Maths Olympiad Prep

Library / /30 of 46

Geometry Difficulty 6.5 National olympiad Prove it Russia

A convex pentagon PP is given. Peter wrote down the five values of sines of the angles of PP, while Basil wrote down the five values of cosines of the angles of PP. It appears that among five Peter's numbers, no four are pairwise distinct. Determine whether the five Basil's numbers could be pairwise distinct.

Дан выпуклый пятиугольник. Петя выписал в тетрадь значения синусов всех его углов, а Вася — значения косинусов всех его углов. Оказалось, что среди выписанных Петей чисел нет четырёх различных. Могут ли все числа, выписанные Васей, оказаться различными?

Solutions — 2

Solution 1

No, they could not.

Suppose the contrary; then all angles of the pentagon are distinct numbers from the interval (0,π)(0, \pi). Note immediately that then Peter cannot have three equal numbers, since in this interval there are not three distinct angles with equal sines.

Therefore, Peter must have two pairs of equal numbers: sinα=sinβ\sin \alpha = \sin \beta and sinγ=sinδ\sin \gamma = \sin \delta. Since αβ\alpha \neq \beta, we get α=πβ\alpha = \pi - \beta; similarly, γ=πδ\gamma = \pi - \delta.

Let ε\varepsilon be the fifth angle of the pentagon. Since the sum of the angles of a pentagon is 3π3\pi, we have ε=3π(α+β)(γ+δ)=3πππ=π\varepsilon = 3\pi - (\alpha + \beta) - (\gamma + \delta) = 3\pi - \pi - \pi = \pi. This is impossible, since ε<π\varepsilon < \pi.

Solution 2

Нет, не могут.

Предположим противное; тогда все углы пятиугольника — различные числа из интервала (0,π)(0, \pi). Заметим сразу, что тогда у Пети не найдётся трёх равных чисел, ибо в этом интервале нет трёх различных углов с равными синусами.

Значит, у Пети должны быть две пары равных чисел: sinα=sinβ\sin \alpha = \sin \beta и sinγ=sinδ\sin \gamma = \sin \delta. Поскольку αβ\alpha \neq \beta, мы получаем α=πβ\alpha = \pi - \beta; аналогично γ=πδ\gamma = \pi - \delta.

Пусть теперь ε\varepsilon — пятый угол пятиугольника. Поскольку сумма углов пятиугольника равна 3π3\pi, имеем ε=3π(α+β)(γ+δ)=3πππ=π\varepsilon = 3\pi - (\alpha + \beta) - (\gamma + \delta) = 3\pi - \pi - \pi = \pi. Это невозможно, так как ε<π\varepsilon < \pi.

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.