IMO 2026 · Problem 4
Shan-Yu and Mulan are playing a game. Let \(\theta\) be an angle with \(0^\circ<\theta<180^\circ\) known to both players. Initially, Shan-Yu makes a paper triangle \(\mathcal T\) with measurements of his choice. Then, they repeatedly perform the following steps:
- If \(\mathcal T\) has at least one angle measuring exactly \(\theta\), then the game stops and Mulan wins.
- Otherwise, Mulan chooses a point \(P\) on the perimeter of \(\mathcal T\), different from its three vertices. She then makes a straight cut from \(P\) to the opposite vertex of \(\mathcal T\), splitting it into two triangles.
- Shan-Yu discards one of the two triangles. The remaining triangle becomes the new \(\mathcal T\).
For which real values of \(\theta\) can Mulan guarantee her victory in finitely many steps, no matter how Shan-Yu plays?
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\(\displaystyle \theta=\frac{180^\circ}{n}\) for any integer \(n\ge 2\).
Solution
We prove that Mulan can win for these values and that Shan-Yu can avoid defeat for every other value.
Mulan’s strategy when \(180^\circ=n\theta\).
First, suppose the current triangle has an angle \(k\theta\), where \(1\le k\le n-1\). Mulan can win in at most \(k-1\) further cuts. Indeed, if \(k=1\), she has already won. Otherwise, she cuts from that vertex, splitting its angle into \(\theta\) and \((k-1)\theta\). Whichever triangle Shan-Yu retains either has an angle \(\theta\), or has an angle \((k-1)\theta\). Repeating this procedure proves the claim.
It therefore suffices to force an angle that is an integer multiple of \(\theta\).
Let the current triangle be \(ABC\), with angles \(a,b,c\), respectively, and suppose none is an integer multiple of \(\theta\). Relabel the vertices so that \(a\) is a largest angle. We claim that there is an integer \(m\) such that \[ b<m\theta<180^\circ-c=b+a. \]
- If \(n=2\), both \(b\) and \(c\) are strictly less than \(90^\circ\): otherwise, since \(a\) is largest, two angles would sum to at least \(180^\circ\). Thus \(m=1\) works.
- If \(n\ge3\), then \(a\ge60^\circ\ge\theta\). Since \(a\) is not an integer multiple of \(\theta\), we have \(a>\theta\). Taking \[ m=\left\lfloor\frac b\theta\right\rfloor+1 \] gives \[ b<m\theta\le b+\theta<b+a. \]
Now Mulan cuts along \(AP\), where \(P\) lies on \(BC\) and \[ \angle BAP=m\theta-b. \] The inequalities just proved show that this angle lies strictly between \(0^\circ\) and \(a\), so the ray meets the interior of \(BC\), making the cut legal. The two angles at \(P\) are \[ \angle APB=180^\circ-m\theta=(n-m)\theta, \qquad \angle APC=m\theta. \] Moreover, \(1\le m\le n-1\). Hence either retained triangle has an angle that is a positive integer multiple of \(\theta\). Mulan then applies the decreasing-multiple strategy above.
This guarantees victory in finitely many steps; in fact, at most \(n-1\) cuts suffice.
Shan-Yu’s strategy when \(180^\circ/\theta\) is not an integer.
Call an angle marked if it is a positive integer multiple of \(\theta\), and call a triangle safe if none of its angles is marked.
Shan-Yu initially chooses an equilateral triangle. It is safe, since an equality \(60^\circ=k\theta\) would imply \[ \frac{180^\circ}{\theta}=3k, \] contrary to our assumption.
We show that whenever Mulan cuts a safe triangle, at least one of the resulting triangles is safe. Shan-Yu can therefore always retain a safe triangle.
Let \(ABC\) be safe, with angles \(a,b,c\), and suppose the cut is \(AP\), where \(P\) is in the interior of \(BC\). Write \[ x=\angle BAP,\qquad y=\angle PAC,\qquad u=\angle APB,\qquad v=\angle APC. \] The angle sums give \[ a=x+y,\qquad b=v-x,\qquad c=u-y,\qquad 180^\circ=u+v. \]
Suppose, for a contradiction, that neither resulting triangle is safe. Since the inherited angles \(b\) and \(c\) are not marked, at least one of \(x,u\) is marked, and at least one of \(y,v\) is marked. There are four possibilities:
- If \(x,y\) are marked, then \(a=x+y\) is marked.
- If \(x,v\) are marked, then \(b=v-x>0^\circ\) is marked.
- If \(u,y\) are marked, then \(c=u-y>0^\circ\) is marked.
- If \(u,v\) are marked, then \(180^\circ=u+v\) is an integer multiple of \(\theta\).
The first three contradict the safety of \(ABC\), and the fourth contradicts the assumption on \(\theta\). Thus at least one resulting triangle is safe.
By retaining such a triangle after every cut, Shan-Yu ensures that no angle ever equals \(\theta\). Consequently, Mulan cannot guarantee victory for any other value of \(\theta\).
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2026 · Aufgabe 4
Shan-Yu und Mulan spielen ein Spiel. Sei \(\vartheta\) ein Winkel mit \(0^\circ<\vartheta<180^\circ\), der beiden bekannt ist. Zu Beginn fertigt Shan-Yu ein Papierdreieck \(\mathcal T\) mit Abmessungen seiner Wahl an. Danach führen die beiden wiederholt die folgenden Schritte aus:
- Falls \(\mathcal T\) mindestens einen Innenwinkel der Größe \(\vartheta\) hat, endet das Spiel und Mulan gewinnt.
