Maths Olympiad Prep

Library / /7 of 25

Geometry Difficulty 5.6 AIME, harder Prove it Russia

In the plane, several lines in a general position are drawn. These lines partition the plane into regions. Prove that one can put into each region a positive number so that the sums of numbers on both sides of each line will be equal.

Solution

Обозначим проведённые прямые l1,l2,,lnl_1, l_2, \dots, l_n, упорядочив их направления по часовой стрелке (см. рис. 10). Формально это означает следующее. Рассмотрим произвольную точку плёскости OO. Проведем через неё прямые, параллельные нашим, заумеруем их по часовой стрелке, а потом присвоим нашим прямым те же номера, которые получили соответствующие им новые прямые.

Figure 1

Среди областей, на которые наши прямые разрезали плоскость, есть 2n2n бесконечных кусков; обозначим их по часовой стрелке S1,S2,,S2nS_1, S_2, \dots, S_{2n} так, что прямая lil_i разделяет куски SiS_i и Si+1S_{i+1}, а также куски Si+nS_{i+n} и Si+n+1S_{i+n+1}. (Здесь и далее мы считаем, что S2n+1=S1S_{2n+1} = S_1.)

Для начала въс все области (конечные и бесконечные) поставим по 11. Для каждой прямой lil_i обозначим через Σi\Sigma_i возможность сумм чисел справа и слева от lil_i (мы считаем, что куски SiS_i и Si+n+1S_{i+n+1} лежат слева от lil_i). Если Σi>0\Sigma_i > 0, то прибавим по 12Σi\frac{1}{2} \Sigma_i к числам, стоящим в SiS_i и Si+1+nS_{i+1+n}. При этом все числа Σj\Sigma_j при jij \neq i не изменились, поскольку области SiS_i и Si+1+nS_{i+1+n} лежат по разные стороны относительно любой прямой, кроме lil_i. Число же Σi\Sigma_i стало равно нулю. Аналогично, если Σi<0\Sigma_i < 0, то прибавим по 12Σi\frac{1}{2} |\Sigma_i| к числам, стоящим в Si+1S_{i+1} и Si+nS_{i+n}; опять же, Σi\Sigma_i станет равна 00, а остальные Σj\Sigma_j не изменятся.

Такими операциями мы последовательно сделаем каждое Σi\Sigma_i равным нулю, не меняя остальных.

Want a route through all this instead of an archive? The track puts 2,000 problems in a working order, from AMC 10 level to the IMO shortlist.

Source: MathNet, licensed CC-BY-4.0. Statement and solution reproduced as published; topic and difficulty added by this site.