XXVI Olimpiada Matematyczna
Opracowanie rozwiązań: Jerzy Browkin
I etap XXVI Olimpiady Matematycznej
Na balu były 42 osoby. Pani
tańczyła z 7 panami, pani
tańczyła z 8 panami, ..., pani
tańczyła, ze wszystkimi panami. Ilu panów było na balu?
Liczba pań na balu jest równa
, liczba panów jest więc równa
. Pani o numerze
, gdzie
, tańczyła z
panami. Zatem pani o numerze
tańczyła z
panami. Byli to wszyscy panowie znajdujący się na balu. Zatem
. Rozwiązując to równanie otrzymujemy
. Liczba panów na balu jest więc równa
.
W czworokącie płaskim wypukłym
wybrano na bokach przeciwległych
i
punkty
i
, zaś na bokach przeciwległych
i
punkty
i
w ten sposób, że
,
. Dowieść, że jeżeli
jest punktem przecięcia odcinków
i
, to
oraz
.
Umieszczamy w punktach
,
,
,
masy odpowiednio
,
,
,
i obliczamy środek ciężkości
układu
złożonego z tych czterech punktów.
Z warunków zadania wynika, że środkami ciężkości układów
i
są odpowiednio punkty
i
. Środek ciężkości
układu
jest więc środkiem ciężkości układu punktów
i
opatrzonych masami
i
odpowiednio. Zatem
jest takim punktem odcinka
, że
.
Analogicznie stwierdzamy, że środkami ciężkości układów 
i
są odpowiednio punkty
i
. Zatem środek ciężkości
układu
jest środkiem ciężkości układu punktów
i
opatrzonych masami
i
odpowiednio. Wobec tego
jest takim punktem odcinka
, że
.
Wynika stąd, że punkt
jest równy
i spełnia warunki zadania.
Dowieść, że dla każdego naturalnego 
![]() |
Składniki sumy odpowiadające
i
są równe. Analogicznie równe są składniki odpowiadające
i
itd. Ponadto, gdy
jest liczbą parzystą, to składnik odpowiadający
jest równy zeru. Zatem dana suma jest równa
![]() |
gdzie
. Wykres funkcji
w przedziale
jest zwrócony wypukłością do góry. Wykres ten leży więc w tym przedziale powyżej wykresu prostej
łączącej punkty
i
. Stąd
![]() |
Z (1) i (2) wynika, że
![]() |
Jeżeli
, to ostatnie wyrażenie jest równe
. Jeżeli zaś
, czyli
to jest ono równe
. W każdym więc przypadku badana suma jest nie mniejsza od
.
Dane są parami rozłączne kule
o promieniach parami różnych. Niech
będzie wierzchołkiem, stożka opisanego na kulach
i
. Dowieść, że punkty
,
,
są współliniowe.
Jeżeli
jest wierzchołkiem stożka opisanego na kulach
i
o promieniach różnej długości, to istnieje dokładnie jedna taka jednokładność
, że
. Jej wierzchołkiem jest punkt
, a współczynnikiem - stosunek długości promieni kul
i
.
Bez zmniejszenia ogólności możemy założyć, że długości promieni kul
,
,
tworzą ciąg rosnący. Niech
i
będą takimi jednokładnościami, że
i
. Wtedy
. Dla rozwiązania zadania wystarczy więc udowodnić, że złożenie
jednokładności
i
o współczynnikach większych od
jest jednokładnością i środki jednokładności
,
i
są współliniowe.
Obierzmy tak układ współrzędnych, by środkiem jednokładności
był punkt
, a środkiem jednokładności
- punkt
.
Wtedy
,
, gdzie
. Obliczamy, że
.
Zatem
jest jednokładnością o środku
. Środki jednokładności
,
i
są więc współliniowe.
Wyznaczyć wszystkie liczby całkowite
, dla których wielomian
ma pierwiastek całkowity.