- Andernfalls wählt Mulan einen Punkt \(P\) auf dem Rand von \(\mathcal T\), der von den drei Eckpunkten verschieden ist. Danach zerschneidet sie das Dreieck durch einen geraden Schnitt von \(P\) zum gegenüberliegenden Eckpunkt von \(\mathcal T\) in zwei Teildreiecke.
- Shan-Yu entfernt eines der beiden Teildreiecke. Das andere Teildreieck wird das neue \(\mathcal T\).
Für welche reellen \(\vartheta\) kann Mulan garantiert in endlich vielen Schritten gewinnen, unabhängig davon, wie Shan-Yu spielt?
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\(\displaystyle \theta=\frac{180^\circ}{n}\) für jede ganze Zahl \(n\ge 2\).
Lösung
Wir beweisen, dass Mulan für diese Werte gewinnen kann und dass Shan-Yu für jeden anderen Wert eine Niederlage vermeiden kann.
Mulans Strategie für \(180^\circ=n\theta\).
Zunächst nehmen wir an, dass das aktuelle Dreieck einen Winkel \(k\theta\) hat, wobei \(1\le k\le n-1\). Mulan kann mit höchstens \(k-1\) weiteren Schnitten gewinnen. Ist nämlich \(k=1\), so hat sie bereits gewonnen. Andernfalls schneidet sie von diesem Eckpunkt aus und teilt dessen Winkel in \(\theta\) und \((k-1)\theta\). Unabhängig davon, welches Dreieck Shan-Yu behält, hat es entweder einen Winkel \(\theta\) oder einen Winkel \((k-1)\theta\). Wiederholung dieses Verfahrens beweist die Behauptung.
Es genügt daher, einen Winkel zu erzwingen, der ein ganzzahliges Vielfaches von \(\theta\) ist.
Das aktuelle Dreieck sei \(ABC\) mit den entsprechenden Winkeln \(a,b,c\), und keiner dieser Winkel sei ein ganzzahliges Vielfaches von \(\theta\). Wir benennen die Eckpunkte so um, dass \(a\) ein größter Winkel ist. Wir behaupten, dass es eine ganze Zahl \(m\) gibt mit \[ b<m\theta<180^\circ-c=b+a. \]
- Ist \(n=2\), so sind sowohl \(b\) als auch \(c\) echt kleiner als \(90^\circ\): Andernfalls würden sich, da \(a\) ein größter Winkel ist, zwei Winkel zu mindestens \(180^\circ\) summieren. Somit ist \(m=1\) geeignet.
- Ist \(n\ge3\), so gilt \(a\ge60^\circ\ge\theta\). Da \(a\) kein ganzzahliges Vielfaches von \(\theta\) ist, gilt \(a>\theta\). Mit \[ m=\left\lfloor\frac b\theta\right\rfloor+1 \] erhalten wir \[ b<m\theta\le b+\theta<b+a. \]
Nun schneidet Mulan entlang \(AP\), wobei \(P\) auf \(BC\) liegt und \[ \angle BAP=m\theta-b \] gilt. Die gerade bewiesenen Ungleichungen zeigen, dass dieser Winkel echt zwischen \(0^\circ\) und \(a\) liegt; daher trifft der Strahl das Innere von \(BC\), sodass der Schnitt zulässig ist. Die beiden Winkel bei \(P\) sind \[ \angle APB=180^\circ-m\theta=(n-m)\theta, \qquad \angle APC=m\theta. \] Außerdem gilt \(1\le m\le n-1\). Daher hat jedes der beiden Dreiecke, das behalten werden kann, einen Winkel, der ein positives ganzzahliges Vielfaches von \(\theta\) ist. Mulan wendet dann die oben beschriebene Strategie mit abnehmendem Vielfachen an.
Dies garantiert den Sieg in endlich vielen Schritten; tatsächlich genügen höchstens \(n-1\) Schnitte.
Shan-Yus Strategie, wenn \(180^\circ/\theta\) keine ganze Zahl ist.
Wir nennen einen Winkel markiert, wenn er ein positives ganzzahliges Vielfaches von \(\theta\) ist, und ein Dreieck sicher, wenn keiner seiner Winkel markiert ist.
Shan-Yu wählt zu Beginn ein gleichseitiges Dreieck. Es ist sicher, denn aus einer Gleichheit \(60^\circ=k\theta\) würde \[ \frac{180^\circ}{\theta}=3k \] folgen, im Widerspruch zu unserer Annahme.
Wir zeigen, dass, wann immer Mulan ein sicheres Dreieck zerschneidet, mindestens eines der entstehenden Dreiecke sicher ist. Shan-Yu kann daher stets ein sicheres Dreieck behalten.
Sei \(ABC\) sicher, mit den Winkeln \(a,b,c\), und der Schnitt sei \(AP\), wobei \(P\) im Inneren von \(BC\) liegt. Wir setzen \[ x=\angle BAP,\qquad y=\angle PAC,\qquad u=\angle APB,\qquad v=\angle APC. \] Die Winkelsummen liefern \[ a=x+y,\qquad b=v-x,\qquad c=u-y,\qquad 180^\circ=u+v. \]
Wir nehmen zum Widerspruch an, dass keines der beiden entstehenden Dreiecke sicher ist. Da die übernommenen Winkel \(b\) und \(c\) nicht markiert sind, ist mindestens einer der Winkel \(x,u\) markiert und mindestens einer der Winkel \(y,v\) markiert. Es gibt vier Möglichkeiten:
- Sind \(x,y\) markiert, so ist \(a=x+y\) markiert.
