IMO 2024 · Problem 4
Let \(ABC\) be a triangle with \(AB<AC<BC\). Let the incentre and incircle of triangle \(ABC\) be \(I\) and \(\omega\), respectively. Let \(X\) be the point on line \(BC\) different from \(C\) such that the line through \(X\) parallel to \(AC\) is tangent to \(\omega\). Similarly, let \(Y\) be the point on line \(BC\) different from \(B\) such that the line through \(Y\) parallel to \(AB\) is tangent to \(\omega\). Let \(AI\) intersect the circumcircle of triangle \(ABC\) again at \(P\ne A\). Let \(K\) and \(L\) be the midpoints of \(AC\) and \(AB\), respectively.
Prove that \(\angle KIL+\angle YPX=180^\circ\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let \(D=AI\cap BC\), and let \(Q\) be the reflection of \(A\) across \(I\).
First we establish the positions of these points. Applying the angle bisector theorem in triangles \(ABC\) and \(ABD\), respectively, gives \[ BD=\frac{AB\cdot BC}{AB+AC}, \qquad \frac{AI}{ID}=\frac{AB}{BD} =\frac{AB+AC}{BC}>1. \] Consequently, \(A,I,D,Q\) lie in that order on their common line. Also, \(P\) lies beyond \(D\) on the ray \(AD\), since \(D\) is inside the circumcircle. Thus \(P\) and \(Q\) are on the opposite side of \(BC\) from \(A\).
The half-turn about \(I\) preserves \(\omega\) and takes each tangent to its distinct parallel tangent. It therefore takes the lines \(AC\) and \(AB\) to \(QX\) and \(QY\), respectively. In particular, \[ QX\parallel AC,\qquad QY\parallel AB. \] The negative homothety centred at \(D\) taking \(A\) to \(Q\) consequently takes \(C\) to \(X\) and \(B\) to \(Y\). Hence \(X,D,Y\) occur in that order along the direction from \(B\) to \(C\). Moreover, \(X\ne B\) and \(Y\ne C\): either equality would give a third tangent from \(B\) or \(C\) to the incircle, in addition to its two adjacent side lines.
The homothety centred at \(A\) with ratio \(2\) takes \(I,K,L\) to \(Q,C,B\), respectively. Thus \[ \angle KIL=\angle CQB. \tag{1} \]
If \(Q=P\), the negative homothety already described gives \[ \angle YPX=\angle YQX=\angle BAC. \] Since \(A,B,P,C\) are concyclic and \(A,P\) lie on opposite sides of \(BC\), \[ \angle CQB=\angle CPB=180^\circ-\angle BAC. \] Together with (1), this proves the result in this case.
Now suppose \(Q\ne P\). All angle congruences in the following calculation are directed modulo \(180^\circ\). Since \(QX\parallel AC\), the points \(A,P,Q\) are collinear, and \(A,B,C,P\) are concyclic, \[ \angle BXQ \equiv \angle BCA \equiv \angle BPA \equiv \angle BPQ. \] Therefore \(B,X,Q,P\) are concyclic. Similarly, \[ \angle CYQ \equiv \angle CBA \equiv \angle CPA \equiv \angle CPQ, \] so \(C,Y,Q,P\) are concyclic.
Using these two cyclic quadrilaterals and the collinearity of \(B,C,X,Y\), we obtain \[ \begin{aligned} \angle CQB &\equiv \angle CQP+\angle PQB\\ &\equiv \angle CYP+\angle PXB\\ &\equiv -\angle YPX \pmod{180^\circ}. \end{aligned} \]
To interpret this as an equality of ordinary angles, orient the figure with \(B\) to the left of \(C\) and \(A\) above \(BC\). Both \(P,Q\) are below \(BC\), and \(X\) is to the left of \(Y\). Thus the counterclockwise directed angles \(\angle CQB\) and \(\angle YPX\) are precisely their ordinary angles, each strictly between \(0^\circ\) and \(180^\circ\). Their sum, being a multiple of \(180^\circ\), must therefore equal \(180^\circ\).
