IMO 2026 · Problem 2
Let \(ABC\) be a triangle and let points \(M\) and \(N\) be the midpoints of sides \(AB\) and \(AC\), respectively. Let points \(K\) and \(L\) be chosen strictly inside triangles \(BMC\) and \(BNC\), respectively, such that \(K\) lies strictly inside triangle \(ABL\) and \(L\) lies strictly inside triangle \(AKC\). Suppose that \[ \angle KBA=\angle ACL,\qquad \angle LBK=\angle LNC,\qquad\text{and}\qquad \angle LCK=\angle BMK. \] Let \(O\) be the circumcentre of triangle \(AKL\). Prove that \(OM=ON\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let \(D=BK\cap AC\) and \(E=CL\cap AB\). Since \(K,L\) lie inside \(ABC\), these intersections lie in the open sides \(AC,AB\), respectively.
We use directed angles modulo \(180^\circ\). To justify their use, orient \(ABC\) counterclockwise. The interior conditions give the counterclockwise ray orders \[ BC,BL,BK,BA \qquad\text{and}\qquad CA,CL,CK,CB. \] Also, \(MK\) lies inside the counterclockwise sector from \(MB\) to \(MC\), and \(NL\) inside that from \(NB\) to \(NC\). Thus all the given angle equalities hold as directed-angle equalities.
The first equality shows that triangles \(ABD\) and \(ACE\) are similar: they have the same angle at \(A\), and \(\angle ABD=\angle ACE\). Consequently, \[ AB\cdot AE=AC\cdot AD=:p>0. \] By the converse of the secant power theorem, \(B,C,D,E\) lie on a circle \(\omega_0\).
Define two further circles \[ \omega_1=(BLN),\qquad \omega_2=(CKM). \] They are well-defined because \(L\) is strictly inside \(BNC\), and \(K\) is strictly inside \(BMC\).
If \(D\ne N\), the second angle equality gives \[ \angle LBD=\angle LNC=\angle LND, \] so \(D\in\omega_1\). If \(D=N\), that equality becomes \(\angle LBN=\angle LNC\); by the converse tangent–chord theorem, \(AC\) is tangent to \(\omega_1\) at \(N\). Thus, in either case, the intersections of \(\omega_1\) with \(AC\), counted with multiplicity, are \(D,N\).
Similarly, if \(E\ne M\), the third equality gives \[ \angle ECK=\angle BMK=\angle EMK, \] so \(E\in\omega_2\). If \(E=M\), the same equality says that \(AB\) is tangent to \(\omega_2\) at \(M\). Hence its intersections with \(AB\), counted with multiplicity, are \(E,M\).
Write \(\pi_i(X)\) for the power of \(X\) with respect to \(\omega_i\). The secant and tangent power formulas now give \[ \pi_0(A)=p,\qquad \pi_1(A)=AD\cdot AN=\frac p2,\qquad \pi_2(A)=AE\cdot AM=\frac p2. \tag{1} \]
Let \(\omega=(AKL)\), and write \(\pi(X)\) for its power function. This circle is well-defined since \(K\) lies strictly inside \(ABL\), so \(A,K,L\) are noncollinear. We claim that, for every point \(X\), \[ \pi(X)=\pi_1(X)+\pi_2(X)-\pi_0(X). \tag{2} \]
Indeed, a circle with centre \(T\) and radius \(r\) has power function \[ |X-T|^2-r^2. \] Therefore \[ H(X)=\pi_1(X)+\pi_2(X)-\pi_0(X)-\pi(X) \] is affine in the coordinates of \(X\), since its quadratic terms cancel. Equation (1) gives \(H(A)=0\). The circles \(\omega_0,\omega_1\) share the distinct points \(B,D\), so their powers agree along \(BD\), in particular at \(K\). As \(K\in\omega_2\cap\omega\), we obtain \(H(K)=0\). Likewise, \(\omega_0,\omega_2\) share \(C,E\), and \(L\in CE\cap\omega_1\cap\omega\), giving \(H(L)=0\). An affine function vanishing at three noncollinear points vanishes identically, proving (2).
Finally, the difference of two power functions is affine, so its value at a midpoint is the average of its endpoint values. Using (2), \(M\in\omega_2\), and \(N\in\omega_1\), we get \[ \begin{aligned} \pi(M) &=(\pi_1-\pi_0)(M)\\ &=\frac{(\pi_1-\pi_0)(A)+(\pi_1-\pi_0)(B)}2 =-\frac p4,\\[2mm] \pi(N) &=(\pi_2-\pi_0)(N)\\ &=\frac{(\pi_2-\pi_0)(A)+(\pi_2-\pi_0)(C)}2 =-\frac p4. \end{aligned} \] If \(R\) is the radius of \(\omega\), this says \[ OM^2-R^2=ON^2-R^2. \] Hence \(\boxed{OM=ON}\).
