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Shortlist 2019, G4

Domaine : Géométrie · Difficulté : ★★☆☆☆ · Proposé par : Australia

Concepts : Triangles semblables et similitudes · Trigonométrie : loi des sinus, Ceva trigonométrique · Coordonnées et nombres complexes

Solution officielle : Shortlist officielle 2019 (avec solutions), section G4 (livret PDF)

Énoncé

Let \(P\) be a point inside triangle \(ABC\). Let \(AP\) meet \(BC\) at \(A_1\), let \(BP\) meet \(CA\) at \(B_1\), and let \(CP\) meet \(AB\) at \(C_1\). Let \(A_2\) be the point such that \(A_1\) is the midpoint of \(PA_2\), let \(B_2\) be the point such that \(B_1\) is the midpoint of \(PB_2\), and let \(C_2\) be the point such that \(C_1\) is the midpoint of \(PC_2\). Prove that points \(A_2\), \(B_2\), and \(C_2\) cannot all lie strictly inside the circumcircle of triangle \(ABC\).

Indices : les idées clés
  • Traduire « strictement à l'intérieur » : \(B_2\) est strictement intérieur au cercle circonscrit si et seulement si \(PB_1 < B_1B_3\), où \(B_3\) est le second point d'intersection de \((BP)\) avec le cercle.
  • Triangles semblables et loi des sinus (solution 1) : le produit \(\frac{PB_1}{B_1B_3} \cdot \frac{PC_1}{C_1C_3}\) vaut \(\frac{\sin^2 \angle BAC}{\sin^2 \angle BPC}\).
  • Droites isogonales et bissectrice (solution 2) : chaque hypothèse « intérieur » donne une inégalité d'angles, et leur somme mène à \(\pi < \pi\).
  • Calcul vectoriel (solution 3) : une combinaison à coefficients positifs des \(|A_2|^2, |B_2|^2, |C_2|^2\) est égale à la somme des coefficients.
Solutions

Les solutions ci-dessous suivent les solutions officielles de la Shortlist 2019 (trois solutions et deux remarques).

Solution 1

Figure (solution 1)

Notons \(\Omega\) le cercle circonscrit à \(ABC\). Comme

\[\angle APB + \angle BPC + \angle CPA = 2\pi = (\pi - \angle ACB) + (\pi - \angle BAC) + (\pi - \angle CBA),\]

au moins une des inégalités suivantes est vraie :

\[\angle APB \geq \pi - \angle ACB, \qquad \angle BPC \geq \pi - \angle BAC, \qquad \angle CPA \geq \pi - \angle CBA.\]

Sans perte de généralité, \(\angle BPC \geq \pi - \angle BAC\). Par ailleurs \(\angle BPC > \angle BAC\) car \(P\) est à l'intérieur du triangle. Donc \(\angle BPC \geq \max(\angle BAC, \pi - \angle BAC)\), et par conséquent

\[\sin \angle BPC \leq \sin \angle BAC. \tag{$*$}\]

Soient \(A_3, B_3, C_3\) les seconds points d'intersection des demi-droites \([AP), [BP), [CP)\) avec \(\Omega\). Comme \(PB_2 = 2PB_1\) et \(PB_3 = PB_1 + B_1B_3\), le point \(B_2\) est strictement intérieur à \(\Omega\) si et seulement si \(PB_1 < B_1B_3\) (de même pour \(C_2\)). Nous allons montrer que l'un des rapports \(\frac{PB_1}{B_1B_3}\) et \(\frac{PC_1}{C_1C_3}\) est au moins égal à \(1\) ; alors \(B_2\) ou \(C_2\) n'est pas strictement intérieur à \(\Omega\).