Przypuśćmy, że liczby całkowite
i
spełniają równanie
, czyli
. Wtedy
i
lub
i
. Dodając w każdym z tych układów równania stronami otrzymujemy
lub
. Pierwiastkami pierwszego równania są liczby
i
. Odpowiadają im liczby
i
. Drugie równanie nie ma rozwiązań w zbiorze liczb całkowitych.
Niech
będzie ciągiem liczb całkowitych zdefiniowanym następująco :
![]() |
![]() |
![]() |
Dowieść, że
![]() |
i znaleźć wzór dla
.
Wypisując pięć początkowych wyrazów ciągu
sprawdzamy bezpośrednio, że wzór (3) zachodzi dla
. Załóżmy z kolei, że zachodzi on dla każdej liczby naturalnej
nie większej od
, gdzie
jest pewną liczbą naturalną
. Udowodnimy wzór (3) dla liczby
.
Z (1) i (2) wynika, że
![]() |
Z założenia indukcyjnego mamy
![]() |
Zatem
![]() |
Na mocy zasady indukcji wzór (3) zachodzi więc dla każdej liczby naturalnej
.
Z (2) i (3) wynika, że
![]() |
dla
. Sprawdzamy bezpośrednio, że również dla
i
zachodzi
.
Niech
będzie zbiorem wszystkich ciągów skończonych o wyrazach
i niech
będzie podzbiorem
zawierającym dla każdego
naturalnego dokładnie jeden ciąg
-wyrazowy.
Tworzymy najmniejszy zbiór
o tej własności, że
oraz, jeżeli pewien ciąg
-wyrazowy należy do
, to każdy ciąg
-wyrazowy (
) powstający z tego ciągu
-wyrazowego przez dopisanie ciągu
-wyrazowego na początku lub na końcu, należy do
.
Udowodnić, że dla każdego
istnieje w
ciąg
-wyrazowy nie należący do
.
Każdy ciąg
-wyrazowy należący do
powstaje z ciągu
-wyrazowego (gdzie
) należącego do
przez dopisanie na początku lub na końcu pewnego ciągu
-wyrazowego lub też jest ciągiem
-wyrazowym należącym do
. Liczba takich ciągów
-wyrazowych jest równa
, ponieważ każdy wyraz ciągu może przybierać jedną z trzech wartości. Zatem liczba ciągów
-wyrazowych należących do
powstających z pewnego ciągu
-wyrazowego należącego do
jest nie większa niż
. Wobec tego liczba wszystkich ciągów
-wyrazowych należących do
jest nie większa niż
![]() |
Liczba wszystkich ciągów
-wyrazowych o wyrazach należących do zbioru trójelementowego jest równa
. Zatem dla każdej liczby naturalnej
istnieją co najmniej dwa ciągi
-wyrazowe nie należące do
.
Dany jest trójkąt ostrokątny
. Dopisujemy do niego na zewnątrz dwa trójkąty równoboczne
i
. Niech
i
będą środkami boków
i
odpowiednio, a
- takim punktem odcinka
, że
.
Udowodnić, że kąty trójkąta
są równe
,
,
.
Z warunków zadania wynika, że kąt
jest rozwarty. Obieramy tak układ współrzędnych, by punkty
,
i
miały następujące współrzędne
,
,
, gdzie
,
,
są pewnymi liczbami dodatnimi (rys. 8). Wyznaczymy współrzędne punktów
,
i
.
Punkt
należy do prostej zawierającej punkt
i prostopadłej do
. Równaniem tej prostej jest
. Mamy ponadto
, czyli
. Rozwiązując ten układ równań znajdujemy współrzędne punktu
:
.
Punkt
należy do prostej zawierającej punkt
i prostopadłej do
. Równaniem tej prostej jest
. Ponadto mamy
, czyli
. Rozwiązując ten układ równań znajdujemy współrzędne punktu
:
.
Ponieważ punkt
należy do odcinka
i
, więc
. Sprawdzamy bez trudu, że
i
. Wynika stąd teza zadania.
