IMO 2023 · Problem 6
Let \(ABC\) be an equilateral triangle. Let \(A_1,B_1,C_1\) be interior points of \(ABC\) such that \(BA_1=A_1C\), \(CB_1=B_1A\), \(AC_1=C_1B\), and \[ \angle BA_1C+\angle CB_1A+\angle AC_1B=480^\circ. \] Let \(BC_1\) and \(CB_1\) meet at \(A_2\), let \(CA_1\) and \(AC_1\) meet at \(B_2\), and let \(AB_1\) and \(BA_1\) meet at \(C_2\). Prove that if triangle \(A_1B_1C_1\) is scalene, then the three circumcircles of triangles \(AA_1A_2\), \(BB_1B_2\) and \(CC_1C_2\) all pass through two common points.
(Note: a scalene triangle is one where no two sides have equal length.)
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let \(O\) be the centre of \(ABC\). Choose coordinates, with circumradius \(1\), such that \[ A=(1,0),\qquad B=\left(-\frac12,\frac{\sqrt3}{2}\right),\qquad C=\left(-\frac12,-\frac{\sqrt3}{2}\right). \]
Set \[ \alpha=\angle A_1BC,\qquad \beta=\angle B_1CA,\qquad \gamma=\angle C_1AB. \] The three given isosceles triangles yield \[ \angle BA_1C=180^\circ-2\alpha, \] and the analogous identities cyclically. Hence \[ \alpha+\beta+\gamma=30^\circ. \] All three angles are positive, so each is less than \(30^\circ\).
Because \(BA_1=A_1C\), the point \(A_1\) lies on the median from \(A\). The inequality \(\alpha<30^\circ\) places it between \(O\) and the midpoint of \(BC\). The same holds cyclically. Thus, identifying points with their position vectors, we can write \[ A_1=-xA,\qquad B_1=-yB,\qquad C_1=-zC, \qquad 0<x,y,z<\frac12. \] Moreover, \[ \tan\alpha=\frac{1-2x}{\sqrt3},\qquad \tan\beta=\frac{1-2y}{\sqrt3},\qquad \tan\gamma=\frac{1-2z}{\sqrt3}. \] Substituting these into the tangent addition formula for \(\alpha+\beta+\gamma=30^\circ\) and simplifying gives \[ \boxed{x+y+z-xyz=1.} \tag{1} \]
Since \(A\cdot B=B\cdot C=C\cdot A=-\tfrac12\), we have \[ A_1B_1^2=x^2+xy+y^2. \] In particular, \[ A_1B_1^2-A_1C_1^2=(y-z)(x+y+z), \] with analogous identities cyclically. The scalene hypothesis therefore implies that \(x,y,z\) are pairwise distinct.
Solving the equations of \(BC_1\) and \(CB_1\) gives \[ A_2= \left( \frac{y+z+2yz}{2(1-yz)}, \frac{\sqrt3(z-y)}{2(1-yz)} \right). \tag{2} \] For completeness, those two line equations, in coordinates \((u,v)\), are \[ \sqrt3(z-1)u-(z+1)v+\sqrt3z=0, \] \[ \sqrt3(1-y)u-(1+y)v-\sqrt3y=0. \] Since \(1-yz>0\) and \(y\ne z\), the point \(A_2\) exists and is not on \(AA_1\). Thus \(AA_1A_2\) is nondegenerate; the same reasoning applies cyclically.
We now obtain equations of the three circumcircles. Define \[ \begin{aligned} d_x&=x(y+z)+4yz+2x-y-z,\\ d_y&=y(z+x)+4zx+2y-z-x,\\ d_z&=z(x+y)+4xy+2z-x-y. \end{aligned} \] A useful identity is \[ d_y-d_z=3(1-x)(y-z), \tag{3} \] together with its cyclic counterparts.
For a variable point \(P\), put \[ R=|P|^2,\qquad U=P\cdot A,\qquad V=P\cdot B,\qquad W=P\cdot C, \] and define \[ \begin{aligned} F_A(P)&=R+(x-1)U+\frac{d_x}{3(z-y)}(V-W)-x,\\ F_B(P)&=R+(y-1)V+\frac{d_y}{3(x-z)}(W-U)-y,\\ F_C(P)&=R+(z-1)W+\frac{d_z}{3(y-x)}(U-V)-z. \end{aligned} \tag{4} \]
We claim that \(F_A(P)=0\) is precisely the circumcircle of \(AA_1A_2\). Indeed, if \(P=(u,v)\), then \(U=u\) and \(V-W=\sqrt3v\), so this equation is \[ u^2+v^2+(x-1)u+\frac{d_x}{\sqrt3(z-y)}v-x=0. \] It is a circle equation, and substitution gives \[ F_A(A)=F_A(A_1)=0. \] Using (2), direct substitution also gives \[ F_A(A_2) = \frac{(y+z+2yz)(x+y+z-xyz-1)}{(1-yz)^2} =0 \] by (1). Since these three points are noncollinear, the claim follows. Cyclically, \(F_B=0\) and \(F_C=0\) are the other two required circumcircles. Denote them by \(\omega_A,\omega_B,\omega_C\).
The crucial relation is \[ \boxed{(y-z)F_A+(z-x)F_B+(x-y)F_C=0} \tag{5} \] as an identity in \(P\). To verify it, the coefficient of \(R\) and the constant term cancel immediately. The coefficient of \(U\) is \[ (y-z)(x-1)+\frac{d_y-d_z}{3}=0 \] by (3), and those of \(V,W\) vanish cyclically.
Because \(x,y,z\) are pairwise distinct, all three coefficients in (5) are nonzero. Consequently, every common point of any two of the circles lies on the third.
It remains to prove that some pair has two distinct real common points. This does not follow from (5) alone, so we supply a geometric argument.
The three circles are distinct: their equations in (4) all have quadratic part \(|P|^2\), but their constant terms \(-x,-y,-z\) are distinct. Furthermore, \[ F_A(O)=-x<0,\qquad F_B(O)=-y<0,\qquad F_C(O)=-z<0, \] so \(O\) lies strictly inside all three disks bounded by the circles.
Suppose that no pair of circles meets in two distinct points. Any two of their disks must then be nested. Indeed, two disks with intersecting interiors, neither containing the other, have centre distance \(d\) and radii \(r_1,r_2\) satisfying \[ |r_1-r_2|<d<r_1+r_2, \] which makes their boundary circles intersect in two distinct points.
Thus the three disks are pairwise nested, and one contains the other two. That largest disk contains all three vertices \(A,B,C\), hence, by convexity, the whole triangle \(ABC\). But its boundary also contains its corresponding point among \(A_1,B_1,C_1\). This is impossible: each of those points is strictly inside \(ABC\), and therefore strictly inside any disk containing \(ABC\).
