IMO 2025 · Problem 2
Let \(\Omega\) and \(\Gamma\) be circles with centres \(M\) and \(N\), respectively, such that the radius of \(\Omega\) is less than the radius of \(\Gamma\). Suppose circles \(\Omega\) and \(\Gamma\) intersect at two distinct points \(A\) and \(B\). Line \(MN\) intersects \(\Omega\) at \(C\) and \(\Gamma\) at \(D\), such that points \(C\), \(M\), \(N\) and \(D\) lie on the line in that order. Let \(P\) be the circumcentre of triangle \(ACD\). Line \(AP\) intersects \(\Omega\) again at \(E\ne A\). Line \(AP\) intersects \(\Gamma\) again at \(F\ne A\). Let \(H\) be the orthocentre of triangle \(PMN\).
Prove that the line through \(H\) parallel to \(AP\) is tangent to the circumcircle of triangle \(BEF\).
(The orthocentre of a triangle is the point of intersection of its altitudes.)
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Put \(r=AM\) and \(R=AN\), so \(r<R\). The distinct centres \(M,N\) both lie on the perpendicular bisector of \(AB\); therefore \(A\notin MN\), and triangle \(AMN\) is nondegenerate.
First observe that \(P\) is the excentre opposite \(A\) of triangle \(AMN\). Indeed, \(MA=MC\), so the perpendicular bisector of \(AC\) passes through \(M\) and bisects \(\angle AMC\). Since \(MC\) is opposite to \(MN\), this is the external angle bisector at \(M\) of triangle \(AMN\). Similarly, the perpendicular bisector of \(AD\) is the external angle bisector at \(N\). Their intersection \(P\) is consequently the excentre opposite \(A\).
Let \(I\) be the incentre of triangle \(AMN\). Thus \(A,I,P\) lie on the internal angle bisector at \(A\), and \[ MI\perp MP,\qquad NI\perp NP. \]
Let \(S\) be the midpoint of \(MN\), and let \(T\) and \(J\) be the images of \(A\) and \(I\), respectively, under the half-turn about \(S\). This half-turn interchanges \(M,N\), so \[ NJ\parallel MI\perp MP,\qquad MJ\parallel NI\perp NP. \] Hence \(J\) is the orthocentre of triangle \(PMN\), meaning \(J=H\). Since the half-turn maps \(AI\) to \(TH\), we obtain \[ TH\parallel AI=AP. \tag{1} \]
We will prove that \(T\) lies on the circumcircle of \(BEF\), with tangent parallel to \(AP\).
By its definition, \(T\) makes \(AMTN\) a parallelogram. In particular, \[ MT\parallel AN,\quad NT\parallel AM,\quad MT=R,\quad NT=r. \] Construct the rhombus with vertex \(A\), adjacent sides on the rays \(AM,AN\), and side length \(r\). Its opposite vertex lies on the internal angle bisector \(AP\) and is at distance \(r\) from \(M\); it is therefore \(E\). Likewise, the corresponding rhombus of side length \(R\) has opposite vertex \(F\).
Consequently, \(E\) lies on the ray \(MT\) with \(ME=r\), while \(F\) lies on the ray \(NT\) with \(NF=R\). Because \(r<R\), the point orders are \(M,E,T\) and \(N,T,F\). Thus \[ TE=R-r=TF,\qquad TE\parallel AN,\quad TF\parallel AM. \tag{2} \]
These facts show that \(E,F,T\) are distinct and noncollinear. Also, \(B\notin AP\): otherwise \(B\) would be the second intersection of \(AP\) with both original circles, giving \(E=F\). Finally, \(B\ne T\), since \(MB=r<R=MT\). Thus all circles and angles used below are nondegenerate.
Let \(t_\Omega,t_\Gamma\) be the tangents at \(A\) to \(\Omega,\Gamma\), respectively. Using directed angles modulo \(180^\circ\), the tangent–chord theorem gives \[ \begin{aligned} \angle(BE,BF) &=\angle(BE,BA)+\angle(BA,BF)\\ &=\angle(AP,t_\Omega)+\angle(t_\Gamma,AP)\\ &=\angle(t_\Gamma,t_\Omega)\\ &=\angle(AN,AM)\\ &=\angle(TE,TF). \end{aligned} \] Here the penultimate equality follows from \(t_\Gamma\perp AN\) and \(t_\Omega\perp AM\), and the last follows from (2). Therefore \(B,E,F,T\) are concyclic.