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2026 · Aufgabe 2
Sei \(ABC\) ein Dreieck und seien \(M\) und \(N\) die Mittelpunkte der Seiten \(AB\) bzw. \(AC\). Die Punkte \(K\) und \(L\) seien so im Inneren der Dreiecke \(BMC\) bzw. \(BNC\) gewählt, dass \(K\) im Inneren des Dreiecks \(ABL\) sowie \(L\) im Inneren des Dreiecks \(AKC\) liegt. Außerdem gelte \[ \angle KBA=\angle ACL,\qquad \angle LBK=\angle LNC\qquad\text{und}\qquad \angle LCK=\angle BMK. \] Sei \(O\) der Umkreismittelpunkt des Dreiecks \(AKL\). Man zeige, dass \(OM=ON\).
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Seien \(D=BK\cap AC\) und \(E=CL\cap AB\). Da \(K,L\) im Inneren von \(ABC\) liegen, liegen diese Schnittpunkte im Inneren der Seiten \(AC\) bzw. \(AB\).
Wir verwenden gerichtete Winkel modulo \(180^\circ\). Um ihre Verwendung zu rechtfertigen, orientieren wir \(ABC\) gegen den Uhrzeigersinn. Aus den Bedingungen über die Lage im Inneren ergeben sich gegen den Uhrzeigersinn die Strahlenreihenfolgen \[ BC,BL,BK,BA \qquad\text{und}\qquad CA,CL,CK,CB. \] Außerdem liegt \(MK\) im Inneren des gegen den Uhrzeigersinn von \(MB\) bis \(MC\) verlaufenden Winkelfeldes und \(NL\) im Inneren des entsprechenden Winkelfeldes von \(NB\) bis \(NC\). Somit gelten alle gegebenen Winkelgleichheiten auch als Gleichheiten gerichteter Winkel.
Die erste Gleichheit zeigt, dass die Dreiecke \(ABD\) und \(ACE\) ähnlich sind: Sie haben denselben Winkel bei \(A\), und es gilt \(\angle ABD=\angle ACE\). Folglich ist \[ AB\cdot AE=AC\cdot AD=:p>0. \] Nach der Umkehrung des Sekantensatzes liegen \(B,C,D,E\) auf einem Kreis \(\omega_0\).
Wir definieren zwei weitere Kreise \[ \omega_1=(BLN),\qquad \omega_2=(CKM). \] Sie sind wohldefiniert, da \(L\) im Inneren von \(BNC\) und \(K\) im Inneren von \(BMC\) liegt.
Falls \(D\ne N\), liefert die zweite Winkelgleichheit \[ \angle LBD=\angle LNC=\angle LND, \] also \(D\in\omega_1\). Falls \(D=N\), wird diese Gleichheit zu \(\angle LBN=\angle LNC\); nach der Umkehrung des Sehnen-Tangenten-Winkelsatzes ist \(AC\) eine Tangente an \(\omega_1\) in \(N\). Somit sind in beiden Fällen die mit Vielfachheit gezählten Schnittpunkte von \(\omega_1\) mit \(AC\) gerade \(D,N\).
Ebenso liefert die dritte Gleichheit für \(E\ne M\) \[ \angle ECK=\angle BMK=\angle EMK, \] also \(E\in\omega_2\). Falls \(E=M\), besagt dieselbe Gleichheit, dass \(AB\) eine Tangente an \(\omega_2\) in \(M\) ist. Daher sind dessen mit Vielfachheit gezählten Schnittpunkte mit \(AB\) gerade \(E,M\).
Wir bezeichnen mit \(\pi_i(X)\) die Potenz von \(X\) bezüglich \(\omega_i\). Die Potenzformeln für Sekanten und Tangenten liefern nun \[ \pi_0(A)=p,\qquad \pi_1(A)=AD\cdot AN=\frac p2,\qquad \pi_2(A)=AE\cdot AM=\frac p2. \tag{1} \]
Sei \(\omega=(AKL)\), und wir bezeichnen seine Potenzfunktion mit \(\pi(X)\). Dieser Kreis ist wohldefiniert, da \(K\) im Inneren von \(ABL\) liegt und somit \(A,K,L\) nicht kollinear sind. Wir behaupten, dass für jeden Punkt \(X\) gilt: \[ \pi(X)=\pi_1(X)+\pi_2(X)-\pi_0(X). \tag{2} \]
Ein Kreis mit Mittelpunkt \(T\) und Radius \(r\) hat nämlich die Potenzfunktion \[ |X-T|^2-r^2. \] Daher ist \[ H(X)=\pi_1(X)+\pi_2(X)-\pi_0(X)-\pi(X) \] eine affine Funktion der Koordinaten von \(X\), da sich ihre quadratischen Terme aufheben. Gleichung (1) liefert \(H(A)=0\). Die Kreise \(\omega_0,\omega_1\) haben die verschiedenen Punkte \(B,D\) gemeinsam, also stimmen ihre Potenzen auf der Geraden \(BD\) überein, insbesondere in \(K\). Wegen \(K\in\omega_2\cap\omega\) erhalten wir \(H(K)=0\). Ebenso haben \(\omega_0,\omega_2\) die Punkte \(C,E\) gemeinsam, und es gilt \(L\in CE\cap\omega_1\cap\omega\), woraus \(H(L)=0\) folgt. Eine affine Funktion, die in drei nicht kollinearen Punkten verschwindet, verschwindet identisch; damit ist (2) bewiesen.
