Opublikowane na Archiwum Olimpiady Matematycznej (https://archom.ptm.org.pl)

Strona główna > Wersja do wydruku > Wersja do wydruku

XXI OM - II etap

II etap XXI Olimpiady Matematycznej

XXI OM - II -Zadanie 1

Zawody matematyczne: 
XXI OM, 1969-1970
Etap: 
II

Udowodnić, że

\[<br />
(1) \qquad |\cos n\beta - \cos n\alpha| \leq n^2 |\cos \beta - \cos\alpha|,<br />
\]

gdzie $ n $ jest liczbą naturalną. Zbadać, dla jakich wartości $ n $, $ \alpha $, $ \beta $ zachodzi równość.

Rozwiązanie

Udowodnimy przez indukcję, że dla każdej liczby naturalnej $ n > 1 $ i liczby $ x \ne k\pi $ ($ k \in \mathbb{C} $) zachodzi nierówność

\[<br />
(2) \qquad  | \sin nx | < n | \sin x |.<br />
\]

Dla $ n = 2 $ mamy $ | \sin 2x | = 2|\sin x| |\cos x| < 2 |\sin x| $, ponieważ $ |\cos x| < 1 $ dla $ x \ne k\pi $.

Załóżmy prawdziwość (2) dla pewnej liczby naturalnej $ n > 1 $; udowodnimy prawdziwość analogicznej nierówności dla liczby $ n + 1 $. Mamy

\[<br />
\begin{split}<br />
|\sin(n + 1)x| & =<br />
|\sin nx \cos x +<br />
 \cos nx \sin x| \leq<br />
|\sin nx| \cdot |\cos x| +<br />
|\cos nx| \cdot |\sin x| \leq \\<br />
& \leq |\sin nx| + |\sin x| <<br />
n |\sin x| + |\sin x| = (n + 1)|\sin x|.<br />
\end{split}<br />
\]

Zatem, jeśli $ \alpha + \beta \ne 2k\pi $ i $ \alpha - \beta \ne 2k\pi $ i $ n > 1 $, to korzystając z tożsamości

\[<br />
\cos a - \cos b = -2 \sin \frac{a+b}{2} \sin \frac{a-b}{2}<br />
\]

i z nierówności (2) otrzymujemy

\[<br />
\begin{split}<br />
| \cos n \beta - & \cos n \alpha | = 2 \left|\sin n \cdot \frac{\beta + \alpha}{2} \right| \left| \sin n \cdot \frac{\beta - \alpha}{2} \right| \leq \\<br />
& \leq<br />
2n^2 \left| \sin \frac{\beta + \alpha}{2} \right| \left| \sin \frac{\beta - \alpha}{2} \right| =<br />
n^2 \left| -2 \sin \frac{\beta + \alpha}{2} \sin \frac{\beta - \alpha}{2} \right| = \\<br />
& = n^2 |\cos \beta - \cos \alpha|.<br />
\end{split}<br />
\]

Jeśli zaś $ n = 1 $, to oczywiście w (1) zachodzi równość. Podobnie, jeśli $ \alpha + \beta = 2k\pi $ lub $ \alpha - \beta = 2k\pi $, to $ \cos \alpha = \cos \beta $ oraz $ \cos n \alpha = \cos n \beta $ i też w (1) zachodzi równość.

XXI OM - II -Zadanie 2

Zawody matematyczne: 
XXI OM, 1969-1970
Etap: 
II

Na bokach $ n $-kąta foremnego obrano $ n + 1 $ punktów dzielących obwód na równe części. Przy jakim położeniu obranych punktów pole wielokąta wypukłego o tych $ n + 1 $ wierzchołkach jest a) największe, b) najmniejsze?

Rozwiązanie

Oznaczmy przez $ a $ $ (n + 1) $-szą część długości boku $ n $-kąta foremnego $ A_1A_2 \ldots A_n $ (rys. 10), tzn. niech, długość boku tego $ n $-kąta będzie równa $ (n + 1)a $. Wtedy obwód $ n $-kąta będzie równy $ n(n + 1)a $. Wobec tego wierzchołki $ (n + 1) $-kąta dzielą obwód $ n $-kąta foremnego na części równe $ na $.