Comme \(A, B, C, B_3\) sont cocycliques, les triangles semblables \(CB_1B_3\) et \(BB_1A\) donnent

\[\frac{CB_1}{B_1B_3} = \frac{BB_1}{B_1A}.\]

Avec la loi des sinus (dans les triangles \(PB_1C\) et \(ABB_1\)), on obtient

\[\frac{PB_1}{B_1B_3} = \frac{PB_1}{CB_1} \cdot \frac{CB_1}{B_1B_3} = \frac{PB_1}{CB_1} \cdot \frac{BB_1}{B_1A} = \frac{\sin \angle ACP}{\sin \angle BPC} \cdot \frac{\sin \angle BAC}{\sin \angle PBA}.\]

De même,

\[\frac{PC_1}{C_1C_3} = \frac{\sin \angle PBA}{\sin \angle BPC} \cdot \frac{\sin \angle BAC}{\sin \angle ACP}.\]

En multipliant ces deux égalités et en utilisant \((*)\) :

\[\frac{PB_1}{B_1B_3} \cdot \frac{PC_1}{C_1C_3} = \frac{\sin^2 \angle BAC}{\sin^2 \angle BPC} \geq 1,\]

donc l'un des deux rapports vaut au moins \(1\), ce qui conclut. \(\blacksquare\)

Solution 2

Figure (solution 2)

On définit \(A_3, B_3, C_3\) comme dans la solution 1 (voir la figure). Supposons par l'absurde que \(A_2, B_2, C_2\) soient tous strictement intérieurs au cercle \(ABC\). Alors \(PA_1 < A_1A_3\), \(PB_1 < B_1B_3\) et \(PC_1 < C_1C_3\).

Les triangles \(PBC_3\) et \(PCB_3\) sont semblables (angles inscrits). Soit \(X\) le point du côté \(PB_3\) qui correspond au point \(C_1\) du côté \(PC_3\) dans cette similitude ; autrement dit, \(X\) est sur le segment \([PB_3]\) et \(PX : XB_3 = PC_1 : C_1C_3\). Il en découle

\[\angle XCP = \angle PBC_1 = \angle B_3BA = \angle B_3CB_1.\]

Ainsi les droites \((CX)\) et \((CB_1)\) sont isogonales dans le triangle \(PCB_3\) (symétriques par rapport à la bissectrice de l'angle \(\angle PCB_3\)).

Soit \(Y\) le pied de la bissectrice issue de \(C\) dans le triangle \(PCB_3\). Comme \(PC_1 < C_1C_3\), on a \(PX < XB_3\). Comme de plus \(PB_1 < B_1B_3\) et que \(Y\) est entre \(X\) et \(B_1\), on obtient \(PY < YB_3\). D'après le théorème de la bissectrice, \(PY : YB_3 = PC : CB_3\), donc \(PC < CB_3\), et par suite \(\angle PB_3C < \angle CPB_3\). Or \(\angle PB_3C = \angle BB_3C = \angle BAC\), d'où

\[\angle BAC < \angle CPB_3.\]

De même,

\[\angle CBA < \angle APC_3 \quad \text{et} \quad \angle ACB < \angle BPA_3 = \angle B_3PA.\]

Les angles \(\angle CPB_3\), \(\angle APC_3\), \(\angle B_3PA\) sont les suppléments de \(\angle BPC\), \(\angle CPA\), \(\angle APB\), et leur somme vaut \(3\pi - 2\pi = \pi\). En additionnant les trois inégalités, on obtient \(\pi < \pi\) : contradiction. \(\blacksquare\)

Solution 3

On prend un repère dont l'origine est le centre du cercle circonscrit, de rayon \(1\), et l'on voit \(A, B, C\) comme des vecteurs de \(\mathbb{R}^2\) avec \(|A|^2 = |B|^2 = |C|^2 = 1\). Le point \(P\) s'écrit \(P = \alpha A + \beta B + \gamma C\) avec \(\alpha, \beta, \gamma > 0\) et \(\alpha + \beta + \gamma = 1\) (coordonnées barycentriques). Alors

\[A_1 = \frac{\beta B + \gamma C}{\beta + \gamma} = \frac{1}{1 - \alpha} P - \frac{\alpha}{1 - \alpha} A, \qquad \text{donc} \qquad A_2 = 2A_1 - P = \frac{1 + \alpha}{1 - \alpha} P - \frac{2\alpha}{1 - \alpha} A.\]