Finally, (1) gives \[ \boxed{\angle KIL+\angle YPX=180^\circ}. \]
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2024 · Aufgabe 4
Es sei \(ABC\) ein Dreieck mit \(AB<AC<BC\). Weiterhin seien \(I\) der Inkreismittelpunkt und \(\omega\) der Inkreis des Dreiecks \(ABC\). Sei \(X\) der von \(C\) verschiedene Punkt auf der Geraden \(BC\), sodass die Parallele zu \(AC\) durch \(X\) den Kreis \(\omega\) berührt. Analog sei \(Y\) der von \(B\) verschiedene Punkt auf der Geraden \(BC\), sodass die Parallele zu \(AB\) durch \(Y\) den Kreis \(\omega\) berührt. Die Gerade \(AI\) schneide den Umkreis des Dreiecks \(ABC\) erneut in \(P\ne A\). Es seien \(K\) und \(L\) die Mittelpunkte von \(AC\) beziehungsweise \(AB\).
Man beweise, dass \(\angle KIL+\angle YPX=180^\circ\) gilt.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Sei \(D=AI\cap BC\), und sei \(Q\) der Spiegelpunkt von \(A\) bei der Punktspiegelung an \(I\).
Zunächst bestimmen wir die Lage dieser Punkte. Die Anwendung des Winkelhalbierendensatzes in den Dreiecken \(ABC\) beziehungsweise \(ABD\) ergibt \[ BD=\frac{AB\cdot BC}{AB+AC}, \qquad \frac{AI}{ID}=\frac{AB}{BD} =\frac{AB+AC}{BC}>1. \] Folglich liegen \(A,I,D,Q\) in dieser Reihenfolge auf ihrer gemeinsamen Geraden. Außerdem liegt \(P\) jenseits von \(D\) auf dem Strahl \(AD\), da \(D\) innerhalb des Umkreises liegt. Somit liegen \(P\) und \(Q\) bezüglich \(BC\) auf der \(A\) gegenüberliegenden Seite.
Die Halbdrehung um \(I\) lässt \(\omega\) unverändert und bildet jede Tangente auf die von ihr verschiedene parallele Tangente ab. Daher bildet sie die Geraden \(AC\) und \(AB\) auf \(QX\) beziehungsweise \(QY\) ab. Insbesondere gilt \[ QX\parallel AC,\qquad QY\parallel AB. \] Die zentrische Streckung mit Zentrum \(D\) und negativem Streckungsfaktor, die \(A\) auf \(Q\) abbildet, bildet folglich \(C\) auf \(X\) und \(B\) auf \(Y\) ab. Daher liegen \(X,D,Y\) in dieser Reihenfolge in Richtung von \(B\) nach \(C\). Außerdem gilt \(X\ne B\) und \(Y\ne C\): Jede dieser Gleichheiten würde neben den beiden anliegenden Seitengeraden eine dritte Tangente von \(B\) beziehungsweise \(C\) an den Inkreis liefern.
Die zentrische Streckung mit Zentrum \(A\) und Streckungsfaktor \(2\) bildet \(I,K,L\) auf \(Q,C,B\) ab. Somit gilt \[ \angle KIL=\angle CQB. \tag{1} \]
Ist \(Q=P\), so liefert die bereits beschriebene zentrische Streckung mit negativem Streckungsfaktor \[ \angle YPX=\angle YQX=\angle BAC. \] Da \(A,B,P,C\) auf einem Kreis liegen und \(A,P\) auf entgegengesetzten Seiten von \(BC\) liegen, gilt \[ \angle CQB=\angle CPB=180^\circ-\angle BAC. \] Zusammen mit (1) beweist dies die Behauptung in diesem Fall.
Nehmen wir nun \(Q\ne P\) an. Alle Winkelkongruenzen in der folgenden Rechnung beziehen sich auf gerichtete Winkel modulo \(180^\circ\). Da \(QX\parallel AC\) gilt, die Punkte \(A,P,Q\) auf einer Geraden liegen und \(A,B,C,P\) auf einem Kreis liegen, gilt \[ \angle BXQ \equiv \angle BCA \equiv \angle BPA \equiv \angle BPQ. \] Daher liegen \(B,X,Q,P\) auf einem Kreis. Analog gilt \[ \angle CYQ \equiv \angle CBA \equiv \angle CPA \equiv \angle CPQ, \] also liegen \(C,Y,Q,P\) auf einem Kreis.
