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番外 · 题谱 · 2017 · P4

2017 USAMO 第 4 题

几何 · P1/P4 · 起手题

题面据 USAMO 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。

USAMO 2017 P4 geometry

Let P1,,P2nP_1, \ldots, P_{2n} be 2n2n distinct points on the unit circle x2+y2=1x^2 + y^2 = 1 other than (1,0)(1,0). Each point is colored either red or blue, with exactly nn of them red and exactly nn of them blue. Let R1,,RnR_1, \ldots, R_n be any ordering of the red points. Let B1B_1 be the nearest blue point to R1R_1 traveling counterclockwise around the circle starting from R1R_1. Then let B2B_2 be the nearest of the remaining blue points to R2R_2 traveling counterclockwise around the circle from R2R_2, and so on, until we have labeled all the blue points B1,,BnB_1, \ldots, B_n. Show that the number of counterclockwise arcs of the form RiBiR_i \rightarrow B_i that contain the point (1,0)(1,0) is independent of the way we chose the ordering R1,,RnR_1, \ldots, R_n of the red points.

P1,,P2nP_1, \ldots, P_{2n} 为单位圆 x2+y2=1x^2 + y^2 = 1 上除 (1,0)(1,0) 之外的 2n2n 个不同点。每个点的颜色要么是红色,要么是蓝色,其中恰好 nn 为红色,恰好 nn 为蓝色。令 R1,,RnR_1, \ldots, R_n 为红点的任意顺序。令 B1B_1 为距 R1R_1 最近的蓝点,从 R1R_1 开始逆时针绕圆旋转。然后让 B2B_2 为距离 R2R_2 最近的剩余蓝点,从 R2R_2 逆时针绕圆移动,依此类推,直到我们标记了所有蓝点 B1BnB_1、\ldots、B_n。证明包含点 (1,0)(1,0) 的、形式为 RiBiR_i \rightarrow B_i 的逆时针弧的数量与我们选择红点的顺序 R1,,RnR_1, \ldots, R_n 的方式无关。

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。2017 年 USAMO P4 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?