит, по двум сторонам и углу между ними \[ \triangle TCD\sim\triangle TSQ. \] Положим \[ \beta=\angle TCD=\angle TSQ. \]
В треугольнике \(PCQ\) лучи \(CP\) и \(CD\) противоположны, а \(CQ\) и \(CT\) совпадают. Поэтому \[ \angle PCQ=180^\circ-\beta, \] и из суммы углов получаем \[ \angle RPQ=\angle CPQ =180^\circ-(180^\circ-\beta)-\alpha =\beta-\alpha. \]
Луч \(SR\) лежит внутри \(\angle TSQ\). Действительно, \(A\) лежит между \(P\) и \(Q\), поэтому луч \(SA\), совпадающий с лучом \(SR\), лежит между \(SP\) и \(SQ\). Кроме того, \(T\) лежит внутри треугольника \(SPR\), поэтому луч \(ST\) лежит между \(SP\) и \(SR\). Отсюда следует \[ \angle RSQ =\angle TSQ-\angle TSR =\beta-\alpha =\angle RPQ. \]
Наконец, \(P\) и \(S\) лежат по одну сторону от \(RQ\), поскольку \(A\) лежит внутри обоих отрезков \(PQ\) и \(RS\). Поэтому равенство \(\angle RSQ=\angle RPQ\) доказывает, что \(P,S,Q,R\) лежат на одной окружности.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2022 · المسألة 4
ليكن \(ABCDE\) خماسياً محدباً بحيث \(BC=DE\). لتكن النقطة \(T\) تقع داخل \(ABCDE\) بحيث \(TB=TD\)، \(TC=TE\) و \(\angle ABT=\angle TEA\). ليكن المستقيم \(AB\) يقطع المستقيمين \(CD\) و \(CT\) في النقطتين \(P\) و \(Q\) على التوالي. لتكن النقاط \(P,B,A,Q\) تقع على مستقيم بهذا الترتيب. ليكن المستقيم \(AE\) يقطع المستقيمين \(CD\) و \(DT\) في النقطتين \(R\) و \(S\) على التوالي. لتكن النقاط \(R,E,A,S\) تقع على مستقيم بهذا الترتيب. أثبت أن النقاط \(R,Q,S,P\) تقع على دائرة واحدة.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
بفضل التحدب والترتيبات المعطاة، تحدّ المستقيمات الحاملة \(AB,AE,CD\) مثلثًا \(APR\) يحتوي على الخماسي. وتقع النقاط على ضلعه \(PR\) بالترتيب \(P,C,D,R\)، وتقع \(T\) داخل هذا المثلث تمامًا.
علاوة على ذلك، تقع \(Q,T,C\) بهذا الترتيب: إذ تقع \(C,T\) في جهة واحدة من \(AB\)، بينما تقع \(Q,T\) في جهة واحدة من \(CD\). وبالمثل، تقع \(S,T,D\) بهذا الترتيب.
تعطينا المساويات الثلاث للأطوال \[ \triangle TBC\cong\triangle TDE \] بمعيار ضلع–ضلع–ضلع، ومن ثم \[ \angle BTC=\angle DTE. \] وبما أن \(BQ\) و \(BA\) هما الشعاع نفسه، وأن \(ES\) و \(EA\) هما الشعاع نفسه، فإن المساواة المعطاة بين الزاويتين تعطينا \[ \angle TBQ=\angle TES. \] كذلك، فإن \(TQ\) معاكس لـ \(TC\)، و \(TS\) معاكس لـ \(TD\). ومن ثم \[ \angle BTQ =180^\circ-\angle BTC =180^\circ-\angle DTE =\angle ETS. \] إذن \[ \triangle TBQ\sim\triangle TES. \] وعلى وجه الخصوص، \[ \frac{TQ}{TS}=\frac{TB}{TE}=\frac{TD}{TC}, \qquad \angle BQT=\angle EST. \] وباستخدام ترتيبات النقاط، نضع \[ \alpha=\angle PQC=\angle TSR. \]
يمكن إعادة كتابة نسبة الأطوال أعلاه على الصورة \[ \frac{TC}{TS}=\frac{TD}{TQ}. \] علاوة على ذلك، \(\angle CTD=\angle STQ\)، لأن أضلاعهما المتناظرة أشعة متعاكسة. ومن ثم، بمعيار ضلع–زاوية–ضلع، \[ \triangle TCD\sim\triangle TSQ. \] نضع \[ \beta=\angle TCD=\angle TSQ. \]
في المثلث \(PCQ\)، الشعاعان \(CP\) و \(CD\) متعاكسان، بينما يتطابق \(CQ\) و \(CT\). ولذلك \[ \angle PCQ=180^\circ-\beta, \] ومن مجموع الزوايا نحصل على \[ \angle RPQ=\angle CPQ =180^\circ-(180^\circ-\beta)-\alpha =\beta-\alpha. \]
عند \(S\)، يقع الشعاع \(SR\) داخل \(\angle TSQ\). بالفعل، تقع \(A\) بين \(P\) و \(Q\)، ولذلك يقع الشعاع \(SA\)، وهو الشعاع \(SR\)، بين \(SP\) و \(SQ\). كذلك، تقع \(T\) داخل المثلث \(SPR\)، ولذلك يقع الشعاع \(ST\) بين \(SP\) و \(SR\). وينتج أن \[ \angle RSQ =\angle TSQ-\angle TSR =\beta-\alpha =\angle RPQ. \]
أخيرًا، تقع \(P\) و \(S\) في جهة واحدة من \(RQ\)، لأن \(A\) تقع داخل كلتا القطعتين \(PQ\) و \(RS\). ولذلك تثبت المساواة \(\angle RSQ=\angle RPQ\) أن \(P,S,Q,R\) تقع على دائرة واحدة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.