Aus diesen beiden Sehnenvierecken und der Kollinearität von \(B,C,X,Y\) erhalten wir \[ \begin{aligned} \angle CQB &\equiv \angle CQP+\angle PQB\\ &\equiv \angle CYP+\angle PXB\\ &\equiv -\angle YPX \pmod{180^\circ}. \end{aligned} \]
Um dies als Gleichheit gewöhnlicher Winkel zu deuten, richten wir die Figur so aus, dass \(B\) links von \(C\) und \(A\) oberhalb von \(BC\) liegt. Beide Punkte \(P,Q\) liegen unterhalb von \(BC\), und \(X\) liegt links von \(Y\). Somit stimmen die gegen den Uhrzeigersinn gerichteten Winkel \(\angle CQB\) und \(\angle YPX\) genau mit ihren gewöhnlichen Winkeln überein, die jeweils strikt zwischen \(0^\circ\) und \(180^\circ\) liegen. Ihre Summe ist ein Vielfaches von \(180^\circ\) und muss daher gleich \(180^\circ\) sein.
Schließlich ergibt (1) \[ \boxed{\angle KIL+\angle YPX=180^\circ}. \]
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2024 · Soru 4
\(ABC\) üçgeninde \(AB<AC<BC\) ve iç teğet çember merkezi ile iç teğet çemberi sırasıyla \(I\) ile \(\omega\) olsun. \(BC\) kenarı üzerinde \(C\) noktasından farklı \(X\) noktası, \(X\) noktasından \(AC\) doğrusuna çizilen paralel \(\omega\) çemberine teğet olacak şekilde alınıyor. Benzer şekilde \(BC\) kenarı üzerinde \(B\) noktasından farklı \(Y\) noktası, \(Y\) noktasından \(AB\) doğrusuna çizilen paralel \(\omega\) çemberine teğet olacak şekilde alınıyor. \(AI\) doğrusu, \(ABC\) üçgeninin çevrel çemberini ikinci kez \(P\ne A\) noktasında kesiyor. \(AC\) ve \(AB\) kenarlarının orta noktaları sırasıyla \(K\) ve \(L\) olsun.
\(\angle KIL+\angle YPX=180^\circ\) olduğunu gösteriniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(D=AI\cap BC\) olsun ve \(Q\), \(A\) noktasının \(I\) noktasına göre simetriği olsun.
Önce bu noktaların konumlarını belirleyelim. Sırasıyla \(ABC\) ve \(ABD\) üçgenlerinde açıortay teoremini uygulayarak \[ BD=\frac{AB\cdot BC}{AB+AC}, \qquad \frac{AI}{ID}=\frac{AB}{BD} =\frac{AB+AC}{BC}>1 \] elde ederiz. Dolayısıyla \(A,I,D,Q\), ortak doğruları üzerinde bu sırayla yer alır. Ayrıca \(D\) çevrel çemberin içinde olduğundan, \(P\), \(AD\) ışını üzerinde \(D\) noktasının ötesinde yer alır. Böylece \(P\) ve \(Q\), \(BC\) doğrusunun \(A\) noktasına göre karşı tarafındadır.
\(I\) merkezli yarım dönüş, \(\omega\) çemberini korur ve her teğeti kendisinden farklı olan paralel teğete götürür. Bu nedenle \(AC\) ve \(AB\) doğrularını sırasıyla \(QX\) ve \(QY\) doğrularına götürür. Özellikle, \[ QX\parallel AC,\qquad QY\parallel AB. \] Dolayısıyla \(A\) noktasını \(Q\) noktasına götüren \(D\) merkezli negatif oranlı homoteti, \(C\) noktasını \(X\) noktasına, \(B\) noktasını da \(Y\) noktasına götürür. Böylece \(B\) noktasından \(C\) noktasına doğru ilerlerken \(X,D,Y\) bu sırayla yer alır. Üstelik \(X\ne B\) ve \(Y\ne C\) olur: bu eşitliklerden herhangi biri, \(B\) veya \(C\) noktasından iç teğet çembere, o noktada birleşen iki kenar doğrusuna ek olarak üçüncü bir teğet verilmesine yol açardı.
\(A\) merkezli, \(2\) oranlı homoteti, \(I,K,L\) noktalarını sırasıyla \(Q,C,B\) noktalarına götürür. Böylece \[ \angle KIL=\angle CQB. \tag{1} \]
\(Q=P\) ise yukarıda açıklanan negatif oranlı homoteti \[ \angle YPX=\angle YQX=\angle BAC \] eşitliğini verir. \(A,B,P,C\) çembersel ve \(A,P\) noktaları \(BC\) doğrusunun karşı taraflarında olduğundan, \[ \angle CQB=\angle CPB=180^\circ-\angle BAC. \] Bu, (1) ile birlikte bu durum için sonucu ispatlar.