Schließlich ist die Differenz zweier Potenzfunktionen affin, also ist ihr Wert im Mittelpunkt einer Strecke das arithmetische Mittel ihrer Werte an den Endpunkten. Mithilfe von (2), \(M\in\omega_2\) und \(N\in\omega_1\) erhalten wir \[ \begin{aligned} \pi(M) &=(\pi_1-\pi_0)(M)\\ &=\frac{(\pi_1-\pi_0)(A)+(\pi_1-\pi_0)(B)}2 =-\frac p4,\\[2mm] \pi(N) &=(\pi_2-\pi_0)(N)\\ &=\frac{(\pi_2-\pi_0)(A)+(\pi_2-\pi_0)(C)}2 =-\frac p4. \end{aligned} \] Ist \(R\) der Radius von \(\omega\), so bedeutet dies \[ OM^2-R^2=ON^2-R^2. \] Somit gilt \(\boxed{OM=ON}\).
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2026 · Soru 2
Bir \(ABC\) üçgeninde \([AB]\) ve \([AC]\) kenarlarının orta noktaları sırasıyla \(M\) ve \(N\) olsun. Sırasıyla \(BMC\) ve \(BNC\) üçgenlerinin iç bölgelerinde yer alan \(K\) ve \(L\) noktaları, \(K\) noktası \(ABL\) üçgeninin iç bölgesinde ve \(L\) noktası \(AKC\) üçgeninin iç bölgesinde yer alacak şekilde seçiliyor. \[ \angle KBA=\angle ACL,\qquad \angle LBK=\angle LNC\qquad\text{ve}\qquad \angle LCK=\angle BMK \] olduğu verilmiştir. \(AKL\) üçgeninin çevrel çemberinin merkezi \(O\) olsun. \(|OM|=|ON|\) olduğunu gösteriniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(D=BK\cap AC\) ve \(E=CL\cap AB\) olsun. \(K,L\) noktaları \(ABC\)’nin iç bölgesinde olduğundan bu kesişim noktaları sırasıyla \(AC,AB\) kenarlarının uç noktaları dışında kalan kısımlarında bulunur.
\(180^\circ\) modülünde yönlü açıları kullanacağız. Bunların kullanımını gerekçelendirmek için \(ABC\)’yi saat yönünün tersine yönlendirelim. İç bölgede bulunma koşulları, ışınların saat yönünün tersine sıralarını \[ BC,BL,BK,BA \qquad\text{ve}\qquad CA,CL,CK,CB \] olarak verir. Ayrıca \(MK\), \(MB\)’den \(MC\)’ye saat yönünün tersine uzanan açısal bölgenin içinde; \(NL\) ise \(NB\)’den \(NC\)’ye uzanan böyle bir bölgenin içindedir. Dolayısıyla verilen tüm açı eşitlikleri yönlü açı eşitlikleri olarak da geçerlidir.
İlk eşitlik, \(ABD\) ve \(ACE\) üçgenlerinin benzer olduğunu gösterir: \(A\) köşesindeki açıları aynıdır ve \(\angle ABD=\angle ACE\). Buna göre, \[ AB\cdot AE=AC\cdot AD=:p>0. \] Kesenler için kuvvet teoreminin tersinden, \(B,C,D,E\) noktaları bir \(\omega_0\) çemberi üzerinde bulunur.
İki çember daha tanımlayalım: \[ \omega_1=(BLN),\qquad \omega_2=(CKM). \] \(L\), \(BNC\)’nin iç bölgesinde ve \(K\), \(BMC\)’nin iç bölgesinde olduğundan bu çemberler iyi tanımlıdır.
\(D\ne N\) ise ikinci açı eşitliği \[ \angle LBD=\angle LNC=\angle LND \] verir; dolayısıyla \(D\in\omega_1\). \(D=N\) ise bu eşitlik \(\angle LBN=\angle LNC\) biçimini alır; teğet–kiriş açı teoreminin tersinden \(AC\), \(\omega_1\)’e \(N\) noktasında teğettir. Böylece her iki durumda da \(\omega_1\)’in \(AC\) ile kesişimleri, katlılıklarıyla sayıldığında, \(D,N\) noktalarıdır.
Benzer şekilde, \(E\ne M\) ise üçüncü eşitlik \[ \angle ECK=\angle BMK=\angle EMK \] verir; dolayısıyla \(E\in\omega_2\). \(E=M\) ise aynı eşitlik, \(AB\)’nin \(\omega_2\)’ye \(M\) noktasında teğet olduğunu söyler. Bu nedenle bu çemberin \(AB\) ile kesişimleri, katlılıklarıyla sayıldığında, \(E,M\) noktalarıdır.
\(X\)’in \(\omega_i\)’ye göre kuvvetini \(\pi_i(X)\) ile gösterelim. Kesen ve teğet kuvvet formülleri şimdi \[ \pi_0(A)=p,\qquad \pi_1(A)=AD\cdot AN=\frac p2,\qquad \pi_2(A)=AE\cdot AM=\frac p2 \tag{1} \] verir.