Hence two of the circles meet in two distinct points. By (5), both points lie on the third circle, proving the assertion.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2023 · Aufgabe 6
Es sei \(ABC\) ein gleichseitiges Dreieck. Die Punkte \(A_1,B_1,C_1\) liegen im Innern von \(ABC\), sodass \(BA_1=A_1C\), \(CB_1=B_1A\), \(AC_1=C_1B\) und \[ \angle BA_1C+\angle CB_1A+\angle AC_1B=480^\circ \] gilt. Die Geraden \(BC_1\) und \(CB_1\) schneiden sich in \(A_2\), die Geraden \(CA_1\) und \(AC_1\) in \(B_2\), die Geraden \(AB_1\) und \(BA_1\) in \(C_2\). Man beweise: Wenn das Dreieck \(A_1B_1C_1\) nicht gleichschenklig ist, dann enthalten die drei Umkreise der Dreiecke \(AA_1A_2\), \(BB_1B_2\) und \(CC_1C_2\) zwei gemeinsame Punkte.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Sei \(O\) der Mittelpunkt von \(ABC\). Wir wählen Koordinaten mit Umkreisradius \(1\) so, dass \[ A=(1,0),\qquad B=\left(-\frac12,\frac{\sqrt3}{2}\right),\qquad C=\left(-\frac12,-\frac{\sqrt3}{2}\right). \]
Wir setzen \[ \alpha=\angle A_1BC,\qquad \beta=\angle B_1CA,\qquad \gamma=\angle C_1AB. \] Die drei gegebenen gleichschenkligen Dreiecke liefern \[ \angle BA_1C=180^\circ-2\alpha, \] und die entsprechenden Identitäten durch zyklische Vertauschung. Daher gilt \[ \alpha+\beta+\gamma=30^\circ. \] Alle drei Winkel sind positiv, also ist jeder von ihnen kleiner als \(30^\circ\).
Wegen \(BA_1=A_1C\) liegt der Punkt \(A_1\) auf der Seitenhalbierenden von \(A\). Aus der Ungleichung \(\alpha<30^\circ\) folgt, dass er zwischen \(O\) und dem Mittelpunkt von \(BC\) liegt. Entsprechendes gilt bei zyklischer Vertauschung. Identifizieren wir also die Punkte mit ihren Ortsvektoren, so können wir schreiben \[ A_1=-xA,\qquad B_1=-yB,\qquad C_1=-zC, \qquad 0<x,y,z<\frac12. \] Außerdem gilt \[ \tan\alpha=\frac{1-2x}{\sqrt3},\qquad \tan\beta=\frac{1-2y}{\sqrt3},\qquad \tan\gamma=\frac{1-2z}{\sqrt3}. \] Setzen wir diese Ausdrücke in die Additionsformel für den Tangens zu \(\alpha+\beta+\gamma=30^\circ\) ein und vereinfachen, so erhalten wir \[ \boxed{x+y+z-xyz=1.} \tag{1} \]
Wegen \(A\cdot B=B\cdot C=C\cdot A=-\tfrac12\) gilt \[ A_1B_1^2=x^2+xy+y^2. \] Insbesondere ist \[ A_1B_1^2-A_1C_1^2=(y-z)(x+y+z), \] und entsprechende Identitäten gelten bei zyklischer Vertauschung. Aus der Voraussetzung, dass das Dreieck nicht gleichschenklig ist, folgt daher, dass \(x,y,z\) paarweise verschieden sind.
Durch Lösen der Gleichungen von \(BC_1\) und \(CB_1\) erhalten wir \[ A_2= \left( \frac{y+z+2yz}{2(1-yz)}, \frac{\sqrt3(z-y)}{2(1-yz)} \right). \tag{2} \] Der Vollständigkeit halber lauten diese beiden Geradengleichungen in Koordinaten \((u,v)\) \[ \sqrt3(z-1)u-(z+1)v+\sqrt3z=0, \] \[ \sqrt3(1-y)u-(1+y)v-\sqrt3y=0. \] Wegen \(1-yz>0\) und \(y\ne z\) existiert der Punkt \(A_2\) und liegt nicht auf \(AA_1\). Somit ist \(AA_1A_2\) nicht entartet; dieselbe Überlegung gilt bei zyklischer Vertauschung.
Nun bestimmen wir die Gleichungen der drei Umkreise. Wir definieren \[ \begin{aligned} d_x&=x(y+z)+4yz+2x-y-z,\\ d_y&=y(z+x)+4zx+2y-z-x,\\ d_z&=z(x+y)+4xy+2z-x-y. \end{aligned} \] Eine nützliche Identität ist \[ d_y-d_z=3(1-x)(y-z), \tag{3} \] zusammen mit ihren zyklischen Entsprechungen.
Für einen variablen Punkt \(P\) setzen wir \[ R=|P|^2,\qquad U=P\cdot A,\qquad V=P\cdot B,\qquad W=P\cdot C, \] und definieren \[ \begin{aligned} F_A(P)&=R+(x-1)U+\frac{d_x}{3(z-y)}(V-W)-x,\\ F_B(P)&=R+(y-1)V+\frac{d_y}{3(x-z)}(W-U)-y,\\ F_C(P)&=R+(z-1)W+\frac{d_z}{3(y-x)}(U-V)-z. \end{aligned} \tag{4} \]
Wir behaupten, dass \(F_A(P)=0\) genau den Umkreis von \(AA_1A_2\) beschreibt. Ist nämlich \(P=(u,v)\), so gilt \(U=u\) und \(V-W=\sqrt3v\), also lautet diese Gleichung \[ u^2+v^2+(x-1)u+\frac{d_x}{\sqrt3(z-y)}v-x=0. \] Dies ist eine Kreisgleichung, und Einsetzen ergibt \[ F_A(A)=F_A(A_1)=0. \] Mit (2) ergibt direktes Einsetzen außerdem \[ F_A(A_2) = \frac{(y+z+2yz)(x+y+z-xyz-1)}{(1-yz)^2} =0 \] nach (1). Da diese drei Punkte nicht kollinear sind, folgt die Behauptung. Durch zyklische Vertauschung sind \(F_B=0\) und \(F_C=0\) die beiden anderen gesuchten Umkreise. Wir bezeichnen sie mit \(\omega_A,\omega_B,\omega_C\).
Die entscheidende Beziehung ist \[ \boxed{(y-z)F_A+(z-x)F_B+(x-y)F_C=0} \tag{5} \] als Identität in \(P\). Um sie nachzuweisen, stellen wir zunächst fest, dass sich der Koeffizient von \(R\) und das konstante Glied unmittelbar aufheben. Der Koeffizient von \(U\) ist \[ (y-z)(x-1)+\frac{d_y-d_z}{3}=0 \] nach (3), und die Koeffizienten von \(V,W\) verschwinden durch zyklische Vertauschung.
Da \(x,y,z\) paarweise verschieden sind, sind alle drei Koeffizienten in (5) ungleich null. Folglich gilt: Jeder gemeinsame Punkt zweier beliebiger dieser Kreise liegt auf dem dritten.
Es bleibt zu beweisen, dass ein Kreispaar zwei verschiedene reelle gemeinsame Punkte hat. Dies folgt nicht allein aus (5), daher geben wir ein geometrisches Argument an.
Die drei Kreise sind verschieden: Ihre Gleichungen in (4) haben alle den quadratischen Anteil \(|P|^2\), aber ihre konstanten Glieder \(-x,-y,-z\) sind verschieden. Ferner gilt \[ F_A(O)=-x<0,\qquad F_B(O)=-y<0,\qquad F_C(O)=-z<0, \] also liegt \(O\) echt im Inneren aller drei von den Kreisen begrenzten Kreisscheiben.
