Maths Olympiad Prep

Library / /11 of 25

Geometry Difficulty 6.1 National olympiad Prove it Russia

Determine if there exists a triangle whose side lengths x,y,zx, y, z satisfy x3+y3+z3=(x+y)(y+z)(z+x)x^3 + y^3 + z^3 = (x+y)(y+z)(z+x).

Существует ли треугольник, длины сторон которого x,y,zx, y, z удовлетворяют равенству x3+y3+z3=(x+y)(y+z)(z+x)x^3 + y^3 + z^3 = (x+y)(y+z)(z+x)?

Solution

No, such a triangle does not exist.

Let us consider the expression:
(x+y)(x+z)(y+z)=x2(y+z)+y2(x+z)+z2(x+y)+2xyz(x + y)(x + z)(y + z) = x^2(y + z) + y^2(x + z) + z^2(x + y) + 2xyz
By the triangle inequality, x,y,zx, y, z are positive and the sum of any two is greater than the third. Therefore,
x2(y+z)+y2(x+z)+z2(x+y)+2xyz>x3+y3+z3x^2(y + z) + y^2(x + z) + z^2(x + y) + 2xyz > x^3 + y^3 + z^3
since x2(y+z)>x3x^2(y + z) > x^3, y2(x+z)>y3y^2(x + z) > y^3, z2(x+y)>z3z^2(x + y) > z^3, and 2xyz>02xyz > 0.

Thus, (x+y)(x+z)(y+z)>x3+y3+z3(x+y)(x+z)(y+z) > x^3 + y^3 + z^3 for any positive x,y,zx, y, z satisfying the triangle inequalities. Therefore, there does not exist a triangle with such side lengths.

Solution:

Нет, не существует такого треугольника.

Первое решение. Пусть такой треугольник существует. Можно считать, что xyzx \ge y \ge z. Тогда по неравенству треугольника y+z>xy+z > x, откуда
(x+y)(x+z)(y+z)>(x+y)(x+z)x=x3+x2y+x2z+xyz>x3+x2y+x2zx3+y3+z3.(x+y)(x+z)(y+z) > (x+y)(x+z)x = x^3 + x^2y + x^2z + xyz > x^3 + x^2y + x^2z \ge x^3 + y^3 + z^3.

Второе решение. Пусть такой треугольник существует. Отметим точки касания его сторон с вписанной окружностью. Пусть отрезки касательных от вершин до этих точек касания равны a,ba, b и cc, тогда x=b+cx = b+c, y=a+cy = a+c, z=a+bz = a+b. Имеем
(x+y)(y+z)(z+x)=(a+2b+c)(a+b+2c)(2a+b+c)=2(a3+b3+c3)+7(a2b+ab2+a2c+ac2+b2c+bc2)+16abc(x+y)(y+z)(z+x) = (a+2b+c)(a+b+2c)(2a+b+c) = 2(a^3+b^3+c^3)+7(a^2b+ab^2+a^2c+ac^2+b^2c+bc^2)+16abc
и
x3+y3+z3=(a+b)3+(b+c)3+(c+a)3=2(a3+b3+c3)+3(a2b+ab2+a2c+ac2+b2c+bc2).\begin{aligned} x^3+y^3+z^3 &= (a+b)^3 + (b+c)^3 + (c+a)^3 \\ &= 2(a^3+b^3+c^3)+3(a^2b+ab^2+a^2c+ac^2+b^2c+bc^2). \end{aligned}

Значит, разность (x+y)(y+z)(z+x)x3y3z3(x+y)(y+z)(z+x) - x^3 - y^3 - z^3 после подстановки и приведения подобных слагаемых приобретает вид 4(a2b+ab2+a2c+ac2+b2c+bc2)+16abc4(a^2b+ab^2+a^2c+ac^2+b^2c+bc^2)+16abc, что, очевидно, больше 0. Противоречие.

Замечание. Существуют три положительных числа x,y,zx, y, z такие, что равенство из условия выполнено — например, 1,1,1+51, 1, 1+\sqrt{5}. Таким образом, условие, что x,y,zx, y, z являются длинами сторон треугольника, существенно.

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.