Şimdi \(Q\ne P\) olduğunu varsayalım. Aşağıdaki hesaplamada tüm açı denklikleri modulo \(180^\circ\) yönlü açılar içindir. \(QX\parallel AC\) olduğundan, \(A,P,Q\) noktaları doğrusal olduğundan ve \(A,B,C,P\) noktaları çembersel olduğundan, \[ \angle BXQ \equiv \angle BCA \equiv \angle BPA \equiv \angle BPQ. \] Dolayısıyla \(B,X,Q,P\) çemberseldir. Benzer şekilde, \[ \angle CYQ \equiv \angle CBA \equiv \angle CPA \equiv \angle CPQ \] olduğundan \(C,Y,Q,P\) çemberseldir.
Bu iki kirişler dörtgenini ve \(B,C,X,Y\) noktalarının doğrusallığını kullanarak \[ \begin{aligned} \angle CQB &\equiv \angle CQP+\angle PQB\\ &\equiv \angle CYP+\angle PXB\\ &\equiv -\angle YPX \pmod{180^\circ} \end{aligned} \] elde ederiz.
Bunu yönsüz açılar arasında bir eşitlik olarak yorumlamak için şekli, \(B\) noktası \(C\) noktasının solunda ve \(A\) noktası \(BC\) doğrusunun üstünde olacak biçimde yerleştirelim. Hem \(P\) hem de \(Q\), \(BC\) doğrusunun altındadır ve \(X\), \(Y\) noktasının solundadır. Dolayısıyla saat yönünün tersine ölçülen \(\angle CQB\) ve \(\angle YPX\) yönlü açıları, tam olarak bunların yönsüz açılarıdır ve her biri kesin olarak \(0^\circ\) ile \(180^\circ\) arasındadır. Toplamları \(180^\circ\) sayısının bir katı olduğundan, \(180^\circ\) olmalıdır.
Son olarak, (1) eşitliği \[ \boxed{\angle KIL+\angle YPX=180^\circ} \] sonucunu verir.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2024 · Problema 4
Sea \(ABC\) un triángulo con \(AB<AC<BC\). Sean \(I\) y \(\omega\) el incentro y el incírculo del triángulo \(ABC\), respectivamente. Sea \(X\) el punto de la recta \(BC\), diferente de \(C\), tal que la recta paralela a \(AC\) que pasa por \(X\) es tangente a \(\omega\). Análogamente, sea \(Y\) el punto de la recta \(BC\), diferente de \(B\), tal que la recta paralela a \(AB\) que pasa por \(Y\) es tangente a \(\omega\). La recta \(AI\) corta de nuevo al circuncírculo del triángulo \(ABC\) en \(P\ne A\). Sean \(K\) y \(L\) los puntos medios de \(AC\) y \(AB\), respectivamente. Demostrar que \(\angle KIL+\angle YPX=180^\circ\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sea \(D=AI\cap BC\), y sea \(Q\) el simétrico de \(A\) respecto de \(I\).
Primero establecemos las posiciones de estos puntos. Al aplicar el teorema de la bisectriz en los triángulos \(ABC\) y \(ABD\), respectivamente, obtenemos \[ BD=\frac{AB\cdot BC}{AB+AC}, \qquad \frac{AI}{ID}=\frac{AB}{BD} =\frac{AB+AC}{BC}>1. \] Por consiguiente, \(A,I,D,Q\) se encuentran en ese orden sobre la recta que los contiene. Además, \(P\) se encuentra más allá de \(D\) sobre la semirrecta \(AD\), ya que \(D\) está dentro del circuncírculo. Por tanto, \(P\) y \(Q\) están al lado opuesto de \(BC\) respecto de \(A\).
El giro de media vuelta con centro en \(I\) deja invariante \(\omega\) y transforma cada tangente en la otra tangente paralela a ella. Por tanto, transforma las rectas \(AC\) y \(AB\) en \(QX\) y \(QY\), respectivamente. En particular, \[ QX\parallel AC,\qquad QY\parallel AB. \] La homotecia de razón negativa con centro en \(D\) que transforma \(A\) en \(Q\) transforma, por consiguiente, \(C\) en \(X\) y \(B\) en \(Y\). Así pues, \(X,D,Y\) aparecen en ese orden en el sentido de \(B\) a \(C\). Además, \(X\ne B\) e \(Y\ne C\): cualquiera de estas igualdades daría una tercera tangente desde \(B\) o \(C\) al incírculo, además de las dos rectas que contienen sus lados adyacentes.