- Sind \(x,v\) markiert, so ist \(b=v-x>0^\circ\) markiert.
- Sind \(u,y\) markiert, so ist \(c=u-y>0^\circ\) markiert.
- Sind \(u,v\) markiert, so ist \(180^\circ=u+v\) ein ganzzahliges Vielfaches von \(\theta\).
Die ersten drei Möglichkeiten widersprechen der Sicherheit von \(ABC\), und die vierte widerspricht der Annahme über \(\theta\). Somit ist mindestens eines der entstehenden Dreiecke sicher.
Indem Shan-Yu nach jedem Schnitt ein solches Dreieck behält, stellt er sicher, dass niemals ein Winkel gleich \(\theta\) ist. Folglich kann Mulan für keinen anderen Wert von \(\theta\) den Sieg garantieren.
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2026 · Soru 4
Shan-Yu ve Mulan bir oyun oynuyor. \(\theta\) açısı \(0^\circ<\theta<180^\circ\) olacak şekilde bir açıdır ve her iki oyuncu tarafından da bilinmektedir. Başlangıçta, Shan-Yu kağıttan istediği ölçülerde bir \(\mathcal T\) üçgeni kesiyor. Daha sonra, oyuncular tekrar tekrar aşağıdaki hamleleri uyguluyor:
- Eğer \(\mathcal T\) üçgeninin açılarından en az biri \(\theta\)’ya eşitse, oyun bitiyor ve Mulan kazanıyor.
- Aksi halde, Mulan \(\mathcal T\) üçgeninin çevresi üzerinde, köşelerden farklı bir \(P\) noktası seçiyor. Daha sonra \(P\) noktasından bu noktanın karşısındaki köşeye kadar \(\mathcal T\) üçgenini düz bir şekilde keserek \(\mathcal T\)’yi iki üçgene ayırıyor.
- Shan-Yu bu iki üçgenden istediği birini çöpe atıyor. Geriye kalan üçgen yeni \(\mathcal T\) üçgeni oluyor.
\(\theta\) açısının hangi değerleri için, Shan-Yu nasıl oynarsa oynasın, Mulan sonlu hamle sonunda oyunu kazanmayı garantileyebilir?
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Herhangi bir \(n\ge 2\) tam sayısı için \(\displaystyle \theta=\frac{180^\circ}{n}\).
Çözüm
Bu değerler için Mulan’ın kazanabileceğini ve diğer her değer için Shan-Yu’nun yenilgiden kaçınabileceğini kanıtlayacağız.
\(180^\circ=n\theta\) olduğunda Mulan’ın stratejisi.
Önce, mevcut üçgenin \(1\le k\le n-1\) olmak üzere \(k\theta\) büyüklüğünde bir açısı olduğunu varsayalım. Mulan en fazla \(k-1\) ek kesimle kazanabilir. Gerçekten de \(k=1\) ise zaten kazanmıştır. Aksi hâlde, bu köşeden kesim yaparak açısını \(\theta\) ve \((k-1)\theta\) olarak ikiye ayırır. Shan-Yu hangi üçgeni tutarsa tutsun, bu üçgenin ya \(\theta\) ya da \((k-1)\theta\) büyüklüğünde bir açısı vardır. Bu işlemi tekrarlamak iddiayı kanıtlar.
Dolayısıyla \(\theta\)’nın tam sayı katı olan bir açı oluşmasını zorlamak yeterlidir.
Mevcut üçgen \(ABC\), açıları sırasıyla \(a,b,c\) olsun ve hiçbirinin \(\theta\)’nın tam sayı katı olmadığını varsayalım. Köşeleri, \(a\) en büyük açılardan biri olacak şekilde yeniden adlandıralım. Bir \(m\) tam sayısı için \[ b<m\theta<180^\circ-c=b+a \] olduğunu iddia ediyoruz.
- \(n=2\) ise hem \(b\) hem de \(c\), \(90^\circ\)’den kesin olarak küçüktür: aksi hâlde \(a\) en büyük açı olduğundan, iki açının toplamı en az \(180^\circ\) olurdu. Dolayısıyla \(m=1\) uygundur.
- \(n\ge3\) ise \(a\ge60^\circ\ge\theta\) olur. \(a\), \(\theta\)’nın tam sayı katı olmadığından \(a>\theta\) elde ederiz. \[ m=\left\lfloor\frac b\theta\right\rfloor+1 \] alırsak \[ b<m\theta\le b+\theta<b+a \] elde ederiz.
Şimdi Mulan, \(P\) noktası \(BC\) üzerinde ve \[ \angle BAP=m\theta-b \] olacak şekilde \(AP\) boyunca kesim yapsın. Az önce kanıtlanan eşitsizlikler, bu açının \(0^\circ\) ile \(a\) arasında olduğunu gösterir; dolayısıyla ışın \(BC\)’nin iç kısmıyla kesişir ve kesim kurallara uygundur. \(P\)’deki iki açı \[ \angle APB=180^\circ-m\theta=(n-m)\theta, \qquad \angle APC=m\theta \] olur. Üstelik \(1\le m\le n-1\). Böylece hangi üçgen tutulursa tutulsun, \(\theta\)’nın pozitif tam sayı katı olan bir açısı vardır. Mulan daha sonra yukarıdaki katı azaltma stratejisini uygular.