Obliczyć granicę
![]() |
Dla dowolnych liczb naturalnych
i
, gdzie
, mamy
![]() |
W szczególności
. Na mocy wzoru dwumianowego mamy
![]() |
i stąd
. Wobec tego
![]() |
Ponieważ
, więc wynika stąd, że
.
Niech
będzie liczbą niewymierną,
- punktem okręgu
o środku
. Rozważmy ciąg nieskończony
punktów okręgu
, w którym punkt
jest obrazem punktu
w obrocie dookoła punktu
o kąt
. Dowieść, że każdy łuk okręgu
zawiera pewne punkty ciągu
.
Gdyby dla pewnych liczb naturalnych
i
, gdzie
, było
, to obroty o kąty
i
byłyby równe. Wtedy liczby
i
różniłyby się o całkowitą wielokrotność liczby
, tzn.
, gdzie
jest pewną liczbą całkowitą. Stąd
, co przeczy niewymierności liczby
. Wobec tego wszystkie wyrazy ciągu
są różne.
Niech
będzie łukiem długości
zawartym w okręgu
o promieniu długości
. Niech
będzie liczbą naturalną większą od
. Dzieląc okrąg
na
równych łuków o długości
stwierdzamy, że istnieje wśród nich łuk zawierający co najmniej dwa z punktów
. Niech będą to punkty
, gdzie
. Wtedy łuk
ma długość nie większą niż
. Ponieważ
, więc
i wobec tego długość łuku
jest mniejsza od
. Wynika stąd, że obrót o kąt
przeprowadza punkt
na
i ogólnie - punkt
na
dla
. Wobec tego kolejne wyrazy podciągu
wyznaczają łuki o długości
mniejszej od
. Pewien wyraz tego podciągu należy więc do łuku
o długości
.
Statek porusza się ze stałą prędkością po prostej o kierunku wschód-zachód. Co
minut losuje się kierunek poruszania: z prawdopodobieństwem
statek porusza się w ciągu następnych
minut w kierunku wschodnim, z prawdopodobieństwem
porusza się w kierunku zachodnim. W punkcie poza prostą znajduje się łódź podwodna, której zadaniem jest storpedowanie statku. Czas drogi torpedy od punktu wystrzelenia do dowolnego punktu toru statku wynosi
. Kapitan łodzi podwodnej zna wartość
i celuje tak, aby prawdopodobieństwo trafienia statku było największe. Jak należy dobrać
, aby prawdopodobieństwo storpedowania statku było najmniejsze ?
Przyjmijmy, że łódź podwodna wystrzeli torpedę, w chwili gdy na statku odbywa się losowanie. W przypadku wystrzelenia torpedy w innej chwili rozumowanie przebiega podobnie. Możemy też przyjąć, bez zmniejszenia ogólności, że
, tzn.
. Po
minutach od chwili wystrzelenia torpedy odbywa się następne losowanie. Wyniki tych dwóch losowań mogą być następujące: wschód-wschód, wschód-zachód, zachód-wschód, zachód-zachód z prawdopodobieństwami odpowiednio
,
,
,
. W pierwszym przypadku po upływie
minut od chwili wystrzelenia torpedy statek będzie się znajdował w punkcie
na wschód od punktu początkowego
, w drugim i w trzecim przypadku - w punkcie
, a w ostatnim przypadku - w punkcie
na zachód od
. Prawdopodobieństwo zdarzenia, że statek znajdzie się w tym czasie w punkcie
,
,
jest wiec równe odpowiednio
,
,
.
Mamy zbadać, która z tych liczb jest największa. Ponieważ
, więc
. Nierówność
zachodzi wtedy i tylko wtedy, gdy
. Zatem, jeżeli
, tzn.
, to z tych trzech liczb największą jest
i wobec tego torpeda powinna być wystrzelona
w kierunku punktu
. Jeżeli zaś
, tzn.