La homotecia con centro en \(A\) y razón \(2\) transforma \(I,K,L\) en \(Q,C,B\), respectivamente. Por tanto, \[ \angle KIL=\angle CQB. \tag{1} \]
Si \(Q=P\), la homotecia de razón negativa ya descrita da \[ \angle YPX=\angle YQX=\angle BAC. \] Como \(A,B,P,C\) son concíclicos y \(A,P\) están a lados opuestos de \(BC\), \[ \angle CQB=\angle CPB=180^\circ-\angle BAC. \] Junto con (1), esto demuestra el resultado en este caso.
Supongamos ahora que \(Q\ne P\). Todas las congruencias de ángulos en el siguiente cálculo son de ángulos orientados módulo \(180^\circ\). Como \(QX\parallel AC\), los puntos \(A,P,Q\) son colineales y \(A,B,C,P\) son concíclicos, \[ \angle BXQ \equiv \angle BCA \equiv \angle BPA \equiv \angle BPQ. \] Por tanto, \(B,X,Q,P\) son concíclicos. Análogamente, \[ \angle CYQ \equiv \angle CBA \equiv \angle CPA \equiv \angle CPQ, \] por lo que \(C,Y,Q,P\) son concíclicos.
Usando estos dos cuadriláteros cíclicos y la colinealidad de \(B,C,X,Y\), obtenemos \[ \begin{aligned} \angle CQB &\equiv \angle CQP+\angle PQB\\ &\equiv \angle CYP+\angle PXB\\ &\equiv -\angle YPX \pmod{180^\circ}. \end{aligned} \]
Para interpretar esto como una igualdad de ángulos ordinarios, orientamos la figura con \(B\) a la izquierda de \(C\) y \(A\) por encima de \(BC\). Tanto \(P,Q\) están por debajo de \(BC\), y \(X\) está a la izquierda de \(Y\). Así pues, los ángulos orientados en sentido antihorario \(\angle CQB\) y \(\angle YPX\) son precisamente sus ángulos ordinarios, cada uno estrictamente entre \(0^\circ\) y \(180^\circ\). Su suma, al ser un múltiplo de \(180^\circ\), debe ser por tanto igual a \(180^\circ\).
Finalmente, (1) da \[ \boxed{\angle KIL+\angle YPX=180^\circ}. \]
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2024 · 问题 4
在三角形 \(ABC\) 中 \(AB<AC<BC\)。设三角形 \(ABC\) 的内心为 \(I\),内切圆为 \(\omega\)。点 \(X\)(\(X\) 异于 \(C\))在直线 \(BC\) 上,满足过 \(X\) 且平行于 \(AC\) 的直线与圆 \(\omega\) 相切。点 \(Y\)(\(Y\) 异于 \(B\))在直线 \(BC\) 上,满足过 \(Y\) 且平行于 \(AB\) 的直线与圆 \(\omega\) 相切。设直线 \(AI\) 与三角形 \(ABC\) 的外接圆交于另一点 \(P\)(\(P\) 异于 \(A\))。设 \(K\) 和 \(L\) 分别为线段 \(AC\) 和 \(AB\) 的中点。
证明:\(\angle KIL+\angle YPX=180^\circ\)。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
设 \(D=AI\cap BC\),并设 \(Q\) 为 \(A\) 关于 \(I\) 的对称点。
首先确定这些点的位置。在三角形 \(ABC\) 和 \(ABD\) 中分别应用角平分线定理,得 \[ BD=\frac{AB\cdot BC}{AB+AC}, \qquad \frac{AI}{ID}=\frac{AB}{BD} =\frac{AB+AC}{BC}>1. \] 因此,\(A,I,D,Q\) 在它们所在的直线上依次排列。此外,由于 \(D\) 在外接圆内部,\(P\) 在射线 \(AD\) 上且位于 \(D\) 的外侧。因此,\(P\) 和 \(Q\) 都位于直线 \(BC\) 相对于 \(A\) 的另一侧。