Angenommen, kein Kreispaar schneidet sich in zwei verschiedenen Punkten. Dann muss von je zwei ihrer Kreisscheiben eine in der anderen enthalten sein. Haben nämlich zwei Kreisscheiben gemeinsame innere Punkte, ohne dass eine die andere enthält, so erfüllen ihr Mittelpunktsabstand \(d\) und ihre Radien \(r_1,r_2\) die Ungleichungen \[ |r_1-r_2|<d<r_1+r_2, \] wodurch sich ihre Randkreise in zwei verschiedenen Punkten schneiden.
Somit sind die drei Kreisscheiben paarweise ineinander enthalten, und eine enthält die beiden anderen. Diese größte Kreisscheibe enthält alle drei Eckpunkte \(A,B,C\) und daher aufgrund ihrer Konvexität das gesamte Dreieck \(ABC\). Auf ihrem Rand liegt aber auch der ihr entsprechende Punkt unter \(A_1,B_1,C_1\). Dies ist unmöglich: Jeder dieser Punkte liegt echt im Inneren von \(ABC\) und damit echt im Inneren jeder Kreisscheibe, die \(ABC\) enthält.
Also schneiden sich zwei der Kreise in zwei verschiedenen Punkten. Nach (5) liegen beide Punkte auf dem dritten Kreis, womit die Behauptung bewiesen ist.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2023 · Soru 6
\(ABC\) bir eşkenar üçgen olsun. \(A_1,B_1,C_1\) noktaları \(ABC\) üçgeninin iç bölgesinde \(|BA_1|=|A_1C|\), \(|CB_1|=|B_1A|\), \(|AC_1|=|C_1B|\) ve \[ \angle BA_1C+\angle CB_1A+\angle AC_1B=480^\circ \] olacak şekilde alınıyor. \(BC_1\) ve \(CB_1\) doğruları \(A_2\) noktasında, \(CA_1\) ve \(AC_1\) doğruları \(B_2\) noktasında, ve \(AB_1\) ve \(BA_1\) doğruları \(C_2\) noktasında kesişiyor. \(A_1B_1C_1\) çeşitkenar üçgen ise, öyle iki nokta bulunduğunu gösteriniz ki, \(AA_1A_2\), \(BB_1B_2\) ve \(CC_1C_2\) üçgenlerinin her birinin çevrel çemberi bu iki noktadan da geçer.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(ABC\)'nin merkezi \(O\) olsun. Çevrel çemberin yarıçapı \(1\) olacak şekilde koordinatları \[ A=(1,0),\qquad B=\left(-\frac12,\frac{\sqrt3}{2}\right),\qquad C=\left(-\frac12,-\frac{\sqrt3}{2}\right) \] olarak seçelim.
\[ \alpha=\angle A_1BC,\qquad \beta=\angle B_1CA,\qquad \gamma=\angle C_1AB \] olsun. Verilen üç ikizkenar üçgenden \[ \angle BA_1C=180^\circ-2\alpha \] ve döngüsel olarak benzer özdeşlikler elde edilir. Böylece \[ \alpha+\beta+\gamma=30^\circ. \] Üç açı da pozitif olduğundan her biri \(30^\circ\)'den küçüktür.
\(BA_1=A_1C\) olduğundan \(A_1\) noktası, \(A\)'dan çizilen kenarortay üzerinde bulunur. \(\alpha<30^\circ\) eşitsizliği, bu noktanın \(O\) ile \(BC\)'nin orta noktası arasında yer aldığını gösterir. Aynı durum döngüsel olarak diğer noktalar için de geçerlidir. Dolayısıyla noktaları konum vektörleriyle özdeşleştirerek \[ A_1=-xA,\qquad B_1=-yB,\qquad C_1=-zC, \qquad 0<x,y,z<\frac12 \] yazabiliriz. Üstelik, \[ \tan\alpha=\frac{1-2x}{\sqrt3},\qquad \tan\beta=\frac{1-2y}{\sqrt3},\qquad \tan\gamma=\frac{1-2z}{\sqrt3}. \] Bunları \(\alpha+\beta+\gamma=30^\circ\) için tanjant toplam formülünde yerine koyup sadeleştirerek \[ \boxed{x+y+z-xyz=1} \tag{1} \] elde ederiz.
\(A\cdot B=B\cdot C=C\cdot A=-\tfrac12\) olduğundan, \[ A_1B_1^2=x^2+xy+y^2 \] olur. Özel olarak, \[ A_1B_1^2-A_1C_1^2=(y-z)(x+y+z) \] ve döngüsel olarak benzer özdeşlikler geçerlidir. Dolayısıyla çeşitkenarlık varsayımı, \(x,y,z\)'nin herhangi ikisinin birbirinden farklı olmasını gerektirir.
\(BC_1\) ve \(CB_1\) doğrularının denklemlerini çözerek \[ A_2= \left( \frac{y+z+2yz}{2(1-yz)}, \frac{\sqrt3(z-y)}{2(1-yz)} \right) \tag{2} \] elde ederiz. Eksiksiz olması için, \((u,v)\) koordinatlarında bu iki doğrunun denklemlerini de verelim: \[ \sqrt3(z-1)u-(z+1)v+\sqrt3z=0, \] \[ \sqrt3(1-y)u-(1+y)v-\sqrt3y=0. \] \(1-yz>0\) ve \(y\ne z\) olduğundan \(A_2\) noktası vardır ve \(AA_1\) üzerinde değildir. Dolayısıyla \(AA_1A_2\) dejenere değildir; aynı akıl yürütme döngüsel olarak diğer üçgenler için de geçerlidir.
Şimdi üç çevrel çemberin denklemlerini elde edelim. \[ \begin{aligned} d_x&=x(y+z)+4yz+2x-y-z,\\ d_y&=y(z+x)+4zx+2y-z-x,\\ d_z&=z(x+y)+4xy+2z-x-y \end{aligned} \] olarak tanımlayalım. Kullanışlı bir özdeşlik \[ d_y-d_z=3(1-x)(y-z), \tag{3} \] ve bunun döngüsel karşılıklarıdır.
Değişken bir \(P\) noktası için \[ R=|P|^2,\qquad U=P\cdot A,\qquad V=P\cdot B,\qquad W=P\cdot C \] olsun ve \[ \begin{aligned} F_A(P)&=R+(x-1)U+\frac{d_x}{3(z-y)}(V-W)-x,\\ F_B(P)&=R+(y-1)V+\frac{d_y}{3(x-z)}(W-U)-y,\\ F_C(P)&=R+(z-1)W+\frac{d_z}{3(y-x)}(U-V)-z. \end{aligned} \tag{4} \] olarak tanımlayalım.