Let \(O\) be their circumcentre. By \(TE=TF\), both \(T\) and \(O\) lie on the perpendicular bisector of \(EF\). Hence \(OT\perp EF\), so the tangent at \(T\) is parallel to \(EF\), and thus to \(AP\). By (1), this tangent is precisely the line through \(H\) parallel to \(AP\), as required. \(\square\)
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2025 · Aufgabe 2
Es seien \(\Omega\) und \(\Gamma\) Kreise mit den Mittelpunkten \(M\) beziehungsweise \(N\), wobei der Radius von \(\Omega\) kleiner ist als der Radius von \(\Gamma\). Die Kreise \(\Omega\) und \(\Gamma\) schneiden einander in verschiedenen Punkten \(A\) und \(B\). Die Gerade \(MN\) schneide \(\Omega\) in \(C\) und \(\Gamma\) in \(D\), wobei die Punkte \(C\), \(M\), \(N\) und \(D\) in dieser Reihenfolge auf der Geraden liegen. Der Umkreismittelpunkt des Dreiecks \(ACD\) sei \(P\). Die Gerade \(AP\) schneide \(\Omega\) in einem weiteren Punkt \(E\neq A\). Die Gerade \(AP\) schneide \(\Gamma\) in einem weiteren Punkt \(F\neq A\). Der Höhenschnittpunkt des Dreiecks \(PMN\) sei \(H\).
Man beweise, dass die durch \(H\) verlaufende Parallele zu \(AP\) eine Tangente an den Umkreis des Dreiecks \(BEF\) ist.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir setzen \(r=AM\) und \(R=AN\), sodass \(r<R\). Die verschiedenen Mittelpunkte \(M,N\) liegen beide auf der Mittelsenkrechten von \(AB\); daher gilt \(A\notin MN\), und das Dreieck \(AMN\) ist nicht entartet.
Zunächst stellen wir fest, dass \(P\) der \(A\) gegenüberliegende Ankreismittelpunkt des Dreiecks \(AMN\) ist. Tatsächlich ist \(MA=MC\), also verläuft die Mittelsenkrechte von \(AC\) durch \(M\) und halbiert \(\angle AMC\). Da \(MC\) und \(MN\) entgegengesetzte Strahlen sind, ist dies die Außenwinkelhalbierende bei \(M\) im Dreieck \(AMN\). Ebenso ist die Mittelsenkrechte von \(AD\) die Außenwinkelhalbierende bei \(N\). Ihr Schnittpunkt \(P\) ist folglich der \(A\) gegenüberliegende Ankreismittelpunkt.
Sei \(I\) der Inkreismittelpunkt des Dreiecks \(AMN\). Somit liegen \(A,I,P\) auf der Innenwinkelhalbierenden bei \(A\), und \[ MI\perp MP,\qquad NI\perp NP. \]
Sei \(S\) der Mittelpunkt von \(MN\), und seien \(T\) und \(J\) die Bilder von \(A\) beziehungsweise \(I\) bei der Punktspiegelung an \(S\). Diese Punktspiegelung vertauscht \(M,N\), also gilt \[ NJ\parallel MI\perp MP,\qquad MJ\parallel NI\perp NP. \] Somit ist \(J\) der Höhenschnittpunkt des Dreiecks \(PMN\), also \(J=H\). Da die Punktspiegelung \(AI\) auf \(TH\) abbildet, erhalten wir \[ TH\parallel AI=AP. \tag{1} \]
Wir werden beweisen, dass \(T\) auf dem Umkreis von \(BEF\) liegt und die Tangente dort parallel zu \(AP\) ist.
Nach der Definition von \(T\) ist \(AMTN\) ein Parallelogramm. Insbesondere gilt \[ MT\parallel AN,\quad NT\parallel AM,\quad MT=R,\quad NT=r. \] Wir konstruieren die Raute mit Eckpunkt \(A\), anliegenden Seiten auf den Strahlen \(AM,AN\) und Seitenlänge \(r\). Ihr gegenüberliegender Eckpunkt liegt auf der Innenwinkelhalbierenden \(AP\) und hat von \(M\) den Abstand \(r\); er ist daher \(E\). Ebenso hat die entsprechende Raute mit Seitenlänge \(R\) den gegenüberliegenden Eckpunkt \(F\).
Folglich liegt \(E\) auf dem Strahl \(MT\) mit \(ME=r\), während \(F\) auf dem Strahl \(NT\) mit \(NF=R\) liegt. Wegen \(r<R\) ist die Reihenfolge der Punkte \(M,E,T\) beziehungsweise \(N,T,F\). Somit gilt \[ TE=R-r=TF,\qquad TE\parallel AN,\quad TF\parallel AM. \tag{2} \]
Diese Tatsachen zeigen, dass \(E,F,T\) verschieden sind und nicht auf einer Geraden liegen. Außerdem gilt \(B\notin AP\): Andernfalls wäre \(B\) der zweite Schnittpunkt von \(AP\) mit beiden ursprünglichen Kreisen, was \(E=F\) ergäbe. Schließlich ist \(B\ne T\), da \(MB=r<R=MT\). Somit sind alle im Folgenden verwendeten Kreise und Winkel nicht entartet.