\(\omega=(AKL)\) olsun ve bu çemberin kuvvet fonksiyonunu \(\pi(X)\) ile gösterelim. \(K\), \(ABL\)’nin iç bölgesinde olduğundan \(A,K,L\) doğrusal değildir; dolayısıyla bu çember iyi tanımlıdır. Her \(X\) noktası için \[ \pi(X)=\pi_1(X)+\pi_2(X)-\pi_0(X) \tag{2} \] olduğunu iddia ediyoruz.
Gerçekten de merkezi \(T\), yarıçapı \(r\) olan bir çemberin kuvvet fonksiyonu \[ |X-T|^2-r^2 \] olur. Dolayısıyla \[ H(X)=\pi_1(X)+\pi_2(X)-\pi_0(X)-\pi(X) \] ifadesi, ikinci dereceden terimleri birbirini götürdüğünden, \(X\)’in koordinatlarının afin bir fonksiyonudur. (1) eşitliği \(H(A)=0\) verir. \(\omega_0,\omega_1\) çemberlerinin birbirinden farklı \(B,D\) noktaları ortaktır; dolayısıyla kuvvetleri \(BD\) doğrusu üzerinde, özellikle de \(K\)’de eşittir. \(K\in\omega_2\cap\omega\) olduğundan \(H(K)=0\) elde ederiz. Benzer şekilde, \(\omega_0,\omega_2\) çemberlerinin \(C,E\) noktaları ortaktır ve \(L\in CE\cap\omega_1\cap\omega\) olduğundan \(H(L)=0\) elde edilir. Doğrusal olmayan üç noktada sıfır olan bir afin fonksiyon özdeş olarak sıfırdır; böylece (2) kanıtlanır.
Son olarak, iki kuvvet fonksiyonunun farkı afin olduğundan, bir doğru parçasının orta noktasındaki değeri uç noktalarındaki değerlerinin ortalamasıdır. (2), \(M\in\omega_2\) ve \(N\in\omega_1\) kullanılarak \[ \begin{aligned} \pi(M) &=(\pi_1-\pi_0)(M)\\ &=\frac{(\pi_1-\pi_0)(A)+(\pi_1-\pi_0)(B)}2 =-\frac p4,\\[2mm] \pi(N) &=(\pi_2-\pi_0)(N)\\ &=\frac{(\pi_2-\pi_0)(A)+(\pi_2-\pi_0)(C)}2 =-\frac p4 \end{aligned} \] elde edilir. \(R\), \(\omega\)’nın yarıçapı ise bu, \[ OM^2-R^2=ON^2-R^2 \] demektir. Dolayısıyla \(\boxed{OM=ON}\).
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2026 · Problema 2
Sea \(ABC\) un triángulo y sean \(M\) y \(N\) los puntos medios de los lados \(AB\) y \(AC\) respectivamente. Sean \(K\) y \(L\) puntos estrictamente en el interior de los triángulos \(BMC\) y \(BNC\), respectivamente, tales que \(K\) está estrictamente en el interior del triángulo \(ABL\) y \(L\) está estrictamente en el interior del triángulo \(AKC\). Supongamos que \[ \angle KBA=\angle ACL,\qquad \angle LBK=\angle LNC\qquad\text{y}\qquad \angle LCK=\angle BMK. \]
Sea \(O\) el circuncentro del triángulo \(AKL\). Demostrar que \(OM=ON\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sean \(D=BK\cap AC\) y \(E=CL\cap AB\). Como \(K,L\) están en el interior de \(ABC\), estas intersecciones están en el interior de los lados \(AC,AB\), respectivamente.
Usamos ángulos orientados módulo \(180^\circ\). Para justificar su uso, orientemos \(ABC\) en sentido antihorario. Las condiciones de interioridad dan los siguientes órdenes de semirrectas en sentido antihorario: \[ BC,BL,BK,BA \qquad\text{y}\qquad CA,CL,CK,CB. \] Además, \(MK\) está en el interior del sector que va de \(MB\) a \(MC\) en sentido antihorario, y \(NL\) en el interior del que va de \(NB\) a \(NC\). Por tanto, todas las igualdades de ángulos dadas son válidas como igualdades de ángulos orientados.
La primera igualdad muestra que los triángulos \(ABD\) y \(ACE\) son semejantes: tienen el mismo ángulo en \(A\), y \(\angle ABD=\angle ACE\). En consecuencia, \[ AB\cdot AE=AC\cdot AD=:p>0. \] Por el recíproco del teorema de la potencia para secantes, \(B,C,D,E\) están en una circunferencia \(\omega_0\).
Definamos otras dos circunferencias \[ \omega_1=(BLN),\qquad \omega_2=(CKM). \] Están bien definidas porque \(L\) está estrictamente en el interior de \(BNC\), y \(K\) está estrictamente en el interior de \(BMC\).
Si \(D\ne N\), la segunda igualdad de ángulos da \[ \angle LBD=\angle LNC=\angle LND, \] de modo que \(D\in\omega_1\). Si \(D=N\), esa igualdad se convierte en \(\angle LBN=\angle LNC\); por el recíproco del teorema del ángulo entre tangente y cuerda, \(AC\) es tangente a \(\omega_1\) en \(N\). Así, en ambos casos, las intersecciones de \(\omega_1\) con \(AC\), contadas con multiplicidad, son \(D,N\).