Ponieważ $ na < (n + 1 )a < 2na $, więc do każdego boku $ n $-kąta należy co najmniej jeden i co najwyżej dwa wierzchołki $ (n + 1) $-kąta. Z drugiej strony do pewnego boku, np. $ \overline{A_1A_n} $, $ n $-kąta należą co najmniej dwa wierzchołki $ (n + 1 ) $-kąta, ponieważ $ n + 1 > n $.

Oznaczmy przez $ B_1 $ ten z wierzchołków $ (n + 1 ) $-kąta należących do boku $ \overline{A_1A_n} $, który jest położony bliżej punktu $ A_1 $ niż pozostały
wierzchołek $ (n + 1) $-kąta należący do $ \overline{A_1A_n} $. Oznaczmy przez $ x $ długość odcinka $ \overline{A_1B_1} $ Z powyższego wynika, że $ 0 \leq x \leq a $. Wreszcie oznaczmy przez $ B_2 $ wierzchołek $ (n + 1) $-kąta różny od $ B_1 $ należący do boku $ A_1A_2 $ i dalej przez $ B_3, \ldots, B_{n+1} $ - kolejne wierzchołki $ (n + 1) $-kąta.

Różnica pól $ n $-kąta i $ (n + 1) $-kąta $ S_n - S_{n+1} $ jest równa sumie pól trójkątów $ B_1A_1B_2, B_2A_2B_3, \ldots, B_nA_nB_{n+1} $. W każdym takim trójkącie mamy:

\[<br />
B_iA_iB_{i+1}= \alpha \textrm{ jest kątem } n \textrm{-kąta foremnego, oraz}<br />
\]
\[<br />
(1) \qquad  B_iA_i + A_iB_{i+1} = na \textrm{ dla } i = 1, 2, \ldots, n.<br />
\]

Wobec tego pole $ P_i $ trójkąta $ B_iA_iB_{i+1} $ jest równe

\[<br />
(2) \qquad  P_i = \frac{1}{2} B_i A_i \cdot A_i B_{i+1} \cdot \sin \alpha.<br />
\]

Ponieważ

\[<br />
(3) \qquad  A_iB_{i+1} + B_{i+1}A_{i+1} = A_iA_{i+1} = (n+1)a \textrm{ dla }<br />
i = 1, 2, \ldots, n - 1,<br />
\]

więc z (1) i (3) otrzymujemy kolejno

\[<br />
B_1A_1 + A_1B_2 = na,\textrm{ czyli }x + A_1B_2 = na.<br />
\]

Stąd $ A_1B_2 = na - x $. $ A_1B_2 + B_2A2 = (n + 1)a $ i stąd
$ B_2A_2 =<br />
(n + 1)a - A_1B_2 = a + x $, $ B_2A2 + A_2B_3 = na $ i stąd $ A_2B_3 = na - (a + x) = (n - 1)a - x $,
$ A_2B_2 + B_3A_3 = (n + 1)a $ i stąd $ B_3A_3 = (n + 1)a - ((n - 1)a - x) = 2a + x $
i przez łatwą indukcję ogólnie

\[<br />
(4) \qquad  A_iB_{i+1} = (n - i + 1)a - x \textrm{ oraz } B_iA_i = (i - 1)a + x \textrm{ dla } i = 1,\ldots, n.<br />
\]

Wobec tego z (4) i (2) otrzymujemy

\[<br />
\begin{split}<br />
S_n - S_{n+1} &= \sum_{i=1}^n P_i =<br />
\sum_{i=1}^n \frac{1}{2} ((i-1) a + x) (( n-i+1)a -x) \sin \alpha =\\<br />
& = \frac{1}{2} \sin \alpha \sum_{i=0}^{n-1} (ia + x) ((n-i)a -x) =\\<br />
& = \frac{1}{2} \sin \alpha \sum_{i=0}^{n-1} (-x^2 + (n-2i) ax + i(n-i) a^2) =\\<br />
& = \frac{1}{2} \sin \alpha \left[ -nx^2 + \left( n^2 - 2 \sum_{i=0}^{n-1} i \right) ax + \sum_{i=0}^{n-1} i(n - i) a^2 \right].<br />
\end{split}<br />
\]