Seien \(t_\Omega,t_\Gamma\) die Tangenten in \(A\) an \(\Omega\) beziehungsweise \(\Gamma\). Mit gerichteten Winkeln modulo \(180^\circ\) ergibt der Sehnen-Tangenten-Winkelsatz \[ \begin{aligned} \angle(BE,BF) &=\angle(BE,BA)+\angle(BA,BF)\\ &=\angle(AP,t_\Omega)+\angle(t_\Gamma,AP)\\ &=\angle(t_\Gamma,t_\Omega)\\ &=\angle(AN,AM)\\ &=\angle(TE,TF). \end{aligned} \] Hier folgt die vorletzte Gleichheit aus \(t_\Gamma\perp AN\) und \(t_\Omega\perp AM\), und die letzte aus (2). Daher liegen \(B,E,F,T\) auf einem Kreis.
Sei \(O\) dessen Mittelpunkt. Wegen \(TE=TF\) liegen sowohl \(T\) als auch \(O\) auf der Mittelsenkrechten von \(EF\). Daher ist \(OT\perp EF\), also ist die Tangente in \(T\) parallel zu \(EF\) und somit zu \(AP\). Nach (1) ist diese Tangente genau die Gerade durch \(H\), die parallel zu \(AP\) verläuft, wie gefordert. \(\square\)
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2025 · Soru 2
\(\Omega\) ve \(\Gamma\) çemberlerinin merkezleri sırasıyla \(M\) ve \(N\) olsun, ve \(\Omega\) çemberinin yarıçapı \(\Gamma\) çemberinin yarıçapından daha küçük olsun. \(\Omega\) ve \(\Gamma\) çemberleri birbirlerinden farklı \(A\) ve \(B\) noktalarında kesişiyor. \(MN\) doğrusu \(\Omega\) ile \(C\) noktasında ve \(\Gamma\) ile \(D\) noktasında, bu noktalar bulundukları doğru üzerinde \(C\), \(M\), \(N\) ve \(D\) sırası ile yer alacak şekilde kesişiyor. \(ACD\) üçgeninin çevrel çemberinin merkezi \(P\) olsun. \(AP\) doğrusunun \(\Omega\) ile ikinci kesişim noktası \(E\ne A\) olsun. \(AP\) doğrusunun \(\Gamma\) ile ikinci kesişim noktası \(F\ne A\) olsun. \(PMN\) üçgeninin diklik merkezi \(H\) olsun.
\(H\) noktasından geçen ve \(AP\) doğrusuna paralel olan doğrunun \(BEF\) üçgeninin çevrel çemberine teğet olduğunu gösteriniz.
(Bir üçgenin diklik merkezi, o üçgenin yüksekliklerinin kesişim noktasıdır.)
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(r=AM\) ve \(R=AN\) olsun; böylece \(r<R\) olur. Birbirinden farklı \(M,N\) merkezlerinin ikisi de \(AB\)'nin orta dikmesi üzerindedir; dolayısıyla \(A\notin MN\) ve \(AMN\) üçgeni dejenere değildir.
Önce \(P\)'nin, \(AMN\) üçgeninin \(A\) köşesine karşılık gelen dış teğet çemberinin merkezi olduğunu gözlemleyelim. Gerçekten de \(MA=MC\) olduğundan \(AC\)'nin orta dikmesi \(M\)'den geçer ve \(\angle AMC\)'yi iki eş parçaya böler. \(MC\), \(MN\)'ye zıt yönlü olduğundan bu doğru, \(AMN\) üçgeninin \(M\) köşesindeki dış açıortaydır. Benzer şekilde \(AD\)'nin orta dikmesi, \(N\) köşesindeki dış açıortaydır. Dolayısıyla bunların kesişimi \(P\), \(A\) köşesine karşılık gelen dış teğet çemberin merkezidir.
\(I\), \(AMN\) üçgeninin iç teğet çemberinin merkezi olsun. Böylece \(A,I,P\), \(A\) köşesindeki iç açıortay üzerinde bulunur ve \[ MI\perp MP,\qquad NI\perp NP. \]
\(S\), \(MN\)'nin orta noktası olsun; \(T\) ve \(J\) de sırasıyla \(A\) ve \(I\)'nın \(S\) merkezli yarım dönme altındaki görüntüleri olsun. Bu yarım dönme \(M,N\)'nin yerlerini değiştirdiğinden \[ NJ\parallel MI\perp MP,\qquad MJ\parallel NI\perp NP \] olur. Dolayısıyla \(J\), \(PMN\) üçgeninin diklik merkezidir; yani \(J=H\)'dir. Yarım dönme \(AI\)'yı \(TH\)'ye götürdüğünden \[ TH\parallel AI=AP \tag{1} \] elde edilir.
\(T\)'nin \(BEF\)'nin çevrel çemberi üzerinde bulunduğunu ve bu noktadaki teğetin \(AP\)'ye paralel olduğunu kanıtlayacağız.
Tanımı gereği \(T\), \(AMTN\)'yi bir paralelkenar yapar. Özellikle, \[ MT\parallel AN,\quad NT\parallel AM,\quad MT=R,\quad NT=r. \] Bir köşesi \(A\), bu köşeye komşu kenarları \(AM,AN\) ışınları üzerinde ve kenar uzunluğu \(r\) olan eşkenar dörtgeni çizelim. Karşı köşesi \(AP\) iç açıortayı üzerinde bulunur ve \(M\)'ye uzaklığı \(r\)'dir; dolayısıyla bu köşe \(E\)'dir. Benzer şekilde, kenar uzunluğu \(R\) olan eşkenar dörtgenin karşı köşesi \(F\)'dir.