Bu, sonlu sayıda hamlede kazanmayı garanti eder; hatta en fazla \(n-1\) kesim yeterlidir.
\(180^\circ/\theta\) tam sayı olmadığında Shan-Yu’nun stratejisi.
\(\theta\)’nın pozitif tam sayı katı olan bir açıya işaretli, hiçbir açısı işaretli olmayan bir üçgene ise güvenli diyelim.
Shan-Yu başlangıçta bir eşkenar üçgen seçer. Bu üçgen güvenlidir; çünkü \(60^\circ=k\theta\) eşitliği \[ \frac{180^\circ}{\theta}=3k \] sonucunu verir ve bu, varsayımımıza aykırıdır.
Mulan güvenli bir üçgeni her kestiğinde, oluşan üçgenlerden en az birinin güvenli olduğunu göstereceğiz. Böylece Shan-Yu her zaman güvenli bir üçgeni tutabilir.
\(ABC\) güvenli, açıları \(a,b,c\) olsun ve kesimin, \(P\) noktası \(BC\)’nin iç kısmında olmak üzere, \(AP\) olduğunu varsayalım. \[ x=\angle BAP,\qquad y=\angle PAC,\qquad u=\angle APB,\qquad v=\angle APC \] yazalım. Açı toplamları \[ a=x+y,\qquad b=v-x,\qquad c=u-y,\qquad 180^\circ=u+v \] verir.
Çelişki elde etmek üzere, oluşan üçgenlerin hiçbirinin güvenli olmadığını varsayalım. Başlangıçtaki üçgenden korunan \(b\) ve \(c\) açıları işaretli olmadığından, \(x,u\) açılarından en az biri ve \(y,v\) açılarından en az biri işaretlidir. Dört olasılık vardır:
- \(x,y\) işaretli ise \(a=x+y\) işaretlidir.
- \(x,v\) işaretli ise \(b=v-x>0^\circ\) işaretlidir.
- \(u,y\) işaretli ise \(c=u-y>0^\circ\) işaretlidir.
- \(u,v\) işaretli ise \(180^\circ=u+v\), \(\theta\)’nın tam sayı katıdır.
İlk üçü \(ABC\)’nin güvenli olmasıyla, dördüncüsü ise \(\theta\) hakkındaki varsayımla çelişir. Dolayısıyla oluşan üçgenlerden en az biri güvenlidir.
Shan-Yu her kesimden sonra böyle bir üçgeni tutarak hiçbir açının hiçbir zaman \(\theta\)’ya eşit olmamasını sağlar. Sonuç olarak Mulan, \(\theta\)’nın başka hiçbir değeri için kazanmayı garanti edemez.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2026 · Problema 4
Shan-Yu y Mulán juegan un juego. Sea \(\theta\) con \(0^\circ<\theta<180^\circ\) la medida de un ángulo conocida por ambos. Al inicio, Shan-Yu hace un triángulo de papel \(\mathcal T\) con medidas de su elección. Luego realizan repetidamente los siguientes pasos:
- Si \(\mathcal T\) tiene al menos un ángulo de medida exactamente \(\theta\), entonces el juego termina y Mulán gana.
- En caso contrario, Mulán escoge un punto \(P\) en el perímetro de \(\mathcal T\), distinto de sus vértices, y realiza un corte recto desde \(P\) al vértice opuesto de \(\mathcal T\), dividiéndolo en dos triángulos.
- Shan-Yu descarta uno de los dos triángulos. El triángulo restante se convierte en el nuevo \(\mathcal T\).
Determinar todos los valores de \(\theta\) para los cuales Mulán puede asegurar su victoria en una cantidad finita de pasos sin importar cómo juegue Shan-Yu.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\(\displaystyle \theta=\frac{180^\circ}{n}\) para cualquier entero \(n\ge 2\).
Solución
Demostraremos que Mulán puede ganar para estos valores y que Shan-Yu puede evitar la derrota para cualquier otro valor.
Estrategia de Mulán cuando \(180^\circ=n\theta\).
Supongamos primero que el triángulo actual tiene un ángulo \(k\theta\), donde \(1\le k\le n-1\). Mulán puede ganar en a lo sumo \(k-1\) cortes adicionales. En efecto, si \(k=1\), ya ha ganado. En caso contrario, corta desde ese vértice, dividiendo su ángulo en \(\theta\) y \((k-1)\theta\). Cualquiera que sea el triángulo que conserve Shan-Yu, tendrá un ángulo \(\theta\) o un ángulo \((k-1)\theta\). Repetir este procedimiento demuestra la afirmación.
Por tanto, basta forzar un ángulo que sea un múltiplo entero de \(\theta\).
Sea \(ABC\) el triángulo actual, con ángulos \(a,b,c\), respectivamente, y supongamos que ninguno es un múltiplo entero de \(\theta\). Renombremos los vértices de modo que \(a\) sea uno de los ángulos mayores. Afirmamos que existe un entero \(m\) tal que \[ b<m\theta<180^\circ-c=b+a. \]
- Si \(n=2\), tanto \(b\) como \(c\) son estrictamente menores que \(90^\circ\): en caso contrario, como \(a\) es uno de los mayores, dos ángulos sumarían al menos \(180^\circ\). Por tanto, \(m=1\) sirve.
