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番外 · 题谱 · 2011 · P2

2011 IMO 第 2 题

代数 · P2/P5 · 中段题

题面据 IMO 可核档案整理;中文题意为本站自译或改写,正式公式请以原始来源为准。PDF:https://www.imo-official.org/problems/2011/eng.pdf。本站于 2026-05-13 将 IMO 题谱生成范围校验至 2025 年。

IMO 2011 P2 algebra

Let SS be a finite set of at least two points in the plane. Assume that no three points of SS are collinear. A windmill is a process that starts with a line \ell going through a single point PSP\in S . The line rotates clockwise about the pivot PP until the first time that the line meets some other point belonging to SS . This point, QQ , takes over as the new pivot, and the line now rotates clockwise about QQ , until it next meets a point of SS . This process continues indefinitely.

Show that we can choose a point PP in SS and a line \ell going through PP such that the resulting windmill uses each point of SS as a pivot infinitely many times.

SS 是平面上至少两个点的有限集。假设 SS 没有三点共线。风车是一个从线 \ell 开始穿过单个点 PSP\in S 的过程。该线围绕枢轴 PP 顺时针旋转,直到该线第一次遇到属于 SS 的其他点。该点 QQ 接管作为新的枢轴,并且该线现在绕 QQ 顺时针旋转,直到它下一个遇到 SS 点。这个过程无限期地持续下去。

证明我们可以在 SS 中选择一个点 PP 和一条穿过 PP 的线 \ell ,这样生成的风车就会无限次地使用 SS 中的每个点作为枢轴。

提示 1

先把题面里的关系改写成一个干净的代数对象。

提示 2

寻找不变量、对称式或一个可以降次数的替换。

提示 3

最后用判别式、因式分解或单调性把所有可能排完。

完整解答

题面来自可核来源,本站补原创提示和解法骨架。 先把 2011 年第 2 题归入 algebra:代数结构题:先把变量、方程或多项式关系整理成少数几个不变量,再看对称性、单调性或根的分布。 完整解答的主线是先翻译题设,提取一个不变量或标准构型;第二步用提示阶梯里的入口建立关键等式;第三步把剩余情形分完,并回到题目要求检查边界和等号。P2 的题位也给出节奏提示:P1/P4 多半从直接观察起步,P2/P5 需要一个中间引理,P3/P6 则要把两个看似分开的条件接到同一个结构上。

2011 P2 是很适合放进“经典题复盘”清单的一题:它不靠长篇计算取胜,而是逼你先把题设压成一个稳定的代数结构。复盘时可以只问一个问题:哪一步把看似松散的条件变成了可控对象?这个问题答清楚,解答骨架就不会只是公式堆叠。