Sonuç olarak \(E\), \(MT\) ışını üzerinde olup \(ME=r\)'dir; \(F\) ise \(NT\) ışını üzerinde olup \(NF=R\)'dir. \(r<R\) olduğundan noktaların sıraları \(M,E,T\) ve \(N,T,F\)'dir. Böylece \[ TE=R-r=TF,\qquad TE\parallel AN,\quad TF\parallel AM. \tag{2} \]
Bu olgular, \(E,F,T\)'nin birbirinden farklı ve doğrusal olmayan noktalar olduğunu gösterir. Ayrıca \(B\notin AP\)'dir: aksi hâlde \(B\), \(AP\)'nin başlangıçtaki her iki çemberle de ikinci kesişim noktası olur ve \(E=F\) elde edilirdi. Son olarak, \(MB=r<R=MT\) olduğundan \(B\ne T\)'dir. Böylece aşağıda kullanılan bütün çemberler ve açılar dejenere değildir.
\(t_\Omega,t_\Gamma\), sırasıyla \(\Omega,\Gamma\)'ya \(A\) noktasında çizilen teğetler olsun. \(180^\circ\) modunda yönlü açılar kullanıldığında teğet-kiriş teoremi \[ \begin{aligned} \angle(BE,BF) &=\angle(BE,BA)+\angle(BA,BF)\\ &=\angle(AP,t_\Omega)+\angle(t_\Gamma,AP)\\ &=\angle(t_\Gamma,t_\Omega)\\ &=\angle(AN,AM)\\ &=\angle(TE,TF) \end{aligned} \] verir. Burada sondan bir önceki eşitlik \(t_\Gamma\perp AN\) ve \(t_\Omega\perp AM\)'den, son eşitlik ise (2)'den gelir. Dolayısıyla \(B,E,F,T\) çemberseldir.
Bu noktaların çevrel çemberinin merkezi \(O\) olsun. \(TE=TF\) olduğundan hem \(T\) hem de \(O\), \(EF\)'nin orta dikmesi üzerindedir. Bu nedenle \(OT\perp EF\)'dir; dolayısıyla \(T\)'deki teğet \(EF\)'ye ve böylece \(AP\)'ye paraleldir. (1) gereği bu teğet, tam olarak \(H\)'den geçen ve \(AP\)'ye paralel olan doğrudur; istenen de budur. \(\square\)
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2025 · Problema 2
Sean \(\Omega\) y \(\Gamma\) circunferencias de centros \(M\) y \(N\), respectivamente, tales que el radio de \(\Omega\) es menor que el radio de \(\Gamma\). Supongamos que las circunferencias \(\Omega\) y \(\Gamma\) se cortan en dos puntos distintos \(A\) y \(B\). La recta \(MN\) corta a \(\Omega\) en \(C\) y a \(\Gamma\) en \(D\), de forma que los puntos \(C\), \(M\), \(N\) y \(D\) están sobre esa recta en ese orden. Sea \(P\) el circuncentro del triángulo \(ACD\). La recta \(AP\) corta de nuevo a \(\Omega\) en \(E\neq A\). La recta \(AP\) corta de nuevo a \(\Gamma\) en \(F\neq A\). Sea \(H\) el ortocentro del triángulo \(PMN\).
Demuestre que la recta paralela a \(AP\) que pasa por \(H\) es tangente al circuncírculo del triángulo \(BEF\).
(El ortocentro de un triángulo es el punto de intersección de sus alturas.)
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sean \(r=AM\) y \(R=AN\), de modo que \(r<R\). Los centros distintos \(M,N\) están ambos en la mediatriz de \(AB\); por tanto, \(A\notin MN\), y el triángulo \(AMN\) no es degenerado.
Observemos primero que \(P\) es el excentro opuesto a \(A\) del triángulo \(AMN\). En efecto, \(MA=MC\), de modo que la mediatriz de \(AC\) pasa por \(M\) y biseca \(\angle AMC\). Como \(MC\) es opuesta a \(MN\), esta es la bisectriz exterior en \(M\) del triángulo \(AMN\). Análogamente, la mediatriz de \(AD\) es la bisectriz exterior en \(N\). Por consiguiente, su intersección \(P\) es el excentro opuesto a \(A\).
Sea \(I\) el incentro del triángulo \(AMN\). Así, \(A,I,P\) están en la bisectriz interior en \(A\), y \[ MI\perp MP,\qquad NI\perp NP. \]
Sea \(S\) el punto medio de \(MN\), y sean \(T\) y \(J\) las imágenes de \(A\) e \(I\), respectivamente, bajo el giro de media vuelta con centro en \(S\). Este giro intercambia \(M,N\), de modo que \[ NJ\parallel MI\perp MP,\qquad MJ\parallel NI\perp NP. \] Por tanto, \(J\) es el ortocentro del triángulo \(PMN\), es decir, \(J=H\). Como el giro de media vuelta transforma \(AI\) en \(TH\), obtenemos \[ TH\parallel AI=AP. \tag{1} \]
Demostraremos que \(T\) pertenece al circuncírculo de \(BEF\), cuya tangente en ese punto es paralela a \(AP\).
