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2009 APMO 第 3 题

题面据 APMO 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。

APMO 2009 P3 geometry

Let three circles Γ1,Γ2,Γ3\Gamma_{1}, \Gamma_{2}, \Gamma_{3}, which are non-overlapping and mutually external, be given in the plane. For each point PP in the plane, outside the three circles, construct six points A1,B1,A2,B2,A3,B3A_{1}, B_{1}, A_{2}, B_{2}, A_{3}, B_{3} as follows: For each i=1,2,3,Ai,Bii=1,2,3, A_{i}, B_{i} are distinct points on the circle Γi\Gamma_{i} such that the lines PAiP A_{i} and PBiP B_{i} are both tangents to Γi\Gamma_{i}. Call the point PP exceptional if, from the construction, three lines A1B1,A2B2,A3B3A_{1} B_{1}, A_{2} B_{2}, A_{3} B_{3} are concurrent. Show that every exceptional point of the plane, if exists, lies on the same circle.

设平面内不重叠且互为外部的三个圆Γ1Γ2Γ3\Gamma_{1}、\Gamma_{2}、\Gamma_{3}。对于平面上三个圆之外的每个点 PP,构造六个点 A1B1A2B2A3B3A_{1}、B_{1}、A_{2}、B_{2}、A_{3}、B_{3},如下所示: 对于每个 i=1,2,3AiBii=1,2,3,A_{i}、B_{i} 是圆 Γi\Gamma_{i} 上的不同点,使得线 PAiP A_{i}PBiP B_{i} 均与 Γi\Gamma_{i} 相切。如果从构造来看,三行 A1B1A2B2A3B3A_{1} B_{1}、A_{2} B_{2}、A_{3} B_{3} 是并发的,则称点 PP 为异常。证明平面上的每个异常点(如果存在)都位于同一个圆上。

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。2009 年 APMO P3 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?