, to liczba
jest największa i torpeda powinna być wystrzelona w kierunku punktu
. Dla
mamy
i wobec tego można strzelać w kierunku punktu
lub
z jednakowym prawdopodobieństwem trafienia. Prawdopodobieństwo trafienia
równe jest więc
![]() |
Funkcja
jest rosnąca w przedziale
malejąca w przedziale
. Zatem najmniejsze prawdopodobieństwo trafienia jest przy
. Wynosi ono
.
W przestrzeni dany jest sześcian o boku
, i kule
o dowolnych promieniach takie, że każdy punkt sześcianu należy do którejś z kul. Udowodnić, że spośród tych kul można wybrać parami rozłączne kule takie, że suma ich objętości jest nie mniejsza od
.
Przez indukcję ze względu na
udowodnimy
Twierdzenie. Jeżeli dany jest w przestrzeni zbiór
o objętości
zawarty w sumie
kul otwartych
, to istnieje taki
podzbiór
tego zbioru kul, że kule należące do tego podzbioru są parami rozłączne oraz suma objętości kul
jest większa od
.
Dowód. Jeżeli
, to twierdzenie jest oczywiste. Kula
zawiera figurę
o objętości
. Wtedy objętość kuli
jest nie mniejsza od
, a więc jest większa od
.
Załóżmy z kolei, że powyższe twierdzenie jest prawdziwe dla pewnej liczby naturalnej
. Udowodnimy je dla liczby
. Niech więc zbiór
o objętości
będzie zawarty w sumie kul
. Możemy przyjąć, że objętość
kuli
jest nie mniejsza od objętości każdej z pozostałych kul. Niech
będzie kulą o tym samym środku, co kula
i o promieniu długości
, gdzie
jest długością promienia kuli
. Wtedy objętość
kuli
jest równa
. Niech
będzie objętością zbioru
. Ponieważ zbiory
i
są rozłączne i
jest zawarty w sumie zbiorów
i
, więc
.
Każdy punkt zbioru
należy do co najmniej jednej z kul
. Bez zmniejszenia ogólności możemy przyjąć, że dla pewnego
każda z kul
ma punkt wspólny ze zbiorem
, a każda z kul
jest rozłączna z
. Wtedy zbiór
jest zawarty w sumie kul
.
Odległość środka kuli
od dowolnego punktu zbioru
jest nie mniejsza od
. Zatem odległość dowolnego punktu kuli
od dowolnego punktu zbioru
jest nie mniejsza od
. Średnica każdej z kul
jest nie większa od średnicy kuli
, tzn. od
. Wobec tego każda z kul
jest rozłączna z kulą
. Liczba kul
jest nie większa od
. Na mocy założenia indukcyjnego istnieje więc taki podzbiór
zbioru kul
, że kule należące do tego podzbioru są parami rozłączne, a suma ich objętości jest większa od
, a więc - większa od
. Ponieważ kula
jest rozłączna z każdą z kul
, więc tym bardziej kule
są parami rozłączne. Suma ich objętości jest większa od
.
II etap XXVI Olimpiady Matematycznej
Dany jest wielomian
. Dowieść, że jeżeli równanie
ma cztery pierwiastki rzeczywiste, to na to, żeby istniało
takie, że
, potrzeba i wystarcza, aby suma pewnych dwóch pierwiastków równania
równała się sumie pozostałych.
Jeżeli pierwiastkami wielomianu
są liczby
oraz
![]() |
to przyjmując
otrzymujemy, że pierwiastkami wielomianu
są liczby
dla
, czyli - liczby
![]() |
Zatem
![]() |
Wynika stąd, że
![]() |
Wykazaliśmy więc, że jeżeli pierwiastki wielomianu
spełniają zależność (1), to dla
zachodzi
, gdzie
,
.
Udowodnimy z kolei implikację odwrotną. Jeżeli liczba rzeczywista jest pierwiastkiem wielomianu
, to jego pierwiastkiem jest też oczywiście liczba przeciwna. Zatem, jeżeli dla pewnej liczby rzeczywistej
wielomian
ma postać
, to jego pierwiastki
spełniają równości (2). Pierwiastkami wielomianu
są liczby
, gdzie
. Z (2) otrzymujemy więc że
i podobnie
. Wobec tego zachodzi równość (1).