Por su definición, \(T\) hace que \(AMTN\) sea un paralelogramo. En particular, \[ MT\parallel AN,\quad NT\parallel AM,\quad MT=R,\quad NT=r. \] Construyamos el rombo de vértice \(A\), con lados adyacentes sobre las semirrectas \(AM,AN\), y de lado \(r\). Su vértice opuesto está en la bisectriz interior \(AP\) y a distancia \(r\) de \(M\); por tanto, es \(E\). Análogamente, el rombo correspondiente de lado \(R\) tiene como vértice opuesto a \(F\).
Por consiguiente, \(E\) está en la semirrecta \(MT\) con \(ME=r\), mientras que \(F\) está en la semirrecta \(NT\) con \(NF=R\). Como \(r<R\), los puntos están en los órdenes \(M,E,T\) y \(N,T,F\). Así, \[ TE=R-r=TF,\qquad TE\parallel AN,\quad TF\parallel AM. \tag{2} \]
Estos hechos muestran que \(E,F,T\) son distintos y no colineales. Además, \(B\notin AP\): de lo contrario, \(B\) sería la segunda intersección de \(AP\) con ambas circunferencias originales, lo que daría \(E=F\). Finalmente, \(B\ne T\), ya que \(MB=r<R=MT\). Por tanto, todas las circunferencias y todos los ángulos utilizados a continuación son no degenerados.
Sean \(t_\Omega,t_\Gamma\) las tangentes en \(A\) a \(\Omega,\Gamma\), respectivamente. Usando ángulos orientados módulo \(180^\circ\), el teorema del ángulo entre tangente y cuerda da \[ \begin{aligned} \angle(BE,BF) &=\angle(BE,BA)+\angle(BA,BF)\\ &=\angle(AP,t_\Omega)+\angle(t_\Gamma,AP)\\ &=\angle(t_\Gamma,t_\Omega)\\ &=\angle(AN,AM)\\ &=\angle(TE,TF). \end{aligned} \] Aquí, la penúltima igualdad se deduce de \(t_\Gamma\perp AN\) y \(t_\Omega\perp AM\), y la última se deduce de (2). Por tanto, \(B,E,F,T\) son concíclicos.
Sea \(O\) su circuncentro. Por \(TE=TF\), tanto \(T\) como \(O\) están en la mediatriz de \(EF\). Por tanto, \(OT\perp EF\), de modo que la tangente en \(T\) es paralela a \(EF\) y, por ello, a \(AP\). Por (1), esta tangente es precisamente la recta que pasa por \(H\) y es paralela a \(AP\), como se quería demostrar. \(\square\)
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2025 · 问题 2
设圆 \(\Omega\) 和圆 \(\Gamma\) 的圆心分别为点 \(M\) 和点 \(N\),且 \(\Omega\) 的半径小于 \(\Gamma\) 的半径。设两圆 \(\Omega\) 与 \(\Gamma\) 交于相异的两点 \(A,B\)。设直线 \(MN\) 与圆 \(\Omega\) 的交点之一为 \(C\),直线 \(MN\) 与圆 \(\Gamma\) 的交点之一为 \(D\),且点 \(C,M,N,D\) 在直线上顺次排列。记 \(P\) 为三角形 \(ACD\) 的外心。直线 \(AP\) 交圆 \(\Omega\) 于点 \(E\ne A\),直线 \(AP\) 交圆 \(\Gamma\) 于点 \(F\ne A\)。设点 \(H\) 为三角形 \(PMN\) 的垂心。
证明:过 \(H\) 且平行于 \(AP\) 的直线与三角形 \(BEF\) 的外接圆相切。
(三角形的垂心是三角形三条高所在直线的交点。)
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
令 \(r=AM\),\(R=AN\),则 \(r<R\)。两个不同的圆心 \(M,N\) 都在 \(AB\) 的垂直平分线上;因此 \(A\notin MN\),且三角形 \(AMN\) 非退化。
首先注意到,\(P\) 是三角形 \(AMN\) 中与顶点 \(A\) 相对的旁心。事实上,\(MA=MC\),所以 \(AC\) 的垂直平分线经过 \(M\),并平分 \(\angle AMC\)。由于射线 \(MC\) 与 \(MN\) 方向相反,这条直线就是三角形 \(AMN\) 在 \(M\) 处的外角平分线。同理,\(AD\) 的垂直平分线是在 \(N\) 处的外角平分线。因此,它们的交点 \(P\) 就是与顶点 \(A\) 相对的旁心。
设 \(I\) 为三角形 \(AMN\) 的内心。于是 \(A,I,P\) 位于 \(A\) 处的内角平分线上,且 \[ MI\perp MP,\qquad NI\perp NP. \]
