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番外 · 题谱 · 1987 · P5

1987 CMO 第 5 题

不等式 · P2/P5 · 中段题

题面据中国数学奥林匹克 / AoPS 可核档案整理;中文题意为本站自译,英文行为来源英译摘要,公式请以原始来源为准。

CMO 1987 P5 inequality

Let A1A2A3A4A_1A_2A_3A_4 be a tetrahedron. We construct four mutually tangent spheres S1,S2,S3,S4S_1,S_2,S_3,S_4 with centers A1,A2,A3,A4A_1,A_2,A_3,A_4 respectively. Suppose that there exists a point QQ such that we can construct two spheres centered at QQ satisfying the following conditions:

i) One sphere with radius rr is tangent to S1,S2,S3,S4S_1,S_2,S_3,S_4 ;

ii) One sphere with radius RR is tangent to every edges of tetrahedron A1A2A3A4A_1A_2A_3A_4 .

Prove that A1A2A3A4A_1A_2A_3A_4 is a regular tetrahedron.

A1A2A3A4A_1A_2A_3A_4 为四面体。我们构造四个相互相切的球体S1,S2,S3,S4S_1,S_2,S_3,S_4,分别以A1,A2,A3,A4A_1,A_2,A_3,A_4为中心。假设存在一个点QQ,我们可以构造两个以QQ为中心的球体,满足以下条件:

i) 一个半径为 rr 的球体与 S1,S2,S3,S4S_1,S_2,S_3,S_4 相切;

ii) 一个半径为 RR 的球体与四面体 A1A2A3A4A_1A_2A_3A_4 的每条边相切。

证明 A1A2A3A4A_1A_2A_3A_4 是正四面体。

提示 1

先猜等号,再看每一项的量纲和同次性。

提示 2

试着归一化,或把式子拆成柯西、均值、凸性可处理的块。

提示 3

最后检查等号条件是否和题设完全兼容。

完整解答

题面已直接收录。先把 1987 年 CMO 第 5 题的条件整理成对象、关系、目标三部分;再沿提示寻找不变量、标准构型或关键变形;最后补齐边界情形,并回到原题要求核对。