IMO Shortlist 2024: Geometry

Trong bài này tôi sẽ giới thiệu các bài toán hình học trong cuốn IMO Shortlist 2024, các bài toán từ IMO SL năm trước các bạn có thể tìm ở https://nttuan.org/category/contests/imo-shortlist/

G1. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3610481p35341119

Cho $ABCD$ là tứ giác nội tiếp sao cho $AC<BD<AD$ và $\angle DBA<90^\circ$ . Điểm $E$ nằm trên đường thẳng đi qua $D$ song song với $AB$ sao cho $E$ và $C$ nằm khác phía đối với $AD$ và $AC=DE$ . Điểm $F$ nằm trên đường thẳng đi qua $A$ song song với $CD$ sao cho $F$ và $C$ nằm khác phía đối với $AD$ và $BD=AF$ . Chứng minh rằng các đường trung trực của $BC$ và $EF$ cắt nhau trên đường tròn ngoại tiếp của $ABCD$ .

G2. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3359767p31218657

Cho $ABC$ là một tam giác với $AB < AC < BC$ . Gọi tâm đường tròn nội tiếp và đường tròn nội tiếp của tam giác $ABC$ lần lượt là $I$ và $\omega$ . Gọi $X$ là điểm trên đường thẳng $BC$ , khác $C$ , sao cho đường thẳng qua $X$ song song với $AC$ tiếp xúc với $\omega$ . Tương tự, gọi $Y$ là điểm trên đường thẳng $BC$ , khác $B$ , sao cho đường thẳng qua $Y$ song song với $AB$ tiếp xúc với $\omega$ . Đường thẳng $AI$ cắt lại đường tròn ngoại tiếp tam giác $ABC$ tại $P$ . Gọi $K$ và $L$ lần lượt là trung điểm của $AC$ và $AB$ . Chứng minh rằng $\angle KIL + \angle YPX = 180^{\circ}$ . (IMO2024/4)

G3. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3610478p35341061

Cho $ABCDE$ là một ngũ giác lồi và $M$ là trung điểm của $AB$ . Giả sử $AB$ tiếp tuyến với đường tròn ngoại tiếp tam giác $CME$ tại $M$ và $D$ nằm trên các đường tròn ngoại tiếp của $AME$ và $BMC$ . Các đường thẳng $AD$ và $ME$ cắt nhau tại $K$ , và các đường thẳng $BD$ và $MC$ cắt nhau tại $L$ . Các điểm $P$ và $Q$ nằm trên đường thẳng $EC$ sao cho $\angle PDC = \angle EDQ = \angle ADB$ . Chứng minh rằng các đường thẳng $KP, LQ,$ và $MD$ đồng quy.

G4. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3610440p35340910

Cho $ABCD$ là tứ giác có $AB$ song song với $CD$ và $AB<CD$ . Hai đường thẳng $AD$ và $BC$ cắt nhau tại $P$ . Điểm $X$ khác $C$ nằm trên đường tròn ngoại tiếp tam giác $ABC$ sao cho $PC=PX$ . Điểm $Y$ khác $D$ nằm trên đường tròn ngoại tiếp tam giác $ABD$ sao cho $PD=PY$ . Hai đường thẳng $AX$ và $BY$ cắt nhau tại $Q$ . Chứng minh rằng $PQ$ song song với $AB$ .

G5. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3610468p35340974

Cho tam giác $ABC$ có tâm nội tiếp $I$ , và $\Omega$ là đường tròn ngoại tiếp tam giác $BIC$ . Cho $K$ là một điểm nằm trong đoạn thẳng $BC$ sao cho $\angle BAK < \angle KAC$ . Đường phân giác của $\angle BKA$ cắt $\Omega$ tại các điểm $W$ và $X$ sao cho $A$ và $W$ nằm cùng một phía đối với $BC$ , và đường phân giác của $\angle CKA$ cắt $\Omega$ tại các điểm $Y$ và $Z$ sao cho $A$ và $Y$ nằm cùng một phía đối với $BC$ . Chứng minh rằng $\angle WAY = \angle ZAX$ .

G6. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3610439p35340907

Cho $ABC$ là tam giác nhọn với $AB < AC$ , và $\Gamma$ là đường tròn ngoại tiếp $ABC$ . Các điểm $X$ và $Y$ nằm trên $\Gamma$ sao cho $XY$ và $BC$ cắt nhau trên đường phân giác ngoài của $\angle BAC$ . Giả sử các tiếp tuyến của $\Gamma$ tại $X$ và $Y$ cắt nhau tại điểm $T$ nằm cùng phía với $A$ đối với $BC$ , và $TX$ và $TY$ cắt $BC$ tại $U$ và $V$ , tương ứng. Gọi $J$ là tâm của đường tròn bàng tiếp đối diện đỉnh $T$ của tam giác $TUV$ . Chứng minh rằng $AJ$ là phân giác của $\angle BAC$ .