以 \(I\) 为中心的半周旋转保持 \(\omega\) 不变,并将每条切线映到与它不同的另一条平行切线。因此,它将直线 \(AC\) 和 \(AB\) 分别映到 \(QX\) 和 \(QY\)。特别地, \[ QX\parallel AC,\qquad QY\parallel AB. \] 因此,以 \(D\) 为中心、将 \(A\) 映到 \(Q\) 的负位似也将 \(C\) 映到 \(X\),将 \(B\) 映到 \(Y\)。故沿从 \(B\) 到 \(C\) 的方向,\(X,D,Y\) 依次排列。此外,\(X\ne B\) 且 \(Y\ne C\):其中任一等式成立,都会使得从 \(B\) 或 \(C\) 向内切圆所引的切线,除相邻的两条边所在直线外,还有第三条。
以 \(A\) 为中心、比为 \(2\) 的位似将 \(I,K,L\) 分别映到 \(Q,C,B\)。因此 \[ \angle KIL=\angle CQB. \tag{1} \]
若 \(Q=P\),由前述负位似得 \[ \angle YPX=\angle YQX=\angle BAC. \] 由于 \(A,B,P,C\) 四点共圆,且 \(A,P\) 位于 \(BC\) 的两侧, \[ \angle CQB=\angle CPB=180^\circ-\angle BAC. \] 结合 (1),便证明了这种情况下的结论。
现在设 \(Q\ne P\)。以下计算中的角的同余均指模 \(180^\circ\) 的有向角。由于 \(QX\parallel AC\),\(A,P,Q\) 三点共线,且 \(A,B,C,P\) 四点共圆, \[ \angle BXQ \equiv \angle BCA \equiv \angle BPA \equiv \angle BPQ. \] 因此 \(B,X,Q,P\) 四点共圆。同理, \[ \angle CYQ \equiv \angle CBA \equiv \angle CPA \equiv \angle CPQ, \] 故 \(C,Y,Q,P\) 四点共圆。
利用这两个圆内接四边形以及 \(B,C,X,Y\) 四点共线,得到 \[ \begin{aligned} \angle CQB &\equiv \angle CQP+\angle PQB\\ &\equiv \angle CYP+\angle PXB\\ &\equiv -\angle YPX \pmod{180^\circ}. \end{aligned} \]
为了将此式解释为普通角之间的等式,将图形摆放为 \(B\) 在 \(C\) 左侧,\(A\) 在 \(BC\) 上方。\(P,Q\) 均在 \(BC\) 下方,且 \(X\) 在 \(Y\) 左侧。因此,沿逆时针方向的有向角 \(\angle CQB\) 和 \(\angle YPX\) 恰好就是它们对应的普通角,两者都严格介于 \(0^\circ\) 与 \(180^\circ\) 之间。它们的和是 \(180^\circ\) 的倍数,因此必等于 \(180^\circ\)。
最后,由 (1) 得 \[ \boxed{\angle KIL+\angle YPX=180^\circ}. \]
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2024 · Задача 4
Пусть \(ABC\) — треугольник, в котором \(AB<AC<BC\). Пусть \(\omega\) — вписанная в треугольник \(ABC\) окружность, а \(I\) — ее центр. Пусть \(X\) — такая точка на прямой \(BC\), отличная от \(C\), что прямая, проходящая через \(X\) параллельно \(AC\), касается \(\omega\). Аналогично, пусть \(Y\) — такая точка на прямой \(BC\), отличная от \(B\), что прямая, проходящая через \(Y\) параллельно \(AB\), касается \(\omega\). Пусть \(AI\) пересекает описанную около треугольника \(ABC\) окружность второй раз в точке \(P\ne A\). Пусть \(K\) и \(L\) — середины сторон \(AC\) и \(AB\) соответственно. Докажите, что \(\angle KIL+\angle YPX=180^\circ\).
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Пусть \(D=AI\cap BC\), а \(Q\) — точка, симметричная \(A\) относительно \(I\).
Сначала установим взаимное расположение этих точек. Применяя теорему о биссектрисе в треугольниках \(ABC\) и \(ABD\) соответственно, получаем \[ BD=\frac{AB\cdot BC}{AB+AC}, \qquad \frac{AI}{ID}=\frac{AB}{BD} =\frac{AB+AC}{BC}>1. \] Следовательно, \(A,I,D,Q\) лежат на одной прямой именно в этом порядке. Кроме того, \(P\) лежит за \(D\) на луче \(AD\), поскольку \(D\) находится внутри описанной окружности. Таким образом, \(P\) и \(Q\) лежат по другую сторону от \(BC\), чем \(A\).