Análogamente, si \(E\ne M\), la tercera igualdad da \[ \angle ECK=\angle BMK=\angle EMK, \] de modo que \(E\in\omega_2\). Si \(E=M\), la misma igualdad dice que \(AB\) es tangente a \(\omega_2\) en \(M\). Por tanto, sus intersecciones con \(AB\), contadas con multiplicidad, son \(E,M\).
Escribamos \(\pi_i(X)\) para la potencia de \(X\) respecto de \(\omega_i\). Las fórmulas de la potencia para secantes y tangentes dan ahora \[ \pi_0(A)=p,\qquad \pi_1(A)=AD\cdot AN=\frac p2,\qquad \pi_2(A)=AE\cdot AM=\frac p2. \tag{1} \]
Sea \(\omega=(AKL)\), y escribamos \(\pi(X)\) para su función de potencia. Esta circunferencia está bien definida porque \(K\) está estrictamente en el interior de \(ABL\), de modo que \(A,K,L\) no son colineales. Afirmamos que, para todo punto \(X\), \[ \pi(X)=\pi_1(X)+\pi_2(X)-\pi_0(X). \tag{2} \]
En efecto, una circunferencia de centro \(T\) y radio \(r\) tiene función de potencia \[ |X-T|^2-r^2. \] Por tanto, \[ H(X)=\pi_1(X)+\pi_2(X)-\pi_0(X)-\pi(X) \] es afín en las coordenadas de \(X\), ya que sus términos cuadráticos se cancelan. La ecuación (1) da \(H(A)=0\). Las circunferencias \(\omega_0,\omega_1\) comparten los puntos distintos \(B,D\), de modo que sus potencias coinciden en toda la recta \(BD\), en particular en \(K\). Como \(K\in\omega_2\cap\omega\), obtenemos \(H(K)=0\). Análogamente, \(\omega_0,\omega_2\) comparten \(C,E\), y \(L\in CE\cap\omega_1\cap\omega\), lo que da \(H(L)=0\). Una función afín que se anula en tres puntos no colineales es idénticamente nula, lo que demuestra (2).
Finalmente, la diferencia de dos funciones de potencia es afín, de modo que su valor en un punto medio es el promedio de sus valores en los extremos. Usando (2), \(M\in\omega_2\) y \(N\in\omega_1\), obtenemos \[ \begin{aligned} \pi(M) &=(\pi_1-\pi_0)(M)\\ &=\frac{(\pi_1-\pi_0)(A)+(\pi_1-\pi_0)(B)}2 =-\frac p4,\\[2mm] \pi(N) &=(\pi_2-\pi_0)(N)\\ &=\frac{(\pi_2-\pi_0)(A)+(\pi_2-\pi_0)(C)}2 =-\frac p4. \end{aligned} \] Si \(R\) es el radio de \(\omega\), esto significa que \[ OM^2-R^2=ON^2-R^2. \] Por tanto, \(\boxed{OM=ON}\).
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2026 · 问题 2
在三角形 \(ABC\) 中,点 \(M\) 和 \(N\) 分别是边 \(AB\) 和 \(AC\) 的中点。在三角形 \(BMC\) 和三角形 \(BNC\) 的内部分别选取点 \(K\) 和 \(L\),使得点 \(K\) 在三角形 \(ABL\) 的内部,点 \(L\) 在三角形 \(AKC\) 的内部。已知 \[ \angle KBA=\angle ACL,\qquad \angle LBK=\angle LNC,\qquad\text{且}\qquad \angle LCK=\angle BMK. \] 设 \(O\) 是三角形 \(AKL\) 的外心。证明:\(OM=ON\)。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
令 \(D=BK\cap AC\),\(E=CL\cap AB\)。由于 \(K,L\) 位于 \(ABC\) 的内部,这两个交点分别位于边 \(AC,AB\) 的内部。
我们使用模 \(180^\circ\) 的有向角。为说明这样做的合理性,将 \(ABC\) 定向为逆时针方向。各内部位置条件给出以下射线的逆时针顺序: \[ BC,BL,BK,BA \qquad\text{和}\qquad CA,CL,CK,CB. \] 此外,\(MK\) 位于从 \(MB\) 逆时针转到 \(MC\) 的角域内部,\(NL\) 位于从 \(NB\) 逆时针转到 \(NC\) 的角域内部。因此,所有已知的角相等关系作为有向角相等关系也都成立。
第一个等式表明三角形 \(ABD\) 与 \(ACE\) 相似:它们在 \(A\) 处的角相同,且 \(\angle ABD=\angle ACE\)。因此, \[ AB\cdot AE=AC\cdot AD=:p>0. \] 由割线定理的逆定理,\(B,C,D,E\) 在同一个圆 \(\omega_0\) 上。
再定义两个圆 \[ \omega_1=(BLN),\qquad \omega_2=(CKM). \] 由于 \(L\) 严格位于 \(BNC\) 的内部,\(K\) 严格位于 \(BMC\) 的内部,这两个圆均有定义。