G7. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3610452p35340925

Cho $ABC$ là tam giác có tâm nội tiếp $I$ sao cho $AB<AC<BC$ . Giao điểm thứ hai của $AI, BI$ , và $CI$ với đường tròn ngoại tiếp tam giác $ABC$ lần lượt là $M_{A}$ , $M_{B}$ , và $M_{C}$ . Các đường thẳng $AI$ và $BC$ cắt nhau tại $D$ và các đường thẳng $BM_{C}$ và $CM_{B}$ cắt nhau tại $X$ . Giả sử đường tròn ngoại tiếp tam giác $XM_{B}M_{C}$ và $XBC$ cắt nhau tại $S\neq X$ . Các đường thẳng $BX$ và $CX$ cắt lại đường tròn ngoại tiếp tam giác $SXM_{A}$ tại $P\neq X$ và $Q\neq X$ , tương ứng. Chứng minh rằng tâm đường tròn ngoại tiếp tam giác $SID$ nằm trên $PQ$ .

G8. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3610449p35340922

Cho tam giác $ABC$ có $AB<AC<BC$ , và $D$ là một điểm nằm trong đoạn thẳng $BC$ . Cho $E$ là một điểm trên đường tròn ngoại tiếp tam giác $ABC$ sao cho $A$ và $E$ nằm khác phía đối với $BC$ và $\angle{BAD}=\angle{EAC}$ . Gọi $I,I_B,I_C,J_B$ và $J_C$ lần lượt là tâm nội tiếp của các tam giác $ABC,ABD,ADC,ABE$ và $AEC$ . Chứng minh rằng $I_B,I_C,J_B$ và $J_C$ đồng viên khi và chỉ khi $AI,I_BJ_C$ và $J_BI_C$ đồng quy.

IMO2025/2

Trong bài này tôi sẽ giới thiệu một lời giải của bài 2 trong đề IMO 2025. Đề thi đầy đủ tôi đã đăng ở đây: https://nttuan.org/2025/07/01/imo-2025-problems-and-results/ . Không như nhiều bài thi IMO khác, bài toán này có hướng giải rõ ràng ngay từ đầu, theo tôi là vậy.

IMO2025/2. Cho $\Omega$ và $\Gamma$ là hai đường tròn có tâm lần lượt là $M$ và $N$ sao cho bán kính của $\Omega$ nhỏ hơn bán kính của $\Gamma$ . Giả sử $\Omega$ và $\Gamma$ cắt nhau tại hai điểm phân biệt $A$ và $B$ . Đường thẳng $MN$ cắt $\Omega$ tại $C$ và $\Gamma$ tại $D$ sao cho $C, M, N, D$ nằm trên $MN$ theo thứ tự đó. Gọi $P$ là tâm đường tròn ngoại tiếp tam giác $ACD$ . Đường thẳng $AP$ cắt $\Omega$ lần nữa tại $E\neq A$ và cắt $\Gamma$ lần nữa tại $F\neq A$ . Gọi $H$ là trực tâm của tam giác $PMN$ .

Chứng minh rằng đường thẳng qua $H$ song song với $AP$ tiếp xúc với đường tròn ngoại tiếp tam giác $BEF$ .

Lời giải. Gọi $T$ là điểm chính giữa của cung $EF$ không chứa $B$ của đường tròn ngoại tiếp tam giác $BEF$ . Bài toán sẽ được giải nếu ta chứng minh được $HT\parallel EF$ .

Ta có $\angle BEF = 2 \angle ACD$ và $\angle BFE= 2\angle ADC$ , suy ra $\angle CPD =\angle ETF$ . Từ đây ta chứng minh được $M$ , $E$ và $T$ là ba điểm thẳng hàng.

Vì $AB\bot CD$ và $P$ là tâm của đường tròn ngoại tiếp tam giác $ACD$ nên $\angle CAB =\angle DAP$ , do đó hai đường thẳng $DF$ và $CA$ là hai đường thẳng song song. Bởi vậy, nếu gọi $X$ là giao điểm của hai đường thẳng $CB$ và $DF$ thì nó phải nằm trên đường tròn ngoại tiếp tam giác $BEF$ . Vì tam giác $XCD$ là tam giác cân tại $X$ và $PC=PD$ nên đường thẳng $PH$ đi qua $X$ .

