转自gongzhong号:金磊讲几何构型
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2022年中学生最高级别的数学竞赛——国际数学奥林匹克(简称IMO)于2022年7月10日至7月16日在挪威奥斯陆举行。每个国家选择6名选手参赛,7.11日和12日两天考试,每天4.5小时做3个题,其中的第二天的第1题即第4题为平面几何题。
本文记录本人对本题的思考解答过程。
满足BC=DE的五边形不难画出,
然后T为BD、CE中垂线交点,
但是∠ABT=∠TEA未必满足。
这说明A点不能任意。
其次尝试画出准确的图形,通过上面分析可以调整
作图顺序,先作出BC=DE,在CD射线上任选
点R,再在DC延长线上取P满足∠PBT=∠TER,
则PB、RE的交点A即满足条件。这就作出了准确的图形,如下:
再次考虑从已知入手,挖掘图形的基本性质,
依题意TB=TD,TC=TE,又BC=DE,
从而△TBC?△TDE,
故∠BTC=∠DTE,∠BTD=∠CTE,
∠DBT=∠BDT=∠TCE=∠TEC,
∠TBC=∠TDE,∠BCT=∠TED,
这些等角虽然未必都能用,但是其中的一些一定很有用。
设BD交CE于M,进而得到BCMT,TMDE共圆。
再结合已知中的∠ABT=∠TEA,
可以得到∠AQT=∠TSA,
这个估计也会有用。但是似乎有的乱,不知道如何再往下分析。
下面考虑从结果入手,欲证SQRP共圆,要么倒角,要么倒比例。
要倒比例,则需证AS*AR=AQ*AP,似乎没有与他们相关的三角形,
感觉会比较复杂。结合前面得到了很多等角,
所以估计倒角的可能性比较大。
其次从已知继续分析,尝试通过倒角证明SQRP共圆。
由∠AQT=∠TSA及∠ABT=∠TEA,
可得△QBT~△SET,
从而ST/TE=QT/TB,
即TS*TD=TQ*TC,从而SCDQ共圆。
这应该是一个重要进展。从而∠QST=∠TCD,进而∠ASQ=∠RPA,
这就完成了最终的证明。
最后略去冗余,将证明过程整理如下:
证明:
依题意TB=TD,TC=TE,又BC=DE,
从而△TBC?△TDE(SSS),
故∠BTC=∠DTE。
又∠ABT=∠TEA,
故∠AQT=∠TSA,
则△QBT~△SET,
故ST/TE=QT/TB,
即TS*TD=TQ*TC,
则SCDQ共圆。
从而∠QST=∠TCD,
进而∠QST-∠TSA=∠TCD-∠AQT,
即∠ASQ=∠RPA,
故QSPR共圆。
最终对解题过程和题目总结评论如下:
本题结构新颖,别出心裁。对于特殊的五边形,没有一般性的结果,因此本题是一个很好的新题。当然所谓的道生一、一生二、二生三、三生万物,五边形也是由三角形及四边形组成的,仔细分析发现本题可以理解为是两个共点的全等三角形组成,一般称为手拉手模型,是最基本也是最重要的全等构型。当然本题也可以看成对边相等的四边形BCDE组成,这也是常见的四边形构型。本题中∠ABT=∠TEA不太常见,也是本题独树一帜之处。得到△QBT~△SET是解决本题的关键所在,进而得到SCDQ共圆基本就完成了最终的证明。
本题初看线条纵横交错,大有乱花渐欲迷人眼之势,静下心来仔细分析,发现相似得到共圆完成证明以后,又会感觉本题并不太难。当然本题应该还有其他的解答,不过应该都是大同小异,异曲同工。
综上本题是一个非常难得的好题,既不落窠臼,又恰到好处,难度适当,难度大概相当于高中数学联赛加试的第2题。解答的过程中只是用到了倒角相似及倒比例得到共圆,这都是平面几何最基本的知识和技巧,但也是平面几何的精髓所在。而且本题如果不用平面几何方法,要用三角或者解析、复数等计算的方法还颇为不易,确实是一个令人叹为观止的精妙的几何题!
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