若 \(D\ne N\),则第二个角相等关系给出 \[ \angle LBD=\angle LNC=\angle LND, \] 所以 \(D\in\omega_1\)。若 \(D=N\),则该等式变为 \(\angle LBN=\angle LNC\);由弦切角定理的逆定理,\(AC\) 在 \(N\) 点与 \(\omega_1\) 相切。因此,无论哪种情况,按重数计,\(\omega_1\) 与 \(AC\) 的交点都是 \(D,N\)。
类似地,若 \(E\ne M\),则第三个等式给出 \[ \angle ECK=\angle BMK=\angle EMK, \] 所以 \(E\in\omega_2\)。若 \(E=M\),则同一个等式说明 \(AB\) 在 \(M\) 点与 \(\omega_2\) 相切。因此,按重数计,它与 \(AB\) 的交点为 \(E,M\)。
用 \(\pi_i(X)\) 表示点 \(X\) 关于圆 \(\omega_i\) 的幂。由割线与切线的圆幂公式,得到 \[ \pi_0(A)=p,\qquad \pi_1(A)=AD\cdot AN=\frac p2,\qquad \pi_2(A)=AE\cdot AM=\frac p2. \tag{1} \]
令 \(\omega=(AKL)\),并用 \(\pi(X)\) 表示其圆幂函数。由于 \(K\) 严格位于 \(ABL\) 的内部,\(A,K,L\) 不共线,所以这个圆有定义。我们断言,对任意点 \(X\),都有 \[ \pi(X)=\pi_1(X)+\pi_2(X)-\pi_0(X). \tag{2} \]
事实上,圆心为 \(T\)、半径为 \(r\) 的圆的圆幂函数为 \[ |X-T|^2-r^2. \] 因此, \[ H(X)=\pi_1(X)+\pi_2(X)-\pi_0(X)-\pi(X) \] 是关于 \(X\) 的坐标的仿射函数,因为其中的二次项相互抵消。等式 (1) 给出 \(H(A)=0\)。圆 \(\omega_0,\omega_1\) 有两个不同的公共点 \(B,D\),所以它们的圆幂函数在直线 \(BD\) 上相等,特别地,在 \(K\) 处相等。由于 \(K\in\omega_2\cap\omega\),得到 \(H(K)=0\)。同样,\(\omega_0,\omega_2\) 有公共点 \(C,E\),且 \(L\in CE\cap\omega_1\cap\omega\),从而 \(H(L)=0\)。一个仿射函数若在三个不共线的点处取零值,则恒为零,故 (2) 得证。
最后,两个圆幂函数之差是仿射函数,所以它在一条线段中点处的值等于在两个端点处的值的平均数。利用 (2)、\(M\in\omega_2\) 以及 \(N\in\omega_1\),得到 \[ \begin{aligned} \pi(M) &=(\pi_1-\pi_0)(M)\\ &=\frac{(\pi_1-\pi_0)(A)+(\pi_1-\pi_0)(B)}2 =-\frac p4,\\[2mm] \pi(N) &=(\pi_2-\pi_0)(N)\\ &=\frac{(\pi_2-\pi_0)(A)+(\pi_2-\pi_0)(C)}2 =-\frac p4. \end{aligned} \] 若 \(R\) 为 \(\omega\) 的半径,则上式即为 \[ OM^2-R^2=ON^2-R^2. \] 因此 \(\boxed{OM=ON}\)。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2026 · Задача 2
Дан треугольник \(ABC\). Точки \(M\) и \(N\) — середины его сторон \(AB\) и \(AC\) соответственно. Точки \(K\) и \(L\) выбраны строго внутри треугольников \(BMC\) и \(BNC\) соответственно, причём точка \(K\) лежит строго внутри треугольника \(ABL\), а точка \(L\) лежит строго внутри треугольника \(AKC\). Оказалось, что \[ \angle KBA=\angle ACL,\qquad \angle LBK=\angle LNC\qquad\text{и}\qquad \angle LCK=\angle BMK. \] Точка \(O\) — центр окружности, описанной около треугольника \(AKL\). Докажите, что \(OM=ON\).
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Пусть \(D=BK\cap AC\) и \(E=CL\cap AB\). Поскольку \(K,L\) лежат внутри \(ABC\), эти точки пересечения лежат внутри сторон \(AC,AB\) соответственно.
Будем использовать ориентированные углы по модулю \(180^\circ\). Чтобы обосновать их использование, ориентируем \(ABC\) против часовой стрелки. Условия о расположении точек внутри треугольников задают следующие порядки лучей против часовой стрелки: \[ BC,BL,BK,BA \qquad\text{и}\qquad CA,CL,CK,CB. \] Кроме того, \(MK\) лежит внутри сектора, отсчитываемого против часовой стрелки от \(MB\) до \(MC\), а \(NL\) — внутри такого же сектора от \(NB\) до \(NC\). Таким образом, все данные равенства углов верны и как равенства ориентированных углов.
Первое равенство показывает, что треугольники \(ABD\) и \(ACE\) подобны: у них общий угол при \(A\), и \(\angle ABD=\angle ACE\). Следовательно, \[ AB\cdot AE=AC\cdot AD=:p>0. \] По теореме, обратной теореме о произведениях отрезков секущих, точки \(B,C,D,E\) лежат на одной окружности \(\omega_0\).