Uwaga. Nietrudno zauważyć, że istnieje tylko jedna liczba
spełniająca warunki zadania. Jeżeli bowiem
, to dla
wielomian
ma współczynnik przy
równy
, a więc różny od zera.
W czworokącie wypukłym
na, bokach przyległych
i
obrano odpowiednie punkty
i
oraz oznaczono przez 0 punkt przecięcia odcinków
i
. Dowieść, że jeżeli w czworokąty
oraz
można wpisać koła, to w czworokąt
też można wpisać koło.
Niech
,
,
,
będą punktami styczności koła wpisanego w czworokąt
z bokami
,
,
,
odpowiednio i podobnie
,
,
,
- punktami styczności koła wpisanego w czworokąt
z bokami
,
,
,
odpowiednio (rys. 9). Korzystając z twierdzenia: odcinki stycznych do koła poprowadzonych z punktu poza kołem mają równe długości, otrzymujemy kolejno:
![]() |
czyli
. Analogicznie dowodzimy, że
. Dodając dwie ostatnie równości stronami otrzymujemy
. Wynika stąd, jak wiadomo, że w czworokąt
można wpisać koło.
W pewnej rodzinie mąż i żona zawarli następującą umowę: Jeżeli któregoś dnia zmywa naczynia żona, to następnego dnia zmywa naczynia mąż. Jeżeli natomiast pewnego dnia zmywa naczynia mąż, to o tym, kto zmywa naczynia następnego dnia, decyduje losowanie za pomocą rzutu monetą. Niech
oznacza prawdopodobieństwo zdarzenia, że
-tego dnia trwania umowy zmywa naczynia mąż. Dowieść, że istnieje granica
i obliczyć ją. Przyjmujemy
.
Jeżeli
-szego dnia zmywa naczynia mąż, to albo
-tego dnia zmywał naczynia mąż (prawdopodobieństwo tego zdarzenia jest równe
), albo
-tego dnia zmywała naczynia żona (prawdopodobieństwo tego zdarzenia jest równe
). Mamy więc
, czyli
. Inaczej mówiąc
jest ciągiem geometrycznym o ilorazie
. Każdy ciąg geometryczny o ilorazie
, gdzie
, jest zbieżny do zera. Zatem
, czyli
.
Uwaga. Wartość
nie ma wpływu na rozwiązanie.
Dowieść, że na to, aby liczby nieujemne
(
) spełniały dla dowolnych liczb rzeczywistych
nierówność
![]() |
potrzeba i wystarcza, aby
.
Jeżeli nierówność (1) zachodzi dla dowolnych liczb rzeczywistych
, to w szczególności zachodzi dla
. Podstawiając te wartości do (1) otrzymujemy
![]() |
Stąd wobec
wynika, że
.
Dla dowodu implikacji odwrotnej wykażemy, że dla dowolnych liczb nieujemnych
i liczb rzeczywistych
zachodzi nierówność
![]() |
Wykonując mnożenie po obu stronach nierówności (2) otrzymujemy nierówność równoważną
![]() |
czyli
![]() |
Ponieważ
oraz
, więc nierówność (3) jest prawdziwa. Zatem prawdziwa jest również nierówność (2).
Podstawiając w (2)
oraz
dla
otrzymujemy, że jeżeli
to zachodzi nierówność (1).
Dowieść, że jeżeli w wielościan wypukły można wpisać kulę i każdą ścianę tego wielościanu można pomalować na jeden z dwóch kolorów tak, że każde dwie ściany mające wspólną krawędź są różnych kolorów, to suma pól ścian jednego koloru jest równa sumie pól ścian drugiego koloru.
