II etap IX Olimpiady Matematycznej
Dowieść, że jeżeli
jest liczbą całkowitą różną od
i od
, to
nie jest liczbą pierwszą.
Wyrażenie
możemy w następujący sposób przedstawić w postaci iloczynu
czynników:
![]() |
Ponieważ
![]() |
![]() |
więc gdy
i
, to każdy z tych czynników jest dodatni i większy od
. Stąd wynika, że gdy
jest liczbą całkowitą różną od
i od
, to
nie jest liczbą pierwszą.
Sześć równych krążków położono na płaszczyźnie w ten sposób, że ich środki leżą w wierzchołkach sześciokąta foremnego o boku równym średnicy krążków. Ile obrotów wykona siódmy krążek tej samej wielkości toczący się w tej samej płaszczyźnie zewnętrznie po krążkach do chwili powrotu do położenia początkowego?
Niech koło
o środku
i promieniu
toczy się bez ślizgania, po kole o środku
i promieniu
(rys. 16) w kierunku zaznaczonym strzałką. Toczenie się bez ślizgania należy rozumieć w ten sposób, że coraz to inny punkt jednego okręgu pokrywa się z coraz to innym punktem drugiego okręgu, przy czym w tym przyporządkowaniu długość łuku między dwoma punktami jednego okręgu równa się długości łuku między odpowiednimi punktami drugiego okręgu.
Weźmy pod uwagę dwa położenia
i
koła ruchomego, którym odpowiadają środki
i
oraz punkty styczności z kołem nieruchomym
i
; niech
będzie tym punktem okręgu koła
, który w nowym położeniu przechodzi w punkt styczności
i niech
i
oznaczają miary łukowe kątów
i
. Ponieważ długość łuku
nieruchomego okręgu równa się długości łuku
ruchomego okręgu, więc
. Promień
okręgu ruchomego zajmie nowe położenie
, przy czym
. Poprowadźmy promień
równoległy do
; otrzymamy
. Kąt
jest równy kątowi, o który obróciło się koło
przy przejściu z położenia
do położenia
. Jeżeli
, to
, kąt obrotu wynosi wówczas
.
Po ustaleniu powyższego łatwo odpowiedzieć na postawione pytanie.
Ruchomy krążek
toczy się kolejno po danych sześciu krążkach; przejście z jednego z nich na drugi ma miejsce w tych położeniach, w których krążek
jest styczny jednocześnie do dwóch krążków nieruchomych. Niech
i
będą tymi położeniami, w których krążek
jest styczny do krążka nieruchomego
i do jednego z krążków sąsiednich (rys. 17). Wówczas
, więc przy przejściu z położenia
do położenia
krążek obróci się o
. Do położenia początkowego krążek powróci po
takich obrotach, obróci się więc razem o
, tzn. wykona
pełne obroty.
Uwaga. Można rozważać ogólniej toczenie się krążka o promieniu
po dowolnej krzywej
(rys. 18). Gdy punkt styczności
przebiegnie po krzywej łuk
o długości
, wówczas kąt, o który obróci się krążek, wynosi
, gdzie
równa się kątowi prostych
i
, czyli kątowi, jaki tworzą normalne do krzywej
w punktach
i
, a
.
Dowieść, że jeżeli wielomian
o współczynnikach całkowitych przybiera dla
i
wartości nieparzyste, to równanie
nie ma pierwiastków całkowitych.
Według założenia liczby
i
są nieparzyste. Wykażemy, że
jest wówczas dla każdego całkowitego
liczbą całkowitą nieparzystą. Istotnie, jeśli
jest liczbą parzystą, to
jest sumą liczb parzystych
,
,
i liczby nieparzystej
. Jeżeli zaś
jest liczbą nieparzystą, to
jest sumą liczb parzystych
,
,
i liczby nieparzystej
. Zatem
c. n. d.
Uwaga. Rozumowanie powyższe można zastosować do dowolnego wielomianu
![]() |
o współczynnikach całkowitych
.
Gdy
jest liczbą całkowitą parzystą, to
![]() |
jest też liczbą parzystą, zatem liczba
jest tej samej parzystości, co
, czyli
.
Gdy zaś
jest całkowite nieparzyste, to
![]() |
jest liczbą parzystą, zatem liczba
jest tej samej parzystości, co liczba
równa
.