\(F_A(P)=0\) denkleminin tam olarak \(AA_1A_2\)'nin çevrel çemberini verdiğini iddia ediyoruz. Gerçekten, \(P=(u,v)\) ise \(U=u\) ve \(V-W=\sqrt3v\) olur; böylece bu denklem \[ u^2+v^2+(x-1)u+\frac{d_x}{\sqrt3(z-y)}v-x=0 \] biçimindedir. Bu bir çember denklemidir ve yerine koyarak \[ F_A(A)=F_A(A_1)=0 \] elde edilir. (2)'yi kullanarak doğrudan yerine koyma işlemi ayrıca, (1) gereğince, \[ F_A(A_2) = \frac{(y+z+2yz)(x+y+z-xyz-1)}{(1-yz)^2} =0 \] sonucunu verir. Bu üç nokta doğrudaş olmadığından iddia ispatlanır. Döngüsel olarak, \(F_B=0\) ve \(F_C=0\) denklemleri istenen diğer iki çevrel çemberi verir. Bu çemberleri \(\omega_A,\omega_B,\omega_C\) ile gösterelim.
Temel bağıntı, \(P\)'ye göre bir özdeşlik olan \[ \boxed{(y-z)F_A+(z-x)F_B+(x-y)F_C=0} \tag{5} \] bağıntısıdır. Bunu doğrulamak için, \(R\)'nin katsayısının ve sabit terimin doğrudan sıfırlandığına dikkat edelim. (3) gereğince \(U\)'nun katsayısı \[ (y-z)(x-1)+\frac{d_y-d_z}{3}=0 \] olur ve \(V,W\)'nin katsayıları da döngüsel olarak sıfırlanır.
\(x,y,z\)'nin herhangi ikisi birbirinden farklı olduğundan, (5)'teki üç katsayının tümü sıfırdan farklıdır. Dolayısıyla çemberlerden herhangi ikisinin her ortak noktası üçüncünün de üzerindedir.
Geriye, bir çiftin iki farklı gerçek ortak noktası olduğunu ispatlamak kalır. Bu sonuç yalnızca (5)'ten çıkmaz; bu nedenle geometrik bir gerekçe vereceğiz.
Üç çember birbirinden farklıdır: (4)'teki denklemlerinin ikinci dereceden kısımları hep \(|P|^2\) olmasına karşın, sabit terimleri \(-x,-y,-z\) birbirinden farklıdır. Ayrıca, \[ F_A(O)=-x<0,\qquad F_B(O)=-y<0,\qquad F_C(O)=-z<0 \] olduğundan \(O\), çemberlerin sınırladığı üç dairenin de kesin olarak içindedir.
Hiçbir çember çiftinin iki farklı noktada kesişmediğini varsayalım. O zaman bunların sınırladığı dairelerin herhangi ikisinden biri diğerini içermelidir. Gerçekten, iç bölgeleri kesişen ve hiçbiri diğerini içermeyen iki dairenin merkezleri arasındaki \(d\) uzaklığı ve \(r_1,r_2\) yarıçapları \[ |r_1-r_2|<d<r_1+r_2 \] eşitsizliğini sağlar; bu da sınır çemberlerinin iki farklı noktada kesişmesini gerektirir.
Dolayısıyla üç dairenin herhangi ikisinden biri diğerini içerir ve dairelerden biri diğer ikisini içerir. Bu en büyük daire, üç köşe \(A,B,C\)'nin tümünü, dolayısıyla dışbükeylikten bütün \(ABC\) üçgenini içerir. Ancak sınırı, \(A_1,B_1,C_1\) noktalarından kendisine karşılık gelen noktayı da içerir. Bu olanaksızdır: bu noktaların her biri \(ABC\)'nin kesin olarak içindedir ve bu nedenle \(ABC\)'yi içeren her dairenin de kesin olarak içindedir.
O hâlde çemberlerden ikisi iki farklı noktada kesişir. (5)'e göre her iki nokta da üçüncü çember üzerinde yer alır ve böylece iddia ispatlanır.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2023 · Problema 6
Sea \(ABC\) un triángulo equilátero. Sean \(A_1,B_1,C_1\) puntos interiores de \(ABC\) tales que \(BA_1=A_1C\), \(CB_1=B_1A\), \(AC_1=C_1B\), y \[ \angle BA_1C+\angle CB_1A+\angle AC_1B=480^\circ. \] Las rectas \(BC_1\) y \(CB_1\) se cortan en \(A_2\), las rectas \(CA_1\) y \(AC_1\) se cortan en \(B_2\), y las rectas \(AB_1\) y \(BA_1\) se cortan en \(C_2\). Demuestra que si el triángulo \(A_1B_1C_1\) es escaleno, entonces los tres circuncírculos de los triángulos \(AA_1A_2\), \(BB_1B_2\) y \(CC_1C_2\) pasan todos por dos puntos comunes.
(Nota: un triángulo escaleno es un triángulo cuyos tres lados tienen longitudes distintas.)
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sea \(O\) el centro de \(ABC\). Elijamos coordenadas, con circunradio \(1\), tales que \[ A=(1,0),\qquad B=\left(-\frac12,\frac{\sqrt3}{2}\right),\qquad C=\left(-\frac12,-\frac{\sqrt3}{2}\right). \]
Sean \[ \alpha=\angle A_1BC,\qquad \beta=\angle B_1CA,\qquad \gamma=\angle C_1AB. \] Los tres triángulos isósceles dados proporcionan \[ \angle BA_1C=180^\circ-2\alpha, \] y las identidades análogas por permutación cíclica. Por tanto, \[ \alpha+\beta+\gamma=30^\circ. \] Los tres ángulos son positivos, por lo que cada uno es menor que \(30^\circ\).
Como \(BA_1=A_1C\), el punto \(A_1\) está en la mediana desde \(A\). La desigualdad \(\alpha<30^\circ\) lo sitúa entre \(O\) y el punto medio de \(BC\). Lo mismo ocurre por permutación cíclica. Así, identificando los puntos con sus vectores de posición, podemos escribir \[ A_1=-xA,\qquad B_1=-yB,\qquad C_1=-zC, \qquad 0<x,y,z<\frac12. \] Además, \[ \tan\alpha=\frac{1-2x}{\sqrt3},\qquad \tan\beta=\frac{1-2y}{\sqrt3},\qquad \tan\gamma=\frac{1-2z}{\sqrt3}. \] Sustituyendo estas expresiones en la fórmula de la tangente de una suma para \(\alpha+\beta+\gamma=30^\circ\) y simplificando, obtenemos \[ \boxed{x+y+z-xyz=1.} \tag{1} \]
Como \(A\cdot B=B\cdot C=C\cdot A=-\tfrac12\), tenemos \[ A_1B_1^2=x^2+xy+y^2. \] En particular, \[ A_1B_1^2-A_1C_1^2=(y-z)(x+y+z), \] con identidades análogas por permutación cíclica. La hipótesis de que el triángulo es escaleno implica, por tanto, que \(x,y,z\) son distintos dos a dos.
Resolviendo las ecuaciones de \(BC_1\) y \(CB_1\), obtenemos \[ A_2= \left( \frac{y+z+2yz}{2(1-yz)}, \frac{\sqrt3(z-y)}{2(1-yz)} \right). \tag{2} \] Para completar los detalles, las ecuaciones de esas dos rectas, en coordenadas \((u,v)\), son \[ \sqrt3(z-1)u-(z+1)v+\sqrt3z=0, \] \[ \sqrt3(1-y)u-(1+y)v-\sqrt3y=0. \] Como \(1-yz>0\) y \(y\ne z\), el punto \(A_2\) existe y no está en \(AA_1\). Así, \(AA_1A_2\) no es degenerado; el mismo razonamiento se aplica por permutación cíclica.