- Si \(n\ge3\), entonces \(a\ge60^\circ\ge\theta\). Como \(a\) no es un múltiplo entero de \(\theta\), tenemos \(a>\theta\). Tomando \[ m=\left\lfloor\frac b\theta\right\rfloor+1 \] obtenemos \[ b<m\theta\le b+\theta<b+a. \]
Ahora Mulán corta a lo largo de \(AP\), donde \(P\) está en \(BC\) y \[ \angle BAP=m\theta-b. \] Las desigualdades que acabamos de demostrar muestran que este ángulo está estrictamente entre \(0^\circ\) y \(a\), de modo que la semirrecta corta el interior de \(BC\), haciendo que el corte sea válido. Los dos ángulos en \(P\) son \[ \angle APB=180^\circ-m\theta=(n-m)\theta, \qquad \angle APC=m\theta. \] Además, \(1\le m\le n-1\). Por tanto, cualquiera de los triángulos que se conserve tiene un ángulo que es un múltiplo entero positivo de \(\theta\). Mulán aplica entonces la estrategia anterior de múltiplos decrecientes.
Esto garantiza la victoria en una cantidad finita de pasos; de hecho, bastan a lo sumo \(n-1\) cortes.
Estrategia de Shan-Yu cuando \(180^\circ/\theta\) no es un entero.
Llamemos marcado a un ángulo si es un múltiplo entero positivo de \(\theta\), y llamemos seguro a un triángulo si ninguno de sus ángulos está marcado.
Shan-Yu elige inicialmente un triángulo equilátero. Es seguro, pues una igualdad \(60^\circ=k\theta\) implicaría \[ \frac{180^\circ}{\theta}=3k, \] en contra de nuestra hipótesis.
Mostraremos que, siempre que Mulán corta un triángulo seguro, al menos uno de los triángulos resultantes es seguro. Por tanto, Shan-Yu siempre puede conservar un triángulo seguro.
Sea \(ABC\) seguro, con ángulos \(a,b,c\), y supongamos que el corte es \(AP\), donde \(P\) está en el interior de \(BC\). Escribamos \[ x=\angle BAP,\qquad y=\angle PAC,\qquad u=\angle APB,\qquad v=\angle APC. \] Las sumas de ángulos dan \[ a=x+y,\qquad b=v-x,\qquad c=u-y,\qquad 180^\circ=u+v. \]
Supongamos, para llegar a una contradicción, que ninguno de los triángulos resultantes es seguro. Como los ángulos heredados \(b\) y \(c\) no están marcados, al menos uno de \(x,u\) está marcado, y al menos uno de \(y,v\) está marcado. Hay cuatro posibilidades:
- Si \(x,y\) están marcados, entonces \(a=x+y\) está marcado.
- Si \(x,v\) están marcados, entonces \(b=v-x>0^\circ\) está marcado.
- Si \(u,y\) están marcados, entonces \(c=u-y>0^\circ\) está marcado.
- Si \(u,v\) están marcados, entonces \(180^\circ=u+v\) es un múltiplo entero de \(\theta\).
Las tres primeras contradicen que \(ABC\) sea seguro, y la cuarta contradice la hipótesis sobre \(\theta\). Por tanto, al menos uno de los triángulos resultantes es seguro.
Conservando uno de esos triángulos después de cada corte, Shan-Yu se asegura de que ningún ángulo sea nunca igual a \(\theta\). En consecuencia, Mulán no puede garantizar la victoria para ningún otro valor de \(\theta\).
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2026 · 问题 4
单于和木兰玩一个游戏。取定一个双方都知道的角度 \(\theta\),\(0^\circ<\theta<180^\circ\)。游戏开始时,单于在纸上剪出一个三角形 \(\mathcal T\),内角大小由其任选。接着他们反复进行下面的步骤:
- 若三角形 \(\mathcal T\) 至少有一个内角的大小等于 \(\theta\),则游戏结束,木兰获胜。
- 否则,木兰在 \(\mathcal T\) 的边界上选取一个点 \(P\)(不是 \(\mathcal T\) 的顶点),再沿点 \(P\) 与 \(\mathcal T\) 上相对顶点的连线剪开,将三角形 \(\mathcal T\) 分成两个三角形。
- 单于丢弃其中一个三角形,留下的三角形作为新的 \(\mathcal T\)。
对哪些实数值 \(\theta\),木兰可以确保在有限步后获胜,不论单于如何进行游戏?
