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。
Let and be fixed integers, and . Given are identical black rods and identical white rods, each of side length .
We assemble a regular -gon using these rods so that parallel sides are the same color. Then, a convex -gon is formed by translating the black rods, and a convex -gon is formed by translating the white rods. An example of one way of doing the assembly when and is shown below, as well as the resulting polygons and .
$$
[asy] size(10cm); real w = 2*Sin(18); real h = 0.10 * w; real d = 0.33 * h; picture wht; picture blk; draw(wht, (0,0)--(w,0)--(w+d,h)--(-d,h)--cycle); fill(blk, (0,0)--(w,0)--(w+d,h)--(-d,h)--cycle, black); // draw(unitcircle, blue+dotted); // Original polygon add(shift(dir(108))*blk); add(shift(dir(72))*rotate(324)*blk); add(shift(dir(36))*rotate(288)*wht); add(shift(dir(0))*rotate(252)*blk); add(shift(dir(324))*rotate(216)*wht); add(shift(dir(288))*rotate(180)*blk); add(shift(dir(252))*rotate(144)*blk); add(shift(dir(216))*rotate(108)*wht); add(shift(dir(180))*rotate(72)*blk); add(shift(dir(144))*rotate(36)*wht); // White shifted real Wk = 1.2; pair W1 = (1.8,0.1); pair W2 = W1 + w*dir(36); pair W3 = W2 + w*dir(108); pair W4 = W3 + w*dir(216); path Wgon = W1--W2--W3--W4--cycle; draw(Wgon); pair WO = (W1+W3)/2; transform Wt = shift(WO)*scale(Wk)*shift(-WO); draw(Wt * Wgon); label("", WO); /* draw(W1--Wt*W1); draw(W2--Wt*W2); draw(W3--Wt*W3); draw(W4--Wt*W4); */ // Black shifted real Bk = 1.10; pair B1 = (1.5,-0.1); pair B2 = B1 + w*dir(0); pair B3 = B2 + w*dir(324); pair B4 = B3 + w*dir(252); pair B5 = B4 + w*dir(180); pair B6 = B5 + w*dir(144); path Bgon = B1--B2--B3--B4--B5--B6--cycle; pair BO = (B1+B4)/2; transform Bt = shift(BO)*scale(Bk)*shift(-BO); fill(Bt * Bgon, black); fill(Bgon, white); label("", BO); [/asy]
$$
Prove that the difference of the areas of and depends only on the numbers and , and not on how the -gon was assembled.
设和为固定整数,且。给出 相同的黑棒和 相同的白棒,每根边长 。
我们使用这些杆组装一个常规的 边形,以便平行边具有相同的颜色。然后,通过平移黑棒形成凸-gon ,通过平移白棒形成凸-gon 。下面显示了当 和 时进行组装的一种方法的示例,以及生成的多边形 和 。
$$
[asy] 尺寸(10cm);实数 w = 2*Sin(18);实际 h = 0.10 * w;实际 d = 0.33 * h;图片内容是什么;图片块;绘制(wht,(0,0)--(w,0)--(w+d,h)--(-d,h)--循环); fill(blk, (0,0)--(w,0)--(w+d,h)--(-d,h)--循环,黑色); // 绘制(单位圆,蓝色+点); // 原始多边形 add(shift(dir(108))*blk);添加(移位(目录(72))*旋转(324)*块);添加(移位(目录(36))*旋转(288)*什么);添加(移位(目录(0))*旋转(252)*块);添加(移位(目录(324))*旋转(216)*什么);添加(移位(目录(288))*旋转(180)*块);添加(移位(目录(252))*旋转(144)*块);添加(移位(目录(216))*旋转(108)*什么);添加(移位(目录(180))*旋转(72)*块);添加(移位(目录(144))*旋转(36)*什么); // 白移实数 Wk = 1.2;对 W1 = (1.8,0.1);对 W2 = W1 + w*dir(36);对 W3 = W2 + w*dir(108);对 W4 = W3 + w*dir(216);路径Wgon=W1--W2--W3--W4--循环;绘制(Wgon);对 WO = (W1+W3)/2;变换 Wt = 移位(WO)*缩放(Wk)*移位(-WO);绘制(Wt * Wgon);标签(“”,WO); /* 绘制(W1--Wt*W1);绘制(W2--Wt*W2);绘制(W3--Wt*W3);绘制(W4--Wt*W4); */ // 黑移实数 Bk = 1.10;对 B1 = (1.5,-0.1);对 B2 = B1 + w*dir(0);对 B3 = B2 + w*dir(324);对 B4 = B3 + w*dir(252);对 B5 = B4 + w*dir(180);对 B6 = B5 + w*dir(144);路径Bgon = B1--B2--B3--B4--B5--B6--循环;对 BO = (B1+B4)/2;变换 Bt = 移位(BO)*缩放(Bk)*移位(-BO);填充(Bt * Bgon,黑色);填充(Bgon,白色);标签(“”,BO); [/asy]
$$
证明 和 的面积之差仅取决于数字 和 ,而不取决于 -gon 的组装方式。
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。2022 年 USAMO P2 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?