Поворот на пол-оборота вокруг \(I\) переводит \(\omega\) в себя, а каждую касательную — в отличную от неё параллельную касательную. Поэтому он переводит прямые \(AC\) и \(AB\) в \(QX\) и \(QY\) соответственно. В частности, \[ QX\parallel AC,\qquad QY\parallel AB. \] Следовательно, гомотетия с центром \(D\) и отрицательным коэффициентом, переводящая \(A\) в \(Q\), переводит \(C\) в \(X\), а \(B\) в \(Y\). Значит, \(X,D,Y\) расположены в этом порядке в направлении от \(B\) к \(C\). Кроме того, \(X\ne B\) и \(Y\ne C\): любое из этих равенств дало бы третью касательную из \(B\) или \(C\) к вписанной окружности в дополнение к прямым, содержащим две прилегающие стороны.
Гомотетия с центром \(A\) и коэффициентом \(2\) переводит \(I,K,L\) в \(Q,C,B\) соответственно. Поэтому \[ \angle KIL=\angle CQB. \tag{1} \]
Если \(Q=P\), то уже описанная гомотетия с отрицательным коэффициентом даёт \[ \angle YPX=\angle YQX=\angle BAC. \] Поскольку \(A,B,P,C\) лежат на одной окружности, а \(A,P\) находятся по разные стороны от \(BC\), \[ \angle CQB=\angle CPB=180^\circ-\angle BAC. \] Вместе с (1) это доказывает утверждение в данном случае.
Теперь предположим, что \(Q\ne P\). Все сравнения углов в следующих вычислениях понимаются как сравнения ориентированных углов по модулю \(180^\circ\). Поскольку \(QX\parallel AC\), точки \(A,P,Q\) лежат на одной прямой, а \(A,B,C,P\) — на одной окружности, \[ \angle BXQ \equiv \angle BCA \equiv \angle BPA \equiv \angle BPQ. \] Следовательно, \(B,X,Q,P\) лежат на одной окружности. Аналогично, \[ \angle CYQ \equiv \angle CBA \equiv \angle CPA \equiv \angle CPQ, \] поэтому \(C,Y,Q,P\) лежат на одной окружности.
Используя эти два вписанных четырёхугольника и то, что \(B,C,X,Y\) лежат на одной прямой, получаем \[ \begin{aligned} \angle CQB &\equiv \angle CQP+\angle PQB\\ &\equiv \angle CYP+\angle PXB\\ &\equiv -\angle YPX \pmod{180^\circ}. \end{aligned} \]
Чтобы перейти к равенству обычных углов, расположим рисунок так, чтобы \(B\) находилась левее \(C\), а \(A\) — выше \(BC\). Обе точки \(P,Q\) находятся ниже \(BC\), а \(X\) — левее \(Y\). Поэтому ориентированные против часовой стрелки углы \(\angle CQB\) и \(\angle YPX\) в точности равны соответствующим обычным углам, каждый из которых строго больше \(0^\circ\) и строго меньше \(180^\circ\). Их сумма кратна \(180^\circ\) и потому должна равняться \(180^\circ\).
Наконец, из (1) получаем \[ \boxed{\angle KIL+\angle YPX=180^\circ}. \]
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2024 · المسألة 4
ليكن \(ABC\) مثلثاً بحيث \(AB<AC<BC\). لتكن \(\omega\) هي الدائرة الداخلية للمثلث \(ABC\)، ومركزها \(I\). لتكن \(X\) نقطة على الضلع \(BC\) تختلف عن \(C\) بحيث يكون المستقيم المار بالنقطة \(X\) والموازي لـ \(AC\) مماساً لـ \(\omega\). وبالمثل، لتكن \(Y\) نقطة على الضلع \(BC\) تختلف عن \(B\) بحيث يكون المستقيم المار بالنقطة \(Y\) والموازي لـ \(AB\) مماساً لـ \(\omega\). ليكن \(AI\) يقطع الدائرة المحيطة بالمثلث \(ABC\) مرة أخرى عند \(P\ne A\). لتكن \(K\) و \(L\) نقطتي منتصف \(AC\) و \(AB\) على الترتيب.
أثبت أن \(\angle KIL+\angle YPX=180^\circ\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لتكن \(D=AI\cap BC\)، ولتكن \(Q\) صورة \(A\) بالتناظر المركزي حول \(I\).