Łącząc punkt styczności kuli z dowolną ścianą ze wszystkimi wierzchołkami należącymi do tej ściany otrzymamy rozkład tej ściany na sumę trójkątów o rozłącznych wnętrzach, których jednym z wierzchołków jest punkt styczności kuli, a pozostałymi - dwa wierzchołki wielościanu należące do jednej jego krawędzi. Przy tym trójkąty
i
położone na różnych ścianach wielościanu, które mają wspólny bok
będący krawędzią wielościanu, są pomalowane różnymi kolorami. Udowodnimy, że mają one równe pola.
Płaszczyzna
przechodząca przez środek kuli i punkty styczności
i
jest prostopadła do płaszczyzn zawierających rozważane trójkąty. Zatem płaszczyzna
jest prostopadła do prostej
.
Niech prosta
przecina płaszczyznę
w punkcie
. Wtedy
, ponieważ odcinki stycznych do kuli poprowadzonych z ustalonego punktu są równe. Z określenia punktu
wynika też, że
i
, tzn. odcinki
i
są wysokościami trójkątów
i
odpowiednio. Ponieważ trójkąty te mają wspólną podstawę, więc wynika stąd, że mają one równe pola.
Wszystkie ściany wielościanu zostały przedstawione w postaci sum trójkątów. Przy tym każdemu trójkątowi pomalowanemu jednym kolorem został przyporządkowany w sposób wzajemnie jednoznaczny trójkąt o tym samym polu pomalowany drugim kolorem. Wynika stąd teza zadania.
Niech
i
będą wielomianami o współczynnikach całkowitych. Dowieść, że jeżeli dla każdej wartości całkowitej
liczba
dzieli się przez liczbę
, to
, gdzie
jest wielomianem,. Pokazać na przykładzie, że współczynniki wielomianu
nie muszą być całkowite.
W rozwiązaniu zadania przygotowawczego D serii III udowodniliśmy, że jeżeli wielomiany
i
mają współczynniki całkowite,
oraz dla każdej liczby naturalnej
liczba
jest dzielnikiem liczby
, to istnieje taka liczba całkowita
, że
. Zatem albo
(gdy
), albo
jest wielomianem zerowym (gdy
). Wystarczy więc rozpatrzyć przypadek, gdy
.
Niech
i
będą odpowiednio ilorazem i resztą z dzielenia wielomianu
przez
. Wtedy
![]() |
Wielomiany
i
mają współczynniki wymierne. Niech
będzie najmniejszym wspólnym mianownikiem współczynników wielomianów
i
. Wtedy wielomiany
oraz
mają współczynniki całkowite i mnożąc równość (1) obustronnie przez
otrzymujemy
![]() |
Wobec tego wielomian
też ma współczynniki całkowite.
Dla każdej liczby naturalnej
liczba
oczywiście jest dzielnikiem liczby
. Zatem na mocy (2) liczba
jest dzielnikiem liczby
dla
. Ponieważ
, więc z początkowej uwagi w tym rozwiązaniu wynika, że
jest wielomianem zerowym. Wobec tego również
jest wielomianem zerowym i z (1) otrzymujemy
.
Wykażemy na przykładzie, że współczynniki wielomianu
mogą nie być całkowite. Niech
,
. Dla każdej liczby całkowitej
liczba
jest parzysta, ponieważ jedna z liczb
i
jest parzysta. Zatem liczba
jest dzielnikiem liczby
dla
. Współczynniki wielomianu
oczywiście nie są całkowite.
III etap XXVI Olimpiady Matematycznej
Ciąg liczb rzeczywistych
spełnia następujący warunek:
Istnieje liczba naturalna
taka, że
i
dla
.
Dowieść, że istnieje taka liczba naturalna
, że
dla
,
.
Niech
dla
. Z założenia wynika, że suma dowolnych
kolejnych wyrazów ciągu
jest
równa zeru. Wobec tego
dla
. Liczba różnych wyrazów ciągu
jest więc skończona. Niech
będzie najmniejszą z liczb
. Wykażemy, że wystarczy przyjąć
. W istocie, dla dowolnego
mamy
![]() |
Na powierzchni czworościanu foremnego o krawędzi długości 1 wybrano skończony zbiór odcinków w taki sposób, że każde dwa wierzchołki czworościanu można połączyć łamaną złożoną z pewnych spośród tych odcinków. Czy można wybrać ten zbiór odcinków tak, aby ich łączna długość była mniejsza niż
?