Ta thấy $PN$ là đường trung trực của đoạn $AD$ và $P$ là tâm của đường tròn ngoại tiếp tam giác $ACD$ nên

$\angle APN =\frac{1}{2} APD =\angle ACN,$

suy ra tứ giác $PCAN$ là một tứ giác nội tiếp. Từ đây ta có $\angle MTX =\angle MHX$ , do đó $MHTX$ cũng là một tứ giác nội tiếp. Vì hai tam giác $XBE$ và $PAC$ đồng dạng nên $XB=XE$ . Suy ra

$\angle BAP = \angle TMX=\angle THP,$

do đó $HT\parallel EF$ . $\Box$

IMO Shortlist 2023: Geometry

G1. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3359760p31218557

Cho $ABCDE$ là một ngũ giác lồi thỏa mãn $\angle ABC = \angle AED = 90^\circ.$ Giả sử trung điểm của $CD$ là tâm của đường tròn ngoại tiếp tam giác $ABE$ . Gọi $O$ là tâm của đường tròn ngoại tiếp tam giác $ACD$ . Chứng minh rằng đường thẳng $AO$ đi qua trung điểm của đoạn thẳng $BE$ .

G2. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3359729p31218382

Cho tam giác $ABC$ với $AC > BC$ . Gọi $\omega$ là đường tròn ngoại tiếp tam giác $ABC$ , và $r$ là bán kính của nó. Điểm $P$ được chọn trên ${AC}$ sao cho $BC=CP,$ và điểm $S$ là chân đường vuông góc hạ từ $P$ xuống ${AB}$ . Tia $BP$ cắt lại $\omega$ tại $D$ . Điểm $Q$ được chọn trên đường thẳng $SP$ sao cho $PQ = r$ và $S$ , $P$ , $Q$ thẳng hàng theo thứ tự đó. Cuối cùng, gọi $E$ là một điểm thỏa mãn ${AE} \perp {CQ}$ và ${BE} \perp {DQ}$ . Chứng minh rằng $E$ nằm trên $\omega$ .

G3. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3359737p31218405

Cho tứ giác nội tiếp $ABCD$ với $\angle BAD < \angle ADC$ . Gọi $M$ là trung điểm của cung $CD$ không chứa $A$ . Giả sử có một điểm $P$ nằm trong $ABCD$ sao cho $\angle ADB = \angle CPD$ và $\angle ADP = \angle PCB$ . Chứng minh rằng các đường thẳng $AD$ , $PM$ , và $BC$ đồng quy.

G4. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3106748p28097552

Cho tam giác nhọn $ABC$ với $AB<AC$ . Gọi $S$ là điểm chính giữa của cung $BC$ chứa $A$ của $(ABC)$ . Đường thẳng qua $A$ vuông góc với $BC$ cắt $BS$ tại $D$ và cắt lại $(ABC)$ tại $E$ . Đường thẳng qua $D$ song song với $BC$ cắt $BE$ tại $L$ . $(BDL)$ cắt lại $(ABC)$ tại $P$ . Chứng minh rằng tiếp tuyến của $(BDL)$ tại $P$ cắt $BS$ trên phân giác của góc $BAC$ . (IMO2023/2)

G5. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3359731p31218385

Cho tam giác nhọn $ABC$ với đường tròn ngoại tiếp $\omega$ có tâm là $O$ . Các điểm $D\neq B$ và $E\neq C$ nằm trên $\omega$ sao cho $BD\perp AC$ và $CE\perp AB$ . Giả sử $CO$ cắt $AB$ tại $X$ , và $BO$ cắt $AC$ tại $Y$ . Chứng minh rằng các đường tròn ngoại tiếp các tam giác $BXD$ và $CYE$ cùng đi qua một điểm thuộc đường thẳng $AO$ .

G6. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3359733p31218391

Cho tam giác nhọn $ABC$ với đường tròn ngoại tiếp $\omega$ . Một đường tròn $\Gamma$ tiếp xúc trong với $\omega$ tại $A$ và tiếp xúc với $BC$ tại $D$ . Các đường thẳng $AB$ và $AC$ cắt $\Gamma$ lần lượt tại $P$ và $Q$ . Gọi $M$ và $N$ là các điểm nằm trên $BC$ sao cho $B$ là trung điểm của $DM$ và $C$ là trung điểm của $DN$ . Các đường thẳng $MP$ và $NQ$ cắt nhau tại $K$ , và cắt lại $\Gamma$ lần lượt tại $I$ và $J$ . Tia $KA$ cắt đường tròn ngoại tiếp tam giác $IJK$ tại $X\neq K$ . Chứng minh rằng $\angle BXP = \angle CXQ$ .