نحدد أولاً مواضع هذه النقاط. بتطبيق مبرهنة منصف الزاوية في المثلثين \(ABC\) و \(ABD\)، على الترتيب، نحصل على \[ BD=\frac{AB\cdot BC}{AB+AC}, \qquad \frac{AI}{ID}=\frac{AB}{BD} =\frac{AB+AC}{BC}>1. \] ومن ثم تقع \(A,I,D,Q\) بهذا الترتيب على المستقيم الذي يجمعها. كذلك تقع \(P\) بعد \(D\) على الشعاع \(AD\)، لأن \(D\) داخل الدائرة المحيطة. إذن تقع \(P\) و \(Q\) في الجهة المقابلة لـ \(A\) بالنسبة إلى \(BC\).
الدوران بنصف دورة حول \(I\) يحافظ على \(\omega\)، ويحول كل مماس إلى المماس الموازي له والمختلف عنه. ولذلك يحول المستقيمين \(AC\) و \(AB\) إلى \(QX\) و \(QY\)، على الترتيب. وعلى وجه الخصوص، \[ QX\parallel AC,\qquad QY\parallel AB. \] وعليه فإن التحاكي ذا النسبة السالبة والمركز \(D\) الذي يحول \(A\) إلى \(Q\) يحول \(C\) إلى \(X\) و \(B\) إلى \(Y\). ومن ثم تقع \(X,D,Y\) بهذا الترتيب في الاتجاه من \(B\) إلى \(C\). علاوة على ذلك، \(X\ne B\) و \(Y\ne C\): فأي من هاتين المساواتين سيعطي مماساً ثالثاً من \(B\) أو \(C\) للدائرة الداخلية، إضافة إلى المستقيمين الحاملين للضلعين المجاورين لتلك النقطة.
التحاكي ذو المركز \(A\) والنسبة \(2\) يحول \(I,K,L\) إلى \(Q,C,B\)، على الترتيب. لذلك \[ \angle KIL=\angle CQB. \tag{1} \]
إذا كان \(Q=P\)، فإن التحاكي ذا النسبة السالبة الموصوف سابقاً يعطي \[ \angle YPX=\angle YQX=\angle BAC. \] وبما أن \(A,B,P,C\) تقع على دائرة واحدة وأن \(A,P\) تقعان على جهتين متقابلتين من \(BC\)، فإن \[ \angle CQB=\angle CPB=180^\circ-\angle BAC. \] وهذا، مع (1)، يثبت النتيجة في هذه الحالة.
لنفترض الآن أن \(Q\ne P\). جميع تطابقات الزوايا في الحساب التالي هي لزوايا موجهة بترديد \(180^\circ\). بما أن \(QX\parallel AC\)، وأن النقاط \(A,P,Q\) على استقامة واحدة، وأن \(A,B,C,P\) تقع على دائرة واحدة، فإن \[ \angle BXQ \equiv \angle BCA \equiv \angle BPA \equiv \angle BPQ. \] إذن تقع \(B,X,Q,P\) على دائرة واحدة. وبالمثل، \[ \angle CYQ \equiv \angle CBA \equiv \angle CPA \equiv \angle CPQ, \] فتقع \(C,Y,Q,P\) على دائرة واحدة.
باستخدام هذين الرباعيين الدائريين وكون \(B,C,X,Y\) على استقامة واحدة، نحصل على \[ \begin{aligned} \angle CQB &\equiv \angle CQP+\angle PQB\\ &\equiv \angle CYP+\angle PXB\\ &\equiv -\angle YPX \pmod{180^\circ}. \end{aligned} \]
لتفسير ذلك بوصفه مساواة بين زوايا عادية، نوجّه الشكل بحيث تكون \(B\) إلى يسار \(C\) وتكون \(A\) فوق \(BC\). تقع كل من \(P,Q\) أسفل \(BC\)، وتقع \(X\) إلى يسار \(Y\). لذلك فإن الزاويتين الموجهتين عكس اتجاه عقارب الساعة \(\angle CQB\) و \(\angle YPX\) تساويان بالضبط زاويتيهما العاديتين، وتقع كل منهما تماماً بين \(0^\circ\) و \(180^\circ\). وبما أن مجموعهما مضاعف لـ \(180^\circ\)، فلا بد أن يساوي \(180^\circ\).
أخيراً، تعطي (1) \[ \boxed{\angle KIL+\angle YPX=180^\circ}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.