Oznaczmy przez $ Ax^2 + Bx + C $ trójmian kwadratowy zapisany w ostatnim nawiasie kwadratowym. Wtedy $ A = -n $ i $ B = \left( n^2 - 2 \frac{n(n-1)}{2} \right) a = na $. Otrzymujemy więc, że

\[<br />
S_n - S_{n+1} = \frac{1}{2} \sin \alpha \cdot (-nx^2 + nax + C),<br />
\]

czyli

\[<br />
\begin{split}<br />
S_{n+1} & = S_n - \frac{1}{2} \sin \alpha \cdot (-nx^2 + nax + C) =<br />
\left( \frac{1}{2} \sin \alpha \cdot n \right) x^2 + \\<br />
& + \left(- \frac{1}{2} \sin \alpha \cdot na \right) x +<br />
\left( S_n - \frac{1}{2} \sin \alpha \cdot C \right) =<br />
px^2 + qx + r.<br />
\end{split}<br />
\]

Pole $ (n + 1) $-kąta $ S_{n+1} $ jest więc funkcją kwadratową $ S_{n+1}(x) = px^2 + qx + r $ zmiennej $ x $ rozpatrywaną w przedziale $ 0 \leq x \leq a $.

Ponieważ $ p = \frac{1}{2} \sin \alpha \cdot n > 0 $, więc funkcja ta przyjmuje wartość najmniejszą dla $ x = \frac{-q}{2p} = \frac{\frac{1}{2} \sin \alpha \cdot na}{\sin \alpha \cdot na} = \frac{a}{2} $. Punkt $ \frac{a}{2} $ jest środkiem przedziału $ \langle 0,\ a \rangle $. Wobec tego liczby $ S_{n+1} (0) $ i $ S_{n+1} (a) $ są równe i są to największe wartości przyjmowane przez funkcję $ S_{n+1} (x) $ w przedziale $ \langle 0,\ a \rangle $.

Zatem pole $ (n + 1) $-kąta jest największe, gdy $ x = 0 $ lub $ x = a $, tzn. gdy jeden z jego wierzchołków jest wierzchołkiem $ n $-kąta foremnego. Pole $ (n + 1) $-kąta jest najmniejsze, gdy $ x = \frac{a}{2} $, tzn. gdy jeden z boków $ (n + 1) $-kąta leży na boku $ n $-kąta foremnego tak, że środki tych boków pokrywają się.

XXI OM - II -Zadanie 3

Zawody matematyczne: 
XXI OM, 1969-1970
Etap: 
II

Udowodnić twierdzenie: Nie istnieje taka liczba naturalna $ n > 1 $, że liczba $ 2^n - 1 $ dzieli się przez $ n $.

Rozwiązanie

\spos{1} Załóżmy, że $ n $ jest najmniejszą liczbą naturalną większą od jedności taką, że $ n \mid 2^n - 1 $, zaś $ k $ - najmniejszą liczbą naturalną taką, że $ n \mid 2^k - 1 $. Na mocy twierdzenia danego do dowodu w zadaniu 9 na zawodach stopnia I mamy $ k < n $.

Niech $ n = km + r $, gdzie $ 0 \leq r < k $. Ponieważ $ n \mid 2^n - 1 $ i $ n \mid 2^{km} - 1 $, więc $ n \mid 2^n - 2^{km} = 2^{km} (2^r - 1) $ i wobec nieparzystości $ n $ otrzymujemy, że $ n \mid 2^r - 1 $. Stąd wobec określenia liczby $ k $ i nierówności $ r < k $, wynika, że $ r = 0 $. Zatem $ k \mid n $, $ k \mid 2^k - 1 $ i wobec określenia liczby $ n $ i nierówności $ k < n $ mamy $ k = 1 $. Stąd $ n \mid 2^1 - 1 $, $ n = 1 $ i otrzymujemy sprzeczność.

