Maths Olympiad Prep

Library / /33 of 57

Geometry Difficulty 6.9 National olympiad Prove it Russia

Basil drew nn circles in a plane. After that, for every two circles he drew all their common tangents. It appears that the drawn lines contain all the sides of some regular 2011-gon. Find the least possible value of nn. (N. Agakhanov)

Вася нарисовал на плоскости несколько окружностей и провёл всевозможные общие касательные к каждой паре этих окружностей. Оказалось, что проведённые прямые содержат все стороны некоторого правильного 2011-угольника. Какое наименьшее количество окружностей мог нарисовать Вася? (Н. Агаханов)

Solution

Ответ. 504.

Обозначим полученный правильный 2011-угольник через MM, его вершины (по часовой стрелке) — через X1,X2,,X2011X_1, X_2, \dots, X_{2011}, его вписанную окружность через ω\omega, а его центр — через OO. Назовём прямые, содержащие стороны многоугольника, выделенными.

Заметим, что для любых пяти последовательных вершин AA, BB, CC, DD, EE многоугольника MM существует окружность, отличная от ω\omega, касающаяся прямых ABAB, BCBC, CDCD и DEDE (см. рис. 9). Действительно, вершины AA и EE, а также BB и DD симметричны относительно прямой COCO. Тогда точка пересечения внешней биссектрисы угла ABCABC с прямой COCO отлична от OO и равноудалена от прямых ABAB, BCBC, CDCD и DEDE, а значит, является центром искомой окружности.

Теперь, если Вася нарисует 503 такие окружности для точек (X1,X2,X3,X4,X5)(X_1, X_2, X_3, X_4, X_5), (X5,X6,X7,X8,X9)(X_5, X_6, X_7, X_8, X_9), \dots, (X2009,X2010,X2011,X1,X2)(X_{2009}, X_{2010}, X_{2011}, X_1, X_2), а также окружность ω\omega, то любая выделенная прямая будет общей касательной к двум проведённым окружностям. Итак, 504 окружностей достаточно.

Figure 1

Осталось доказать, что окружностей должно быть не менее 504. Каждой выделенной прямой должны касаться хотя бы две окружности. Окружность ω\omega касается всех 2011 этих прямых. У любой другой окружности есть не более четырёх общих касательных с ω\omega; значит, она касается не более четырёх выделенных прямых. Итак, если окружностей nn, то всего происходит не более, чем 2011+4(n1)2011 + 4(n-1) касаний окружности с выделенными прямыми; с другой стороны, их должно быть не меньше 20112=40222011 \cdot 2 = 4022. Итак, 2011+4(n1)220112011 + 4(n-1) \ge 2 \cdot 2011, откуда n2011/4+1>503n \ge 2011/4 + 1 > 503, что и требовалось доказать.

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.