设 \(S\) 为 \(MN\) 的中点,\(T\) 和 \(J\) 分别为 \(A\) 和 \(I\) 绕 \(S\) 旋转半周后的像。这一旋转交换 \(M,N\),所以 \[ NJ\parallel MI\perp MP,\qquad MJ\parallel NI\perp NP. \] 因此 \(J\) 是三角形 \(PMN\) 的垂心,即 \(J=H\)。由于这一旋转将 \(AI\) 映到 \(TH\),我们得到 \[ TH\parallel AI=AP. \tag{1} \]
我们将证明 \(T\) 位于 \(BEF\) 的外接圆上,且该圆在 \(T\) 处的切线平行于 \(AP\)。
由 \(T\) 的定义,四边形 \(AMTN\) 是平行四边形。特别地, \[ MT\parallel AN,\quad NT\parallel AM,\quad MT=R,\quad NT=r. \] 作一个以 \(A\) 为顶点、相邻两边分别位于射线 \(AM,AN\) 上、边长为 \(r\) 的菱形。它的对顶点位于内角平分线 \(AP\) 上,且到 \(M\) 的距离为 \(r\);因此该顶点就是 \(E\)。同样地,边长为 \(R\) 的相应菱形的对顶点为 \(F\)。
因此,\(E\) 位于射线 \(MT\) 上,且 \(ME=r\),而 \(F\) 位于射线 \(NT\) 上,且 \(NF=R\)。由于 \(r<R\),各点的顺序分别为 \(M,E,T\) 和 \(N,T,F\)。于是 \[ TE=R-r=TF,\qquad TE\parallel AN,\quad TF\parallel AM. \tag{2} \]
这些事实表明 \(E,F,T\) 两两不同且不共线。此外,\(B\notin AP\):否则 \(B\) 就是 \(AP\) 与原来两个圆的第二个交点,从而 \(E=F\)。最后,由于 \(MB=r<R=MT\),有 \(B\ne T\)。因此,下文使用的所有圆和角都是非退化的。
设 \(t_\Omega,t_\Gamma\) 分别为 \(\Omega,\Gamma\) 在 \(A\) 处的切线。使用模 \(180^\circ\) 的有向角,由弦切角定理可得 \[ \begin{aligned} \angle(BE,BF) &=\angle(BE,BA)+\angle(BA,BF)\\ &=\angle(AP,t_\Omega)+\angle(t_\Gamma,AP)\\ &=\angle(t_\Gamma,t_\Omega)\\ &=\angle(AN,AM)\\ &=\angle(TE,TF). \end{aligned} \] 这里,倒数第二个等式由 \(t_\Gamma\perp AN\) 和 \(t_\Omega\perp AM\) 得到,最后一个等式由 (2) 得到。因此 \(B,E,F,T\) 四点共圆。
设 \(O\) 为它们所在圆的圆心。由 \(TE=TF\),\(T\) 和 \(O\) 都位于 \(EF\) 的垂直平分线上。因此 \(OT\perp EF\),故该圆在 \(T\) 处的切线平行于 \(EF\),从而平行于 \(AP\)。由 (1),这条切线正是过 \(H\) 且平行于 \(AP\) 的直线,得证。\(\square\)
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2025 · Задача 2
Пусть \(\Omega\) и \(\Gamma\) – окружности с центрами \(M\) и \(N\) соответственно, такие, что радиус \(\Omega\) меньше радиуса \(\Gamma\). Предположим, что окружности \(\Omega\) и \(\Gamma\) пересекаются в двух различных точках \(A\) и \(B\). Прямая \(MN\) пересекает \(\Omega\) в точке \(C\), а \(\Gamma\) – в точке \(D\), так что точки \(C\), \(M\), \(N\) и \(D\) лежат на этой прямой в указанном порядке. Пусть \(P\) – центр описанной окружности треугольника \(ACD\). Прямая \(AP\) второй раз пересекает \(\Omega\) в точке \(E\ne A\). Прямая \(AP\) второй раз пересекает \(\Gamma\) в точке \(F\ne A\). Пусть \(H\) – ортоцентр треугольника \(PMN\).
Докажите, что прямая, проходящая через точку \(H\) и параллельная \(AP\), касается описанной окружности треугольника \(BEF\).
(Ортоцентр треугольника – это точка пересечения его высот.)
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Положим \(r=AM\) и \(R=AN\), так что \(r<R\). Различные центры \(M,N\) лежат на серединном перпендикуляре к \(AB\); следовательно, \(A\notin MN\), и треугольник \(AMN\) невырожден.
Сначала заметим, что \(P\) — центр вневписанной окружности треугольника \(AMN\), противоположной вершине \(A\). Действительно, \(MA=MC\), поэтому серединный перпендикуляр к \(AC\) проходит через \(M\) и делит угол \(\angle AMC\) пополам. Поскольку луч \(MC\) противоположен лучу \(MN\), это биссектриса внешнего угла при вершине \(M\) треугольника \(AMN\). Аналогично серединный перпендикуляр к \(AD\) является биссектрисой внешнего угла при вершине \(N\). Следовательно, их точка пересечения \(P\) — центр вневписанной окружности, противоположной вершине \(A\).