Na powierzchni czworościanu foremnego o krawędzi długości
można tak wybrać skończony zbiór odcinków, że każde dwa wierzchołki czworościanu można połączyć łamaną złożoną z pewnych spośród tych odcinków oraz łączna długość odcinków należących do tego zbioru jest mniejsza od
.
Rozważmy mianowicie romb
powstający z rozwinięcia na płaszczyźnie dwóch ścian danego czworościanu (rys. 10). Wtedy
i
. Niech
będzie środkiem odcinka
, a
- takim punktem należącym do trójkąta
, z którego widać boki
i
pod kątem
. Wtedy również
. Niech
,
,
. Ponieważ
,
i
, więc przjrównując pole trójkąta
do sumy pól trójkątów
,
i
otrzymujemy
, czyli
![]() |
Ponieważ
więc z twierdzenia cosinusów dla trójkątów
,
i
otrzymujemy
![]() |
![]() |
![]() |
Dodając stronami równości (2), (3), (4) oraz równość (1) pomnożoną przez
otrzymujemy
i stąd
.
Jeżeli
jest punktem symetrycznym do
względem punktu
, to zbiór odcinków
,
,
,
,
,
ma własność podaną w zadaniu i suma długości tych odcinków jest równa
. Liczba ta jest mniejsza od
.
Wyznaczyć najmniejszą liczbę dodatnią
, dla której istnieje liczba dodatnia
taka, że dla każdego
z przedziału
jest
![]() |
Dla wyznaczonej wartości
znaleźć najmniejszą liczbę dodatnią
spełniającą tę nierówność.
Dla
mamy równość
![]() |
Funkcja
w przedziale
spełnia nierówność
, ponieważ
![]() |
i
dla
. Wobec tego dla
mamy
![]() |
Gdyby dla pewnej liczby
spełniającej
i liczby
zachodziło
![]() |
czyli
![]() |
to mielibyśmy
![]() |
Przechodząc po obu stronach ostatniej nierówności do granicy, gdy
, otrzymujemy
. Mamy jednak
.
Uzyskana sprzeczność dowodzi, że najmniejszą liczbą
spełniającą warunek (1) jest
.
Najmniejsza liczba dodatnia
spełniająca warunek
![]() |
czyli warunek
![]() |
jest równa najmniejszej liczbie
spełniającej nierówność
dla
. Zatem
.
Obliczymy to maksimum. Z nierówności
wynika, że dla dowolnych liczb rzeczywistych nieujemnych
,
zachodzi
![]() |
Mamy bowiem
.
Podstawiając w (3)
,
otrzymujemy
![]() |
i wobec tego
![]() |
dla
. Z drugiej strony obliczamy, że
. Zatem największą wartością przybieraną przez funkcję
w przedziale
jest
i wobec tego najmniejszą liczbą dodatnią
spełniającą warunek (2) jest
.
W rozwinięciu dziesiętnym pewnej liczby naturalnej występują cyfry 1, 3, 7 i 9. Udowodnić, że przez permutację cyfr tego rozwinięcia można otrzymać rozwinięcie dziesiętne liczby podzielnej przez 7.
Dokonując odpowiedniej permutacji cyfr danej liczby naturalnej możemy założyć, że ostatnimi czterema jej cyframi są
,
,
i
. Zatem rozważana liczba naturalna
jest sumą liczby
i pewnej liczby całkowitej nieujemnej
, której ostatnimi czterema cyframi są zera. Udowodnimy, że dokonując odpowiedniej permutacji ostatnich czterech cyfr liczby
uzyskamy liczbę
podzielną przez
.