%Sposób 2. Niech w będzie najmniejszą liczbą naturalną większą od jedności taką, że n | 2^n - 1, zaś k- dowolną liczbą naturalną taką, że n | 2k - 1 i k < n. Niech d będzie największym wspólnym dzielnikiem liczb n i k. Na mocy twierdzenia danego do dowodu w za-
%daniu przygotowawczym B serii II istnieją takie liczby naturalne a i b, że ąn - bk = d. Ponieważ n | 2an - 1 i n | 2ik - 1, więc n | 2an - - 2bk = 2M(2 %Zatem n j 21 - 1 i n = 1. Otrzymujemy sprzeczność.
%Sposób 3. Niech n > 1 będzie dowolną liczbą naturalną taką, że n | 2^n - 1, zaś p - jej najmniejszym dzielnikiem pierwszym. Na mocy twierdzenia danego do dowodu w zadaniu 9 na zawodach stopnia I lub na mocy małego twierdzenia Fermata mamy p | 2k - 1, gdzie k jest pewną liczbą naturalną mniejszą od p. Z określenia liczby p wynika, że liczby k i n są względnie pierwsze. Zatem na mocy twierdzenia danego do dowodu w zadaniu przygotowawczym B serii II istnieją takie liczby naturalne a i b, że an - bk - 1. Ponieważ p | 2an - 1 i p|2bk -|, więc p | 2™ - 2hk = 2bh, czyli p = 2. Otrzymaliśmy sprzeczność, ponieważ n jest liczbą nieparzystą.

XXI OM - II -Zadanie 4

Zawody matematyczne: 
XXI OM, 1969-1970
Etap: 
II

Dowieść, że jeżeli trójkąt $ T_1 $ zawiera trójkąt $ T_2 $, to obwód trójkąta $ T_1 $ jest nie mniejszy od obwodu trójkąta $ T_2 $.

Rozwiązanie

W wierzchołkach trójkąta $ T_2 $ wystawiamy proste prostopadłe do jego boków (rys. 11). Proste te wyznaczają punkty $ A_1 $, $ B_1 $, $ B_2 $, $ C_2 $, $ C_3 $, $ A_3 $ na brzegu trójkąta $ T_1 $. Ponieważ $ AB \bot AA_1 $ i $ AB \bot BB_1 $ więc długość odcinka $ \overline{AB} $ jest nie większa od długości łamanej $ A_1B_1 $. Analogicznie długości odcinków $ \overline{BC} $ i $ \overline{CA} $ są nie większe od długości łamanych odpowiednio $ B_2C_2 $ i $ C_3A_3 $. Tym bardziej obwód trójkąta $ T_2 $ jest nie większy od obwodu trójkąta $ T_1 $.

XXI OM - II -Zadanie 5

Zawody matematyczne: 
XXI OM, 1969-1970
Etap: 
II

Dany jest wielomian $ P(x) = \frac{1}{2} - \frac{1}{3}x + \frac{1}{6}x^2 $. Niech $ Q(x) = \sum_{k=0}^{m} b_k x^k $ będzie wielomianem określonym wzorem

\[<br />
Q(x) = P(x) \cdot P(x^3) \cdot P(x^9) \cdot P(x^{27}) \cdot P(x^{81}).<br />
\]

Obliczyć $ \sum_{k=0}^m |b_k| $.

Rozwiązanie

Wykorzystamy następujące oczywiste fakty:

(1) Iloczyn wielomianów o współczynnikach dodatnich jest wielomianem o współczynnikach dodatnich.

(2) Suma współczynników wielomianu $ f(x) $ równa jest $ f(1) $.

(3) Moduły odpowiednich współczynników wielomianów $ f(x) $ i $ f(-x) $ są równe.

Ponieważ wielomian $ P(-x) = \frac{1}{2} + \frac{1}{3} x + \frac{1}{6} x^2 $ ma współczynniki dodatnie, więc na podstawie (1) wielomian $ R(x) = Q(-x) = P(-x) \cdot P(- x^3) \cdot P(- x^9) \cdot P(- x^{27}) \cdot P(- x^{81}) $ ma współczynniki dodatnie.

Na podstawie (2) suma współczynników wielomianu $ R (x) $ równa jest $ R(1) = P(- 1) \cdot P(- 1) \cdot P(- 1) \cdot P(- 1) \cdot P(-1) = 1 $. Zatem na podstawie (3) suma modułów współczynników wielomianu $ Q(x) $ równa jest sumie współczynników wielomianu $ Q(- x) = R(x) $, czyli $ 1 $.

XXI OM - II -Zadanie 6

Zawody matematyczne: 
XXI OM, 1969-1970
Etap: 
II

Jeśli $ A $ jest podzbiorem zbioru $ X $, to przyjmujemy $ A^1 = A $, $ A^{-1} = X - A $. Podzbiory $ A_1, A_2, \ldots, A_k $ nazywamy wzajemnie niezależnymi, jeśli iloczyn $ A_1^{\varepsilon_1} \cap A_2^{\varepsilon_2} \ldots A_k^{\varepsilon_k} $ jest niepusty dla każdego układu liczb $ \varepsilon_1, \varepsilon_2, \ldots, \varepsilon_k $, takiego, że $ |\varepsilon_2| = 1 $ dla $ i = 1, 2, \ldots, k $.
Jaka jest maksymalna liczba wzajemnie niezależnych podzbiorów zbioru $ 2^n $-elementowego?