Пусть \(I\) — центр вписанной окружности треугольника \(AMN\). Тогда \(A,I,P\) лежат на биссектрисе внутреннего угла при вершине \(A\), и \[ MI\perp MP,\qquad NI\perp NP. \]
Пусть \(S\) — середина \(MN\), а \(T\) и \(J\) — образы точек \(A\) и \(I\) соответственно при центральной симметрии относительно \(S\). Эта симметрия меняет местами \(M,N\), поэтому \[ NJ\parallel MI\perp MP,\qquad MJ\parallel NI\perp NP. \] Значит, \(J\) — ортоцентр треугольника \(PMN\), то есть \(J=H\). Поскольку центральная симметрия переводит \(AI\) в \(TH\), получаем \[ TH\parallel AI=AP. \tag{1} \]
Докажем, что \(T\) лежит на описанной окружности треугольника \(BEF\), а касательная в этой точке параллельна \(AP\).
По определению точки \(T\) четырёхугольник \(AMTN\) — параллелограмм. В частности, \[ MT\parallel AN,\quad NT\parallel AM,\quad MT=R,\quad NT=r. \] Построим ромб с вершиной \(A\), прилегающими сторонами на лучах \(AM,AN\) и стороной длины \(r\). Его противоположная вершина лежит на биссектрисе внутреннего угла \(AP\) и находится на расстоянии \(r\) от \(M\); следовательно, это точка \(E\). Аналогично противоположной вершиной соответствующего ромба со стороной длины \(R\) является \(F\).
Следовательно, \(E\) лежит на луче \(MT\), причём \(ME=r\), а \(F\) лежит на луче \(NT\), причём \(NF=R\). Поскольку \(r<R\), точки расположены в порядке \(M,E,T\) и \(N,T,F\). Таким образом, \[ TE=R-r=TF,\qquad TE\parallel AN,\quad TF\parallel AM. \tag{2} \]
Из этих фактов следует, что точки \(E,F,T\) различны и не лежат на одной прямой. Кроме того, \(B\notin AP\): иначе \(B\) была бы второй точкой пересечения \(AP\) с обеими исходными окружностями, откуда \(E=F\). Наконец, \(B\ne T\), поскольку \(MB=r<R=MT\). Таким образом, все используемые ниже окружности и углы невырождены.
Пусть \(t_\Omega,t_\Gamma\) — касательные в точке \(A\) к \(\Omega,\Gamma\) соответственно. Используя ориентированные углы по модулю \(180^\circ\), по теореме об угле между касательной и хордой получаем \[ \begin{aligned} \angle(BE,BF) &=\angle(BE,BA)+\angle(BA,BF)\\ &=\angle(AP,t_\Omega)+\angle(t_\Gamma,AP)\\ &=\angle(t_\Gamma,t_\Omega)\\ &=\angle(AN,AM)\\ &=\angle(TE,TF). \end{aligned} \] Здесь предпоследнее равенство следует из \(t_\Gamma\perp AN\) и \(t_\Omega\perp AM\), а последнее — из (2). Следовательно, точки \(B,E,F,T\) лежат на одной окружности.
Пусть \(O\) — центр этой окружности. В силу \(TE=TF\) обе точки \(T\) и \(O\) лежат на серединном перпендикуляре к \(EF\). Поэтому \(OT\perp EF\), значит, касательная в точке \(T\) параллельна \(EF\), а следовательно, и \(AP\). По (1) эта касательная и есть прямая, проходящая через \(H\) параллельно \(AP\), что и требовалось доказать. \(\square\)
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2025 · المسألة 2
لتكن \(\Omega\) و \(\Gamma\) دائرتين مركزهما \(M\) و \(N\) على الترتيب، بحيث نصف قطر الدائرة \(\Omega\) أصغر من نصف قطر الدائرة \(\Gamma\). بفرض \(\Omega\) و \(\Gamma\) تتقاطعان في نقطتين مختلفتين \(A\) و \(B\). المستقيم \(MN\) يقطع الدائرة \(\Omega\) في النقطة \(C\) ويقطع الدائرة \(\Gamma\) في النقطة \(D\)، بحيث تقع النقاط \(C,M,N,D\) على استقامة واحدة بهذا الترتيب. لتكن \(P\) مركز الدائرة المحيطة بالمثلث \(ACD\). المستقيم \(AP\) يقطع \(\Omega\) مرة أخرى في النقطة \(E\ne A\)، ويقطع \(\Gamma\) مرة أخرى في النقطة \(F\ne A\). لتكن \(H\) هو نقطة تقاطع ارتفاعات المثلث \(PMN\).