Liczby
![]() |
dają odpowiednio reszty
,
,
,
,
,
,
przy dzieleniu przez
. Zatem, jeżeli liczba
daje resztę
przy dzieleniu przez
, to dodając do niej tę z liczb (1), która daje resztę
przy dzieleniu przez
, otrzymamy żądaną liczbę
podzielną przez
i powstającą przez permutację cyfr liczby
.
Dowieść, że trójkąt o kącie
można wpisać w koło o promieniu
i opisać na kole o promieniu
wtedy i tylko wtedy, gdy
![]() |
Niech okrąg
o środku w punkcie
i o promieniu długości
będzie styczny w punktach
i
odpowiednio do ramion kąta
o wierzchołku
. Niech
będzie punktem przecięcia prostej
i prostej
równoległej do
i różnej od
a stycznej do okręgu
. Jeżeli punkt
należy do półprostej
prostej
o początku
i nie zawierającej punktu
(rys. 11), to prowadząc z punktu
styczną do okręgu
otrzymujemy trójkąt
opisany na okręgu
i taki, że
. Jeżeli
przebiega wszystkie punkty półprostej to otrzymujemy w ten sposób wszystkie trójkąty opisane na okręgu
, których jeden kąt jest równy
. Przy tym kąt
przybiera wszystkie wartości z przedziału
.
Niech
będzie długością promienia koła opisanego na trójkącie
. Z twierdzenia sinusów dla trójkąta
mamy
![]() |
Ponadto
![]() |
Stąd otrzymujemy
![]() |
ponieważ
dla każdego
.
Z równości
wynika, że
, gdzie
![]() |
Wykażemy, że na odwrót każda liczba nie mniejsza od
![]() |
jest wartością funkcji
dla pewnego
. Dla każdej więc liczby
istnieje taki kąt
, a więc i trójkąt
, że
.
Mamy
![]() |
oraz
![]() |
Wobec tego
.
Funkcja
jest ciągła w przedziale
. Każda funkcja ciągła w przedziale przybiera w tym przedziale każdą wartość pośrednią między wartościami przybieranymi na końcach przedziału.
Rozpatrując więc przedziały postaci
gdzie
, stwierdzamy, że zbiorem wartości funkcji
w przedziale
jest
.
Dane są funkcje
i
,
,
dla
. Czy istnieje funkcja
postaci
![]() |
dla
przy pewnym naturalnym
taka, że
![]() |
Udowodnimy
Twierdzenie. Każda liczba wymierna
należąca do przedziału,
, gdzie
jest liczbą nieparzystą, a
- potęgą dwójki, jest równa
dla pewnej funkcji
postaci (1).
Dowód. Zastosujemy indukcję ze względu na liczbę
. Z określenia liczb
i
wynika, że
. Jeżeli
, to
,
i wtedy
. Wystarczy więc przyjąć
.
Załóżmy z kolei, że
i załóżmy, że dla dowolnych liczb naturalnych
,
, gdzie
jest liczbą nieparzystą,
- potęgą dwójki,
i
, istnieje taka funkcja
postaci 1, że
.
Jeżeli
, to
i liczba
jest potęgą dwójki. Stosując więc założenie indukcyjne do liczb
i
stwierdzamy, że istnieje funkcja
postaci (1) taka, że
. Wtedy jako
wystarczy przyjąć funkcję
. Mamy bowiem
![]() |
Jeżeli
, to
. Mamy też 1
i liczba
jest nieparzysta, a
jest potęgą dwójki. Przy tym
, ponieważ
. Z założenia indukcyjnego zastosowanego do liczb
i
wynika, że istnieje funkcja
postaci (1) spełniająca
. Wtedy jako
wystarczy przyjąć funkcję
. Mamy bowiem
![]() |
Wobec tego na mocy indukcji twierdzenie zachodzi dla każdej liczby wymiernej
rozważanej postaci.
W szczególności stosując postępowanie opisane w dowodzie twierdzenia do liczby
otrzymujemy, że
, gdzie
i
oznacza
-krotną superpozycję funkcji
.