Maths Olympiad Prep

Library / /45 of 57

Geometry Difficulty 7.2 National olympiad, round 2 Prove it Russia

In the space, 20162016 distinct spheres are arranged. Some of these spheres are red, and the others are green. Each tangency point of two spheres of different colors is marked in blue. Find the greatest possible number of blue points.
(A. Kuznetsov)

В пространстве расположены 20162016 сфер, никакие две из них не совпадают. Некоторые из сфер — красного цвета, а остальные — зелёного. Каждую точку касания красной и зелёной сферы помечают синим цветом. Найдите наибольшее возможное количество синих точек.
(А. Кузнецов)

Solutions — 2

Solution 1

10082=10160641008^2 = 1016064 points.

One may arrange the spheres so that there are 10081008 red and 10081008 green spheres, and each pair of a red and a green sphere is tangent at a separate blue point. Arrange the centers RiR_i of equal red spheres along a circle centered at OO, arrange the centers GiG_i of green spheres along a line passing through OO and perpendicular to the plane of the circle (see Fig. 11).

Now, if a green sphere is tangent to one red sphere, it is tangent to all of them.

Figure 1

Solution 2

10082=10160641008^2 = 1016064 точек.

Пусть среди сфер есть rr красных и 2016r2016 - r зелёных. Так как у любых двух сфер максимум одна точка касания, количество синих точек не превосходит r(2016r)=10082(1008r)210082r(2016 - r) = 1008^2 - (1008 - r)^2 \le 1008^2.

Предъявим пример с таким количеством синих точек. Пусть \ell — некоторая прямая, α\alpha — плоскость, перпендикулярная \ell и пересекающая её в точке OO, а ω\omega — окружность с центром OO и радиусом 11, лежащая в α\alpha. Построим 10081008 красных сфер одинакового радиуса r<1r < 1 с различными центрами R1,R2,,R1008R_1, R_2, \dots, R_{1008}, лежащими на ω\omega.

Figure 1

Пусть G1,G2,,G1008G_1, G_2, \dots, G_{1008} — различные точки на \ell, удалённые от OO на расстояния d1,d2,,d1008d_1, d_2, \dots, d_{1008}. Тогда расстояние между GiG_i и любой точкой RjR_j равно 1+di2\sqrt{1 + d_i^2}. Построим зелёную сферу с центром GiG_i и радиусом 1+di2r\sqrt{1 + d_i^2} - r; тогда она будет касаться всех красных сфер. При этом все точки касания будут попарно различными, поскольку они лежат на отрезках вида RjGiR_j G_i, которые не имеют общих точек, кроме концов. Значит, в нашей конструкции действительно будут отмечены 100821008^2 синих точек.

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.