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番外 · 题谱 · 2000 · P5

2000 IMO Shortlist S05

几何 · P2/P5 · 中段题

题面据 IMO Shortlist 可核档案整理;中文题意为本站自译,公式请以原始来源为准。

IMO Shortlist 2000 S05 geometry

Let n4n \geq 4 be a fixed positive integer. Given a set S={P1,P2,,Pn}S = \{P_1, P_2, \ldots, P_n\} of nn points in the plane such that no three are collinear and no four concyclic, let at,a_t, 1tn,1 \leq t \leq n, be the number of circles PiPjPkP_iP_jP_k that contain PtP_t in their interior, and let m(S)=a1+a2++an.m(S)=a_1+a_2+\cdots + a_n. Prove that there exists a positive integer f(n),f(n), depending only on n,n, such that the points of SS are the vertices of a convex polygon if and only if m(S)=f(n).m(S) = f(n).

n4n \geq 4 为固定正整数。给定平面上 nn 个点的集合 S={P1,P2,,Pn}S = \{P_1, P_2, \ldots, P_n\},其中没有三个点共线,也没有四个点同圈,令 at,a_t, 1tn,1 \leq t \leq n, 为内部包含 PtP_t 的圆 PiPjPkP_iP_jP_k 的数量,并令m(S)=a1+a2++an.m(S)=a_1+a_2+\cdots + a_n.证明存在一个正整数f(n),f(n),仅依赖于n,n,使得SS的点是凸多边形的顶点当且仅当m(S)=f(n).m(S) = f(n).

提示 1

先标出固定点、动点、角、圆和长度关系。

提示 2

尝试角追、相似、圆幂、面积比、反演或坐标化中的一种。

提示 3

把关键等式还原成标准定理,或补出一个让结构闭合的辅助点。

完整解答

这页先给题面、题型和提示阶梯,完整证明留给读者逐步展开。2000 年 IMO Shortlist S05 可先归入几何:第一步把题设翻成对象、条件、目标三行;第二步沿提示寻找不变量、标准构型或关键变形;第三步补齐边界情形,并回到题目原要求核对。

这题适合先独立想一轮再打开提示。不要急着搜索完整解答,先问自己:题面里最硬的限制是哪一句?