Jeśli więc
i
są liczbami nieparzystymi, to dla każdego całkowitego
liczba
jest nieparzysta, wobec czego
.
Można też powiedzieć, że jeżeli istnieją takie całkowite
i
, że
i
są liczbami nieparzystymi, to
jest dla każdego całkowitego
liczbą nieparzystą, zatem
.
Dowieść, że jeżeli
![]() |
gdzie
,
,
,
,
,
oznaczają liczby rzeczywiste, to
oraz
.
Przekształcając równość (1), otrzymujemy kolejno
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
Ponieważ lewa strona równości (2) jest liczbą nieujemną, a prawa - liczbą niedodatnią, więc obie są równe zeru, skąd
![]() |
Na zewnątrz trójkąta
zbudowano trójkąty równoboczne
,
i
. Dowieść, że środki
,
,
tych trójkątów tworzą trójkąt równoboczny.
Zauważmy, że
i
(rys. 22). Jeżeli obrócimy trójkąt
dokoła punktu
o
w kierunku strzałki, to półprosta
pokryje półprostą
, a półprosta
- półprostą
, zatem
. Ponieważ odcinki
i
są promieniami okręgów opisanych na trójkątach równobocznych o bokach
i
, więc
. Trójkąty
i
mające przy wierzchołku
kąty równe i boki proporcjonalne są podobne, zatem
, skąd
.
Podobnie wykażemy podobieństwo trójkątów
i
(trójkąt
trzeba obrócić dokoła punktu
o
w kierunku przeciwnym do poprzedniego) i równość
. Zatem
; tak samo udowodnimy, że
, trójkąt
jest więc równoboczny.
Uwaga. Twierdzenie udowodnione powyżej jest znane pod nazwą twierdzenia Napoleona. Nietrudno się przekonać, że pozostaje ono prawdziwe i wówczas, gdy każdy z trójkątów równobocznych zbudowany jest po tej stronie odpowiedniego boku trójkąta
, po której leży ten trójkąt. Stosuje się ono również do trójkąta zniekształconego, tj. do przypadku, gdy punkty
,
,
leżą, na jednej prostej. Z trzech trójkątów równobocznych dwa mniejsze mają przy tym leżeć po jednej stronie tej prostej, a największy - po drugiej.
Można by zapytać, czy analogiczne twierdzenie zachodzi i dla innych wielokątów, czy np. środki kwadratów zbudowanych na zewnątrz czworokąta na jego bokach są wierzchołkami kwadratu. Odpowiedź jest przecząca; aby się o tym przekonać, wystarczy zbudować kwadraty na bokach deltoidu, złożonego na przykład z
trójkątów prostokątnych o kątach ostrych
i
; środki tych kwadratów tworzą trapez równoramienny o kątach
przy podstawie.
Okazuje się, że prawdziwe jest następujące twierdzenie: Środki kwadratów zbudowanych na zewnątrz czworokąta na jego bokach są wtedy i tylko wtedy wierzchołkami kwadratu, gdy ten czworokąt jest równoległobokiem.
Aby wykazać słuszność tego twierdzenia udowodnimy najpierw następujący lemat: Jeżeli
jest środkiem boku
trójkąta
, a
i
są odpowiednio środkami kwadratów zbudowanych na bokach
i
na zewnątrz tego trójkąta, to trójkąt
jest trójkątem prostokątnym równoramiennym o przeciwprostokątnej
.
Twierdzenie to jest oczywiste, gdy
, gdyż wówczas
i
są odpowiednio równoległe do
i
i tworzą z prostą
kąty po
. Załóżmy, że
.
Niech
i
oznaczają odpowiednio okręgi, opisane na kwadratach zbudowanych na bokach
i
. Ponieważ
, więc punkty
,
,
nie leżą na jednej prostej i okręgi
i
mają - poza punktem
- jeszcze punkt wspólny
.
Jeżeli punkt
jest różny od punktu
i od punktu
(rys. 23 i rys. 24), to każdy z kątów
i
jest równy
albo
. Zważywszy, że suma dwóch kątów spośród kątów
,
i
bądź równa się trzeciemu z nich, bądź dopełnia trzeci kąt do
, wnioskujemy, że kąt
równa się
, punkt
jest więc punktem wspólnym okręgów
,
i okręgu
o średnicy
. Boki trójkąta
łączące środki tych okręgów są prostopadłe odpowiednio do wspólnych cięciw
,
,
tych okręgów, a że
jest prostopadłe do
, więc w trójkącie
kąt
jest prosty, a kąty
i
mają po
.