Obtengamos ahora las ecuaciones de los tres circuncírculos. Definamos \[ \begin{aligned} d_x&=x(y+z)+4yz+2x-y-z,\\ d_y&=y(z+x)+4zx+2y-z-x,\\ d_z&=z(x+y)+4xy+2z-x-y. \end{aligned} \] Una identidad útil es \[ d_y-d_z=3(1-x)(y-z), \tag{3} \] junto con sus análogas cíclicas.
Para un punto variable \(P\), pongamos \[ R=|P|^2,\qquad U=P\cdot A,\qquad V=P\cdot B,\qquad W=P\cdot C, \] y definamos \[ \begin{aligned} F_A(P)&=R+(x-1)U+\frac{d_x}{3(z-y)}(V-W)-x,\\ F_B(P)&=R+(y-1)V+\frac{d_y}{3(x-z)}(W-U)-y,\\ F_C(P)&=R+(z-1)W+\frac{d_z}{3(y-x)}(U-V)-z. \end{aligned} \tag{4} \]
Afirmamos que \(F_A(P)=0\) es precisamente el circuncírculo de \(AA_1A_2\). En efecto, si \(P=(u,v)\), entonces \(U=u\) y \(V-W=\sqrt3v\), por lo que esta ecuación es \[ u^2+v^2+(x-1)u+\frac{d_x}{\sqrt3(z-y)}v-x=0. \] Es la ecuación de una circunferencia, y por sustitución se obtiene \[ F_A(A)=F_A(A_1)=0. \] Usando (2), la sustitución directa también da \[ F_A(A_2) = \frac{(y+z+2yz)(x+y+z-xyz-1)}{(1-yz)^2} =0 \] por (1). Como estos tres puntos no son colineales, queda demostrada la afirmación. Por permutación cíclica, \(F_B=0\) y \(F_C=0\) son los otros dos circuncírculos requeridos. Denotémoslos por \(\omega_A,\omega_B,\omega_C\).
La relación crucial es \[ \boxed{(y-z)F_A+(z-x)F_B+(x-y)F_C=0} \tag{5} \] como identidad en \(P\). Para verificarla, el coeficiente de \(R\) y el término constante se anulan inmediatamente. El coeficiente de \(U\) es \[ (y-z)(x-1)+\frac{d_y-d_z}{3}=0 \] por (3), y los de \(V,W\) se anulan por permutación cíclica.
Como \(x,y,z\) son distintos dos a dos, los tres coeficientes de (5) son no nulos. Por consiguiente, todo punto común a dos cualesquiera de las circunferencias pertenece a la tercera.
Queda demostrar que algún par tiene dos puntos comunes reales distintos. Esto no se deduce únicamente de (5), por lo que damos un argumento geométrico.
Las tres circunferencias son distintas: sus ecuaciones en (4) tienen todas parte cuadrática \(|P|^2\), pero sus términos constantes \(-x,-y,-z\) son distintos. Además, \[ F_A(O)=-x<0,\qquad F_B(O)=-y<0,\qquad F_C(O)=-z<0, \] por lo que \(O\) está estrictamente en el interior de los tres discos delimitados por las circunferencias.
Supongamos que ningún par de circunferencias se corta en dos puntos distintos. Entonces, para cualesquiera dos de sus discos, uno debe estar contenido en el otro. En efecto, dos discos cuyos interiores se cortan, sin que ninguno contenga al otro, tienen una distancia entre centros \(d\) y radios \(r_1,r_2\) que satisfacen \[ |r_1-r_2|<d<r_1+r_2, \] lo que hace que sus circunferencias frontera se corten en dos puntos distintos.
Así, los tres discos están anidados dos a dos, y uno contiene a los otros dos. Ese disco mayor contiene los tres vértices \(A,B,C\) y, por tanto, por convexidad, todo el triángulo \(ABC\). Pero su frontera también contiene al punto que le corresponde entre \(A_1,B_1,C_1\). Esto es imposible: cada uno de esos puntos está estrictamente en el interior de \(ABC\) y, por tanto, estrictamente en el interior de cualquier disco que contenga a \(ABC\).
Por tanto, dos de las circunferencias se cortan en dos puntos distintos. Por (5), ambos puntos pertenecen a la tercera circunferencia, lo que demuestra la afirmación.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2023 · 问题 6
设 \(ABC\) 是一个正三角形。点 \(A_1,B_1,C_1\) 在三角形 \(ABC\) 的内部,且满足 \(BA_1=A_1C\),\(CB_1=B_1A\),\(AC_1=C_1B\),及 \[ \angle BA_1C+\angle CB_1A+\angle AC_1B=480^\circ. \] 设直线 \(BC_1\) 与 \(CB_1\) 交于点 \(A_2\),直线 \(CA_1\) 与 \(AC_1\) 交于点 \(B_2\),直线 \(AB_1\) 与 \(BA_1\) 交于点 \(C_2\)。
证明:若三角形 \(A_1B_1C_1\) 的三边长度两两不等,则三角形 \(AA_1A_2\),\(BB_1B_2\) 和 \(CC_1C_2\) 的外接圆都经过两个公共点。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
设 \(O\) 为 \(ABC\) 的中心。取外接圆半径为 \(1\),选取坐标系,使得 \[ A=(1,0),\qquad B=\left(-\frac12,\frac{\sqrt3}{2}\right),\qquad C=\left(-\frac12,-\frac{\sqrt3}{2}\right). \]
令 \[ \alpha=\angle A_1BC,\qquad \beta=\angle B_1CA,\qquad \gamma=\angle C_1AB. \] 由题设中的三个等腰三角形可得 \[ \angle BA_1C=180^\circ-2\alpha, \] 以及轮换得到的类似等式。因此 \[ \alpha+\beta+\gamma=30^\circ. \] 这三个角均为正,故每个角都小于 \(30^\circ\)。
由于 \(BA_1=A_1C\),点 \(A_1\) 位于从 \(A\) 引出的中线上。由不等式 \(\alpha<30^\circ\) 可知,它位于 \(O\) 与 \(BC\) 的中点之间。轮换后同样成立。因此,将点与其位置向量视为同一对象,可以写成 \[ A_1=-xA,\qquad B_1=-yB,\qquad C_1=-zC, \qquad 0<x,y,z<\frac12. \] 此外, \[ \tan\alpha=\frac{1-2x}{\sqrt3},\qquad \tan\beta=\frac{1-2y}{\sqrt3},\qquad \tan\gamma=\frac{1-2z}{\sqrt3}. \] 将这些式子代入 \(\alpha+\beta+\gamma=30^\circ\) 的正切和角公式,化简得 \[ \boxed{x+y+z-xyz=1.} \tag{1} \]