Определим ещё две окружности: \[ \omega_1=(BLN),\qquad \omega_2=(CKM). \] Они определены корректно, поскольку \(L\) лежит строго внутри \(BNC\), а \(K\) — строго внутри \(BMC\).
Если \(D\ne N\), то второе равенство углов даёт \[ \angle LBD=\angle LNC=\angle LND, \] поэтому \(D\in\omega_1\). Если \(D=N\), это равенство принимает вид \(\angle LBN=\angle LNC\); по теореме, обратной теореме об угле между касательной и хордой, \(AC\) касается \(\omega_1\) в точке \(N\). Таким образом, в обоих случаях точками пересечения \(\omega_1\) с \(AC\), с учётом кратности, являются \(D,N\).
Аналогично, если \(E\ne M\), то третье равенство даёт \[ \angle ECK=\angle BMK=\angle EMK, \] поэтому \(E\in\omega_2\). Если \(E=M\), то из того же равенства следует, что \(AB\) касается \(\omega_2\) в точке \(M\). Следовательно, точками её пересечения с \(AB\), с учётом кратности, являются \(E,M\).
Обозначим через \(\pi_i(X)\) степень точки \(X\) относительно \(\omega_i\). Формулы степени точки для секущей и касательной теперь дают \[ \pi_0(A)=p,\qquad \pi_1(A)=AD\cdot AN=\frac p2,\qquad \pi_2(A)=AE\cdot AM=\frac p2. \tag{1} \]
Пусть \(\omega=(AKL)\), и обозначим через \(\pi(X)\) функцию степени точки относительно этой окружности. Эта окружность определена корректно, поскольку \(K\) лежит строго внутри \(ABL\), так что \(A,K,L\) не лежат на одной прямой. Утверждаем, что для любой точки \(X\) \[ \pi(X)=\pi_1(X)+\pi_2(X)-\pi_0(X). \tag{2} \]
Действительно, для окружности с центром \(T\) и радиусом \(r\) функция степени точки имеет вид \[ |X-T|^2-r^2. \] Поэтому \[ H(X)=\pi_1(X)+\pi_2(X)-\pi_0(X)-\pi(X) \] является аффинной функцией координат \(X\), поскольку её квадратичные члены сокращаются. Из равенства (1) следует \(H(A)=0\). Окружности \(\omega_0,\omega_1\) имеют две различные общие точки \(B,D\), поэтому степени точек относительно них совпадают на прямой \(BD\), в частности в точке \(K\). Так как \(K\in\omega_2\cap\omega\), получаем \(H(K)=0\). Аналогично, \(\omega_0,\omega_2\) имеют общие точки \(C,E\), а \(L\in CE\cap\omega_1\cap\omega\), откуда \(H(L)=0\). Аффинная функция, равная нулю в трёх точках, не лежащих на одной прямой, тождественно равна нулю, что доказывает (2).
Наконец, разность двух функций степени точки является аффинной, поэтому её значение в середине отрезка равно среднему арифметическому значений на его концах. Используя (2), \(M\in\omega_2\) и \(N\in\omega_1\), получаем \[ \begin{aligned} \pi(M) &=(\pi_1-\pi_0)(M)\\ &=\frac{(\pi_1-\pi_0)(A)+(\pi_1-\pi_0)(B)}2 =-\frac p4,\\[2mm] \pi(N) &=(\pi_2-\pi_0)(N)\\ &=\frac{(\pi_2-\pi_0)(A)+(\pi_2-\pi_0)(C)}2 =-\frac p4. \end{aligned} \] Если \(R\) — радиус \(\omega\), это означает, что \[ OM^2-R^2=ON^2-R^2. \] Следовательно, \(\boxed{OM=ON}\).
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2026 · المسألة 2
ليكن \(ABC\) مثلثا ولتكن النقطتان \(M\) و \(N\) منتصفي القطعتين \(AB\) و \(AC\) توالياً. لتكن النقطتان \(K\) و \(L\) تقعان تماماً داخل المثلثين \(BMC\) و \(BNC\) توالياً، وحيث تقع \(K\) داخل المثلث \(ABL\) تماماً، و تقع \(L\) داخل المثلث \(AKC\) تماماً، وتحققان أن \[ \angle KBA=\angle ACL,\qquad \angle LBK=\angle LNC,\qquad \angle LCK=\angle BMK. \] لتكن \(O\) مركز الدائرة المحيطة بالمثلث \(AKL\). أثبت أن \(OM=ON\).
ملاحظة: يقال أن النقطة تقع تماماً داخل المثلث إذا وقعت داخله ولم تقع على أي من أضلاعه.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لتكن \(D=BK\cap AC\) و\(E=CL\cap AB\). بما أن \(K,L\) تقعان داخل \(ABC\)، فإن نقطتي التقاطع هاتين تقعان في داخلي الضلعين \(AC,AB\)، على الترتيب.
