Shortlist 2025, G4¶
Domaine : Géométrie · Difficulté : ★★★☆☆ · Proposé par : Vietnam
Concepts : Chasse aux angles et quadrilatères cycliques · Triangles semblables et similitudes · Centres du triangle et lemmes classiques · Puissance d'un point et axe radical
Solution officielle : Shortlist officielle 2025 (avec solutions), section G4 (livret PDF)
Problème 2 de l'OIM 2025
Ce problème a été choisi parmi ceux de la shortlist pour l'épreuve de l'OIM 2025, où il était le problème 2 (jour 1).
Énoncé¶
Let \(\Omega\) and \(\Gamma\) be circles centred at \(M\) and \(N\), respectively, such that the radius of \(\Omega\) is smaller than the radius of \(\Gamma\). Suppose circles \(\Omega\) and \(\Gamma\) intersect at two distinct points \(A\) and \(B\). Line \(MN\) intersects \(\Omega\) at \(C\) and \(\Gamma\) at \(D\), such that points \(C\), \(M\), \(N\) and \(D\) lie on the line in that order. Let \(P\) be the circumcentre of triangle \(ACD\). Line \(AP\) intersects \(\Omega\) again at \(E \neq A\). Line \(AP\) intersects \(\Gamma\) again at \(F \neq A\). Let \(H\) be the orthocentre of triangle \(PMN\).
Prove that the line passing through \(H\) parallel to \(AP\) is tangent to the circumcircle of triangle \(BEF\).
Indices : les idées clés
- Introduire \(T = ME \cap NF\) : on montre que \(T\) est sur le cercle \(BEF\), que \(TE = TF\), puis que la parallèle à \(AP\) passant par \(H\) est la tangente en \(T\).
- Chasse aux angles et quadrilatères cycliques : les symétries de \(A\) par rapport à \(MP\), \(NP\) et \(MN\) donnent toutes les égalités d'angles.
- Triangles semblables et similitudes : \(\triangle EFT \sim \triangle DCP\) (solution 1), \(\triangle EMB \sim \triangle FNB\) (solution 2).
- Centres du triangle et lemmes classiques (solution 1) : \(H\) est le centre du cercle inscrit du triangle \(MTN\).
- Puissance d'un point (solution 2) : \(QC \cdot QN = QA \cdot QP = QM \cdot QD\), puis un parallélogramme \(LMHN\).
Solutions
Les solutions ci-dessous suivent les solutions officielles de la Shortlist 2025 (deux solutions).
Solution 1¶
Soit \(T\) l'intersection des droites \(ME\) et \(NF\). Nous montrons d'abord que le cercle \(BFE\) passe par \(T\), puis que la droite \(TH\) est parallèle à \(AP\) et tangente au cercle \(BFE\). (Voir la figure.)
Comme \(P\) est le centre du cercle \(ACD\) et que \(B\) est le symétrique de \(A\) par rapport à \(MN\),
donc \(PC \parallel FB\). De même \(PD \parallel BE\). Par chasse aux angles (triangles isocèles \(NAF\), \(MAE\), \(PCD\) et symétries de \(A\) par rapport à \(NP\) et \(MP\)) :
donc les triangles \(EFT\) et \(DCP\) sont isocèles et semblables : \(\triangle EFT \sim \triangle DCP\).
Comme \(\angle FTE = \angle CPD = 180^\circ - \angle EBF\) (les côtés de l'angle \(\angle EBF\) sont parallèles à ceux de \(\angle CPD\)), les points \(B\), \(F\), \(T\), \(E\) sont cocycliques.
Dans le cercle \(BFTE\), comme \(TE = TF\), la droite \(BT\) est bissectrice de \(\angle EBF\) ; d'autre part, dans le triangle isocèle \(CDP\), le côté \(CD\) est parallèle à la bissectrice extérieure de \(\angle CPD\). Cela donne \(BT \parallel CD\).
De
on tire \(\angle CPM = \angle HPN\). Par suite,
donc \(MH\) est bissectrice de \(\angle NMT\). De même, \(NH\) est bissectrice de \(\angle TNM\).
Il s'ensuit que \(H\) est le centre du cercle inscrit du triangle \(MTN\), et que \(TH\) est bissectrice de \(\angle MTN\). Précision ajoutée : \(M\) est du même côté de \(T\) que \(E\) tandis que \(N\) est du côté opposé à \(F\), donc la bissectrice de \(\angle MTN\) est la bissectrice extérieure de l'angle \(\angle ETF\). Ainsi, dans le triangle isocèle \(EFT\), la droite \(TH\) est parallèle à la base, c'est-à-dire à la droite \(AEFP\), et elle est tangente en \(T\) au cercle \(EFT\), qui est le cercle \(BEF\). \(\blacksquare\)
Solution 2¶
La corde \(AC\) est commune à \(\Omega\) et au cercle \(ACD\), donc \(A\) et \(C\) sont symétriques par rapport à la droite \(MP\). De même, \(A\) et \(D\) sont symétriques par rapport à \(NP\). Comme \(PC = PD\),
On a donc \(\angle MEA = \angle EAM = \angle NAE\), et \(EM \parallel NA\). De même, \(FN \parallel MA\). Soit \(T\) l'intersection des droites \(ME\) et \(NF\) : \(AMTN\) est un parallélogramme.
La corde \(AB\) est commune à \(\Omega\) et \(\Gamma\), donc \(A\) et \(B\) sont symétriques par rapport à \(MN\). Ainsi \(\angle NMB = \angle AMN = \angle TNM\) et \(BM = AM = NT\), donc \(MBTN\) est un trapèze isocèle. On en déduit \(\angle TMB = \angle TNB\). On a aussi \(\frac{EM}{MB} = 1 = \frac{FN}{NB}\), d'où les triangles semblables \(\triangle EMB \sim \triangle FNB\). Alors
Donc \(BFTE\) est cyclique. Il vient \(\angle EFT = \angle NAF = \angle TEF\), de sorte que le triangle \(TEF\) est isocèle. Il suffit donc de prouver que \(HT\) est parallèle à \(EF\) : alors \(HT\) sera tangente en \(T\) au cercle circonscrit à \(BFE\).
D'abord, \(HN \perp PM\) et \(PM \perp AC\), donc \(HN \parallel AC\). De même, \(HM \parallel AD\). Soit \(Q\) l'intersection des droites \(AP\) et \(MN\). Comme \(\angle PAM = \angle PDN\), le quadrilatère \(DAMP\) est cyclique ; de même \(CPNA\) est cyclique. Par la puissance du point \(Q\),
Soit \(L\) le point du segment \(AQ\) tel que \(\frac{QL}{QA} = k\). Par Thalès, \(ML \parallel CA \parallel HN\) et \(NL \parallel DA \parallel HM\). Ainsi \(LMHN\) est un parallélogramme. Comme \(AMTN\) est aussi un parallélogramme, \(\vec{LH} = \vec{LM} + \vec{LN}\) et \(\vec{AT} = \vec{AM} + \vec{AN}\), d'où \(\vec{TH} = \vec{LA}\) : \(HT\) est parallèle à \(AL\), donc à \(EF\). Donc \(HT\) est tangente au cercle circonscrit à \(BFE\). \(\blacksquare\)