由于 \(A\cdot B=B\cdot C=C\cdot A=-\tfrac12\),有 \[ A_1B_1^2=x^2+xy+y^2. \] 特别地, \[ A_1B_1^2-A_1C_1^2=(y-z)(x+y+z), \] 以及轮换得到的类似等式。因此,由三边长度两两不等的假设可知,\(x,y,z\) 两两不等。
联立直线 \(BC_1\) 和 \(CB_1\) 的方程,解得 \[ A_2= \left( \frac{y+z+2yz}{2(1-yz)}, \frac{\sqrt3(z-y)}{2(1-yz)} \right). \tag{2} \] 为完整起见,在坐标 \((u,v)\) 下,这两条直线的方程为 \[ \sqrt3(z-1)u-(z+1)v+\sqrt3z=0, \] \[ \sqrt3(1-y)u-(1+y)v-\sqrt3y=0. \] 由于 \(1-yz>0\) 且 \(y\ne z\),点 \(A_2\) 存在且不在 \(AA_1\) 上。因此,\(AA_1A_2\) 非退化;轮换后可作同样的论证。
现在求出三个外接圆的方程。定义 \[ \begin{aligned} d_x&=x(y+z)+4yz+2x-y-z,\\ d_y&=y(z+x)+4zx+2y-z-x,\\ d_z&=z(x+y)+4xy+2z-x-y. \end{aligned} \] 一个有用的恒等式是 \[ d_y-d_z=3(1-x)(y-z), \tag{3} \] 以及由其轮换得到的恒等式。
对动点 \(P\),令 \[ R=|P|^2,\qquad U=P\cdot A,\qquad V=P\cdot B,\qquad W=P\cdot C, \] 并定义 \[ \begin{aligned} F_A(P)&=R+(x-1)U+\frac{d_x}{3(z-y)}(V-W)-x,\\ F_B(P)&=R+(y-1)V+\frac{d_y}{3(x-z)}(W-U)-y,\\ F_C(P)&=R+(z-1)W+\frac{d_z}{3(y-x)}(U-V)-z. \end{aligned} \tag{4} \]
我们断言,\(F_A(P)=0\) 恰为 \(AA_1A_2\) 的外接圆。事实上,若 \(P=(u,v)\),则 \(U=u\),\(V-W=\sqrt3v\),所以此方程为 \[ u^2+v^2+(x-1)u+\frac{d_x}{\sqrt3(z-y)}v-x=0. \] 这是一个圆的方程,且代入可得 \[ F_A(A)=F_A(A_1)=0. \] 利用 (2),直接代入还可得 \[ F_A(A_2) = \frac{(y+z+2yz)(x+y+z-xyz-1)}{(1-yz)^2} =0 \] ,其中最后一步由 (1) 得到。由于这三个点不共线,断言成立。轮换可知,\(F_B=0\) 和 \(F_C=0\) 是另外两个所需的外接圆。将它们记为 \(\omega_A,\omega_B,\omega_C\)。
关键关系为 \[ \boxed{(y-z)F_A+(z-x)F_B+(x-y)F_C=0} \tag{5} \] ,这是关于 \(P\) 的恒等式。为验证它,注意 \(R\) 的系数和常数项立即相消。\(U\) 的系数为 \[ (y-z)(x-1)+\frac{d_y-d_z}{3}=0 \] ,其中用到了 (3),而 \(V,W\) 的系数也由轮换得到零。
由于 \(x,y,z\) 两两不等,(5) 中的三个系数均非零。因此,任意两个圆的每个公共点都在第三个圆上。
剩下只需证明某两个圆有两个不同的实公共点。这不能仅由 (5) 推出,因此我们给出一个几何论证。
这三个圆互不相同:(4) 中的方程的二次部分均为 \(|P|^2\),但它们的常数项 \(-x,-y,-z\) 互不相同。此外, \[ F_A(O)=-x<0,\qquad F_B(O)=-y<0,\qquad F_C(O)=-z<0, \] 所以 \(O\) 严格位于这三个圆所围成的圆盘的内部。
假设没有两个圆相交于两个不同的点。那么任意两个对应的圆盘必有一个包含另一个。事实上,若两个圆盘的内部相交,且互不包含,则它们的圆心距 \(d\) 与半径 \(r_1,r_2\) 满足 \[ |r_1-r_2|<d<r_1+r_2, \] 从而它们的边界圆相交于两个不同的点。
因此,这三个圆盘两两之间有包含关系,其中一个包含另外两个。这个最大的圆盘包含所有三个顶点 \(A,B,C\),从而由凸性,它包含整个三角形 \(ABC\)。但它的边界也经过 \(A_1,B_1,C_1\) 中与之对应的点。这是不可能的:这些点中的每一个都严格位于 \(ABC\) 的内部,因此也严格位于任何包含 \(ABC\) 的圆盘的内部。
所以,其中两个圆相交于两个不同的点。由 (5),这两个点都在第三个圆上,命题得证。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2023 · Задача 6
Дан равносторонний треугольник \(ABC\). Внутри \(ABC\) выбраны точки \(A_1,B_1,C_1\) такие, что \(BA_1=A_1C\), \(CB_1=B_1A\), \(AC_1=C_1B\) и \[ \angle BA_1C+\angle CB_1A+\angle AC_1B=480^\circ. \]
Прямые \(BC_1\) и \(CB_1\) пересекаются в точке \(A_2\), прямые \(CA_1\) и \(AC_1\) пересекаются в точке \(B_2\), прямые \(AB_1\) и \(BA_1\) пересекаются в точке \(C_2\). Предположим, что у треугольника \(A_1B_1C_1\) стороны имеют попарно различные длины. Докажите, что тогда все три окружности, описанные около треугольников \(AA_1A_2\), \(BB_1B_2\) и \(CC_1C_2\), проходят через какие-то две общие точки.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Пусть \(O\) — центр треугольника \(ABC\). Выберем координаты, взяв радиус описанной окружности равным \(1\), так, чтобы \[ A=(1,0),\qquad B=\left(-\frac12,\frac{\sqrt3}{2}\right),\qquad C=\left(-\frac12,-\frac{\sqrt3}{2}\right). \]
Положим \[ \alpha=\angle A_1BC,\qquad \beta=\angle B_1CA,\qquad \gamma=\angle C_1AB. \] Из трех данных равнобедренных треугольников получаем \[ \angle BA_1C=180^\circ-2\alpha, \] а также аналогичные равенства при циклической перестановке. Следовательно, \[ \alpha+\beta+\gamma=30^\circ. \] Все три угла положительны, поэтому каждый из них меньше \(30^\circ\).
Поскольку \(BA_1=A_1C\), точка \(A_1\) лежит на медиане из \(A\). Из неравенства \(\alpha<30^\circ\) следует, что она лежит между \(O\) и серединой \(BC\). Аналогичное верно при циклической перестановке. Поэтому, отождествляя точки с их радиус-векторами, можно записать \[ A_1=-xA,\qquad B_1=-yB,\qquad C_1=-zC, \qquad 0<x,y,z<\frac12. \] Кроме того, \[ \tan\alpha=\frac{1-2x}{\sqrt3},\qquad \tan\beta=\frac{1-2y}{\sqrt3},\qquad \tan\gamma=\frac{1-2z}{\sqrt3}. \] Подставляя эти выражения в формулу тангенса суммы для \(\alpha+\beta+\gamma=30^\circ\) и упрощая, получаем \[ \boxed{x+y+z-xyz=1.} \tag{1} \]
Поскольку \(A\cdot B=B\cdot C=C\cdot A=-\tfrac12\), имеем \[ A_1B_1^2=x^2+xy+y^2. \] В частности, \[ A_1B_1^2-A_1C_1^2=(y-z)(x+y+z), \] а также аналогичные равенства при циклической перестановке. Поэтому из условия о попарно различных длинах сторон следует, что \(x,y,z\) попарно различны.