G7. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3359736p31218400

Cho tam giác nhọn $ABC$ với trực tâm $H$ . Gọi $\ell_a$ là đường thẳng đi qua điểm đối xứng với $B$ qua $CH$ và điểm đối xứng với $C$ qua $BH$ . Các đường thẳng $\ell_b$ và $\ell_c$ được xác định tương tự. Giả sử ba đường thẳng $\ell_a$ , $\ell_b$ , và $\ell_c$ xác định một tam giác $\mathcal T$ . Chứng minh rằng trực tâm của $\mathcal T$ , tâm đường tròn ngoại tiếp của $\mathcal T$ , và $H$ thẳng hàng.

G8. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3107345p28104331

Cho $ABC$ là một tam giác đều. Gọi $A_1,B_1,C_1$ là các điểm nằm trong tam giác $ABC$ sao cho $BA_1=A_1C$ , $CB_1=B_1A$ , $AC_1=C_1B$ , và

$\angle BA_1C+\angle CB_1A+\angle AC_1B=480^\circ.$

Giả sử $BC_1$ và $CB_1$ cắt nhau tại $A_2,$ $CA_1$ và $AC_1$ cắt nhau tại $B_2$ , $AB_1$ và $BA_1$ cắt nhau tại $C_2.$ Chứng minh rằng nếu tam giác $A_1B_1C_1$ là tam giác không cân thì ba đường tròn ngoại tiếp các tam giác $AA_1A_2, BB_1B_2$ và $CC_1C_2$ đi qua hai điểm chung. (IMO2023/6)

IMO Shortlist 2022: Number theory

N1. Một số nguyên dương được gọi là số Na Uy nếu nó có ba ước dương phân biệt có tổng bằng $2022$ . Xác định số Na Uy nhỏ nhất.

N2. Tìm tất cả các số nguyên dương $n>2$ sao cho

$\displaystyle n! \mid \prod_{ p<q\le n,\quad p,q\in\mathbb{P}} (p+q).$

N3. Cho $a > 1$ là một số nguyên dương và $d > 1$ là một số nguyên dương nguyên tố cùng nhau với $a$ . Đặt $x_1=1$ và với $k\geq 1$ , $x_{k+1} = x_k + d$ nếu không chia hết $x_k$ , $=x_k/a$ nếu $a$ chia hết $x_k$ . Tìm, theo $a$ và $d$ , số nguyên dương $n$ lớn nhất mà tồn tại chỉ số $k$ sao cho $x_k$ chia hết cho $a^n$ .

N4. Tìm tất cả các bộ ba số nguyên dương $(a,b,p)$ sao cho $p$ là số nguyên tố và $a^p=b!+p.$

(IMO2022/5)

N5. Đối với mỗi $i\in [9]$ và $T\in\mathbb{N}^*$ , ký hiệu $d_i(T)$ là số lần chữ số $i$ xuất hiện khi tất cả các bội của $1829$ trong $[T]$ được viết ra theo cơ số $10$ . Chứng minh rằng có vô số $T\in\mathbb{N}^*$ sao cho có đúng hai giá trị phân biệt trong các số $d_1(T)$ , $d_2(T)$ , $\dots$ , $d_9(T)$ .

N6. Cho $Q$ là một tập hợp không nhất thiết hữu hạn các số nguyên tố. Đối với một số nguyên dương $n$ , xét phân tích ra thừa số nguyên tố của nó: gọi $p(n)$ là tổng của tất cả các số mũ và $q(n)$ là tổng của các số mũ tương ứng với các số nguyên tố trong $Q$ . Số nguyên dương $n$ được gọi là đặc biệt nếu $p(n)+p(n+1)$ và $q(n)+q(n+1)$ đều là số nguyên chẵn. Chứng minh rằng tồn tại một hằng số $c>0$ không phụ thuộc $Q$ sao cho với mọi số nguyên dương $N>100$ , số các số nguyên đặc biệt trong $[N]$ ít nhất là $cN$ .

N7. Gọi $k$ là một số nguyên dương và $S$ là một tập hữu hạn các số nguyên tố lẻ. Chứng minh rằng có nhiều nhất một cách (sai khác phép quay và đối xứng) để đặt các phần tử của $S$ xung quanh một đường tròn sao cho tích của hai số cạnh nhau bất kỳ có dạng $x^2+x+k$ với một số nguyên dương $x$ .