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
\(\displaystyle \theta=\frac{180^\circ}{n}\),其中 \(n\ge 2\) 为任意整数。
解答
我们证明,对于这些值,木兰能够获胜,而对于其他所有值,单于都能避免落败。
当 \(180^\circ=n\theta\) 时木兰的策略。
首先,设当前三角形有一个角为 \(k\theta\),其中 \(1\le k\le n-1\)。木兰至多再剪 \(k-1\) 次就能获胜。事实上,若 \(k=1\),她已经获胜。否则,她从该顶点出发剪开,将这个角分为 \(\theta\) 和 \((k-1)\theta\)。无论单于留下哪个三角形,它要么有一个角为 \(\theta\),要么有一个角为 \((k-1)\theta\)。重复这一过程即证明了上述结论。
因此,只需迫使三角形出现一个为 \(\theta\) 的整数倍的角。
设当前三角形为 \(ABC\),三个角分别为 \(a,b,c\),且没有一个角是 \(\theta\) 的整数倍。重新标记顶点,使 \(a\) 为一个最大的角。我们断言,存在整数 \(m\) 使得 \[ b<m\theta<180^\circ-c=b+a. \]
- 若 \(n=2\),则 \(b\) 和 \(c\) 均严格小于 \(90^\circ\):否则,由于 \(a\) 最大,就会有两个角的和至少为 \(180^\circ\)。所以取 \(m=1\) 即可。
- 若 \(n\ge3\),则 \(a\ge60^\circ\ge\theta\)。由于 \(a\) 不是 \(\theta\) 的整数倍,有 \(a>\theta\)。取 \[ m=\left\lfloor\frac b\theta\right\rfloor+1 \] 便有 \[ b<m\theta\le b+\theta<b+a. \]
现在木兰沿 \(AP\) 剪开,其中 \(P\) 在 \(BC\) 上,且 \[ \angle BAP=m\theta-b. \] 刚刚证明的不等式表明,该角严格介于 \(0^\circ\) 和 \(a\) 之间,所以这条射线交 \(BC\) 于其内部,因而这一剪法是合法的。\(P\) 处的两个角为 \[ \angle APB=180^\circ-m\theta=(n-m)\theta, \qquad \angle APC=m\theta. \] 此外,\(1\le m\le n-1\)。因此,无论留下哪个三角形,它都有一个角是 \(\theta\) 的正整数倍。木兰接着使用上面逐次减小倍数的策略即可。
这保证了她能在有限步内获胜;事实上,至多剪 \(n-1\) 次就够了。
当 \(180^\circ/\theta\) 不是整数时单于的策略。
若一个角是 \(\theta\) 的正整数倍,就称它为标记角;若一个三角形的所有角都不是标记角,就称它为安全的。
单于最初选取一个等边三角形。它是安全的,因为若有等式 \(60^\circ=k\theta\),就会推出 \[ \frac{180^\circ}{\theta}=3k, \] 这与假设矛盾。
我们证明,每当木兰剪开一个安全的三角形时,所得的两个三角形中至少有一个是安全的。因此,单于总能留下一个安全的三角形。
设 \(ABC\) 是安全的,三个角为 \(a,b,c\),且沿 \(AP\) 剪开,其中 \(P\) 位于 \(BC\) 的内部。记 \[ x=\angle BAP,\qquad y=\angle PAC,\qquad u=\angle APB,\qquad v=\angle APC. \] 由角的和差关系,得到 \[ a=x+y,\qquad b=v-x,\qquad c=u-y,\qquad 180^\circ=u+v. \]
反设所得的两个三角形都不安全。由于保留下来的角 \(b\) 和 \(c\) 不是标记角,\(x,u\) 中至少有一个是标记角,且 \(y,v\) 中至少有一个是标记角。有以下四种可能:
- 若 \(x,y\) 是标记角,则 \(a=x+y\) 是标记角。
- 若 \(x,v\) 是标记角,则 \(b=v-x>0^\circ\) 是标记角。
- 若 \(u,y\) 是标记角,则 \(c=u-y>0^\circ\) 是标记角。
- 若 \(u,v\) 是标记角,则 \(180^\circ=u+v\) 是 \(\theta\) 的整数倍。
前三种情形与 \(ABC\) 的安全性矛盾,第四种情形与关于 \(\theta\) 的假设矛盾。因此,所得的三角形中至少有一个是安全的。
每次剪开后都留下这样的三角形,单于便能确保始终没有一个角等于 \(\theta\)。因此,对于其他任何 \(\theta\) 值,木兰都不能确保获胜。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2026 · Задача 4
Дан угол \(\theta\), причём \(0^\circ<\theta<180^\circ\). Величина угла \(\theta\) известна Пьеру и Наташе. Они играют в следующую игру. Изначально Пьер вырезает из бумаги треугольник \(\mathcal T\) по своему усмотрению. Затем они последовательно выполняют ходы по следующим правилам:
- Если хотя бы один из углов треугольника \(\mathcal T\) равен \(\theta\), то игра заканчивается победой Наташи.
- В противном случае Наташа разрезает треугольник \(\mathcal T\) на два треугольника (по отрезку, соединяющему выбираемую ею точку \(P\) на границе треугольника \(\mathcal T\), отличную от вершин \(\mathcal T\), с противоположной вершиной \(\mathcal T\)).
- Пьер выбрасывает один из этих треугольников, а второй треугольник становится новым \(\mathcal T\).
Для каких вещественных значений \(\theta\) Наташа может гарантировать себе победу за конечное число ходов независимо от действий Пьера?
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\(\displaystyle \theta=\frac{180^\circ}{n}\) для любого целого \(n\ge 2\).
Решение
Докажем, что для этих значений Наташа может победить, а для любого другого значения Пьер может избежать поражения.
Стратегия Наташи при \(180^\circ=n\theta\).
Сначала предположим, что у текущего треугольника есть угол \(k\theta\), где \(1\le k\le n-1\). Наташа может победить, сделав не более \(k-1\) дальнейших разрезов. Действительно, если \(k=1\), она уже победила. В противном случае она делает разрез из этой вершины, разделяя её угол на \(\theta\) и \((k-1)\theta\). Какой бы треугольник ни оставил Пьер, в нём есть либо угол \(\theta\), либо угол \((k-1)\theta\). Повторение этой процедуры доказывает утверждение.
Поэтому достаточно добиться появления угла, кратного \(\theta\).