Rozwiązanie

Ponieważ liczba wszystkich ciągów $ n $-wyrazowych o wartościach $ -1 $ i $ 1 $ równa jest $ 2^n $ (patrz zadanie przygotowawcze D serii III), więc możemy przyjąć, że elementami rozważanego zbioru $ 2^n $-elementowego $ X $ są takie ciągi.

Oznaczmy dla $ i = 1, 2, \ldots, n $ przez $ A_i $ zbiór wszystkich ciągów należących do $ X $, których $ i $-ty wyraz jest $ 1 $. Wykażemy, że podzbiory $ A_1, A_2, \ldots, A_n $ są wzajemnie niezależne.

Ciąg $ (\varepsilon_1, \varepsilon_2, \ldots, \varepsilon_n) $, gdzie $ |\varepsilon_j| = 1 $, należy do każdego ze zbiorów $ A_i^{\varepsilon_i} $ dla $ i = 1, 2, \ldots, n $. Jeśli bowiem $ \varepsilon_i= 1 $, to rozważany ciąg ma $ i $-ty wyraz równy $ 1 $, a więc należy do $ A_i^{\varepsilon_i} = A_i^1 $; jeśli zaś $ \varepsilon_i = -1 $, to rozważany ciąg ma $ i $-ty wyraz równy $ - 1 $, czyli należy do $ X - A_i = A_i^{-1} $. Wobec tego zbiór $ A_1^{\varepsilon_1} \cap A_2^{\varepsilon_2} \cap \ldots \cap A_n^{\varepsilon_n} $ zawiera ciąg $ (\varepsilon_1, \varepsilon_2, \ldots, \varepsilon_n) $, a więc jest niepusty.

Wykażemy z kolei, że jeśli $ r > n $ i $ B_1, B_2, \ldots, B_r $ są pewnymi podzbiorami zbioru $ X $, to nie są one wzajemnie niezależne. Jeśli ciągi $ (\varepsilon_1, \varepsilon_2, \ldots, \varepsilon_r) $ i $ (\varepsilon'_1, \varepsilon'_2, \ldots, \varepsilon'_r) $ o wartościach $ -1 $ i $ 1 $ są różne, to zbiory

\[<br />
B = B_1^{\varepsilon_1} \cap B_2^{\varepsilon_2} \cap \ldots \cap B_r^{\varepsilon_r} \textrm{ i }<br />
B' = B_1^{\varepsilon'_1} \cap B_2^{\varepsilon'_2} \cap \ldots \cap B_r^{\varepsilon'_r}<br />
\]

są rozłączne. Mianowicie, jeśli np. $ \varepsilon_i = 1 $, a $ \varepsilon_i' = - 1 $, to mamy $ B \subset B_i^{\varepsilon_i} = B_i $ oraz $ B' \subset B_i^{-1} = X - B_i $, a zbiory $ B_i $ i $ X - B_i $ oczywiście są rozłączne.

Zatem, gdyby zbiory $ B_1, B_2, \ldots, B_r $ były wzajemnie niezależne, to wszystkie zbiory postaci $ B_1^{\varepsilon_1} \cap B_2^{\varepsilon_2} \cap \ldots \cap B_r^{\varepsilon_r} $ byłyby niepuste i parami rozłączne. Zbiorów tych jest $ 2^r > 2^n $. Jest to niemożliwe, ponieważ zbiór $ X $ zawiera tylko $ 2^n $ elementów.

Udowodniliśmy więc, że $ n $ jest maksymalną liczbą wzajemnie niezależnych podzbiorów zbioru $ 2^n $-elementowego.

© Prawa autorskie Polskie Towarzystwo Matematyczne | Serwis znajduje się na serwerze MIMUW | Projekt: Krystyna Jaworska | Realizacja: Paweł Witkowski INTools, Tomasz Filar

Adres źródła: https://archom.ptm.org.pl/?q=node/1220