Par conséquent

\[|A_2|^2 = \left(\frac{1 + \alpha}{1 - \alpha}\right)^2 |P|^2 + \left(\frac{2\alpha}{1 - \alpha}\right)^2 |A|^2 - \frac{4\alpha(1 + \alpha)}{(1 - \alpha)^2} A \cdot P.\]

Avec \(|A|^2 = 1\), on obtient

\[\frac{(1 - \alpha)^2}{2(1 + \alpha)} |A_2|^2 = \frac{1 + \alpha}{2} |P|^2 + \frac{2\alpha^2}{1 + \alpha} - 2\alpha\, A \cdot P. \tag{1}\]

De même

\[\frac{(1 - \beta)^2}{2(1 + \beta)} |B_2|^2 = \frac{1 + \beta}{2} |P|^2 + \frac{2\beta^2}{1 + \beta} - 2\beta\, B \cdot P, \tag{2}\]
\[\frac{(1 - \gamma)^2}{2(1 + \gamma)} |C_2|^2 = \frac{1 + \gamma}{2} |P|^2 + \frac{2\gamma^2}{1 + \gamma} - 2\gamma\, C \cdot P. \tag{3}\]

En sommant (1), (2), (3), le membre de gauche est la combinaison à coefficients positifs

\[\frac{(1 - \alpha)^2}{2(1 + \alpha)} |A_2|^2 + \frac{(1 - \beta)^2}{2(1 + \beta)} |B_2|^2 + \frac{(1 - \gamma)^2}{2(1 + \gamma)} |C_2|^2.\]

Dans le membre de droite, le premier terme vaut \(\frac{(1+\alpha) + (1+\beta) + (1+\gamma)}{2} |P|^2 = 2|P|^2\) et le dernier vaut \(-2(\alpha A + \beta B + \gamma C) \cdot P = -2|P|^2\) ; ils se compensent. Il reste, grâce à l'identité \(\frac{2\alpha^2}{1 + \alpha} = \frac{3\alpha - 1}{2} + \frac{(1 - \alpha)^2}{2(1 + \alpha)}\) (et ses analogues),

\[\frac{2\alpha^2}{1 + \alpha} + \frac{2\beta^2}{1 + \beta} + \frac{2\gamma^2}{1 + \gamma} = \frac{(1 - \alpha)^2}{2(1 + \alpha)} + \frac{(1 - \beta)^2}{2(1 + \beta)} + \frac{(1 - \gamma)^2}{2(1 + \gamma)},\]

car \(\frac{3\alpha - 1}{2} + \frac{3\beta - 1}{2} + \frac{3\gamma - 1}{2} = 0\).

Nous avons donc montré qu'une combinaison de \(|A_2|^2, |B_2|^2, |C_2|^2\) à coefficients strictement positifs est égale à la somme de ses coefficients. Par conséquent l'un au moins de \(|A_2|^2, |B_2|^2, |C_2|^2\) vaut au moins \(1\) : le point correspondant n'est pas strictement intérieur au cercle. \(\blacksquare\)

Remarques

Remarque 1. Il est également impossible que \(A_2, B_2, C_2\) soient tous trois strictement à l'extérieur de \(\Omega\) : la même preuve s'applique presque mot pour mot, en supposant cette fois \(\angle BPC \leq \pi - \angle BAC\) et en utilisant \(\angle BPC > \angle BAC\) pour obtenir \(\sin \angle BPC \geq \sin \angle BAC\). Les trois points peuvent être tous sur le cercle circonscrit ; la solution 1 montre que cela arrive si et seulement si \(P\) est l'orthocentre de \(ABC\) (qui est strictement intérieur au triangle si et seulement si \(ABC\) est acutangle).

Remarque 2. La preuve de la solution 3 fonctionne aussi lorsque \(P\) est un point quelconque tel que \(\alpha, \beta, \gamma > -1\), \(\alpha + \beta + \gamma = 1\) et \(\alpha, \beta, \gamma \neq 1\) (si l'un vaut \(1\), certains points de la construction ne sont pas définis).