Пусть текущий треугольник — \(ABC\) с углами \(a,b,c\) соответственно, и предположим, что ни один из них не кратен \(\theta\). Переобозначим вершины так, чтобы \(a\) был одним из наибольших углов. Утверждаем, что существует целое \(m\), для которого \[ b<m\theta<180^\circ-c=b+a. \]
- Если \(n=2\), то и \(b\), и \(c\) строго меньше \(90^\circ\): иначе, поскольку \(a\) — наибольший угол, сумма двух углов была бы не меньше \(180^\circ\). Поэтому подходит \(m=1\).
- Если \(n\ge3\), то \(a\ge60^\circ\ge\theta\). Поскольку \(a\) не кратен \(\theta\), имеем \(a>\theta\). Полагая \[ m=\left\lfloor\frac b\theta\right\rfloor+1 \] получаем \[ b<m\theta\le b+\theta<b+a. \]
Теперь Наташа делает разрез по \(AP\), где \(P\) лежит на \(BC\) и \[ \angle BAP=m\theta-b. \] Только что доказанные неравенства показывают, что этот угол лежит строго между \(0^\circ\) и \(a\), поэтому луч пересекает внутреннюю часть \(BC\), и разрез допустим. Два угла при \(P\) равны \[ \angle APB=180^\circ-m\theta=(n-m)\theta, \qquad \angle APC=m\theta. \] Кроме того, \(1\le m\le n-1\). Следовательно, в любом из оставленных треугольников есть угол, равный положительному целому кратному \(\theta\). Затем Наташа применяет описанную выше стратегию уменьшения кратности.
Это гарантирует победу за конечное число ходов; более того, достаточно не более \(n-1\) разрезов.
Стратегия Пьера, когда \(180^\circ/\theta\) не является целым числом.
Назовём угол отмеченным, если он равен положительному целому кратному \(\theta\), а треугольник — безопасным, если ни один из его углов не отмечен.
Пьер первоначально выбирает равносторонний треугольник. Он безопасен, поскольку из равенства \(60^\circ=k\theta\) следовало бы \[ \frac{180^\circ}{\theta}=3k, \] вопреки нашему предположению.
Покажем, что всякий раз, когда Наташа разрезает безопасный треугольник, хотя бы один из полученных треугольников безопасен. Поэтому Пьер всегда может оставлять безопасный треугольник.
Пусть \(ABC\) — безопасный треугольник с углами \(a,b,c\), и пусть разрез сделан по \(AP\), где \(P\) лежит внутри стороны \(BC\). Обозначим \[ x=\angle BAP,\qquad y=\angle PAC,\qquad u=\angle APB,\qquad v=\angle APC. \] Из равенств для сумм углов получаем \[ a=x+y,\qquad b=v-x,\qquad c=u-y,\qquad 180^\circ=u+v. \]
Предположим противное: ни один из полученных треугольников не безопасен. Поскольку сохранившиеся углы \(b\) и \(c\) не отмечены, хотя бы один из углов \(x,u\) отмечен и хотя бы один из углов \(y,v\) отмечен. Возможны четыре случая:
- Если \(x,y\) отмечены, то \(a=x+y\) отмечен.
- Если \(x,v\) отмечены, то \(b=v-x>0^\circ\) отмечен.
- Если \(u,y\) отмечены, то \(c=u-y>0^\circ\) отмечен.
- Если \(u,v\) отмечены, то \(180^\circ=u+v\) кратно \(\theta\).
Первые три случая противоречат безопасности \(ABC\), а четвёртый — предположению о \(\theta\). Значит, хотя бы один из полученных треугольников безопасен.
Оставляя такой треугольник после каждого разреза, Пьер обеспечивает, что ни один угол никогда не станет равным \(\theta\). Следовательно, Наташа не может гарантировать победу ни для какого другого значения \(\theta\).
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2026 · المسألة 4
يلعب شانيو ومولان لعبة. لتكن \(0^\circ<\theta<180^\circ\) زاوية معلومة لكلا اللاعبين. في البداية، يصنع شانيو مثلث ورقي \(\mathcal T\) بزوايا من اختياره. بعد ذلك، يقومان بتكرار الحركات التالية:
- إذا كان \(\mathcal T\) يحتوي على الأقل على زاوية واحدة قياسها \(\theta\)، فحينها تنتهي اللعبة وتفوز مولان.
- غير ذلك، تقوم مولان باختيار نقطة \(P\) على ضلع من أضلاع المثلث \(\mathcal T\) ولا تساوي أياً من رؤوسه، ثم تقص المثلث ابتداءً من \(P\) إلى الرأس المقابل في \(\mathcal T\)، بحيث تقسم \(\mathcal T\) إلى مثلثين.
- يستبعد شانيو أحد المثلثين، ويصبح المثلث المتبقي هو \(\mathcal T\) الجديد.
لأي القيم الحقيقية \(\theta\) يمكن لمولان ضمان الفوز في عدد منته من الخطوات، بغض النظر عن طريقة لعب شانيو.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\(\displaystyle \theta=\frac{180^\circ}{n}\) لأي عدد صحيح \(n\ge 2\).
الحل
نثبت أن مولان تستطيع الفوز لهذه القيم، وأن شانيو يستطيع تجنّب الهزيمة لكل قيمة أخرى.
استراتيجية مولان عندما يكون \(180^\circ=n\theta\).