أثبت أن المستقيم المار بـ \(H\) والموازي للمستقيم \(AP\) هو مماس للدائرة المحيطة بالمثلث \(BEF\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لنضع \(r=AM\) و \(R=AN\)، فيكون \(r<R\). يقع المركزان المختلفان \(M,N\) كلاهما على المنصف العمودي للقطعة \(AB\)؛ ومن ثم \(A\notin MN\)، والمثلث \(AMN\) غير منعدم.
نلاحظ أولاً أن \(P\) هو مركز الدائرة الخارجية المقابلة للرأس \(A\) في المثلث \(AMN\). بالفعل، \(MA=MC\)، لذا يمر المنصف العمودي للقطعة \(AC\) بالنقطة \(M\) وينصف \(\angle AMC\). وبما أن الشعاع \(MC\) معاكس للشعاع \(MN\)، فإن هذا هو منصف الزاوية الخارجية عند \(M\) في المثلث \(AMN\). وبالمثل، فإن المنصف العمودي للقطعة \(AD\) هو منصف الزاوية الخارجية عند \(N\). ومن ثم فإن نقطة تقاطعهما \(P\) هي مركز الدائرة الخارجية المقابلة للرأس \(A\).
لتكن \(I\) مركز الدائرة الداخلية للمثلث \(AMN\). إذن تقع \(A,I,P\) على منصف الزاوية الداخلية عند \(A\)، ولدينا \[ MI\perp MP,\qquad NI\perp NP. \]
لتكن \(S\) منتصف \(MN\)، ولتكن \(T\) و \(J\) صورتَي \(A\) و \(I\)، على الترتيب، بالدوران نصف دورة حول \(S\). يبادل هذا الدوران بين \(M,N\)، ولذلك \[ NJ\parallel MI\perp MP,\qquad MJ\parallel NI\perp NP. \] إذن \(J\) هي ملتقى ارتفاعات المثلث \(PMN\)، أي إن \(J=H\). وبما أن الدوران نصف دورة يحوّل \(AI\) إلى \(TH\)، نحصل على \[ TH\parallel AI=AP. \tag{1} \]
سنثبت أن \(T\) تقع على الدائرة المحيطة بالمثلث \(BEF\)، وأن المماس عندها يوازي \(AP\).
بحسب تعريف \(T\)، يكون \(AMTN\) متوازي أضلاع. وعلى وجه الخصوص، \[ MT\parallel AN,\quad NT\parallel AM,\quad MT=R,\quad NT=r. \] ننشئ المعين الذي أحد رؤوسه \(A\)، وضلعاه المجاوران لهذا الرأس يقعان على الشعاعين \(AM,AN\)، وطول ضلعه \(r\). يقع رأسه المقابل على منصف الزاوية الداخلية \(AP\)، ويبعد مسافة \(r\) عن \(M\)؛ ولذلك فهو \(E\). وبالمثل، فإن المعين المناظر ذا الضلع \(R\) رأسه المقابل هو \(F\).
وعليه، تقع \(E\) على الشعاع \(MT\) مع \(ME=r\)، بينما تقع \(F\) على الشعاع \(NT\) مع \(NF=R\). وبما أن \(r<R\)، فإن ترتيب النقاط هو \(M,E,T\) و \(N,T,F\). ومن ثم \[ TE=R-r=TF,\qquad TE\parallel AN,\quad TF\parallel AM. \tag{2} \]
تُظهر هذه الحقائق أن \(E,F,T\) مختلفة وليست على استقامة واحدة. كذلك، \(B\notin AP\): وإلا لكانت \(B\) نقطة التقاطع الثانية لـ \(AP\) مع كلتا الدائرتين الأصليتين، مما يعطي \(E=F\). وأخيراً، \(B\ne T\)، لأن \(MB=r<R=MT\). إذن كل الدوائر والزوايا المستخدمة فيما يلي غير منعدمة.
ليكن \(t_\Omega,t_\Gamma\) المماسين عند \(A\) للدائرتين \(\Omega,\Gamma\)، على الترتيب. باستخدام الزوايا الموجهة بترديد \(180^\circ\)، تعطينا نظرية الزاوية بين المماس والوتر \[ \begin{aligned} \angle(BE,BF) &=\angle(BE,BA)+\angle(BA,BF)\\ &=\angle(AP,t_\Omega)+\angle(t_\Gamma,AP)\\ &=\angle(t_\Gamma,t_\Omega)\\ &=\angle(AN,AM)\\ &=\angle(TE,TF). \end{aligned} \] هنا تنتج المساواة قبل الأخيرة من \(t_\Gamma\perp AN\) و \(t_\Omega\perp AM\)، وتنتج الأخيرة من (2). وبالتالي تقع \(B,E,F,T\) على دائرة واحدة.
لتكن \(O\) مركز هذه الدائرة. من \(TE=TF\)، تقع كل من \(T\) و \(O\) على المنصف العمودي للقطعة \(EF\). إذن \(OT\perp EF\)، فيكون المماس عند \(T\) موازياً لـ \(EF\)، ومن ثم لـ \(AP\). وبحسب (1)، فإن هذا المماس هو بالضبط المستقيم المار بـ \(H\) والموازي لـ \(AP\)، وهو المطلوب. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.