Решая систему уравнений прямых \(BC_1\) и \(CB_1\), получаем \[ A_2= \left( \frac{y+z+2yz}{2(1-yz)}, \frac{\sqrt3(z-y)}{2(1-yz)} \right). \tag{2} \] Для полноты приведем уравнения этих двух прямых в координатах \((u,v)\): \[ \sqrt3(z-1)u-(z+1)v+\sqrt3z=0, \] \[ \sqrt3(1-y)u-(1+y)v-\sqrt3y=0. \] Поскольку \(1-yz>0\) и \(y\ne z\), точка \(A_2\) существует и не лежит на \(AA_1\). Значит, треугольник \(AA_1A_2\) невырожденный; то же рассуждение применимо при циклической перестановке.
Теперь получим уравнения трех описанных окружностей. Определим \[ \begin{aligned} d_x&=x(y+z)+4yz+2x-y-z,\\ d_y&=y(z+x)+4zx+2y-z-x,\\ d_z&=z(x+y)+4xy+2z-x-y. \end{aligned} \] Нам пригодится тождество \[ d_y-d_z=3(1-x)(y-z), \tag{3} \] а также его циклические аналоги.
Для переменной точки \(P\) положим \[ R=|P|^2,\qquad U=P\cdot A,\qquad V=P\cdot B,\qquad W=P\cdot C, \] и определим \[ \begin{aligned} F_A(P)&=R+(x-1)U+\frac{d_x}{3(z-y)}(V-W)-x,\\ F_B(P)&=R+(y-1)V+\frac{d_y}{3(x-z)}(W-U)-y,\\ F_C(P)&=R+(z-1)W+\frac{d_z}{3(y-x)}(U-V)-z. \end{aligned} \tag{4} \]
Утверждаем, что \(F_A(P)=0\) задает именно описанную окружность треугольника \(AA_1A_2\). Действительно, если \(P=(u,v)\), то \(U=u\) и \(V-W=\sqrt3v\), поэтому это уравнение имеет вид \[ u^2+v^2+(x-1)u+\frac{d_x}{\sqrt3(z-y)}v-x=0. \] Это уравнение окружности, и подстановка дает \[ F_A(A)=F_A(A_1)=0. \] Используя (2), прямой подстановкой также получаем \[ F_A(A_2) = \frac{(y+z+2yz)(x+y+z-xyz-1)}{(1-yz)^2} =0 \] в силу (1). Поскольку эти три точки не лежат на одной прямой, утверждение доказано. Циклической перестановкой получаем, что \(F_B=0\) и \(F_C=0\) задают две другие нужные описанные окружности. Обозначим их через \(\omega_A,\omega_B,\omega_C\).
Ключевое соотношение — \[ \boxed{(y-z)F_A+(z-x)F_B+(x-y)F_C=0} \tag{5} \] как тождество относительно \(P\). Для его проверки заметим, что коэффициент при \(R\) и свободный член сразу сокращаются. Коэффициент при \(U\) равен \[ (y-z)(x-1)+\frac{d_y-d_z}{3}=0 \] в силу (3), а коэффициенты при \(V,W\) обращаются в нуль аналогично, при циклической перестановке.
Поскольку \(x,y,z\) попарно различны, все три коэффициента в (5) ненулевые. Следовательно, каждая общая точка любых двух окружностей лежит на третьей.
Остается доказать, что у некоторой пары есть две различные действительные общие точки. Из одного лишь (5) это не следует, поэтому приведем геометрическое рассуждение.
Три окружности различны: их уравнения в (4) имеют одинаковую квадратичную часть \(|P|^2\), но различные свободные члены \(-x,-y,-z\). Кроме того, \[ F_A(O)=-x<0,\qquad F_B(O)=-y<0,\qquad F_C(O)=-z<0, \] поэтому \(O\) лежит строго внутри всех трех кругов, ограниченных этими окружностями.
Предположим, что никакие две окружности не пересекаются в двух различных точках. Тогда любые два ограниченных ими круга должны быть вложены один в другой. Действительно, если внутренности двух кругов пересекаются и ни один круг не содержит другого, то расстояние \(d\) между их центрами и радиусы \(r_1,r_2\) удовлетворяют неравенствам \[ |r_1-r_2|<d<r_1+r_2, \] из которых следует, что их граничные окружности пересекаются в двух различных точках.
Таким образом, три круга попарно вложены, и один из них содержит два остальных. Этот наибольший круг содержит все три вершины \(A,B,C\), а значит, в силу выпуклости, весь треугольник \(ABC\). Но его граница содержит также соответствующую ему точку из числа \(A_1,B_1,C_1\). Это невозможно: каждая из этих точек лежит строго внутри \(ABC\), а следовательно, строго внутри любого круга, содержащего \(ABC\).
Значит, две из окружностей пересекаются в двух различных точках. В силу (5) обе точки лежат на третьей окружности, что доказывает утверждение.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2023 · المسألة 6
ليكن \(ABC\) مثلث متطابق الأضلاع. ولتكن \(A_1,B_1,C_1\) نقاط داخل المثلث \(ABC\) بحيث \(BA_1=A_1C\)، \(CB_1=B_1A\)، \(AC_1=C_1B\)، و \[ \angle BA_1C+\angle CB_1A+\angle AC_1B=480^\circ. \] ليكن \(BC_1\) و\(CB_1\) تتقاطعان في \(A_2\)، وليكن \(CA_1\) و\(AC_1\) تتقاطعان في \(B_2\)، وليكن \(AB_1\) و\(BA_1\) تتقاطعان في \(C_2\). أثبت أنه إذا كان المثلث \(A_1B_1C_1\) مختلف الأضلاع، فإن الدوائر المحيطة للمثلثات الثلاثة \(AA_1A_2\)، \(BB_1B_2\) و \(CC_1C_2\) تتقاطعان في نقطتين.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
ليكن \(O\) مركز المثلث \(ABC\). نختار إحداثيات، مع جعل نصف قطر الدائرة المحيطة يساوي \(1\)، بحيث \[ A=(1,0),\qquad B=\left(-\frac12,\frac{\sqrt3}{2}\right),\qquad C=\left(-\frac12,-\frac{\sqrt3}{2}\right). \]
نضع \[ \alpha=\angle A_1BC,\qquad \beta=\angle B_1CA,\qquad \gamma=\angle C_1AB. \] تعطي المثلثات الثلاثة المتساوية الساقين المعطاة \[ \angle BA_1C=180^\circ-2\alpha, \] والمتطابقات المماثلة بالتبديل الدوري. إذن \[ \alpha+\beta+\gamma=30^\circ. \] الزوايا الثلاث كلها موجبة، ولذلك فإن كلًا منها أصغر من \(30^\circ\).
