Na obwodzie prostokąta obrano punkt
. Znaleźć najkrótszą drogę, której początkiem i końcem jest punkt
i która ma z każdym bokiem prostokąta jakiś punkt wspólny.
Przypuśćmy, że punkt
znajduje się na boku
prostokąta
(rys. 31).
Na bokach
,
i
obieramy odpowiednio punkty
,
,
w sposób następujący. Jeżeli punkt
nie pokrywa się z żadnym z punktów
i
, to prowadzimy
,
,
; wówczas
i otrzymujemy drogę
stanowiącą obwód równoległoboku. Jeżeli punkt
pokrywa się z punktem
, to punkt
również pokrywa się z punktem
, a punkty
i
pokrywają się z punktem
; droga
jest wówczas podwójnie przebieganą przekątną
. Podobnie, gdy punkt
leży w punkcie
, droga
daje podwójną przekątną
.
Udowodnimy, że określona w powyższy sposób droga
jest żądaną drogą najkrótszą.
Dowiedziemy najpierw, że droga
, której długość oznaczymy króko literą
, jest krótsza od długości
każdej innej łamanej
, w której punkty
,
,
leżą odpowiednio na bokach
,
i
.
Założymy przy tym, że punkt
jest różny od
i od
. W przypadku, gdy
pokrywa się z
lub
, dowód wymaga drobnej jedynie modyfikacji, czego sprawdzenie pozostawiamy czytelnikowi.
Niech
będzie punktem symetrycznym do punktu
względem prostej
, a
- punktem symetrycznym do punktu
względem prostej
. Punkty
,
i
leżą na jednej prostej, gdyż
jako kąty równe kątom utworzonym przez przekątne
i
z bokiem
, a
jako kąty symetryczne, więc
i odcinek
jest przedłużeniem odcinka
. Podobnie leżą na jednej prostej punkty
,
i
. Ponieważ
i
, więc trójkąt
jest równoramienny (
) i długość
drogi
równa się sumie długości odcinków
i
.
Długość
drogi
równa długości drogi
jest co najmniej równa sumie długości odcinków
i
, gdyż
a
. Wreszcie
; jeżeli bowiem
jest punktem symetrycznym do punktu
względem prostej
, to punkty
,
,
leżą na jednej prostej i
. Z powyższych przesłanek wynika, że
, przy czym równość zachodzi wtedy i tylko wtedy, gdy punkty
,
,
pokrywają się z punktami
,
,
.
Dowiedziemy następnie, że każda łamana
(rys. 32), w której punkty
,
,
leżą na bokach
,
i
prostokąta, jest dłuższa od
.
Istotnie, oznaczając literą
punkt przecięcia odcinków
i
mamy
![]() |
zatem
![]() |
skąd
![]() |
tzn. łamana
jest dłuższa od łamanej
, a tym samym dłuższa od
.
Teraz już łatwo wykazać, że długość
drogi
jest mniejsza od długości każdej innej drogi o początku i końcu w
, która ma punkty wspólne ze wszystkimi bokami prostokąta. Drogę taką możemy bowiem oznaczyć
![]() |
gdzie
,
,
oznaczają punkty leżące na
różnych bokach prostokąta (bez boku
). Długość tej drogi jest co najmniej równa długości łamanej
, ta zaś z kolei - jak wykazaliśmy poprzednio - jest co najmniej równa długości
łamanej
, przy czym równość zachodzi wtedy, gdy punkty
,
,
pokrywają się odpowiednio bądź z punktami
,
,
, bądź z punktami
,
,
.