نستخدم الزوايا الموجّهة بترديد \(180^\circ\). ولتبرير استخدامها، نوجّه \(ABC\) عكس اتجاه عقارب الساعة. تعطي شروط الوقوع في الداخل الترتيبين التاليين لأنصاف المستقيمات عكس اتجاه عقارب الساعة: \[ BC,BL,BK,BA \qquad\text{و}\qquad CA,CL,CK,CB. \] كذلك، يقع \(MK\) داخل القطاع الممتد عكس اتجاه عقارب الساعة من \(MB\) إلى \(MC\)، ويقع \(NL\) داخل القطاع الممتد من \(NB\) إلى \(NC\). لذا تصح جميع مساويات الزوايا المعطاة بوصفها مساويات لزوايا موجّهة.
تبيّن المساواة الأولى أن المثلثين \(ABD\) و\(ACE\) متشابهان: فلهما الزاوية نفسها عند \(A\)، وكذلك \(\angle ABD=\angle ACE\). وبالتالي، \[ AB\cdot AE=AC\cdot AD=:p>0. \] وبعكس نظرية قوة النقطة للقاطعين، تقع \(B,C,D,E\) على دائرة \(\omega_0\).
نعرّف دائرتين إضافيتين \[ \omega_1=(BLN),\qquad \omega_2=(CKM). \] وهما محددتان تحديدًا سليمًا لأن \(L\) تقع تمامًا داخل \(BNC\)، و\(K\) تقع تمامًا داخل \(BMC\).
إذا كان \(D\ne N\)، فإن المساواة الثانية بين الزوايا تعطي \[ \angle LBD=\angle LNC=\angle LND, \] ومن ثم \(D\in\omega_1\). وإذا كان \(D=N\)، تصبح تلك المساواة \(\angle LBN=\angle LNC\)؛ وبعكس نظرية الزاوية بين المماس والوتر، يكون \(AC\) مماسًا لـ\(\omega_1\) عند \(N\). وهكذا، في كلتا الحالتين، تكون نقطتا تقاطع \(\omega_1\) مع \(AC\)، مع احتساب التعدد، هما \(D,N\).
وبالمثل، إذا كان \(E\ne M\)، فإن المساواة الثالثة تعطي \[ \angle ECK=\angle BMK=\angle EMK, \] ومن ثم \(E\in\omega_2\). وإذا كان \(E=M\)، تفيد المساواة نفسها أن \(AB\) مماس لـ\(\omega_2\) عند \(M\). لذا فإن نقطتي تقاطعها مع \(AB\)، مع احتساب التعدد، هما \(E,M\).
لنرمز بـ\(\pi_i(X)\) إلى قوة \(X\) بالنسبة إلى \(\omega_i\). تعطينا الآن صيغتا قوة النقطة للقاطع والمماس \[ \pi_0(A)=p,\qquad \pi_1(A)=AD\cdot AN=\frac p2,\qquad \pi_2(A)=AE\cdot AM=\frac p2. \tag{1} \]
لتكن \(\omega=(AKL)\)، ولنرمز بـ\(\pi(X)\) إلى دالة القوة بالنسبة إليها. هذه الدائرة محددة تحديدًا سليمًا لأن \(K\) تقع تمامًا داخل \(ABL\)، ومن ثم فإن \(A,K,L\) ليست على استقامة واحدة. ندّعي أنه، لكل نقطة \(X\)، \[ \pi(X)=\pi_1(X)+\pi_2(X)-\pi_0(X). \tag{2} \]
بالفعل، دالة القوة بالنسبة إلى دائرة مركزها \(T\) ونصف قطرها \(r\) هي \[ |X-T|^2-r^2. \] لذلك فإن \[ H(X)=\pi_1(X)+\pi_2(X)-\pi_0(X)-\pi(X) \] دالة تآلفية في إحداثيات \(X\)، لأن حدودها التربيعية تتلاشى. تعطي المعادلة (1) أن \(H(A)=0\). تشترك الدائرتان \(\omega_0,\omega_1\) في النقطتين المختلفتين \(B,D\)، لذا تتساوى قوتاهما على المستقيم \(BD\)، وبخاصة عند \(K\). وبما أن \(K\in\omega_2\cap\omega\)، نحصل على \(H(K)=0\). وبالمثل، تشترك \(\omega_0,\omega_2\) في \(C,E\)، ولدينا \(L\in CE\cap\omega_1\cap\omega\)، مما يعطي \(H(L)=0\). والدالة التآلفية التي تنعدم عند ثلاث نقاط ليست على استقامة واحدة تنعدم تطابقيًا، وهذا يثبت (2).
أخيرًا، الفرق بين دالتي قوة دالة تآلفية، لذا فإن قيمته عند منتصف قطعة هي المتوسط الحسابي لقيمتيه عند طرفيها. باستخدام (2)، و\(M\in\omega_2\)، و\(N\in\omega_1\)، نحصل على \[ \begin{aligned} \pi(M) &=(\pi_1-\pi_0)(M)\\ &=\frac{(\pi_1-\pi_0)(A)+(\pi_1-\pi_0)(B)}2 =-\frac p4,\\[2mm] \pi(N) &=(\pi_2-\pi_0)(N)\\ &=\frac{(\pi_2-\pi_0)(A)+(\pi_2-\pi_0)(C)}2 =-\frac p4. \end{aligned} \] إذا كان \(R\) نصف قطر \(\omega\)، فهذا يعني \[ OM^2-R^2=ON^2-R^2. \] ومن ثم \(\boxed{OM=ON}\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.