بما أن \(BA_1=A_1C\)، فإن النقطة \(A_1\) تقع على المتوسط الخارج من \(A\). وتضعها المتباينة \(\alpha<30^\circ\) بين \(O\) ومنتصف \(BC\). ويصح الأمر نفسه بالتبديل الدوري. إذن، بتعريف النقاط بمتجهات مواضعها، يمكننا أن نكتب \[ A_1=-xA,\qquad B_1=-yB,\qquad C_1=-zC, \qquad 0<x,y,z<\frac12. \] علاوة على ذلك، \[ \tan\alpha=\frac{1-2x}{\sqrt3},\qquad \tan\beta=\frac{1-2y}{\sqrt3},\qquad \tan\gamma=\frac{1-2z}{\sqrt3}. \] بتعويض هذه القيم في صيغة جمع الظل من أجل \(\alpha+\beta+\gamma=30^\circ\)، ثم التبسيط، نحصل على \[ \boxed{x+y+z-xyz=1.} \tag{1} \]
بما أن \(A\cdot B=B\cdot C=C\cdot A=-\tfrac12\)، فإن \[ A_1B_1^2=x^2+xy+y^2. \] وعلى وجه الخصوص، \[ A_1B_1^2-A_1C_1^2=(y-z)(x+y+z), \] مع متطابقات مماثلة بالتبديل الدوري. ولذلك فإن فرض اختلاف الأضلاع يستلزم أن \(x,y,z\) مختلفة مثنى مثنى.
بحل معادلتي \(BC_1\) و\(CB_1\) نحصل على \[ A_2= \left( \frac{y+z+2yz}{2(1-yz)}, \frac{\sqrt3(z-y)}{2(1-yz)} \right). \tag{2} \] ولتمام العرض، فإن معادلتي هذين المستقيمين، بالإحداثيين \((u,v)\)، هما \[ \sqrt3(z-1)u-(z+1)v+\sqrt3z=0, \] \[ \sqrt3(1-y)u-(1+y)v-\sqrt3y=0. \] بما أن \(1-yz>0\) و\(y\ne z\)، فإن النقطة \(A_2\) موجودة ولا تقع على \(AA_1\). ومن ثم فإن \(AA_1A_2\) غير منعدم؛ وينطبق الاستدلال نفسه بالتبديل الدوري.
نستخرج الآن معادلات الدوائر المحيطة الثلاث. نعرّف \[ \begin{aligned} d_x&=x(y+z)+4yz+2x-y-z,\\ d_y&=y(z+x)+4zx+2y-z-x,\\ d_z&=z(x+y)+4xy+2z-x-y. \end{aligned} \] ومن المتطابقات المفيدة \[ d_y-d_z=3(1-x)(y-z), \tag{3} \] مع نظيراتها بالتبديل الدوري.
لنقطة متغيرة \(P\)، نضع \[ R=|P|^2,\qquad U=P\cdot A,\qquad V=P\cdot B,\qquad W=P\cdot C, \] ونعرّف \[ \begin{aligned} F_A(P)&=R+(x-1)U+\frac{d_x}{3(z-y)}(V-W)-x,\\ F_B(P)&=R+(y-1)V+\frac{d_y}{3(x-z)}(W-U)-y,\\ F_C(P)&=R+(z-1)W+\frac{d_z}{3(y-x)}(U-V)-z. \end{aligned} \tag{4} \]
ندعي أن \(F_A(P)=0\) هي بالضبط الدائرة المحيطة بالمثلث \(AA_1A_2\). بالفعل، إذا كانت \(P=(u,v)\)، فإن \(U=u\) و\(V-W=\sqrt3v\)، ولذلك تصبح هذه المعادلة \[ u^2+v^2+(x-1)u+\frac{d_x}{\sqrt3(z-y)}v-x=0. \] وهي معادلة دائرة، ويعطي التعويض \[ F_A(A)=F_A(A_1)=0. \] وباستخدام (2)، يعطي التعويض المباشر أيضًا \[ F_A(A_2) = \frac{(y+z+2yz)(x+y+z-xyz-1)}{(1-yz)^2} =0 \] بحسب (1). وبما أن هذه النقاط الثلاث ليست على استقامة واحدة، فإن الادعاء يثبت. وبالتبديل الدوري، فإن \(F_B=0\) و\(F_C=0\) هما الدائرتان المحيطتان الأخريان المطلوبتان. نرمز إليها بـ\(\omega_A,\omega_B,\omega_C\).
العلاقة الحاسمة هي \[ \boxed{(y-z)F_A+(z-x)F_B+(x-y)F_C=0} \tag{5} \] بوصفها متطابقة في \(P\). للتحقق منها، ينعدم معامل \(R\) والحد الثابت مباشرة. أما معامل \(U\) فهو \[ (y-z)(x-1)+\frac{d_y-d_z}{3}=0 \] بحسب (3)، وينعدم معاملا \(V,W\) بالتبديل الدوري.
بما أن \(x,y,z\) مختلفة مثنى مثنى، فإن المعاملات الثلاثة في (5) كلها غير صفرية. وبالتالي، كل نقطة مشتركة بين أي دائرتين من الدوائر تقع على الثالثة.
يبقى أن نثبت وجود دائرتين لهما نقطتان مشتركتان حقيقيتان متمايزتان. وهذا لا ينتج من (5) وحدها، لذا نقدم حجة هندسية.
الدوائر الثلاث مختلفة: فمعادلاتها في (4) لها جميعًا الجزء التربيعي \(|P|^2\)، لكن حدودها الثابتة \(-x,-y,-z\) مختلفة. علاوة على ذلك، \[ F_A(O)=-x<0,\qquad F_B(O)=-y<0,\qquad F_C(O)=-z<0, \] ولذلك تقع \(O\) داخل الأقراص الثلاثة المحدودة بهذه الدوائر تمامًا.
لنفترض أنه لا توجد دائرتان تلتقيان في نقطتين متمايزتين. عندئذ لا بد أن يكون كل قرصين من أقراصها متداخلين بالاحتواء. بالفعل، إذا تقاطع داخلا قرصين ولم يحتوِ أي منهما الآخر، فإن المسافة \(d\) بين مركزيهما ونصفي قطريهما \(r_1,r_2\) تحقق \[ |r_1-r_2|<d<r_1+r_2, \] مما يجعل دائرتي حدودهما تتقاطعان في نقطتين متمايزتين.
إذن الأقراص الثلاثة متداخلة بالاحتواء مثنى مثنى، وأحدها يحتوي القرصين الآخرين. يحتوي هذا القرص الأكبر على الرؤوس الثلاثة \(A,B,C\)، ومن ثم، بالتحدب، على المثلث \(ABC\) كله. لكن حدوده تحتوي أيضًا على النقطة الموافقة له من بين \(A_1,B_1,C_1\). وهذا مستحيل: فكل نقطة من هذه النقاط تقع داخل \(ABC\) تمامًا، ولذلك تقع داخل أي قرص يحتوي \(ABC\) تمامًا.
إذن تلتقي دائرتان من الدوائر في نقطتين متمايزتين. وبحسب (5)، تقع النقطتان كلتاهما على الدائرة الثالثة، مما يثبت المطلوب.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.