Punkt
może pokrywać się z punktem
; ma to miejsce wtedy, gdy w trójkącie
jest
. Wówczas punkt
leży na przedłużeniu odcinka
, odcinek
jest prostopadły do
, gdyż łączy środek okręgu
ze środkiem cięciwy
, a
; trójkąt
jest więc istotnie prostokątny w
i równoramienny. Tak samo będzie w przypadku analogicznym, gdy punkt
pokrywa się z punktem
, tzn. gdy
.
Dowód wypowiedzianego poprzednio twierdzenia możemy obecnie ująć krótko. Niech
będzie równoległobokiem,
jego środkiem, a
,
,
,
środkami kwadratów zbudowanych na zewnątrz równoległoboku na jego kolejnych bokach (rys. 25). Na mocy lematu trójkąty
,
,
i
są prostokątne w
i równoramienne. Trójkąty te są zatem przystające i czworokąt
jest kwadratem.
Odwrotnie, przypuśćmy, że środki
,
,
,
kwadratów zbudowanych odpowiednio na bokach
,
,
,
czworokąta
na zewnątrz tego czworokąta są wierzchołkami kwadratu. Niech
będzie środkiem przekątnej
, a
środkiem przekątnej
czworokąta. Na mocy lematu trójkąty
i
są prostokątne i równoramienne; punkt
jest więc środkiem kwadratu
. To samo dotyczy punktu
, zatem
i
pokrywają się i czworokąt
, którego przekątne dzielą się na połowy, jest równoległobokiem.
Dowód twierdzenia można również poprowadzić sposobem analogicznym do poprzedniego sposobu
, posługując się obrotami dokoła wierzchołków czworokąta
o
. Pozostawiamy to jako ćwiczenie.
Twierdzenie pozostaje prawdziwe, gdy kwadraty budujemy po tej stronie boków czworokąta
, po której leży ten czworokąt. Przy odpowiednim sformułowaniu pozostaje ono także prawdziwe dla takich czworokątów "zniekształconych", których wierzchołki
,
,
,
leżą na prostej. Niech czytelnik sam znajdzie to sformułowanie.
Współczesny matematyk włoski Adriano Bariotti znalazł następujące daleko idące uogólnienie twierdzenia Napoleona: Warunkiem koniecznym i dostatecznym do tego, aby środki wielokątów foremnych o
bokach zbudowanych na bokach wielokąta
na zewnątrz tego wielokąta były wierzchołkami wielokąta foremnego o
bokach, jest warunek, żeby wielokąt
był rzutem równoległym wielokąta foremnego o
bokach (Wydrukowane w czasopiśmie: Bolletino del'Unione Matematica Italiana 3, rok 10.)
Twierdzenie to jest słuszne również w przypadku, gdy wielokąty foremne budujemy po tej stronie boków wielokąta
, po której leży ten wielokąt.
Na płaszczyźnie dane są dwa okręgi
i
oraz prosta
. Znaleźć na prostej
taki punkt, z którego można do okręgów
i
poprowadzić styczne jednakowo nachylone do prostej
.
Jeżeli dane okręgi mają wspólną styczną
, przecinającą prostą
w punkcie
, to można uważać, że punkt
odpowiada warunkom zadania, gdyż przez ten punkt przechodzą dwie pokrywające się styczne do danych okręgów jednakowo nachylone do prostej
.
Pomijając to rozwiązanie banalne, poszukamy innych rozwiązań. Przypuśćmy, że przez punkt
prostej
przechodzą dwie różne proste
i
, styczne odpowiednio do okręgów
i
i jednakowo nachylone do prostej
, czyli symetryczne względem
(rys. 26). Okrąg
, symetryczny do okręgu
względem
, jest styczny do prostej symetrycznej do stycznej
okręgu
, tzn. do prostej
. Zatem prosta
jest wspólną styczną okręgów
i
. Rozwiązaniem zadania jest punkt przecięcia
każdej wspólnej stycznej okręgów
i
z prostą
. Zauważmy, że punkt
jest jednocześnie punktem przecięcia z prostą
wspólnej stycznej
okręgu
i okręgu
symetrycznego do okręgu
względem prostej
. Zadanie może mieć
,
,
,
lub
rozwiązań.