أولًا، افترض أن للمثلث الحالي زاوية \(k\theta\)، حيث \(1\le k\le n-1\). تستطيع مولان الفوز بعد ما لا يزيد على \(k-1\) قصّة إضافية. بالفعل، إذا كان \(k=1\)، فقد فازت بالفعل. وإلا فإنها تقصّ من ذلك الرأس، فتقسّم زاويته إلى \(\theta\) و\((k-1)\theta\). وأيًا كان المثلث الذي يحتفظ به شانيو، فإما أن تكون له زاوية \(\theta\)، أو تكون له زاوية \((k-1)\theta\). وتكرار هذا الإجراء يثبت الادّعاء.
لذلك يكفي فرض ظهور زاوية هي مضاعف صحيح لـ\(\theta\).
ليكن المثلث الحالي \(ABC\)، وزواياه \(a,b,c\)، على الترتيب، وافترض أن أيًا منها ليس مضاعفًا صحيحًا لـ\(\theta\). نعيد تسمية الرؤوس بحيث تكون \(a\) زاوية كبرى. ندّعي وجود عدد صحيح \(m\) بحيث \[ b<m\theta<180^\circ-c=b+a. \]
- إذا كان \(n=2\)، فإن كلًا من \(b\) و\(c\) أصغر تمامًا من \(90^\circ\): وإلا، وبما أن \(a\) كبرى، لكان مجموع زاويتين لا يقل عن \(180^\circ\). لذا يصلح \(m=1\).
- إذا كان \(n\ge3\)، فإن \(a\ge60^\circ\ge\theta\). وبما أن \(a\) ليست مضاعفًا صحيحًا لـ\(\theta\)، فلدينا \(a>\theta\). وبأخذ \[ m=\left\lfloor\frac b\theta\right\rfloor+1 \] نحصل على \[ b<m\theta\le b+\theta<b+a. \]
تقصّ مولان الآن على امتداد \(AP\)، حيث تقع \(P\) على \(BC\) وتحقق \[ \angle BAP=m\theta-b. \] تبيّن المتباينات التي أثبتناها للتو أن هذه الزاوية تقع تمامًا بين \(0^\circ\) و\(a\)، لذا يلتقي نصف المستقيم بداخل \(BC\)، فتكون القصّة مسموحة. والزاويتان عند \(P\) هما \[ \angle APB=180^\circ-m\theta=(n-m)\theta, \qquad \angle APC=m\theta. \] علاوة على ذلك، \(1\le m\le n-1\). ومن ثم، أيًا كان المثلث المحتفَظ به، فله زاوية هي مضاعف صحيح موجب لـ\(\theta\). وتطبّق مولان بعد ذلك استراتيجية تناقص المضاعف المذكورة أعلاه.
وهذا يضمن الفوز في عدد منته من الخطوات؛ بل تكفي على الأكثر \(n-1\) قصّة.
استراتيجية شانيو عندما لا يكون \(180^\circ/\theta\) عددًا صحيحًا.
نسمّي الزاوية معلَّمة إذا كانت مضاعفًا صحيحًا موجبًا لـ\(\theta\)، ونسمّي المثلث آمنًا إذا لم تكن أيّ من زواياه معلَّمة.
يختار شانيو في البداية مثلثًا متساوي الأضلاع. وهو آمن، لأن مساواةً من الشكل \(60^\circ=k\theta\) تستلزم \[ \frac{180^\circ}{\theta}=3k, \] خلافًا لفرضنا.
نثبت أنه كلما قصّت مولان مثلثًا آمنًا، كان أحد المثلثين الناتجين على الأقل آمنًا. ولذلك يستطيع شانيو دائمًا الاحتفاظ بمثلث آمن.
ليكن \(ABC\) آمنًا، وزواياه \(a,b,c\)، وافترض أن القصّة هي \(AP\)، حيث تقع \(P\) في داخل \(BC\). اكتب \[ x=\angle BAP,\qquad y=\angle PAC,\qquad u=\angle APB,\qquad v=\angle APC. \] تعطي مجاميع الزوايا \[ a=x+y,\qquad b=v-x,\qquad c=u-y,\qquad 180^\circ=u+v. \]
افترض، وصولًا إلى تناقض، أن أيًا من المثلثين الناتجين ليس آمنًا. بما أن الزاويتين الموروثتين \(b\) و\(c\) غير معلَّمتين، فإن واحدة على الأقل من \(x,u\) معلَّمة، وواحدة على الأقل من \(y,v\) معلَّمة. وهناك أربعة احتمالات:
- إذا كانت \(x,y\) معلَّمتين، فإن \(a=x+y\) معلَّمة.
- إذا كانت \(x,v\) معلَّمتين، فإن \(b=v-x>0^\circ\) معلَّمة.
- إذا كانت \(u,y\) معلَّمتين، فإن \(c=u-y>0^\circ\) معلَّمة.
- إذا كانت \(u,v\) معلَّمتين، فإن \(180^\circ=u+v\) مضاعف صحيح لـ\(\theta\).
تتناقض الاحتمالات الثلاثة الأولى مع أمان \(ABC\)، ويتناقض الرابع مع الفرض المتعلق بـ\(\theta\). إذن أحد المثلثين الناتجين على الأقل آمن.
بالاحتفاظ بمثلث كهذا بعد كل قصّة، يضمن شانيو ألا تساوي أي زاوية \(\theta\) أبدًا. وبالتالي لا تستطيع مولان ضمان الفوز لأي قيمة أخرى لـ\(\theta\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.