III etap IX Olimpiady Matematycznej
Dowieść, że iloczyn trzech kolejnych liczb naturalnych, z których środkowa jest sześcianem liczby naturalnej, jest podzielny przez
.
Mamy dowieść, że jeżeli
jest liczbą naturalną większą od
, to liczba
![]() |
jest podzielna przez
. Ponieważ liczby
,
,
są pierwsze względem siebie, więc zadanie sprowadza się do wykazania podzielności
przez każdą z tych liczb.
a) Liczbę
możemy przedstawić w postaci
, gdzie
jest liczbą naturalną, a
- jedną z liczb
,
,
,
,
,
,
. Wówczas
, zatem przy dzieleniu przez
liczba
daje taką samą resztę jak
. Lecz
jest jedną z liczb
,
,
,
,
,
,
, zatem reszta z dzielenia
przez
jest jedną z liczb
,
,
, co oznacza, że jedna z liczb
,
,
jest podzielna przez
.
b) Aby stwierdzić podzielność liczby
przez
, wystarczy zauważyć, że gdy
jest liczbą parzystą, to
jest podzielne przez
, gdy zaś
jest nieparzyste to
i
są dwiema kolejnymi liczbami parzystymi, jedna z nich jest więc podzielna przez
, a ich iloczyn przez
.
c) Liczbę
możemy przedstawić w postaci
, gdzie
jest liczbą naturalną, a
- jedną z liczb
,
,
. Wówczas
, skąd widzimy, że
daje przy dzieleniu przez
resztę
, tzn.
,
lub
. W takim razie jedna z liczb
,
lub
jest podzielna przez
.
Uwaga 1. Łatwo spostrzec, że w tekście twierdzenia można mówić ogólniej o liczbach całkowitych zamiast o liczbach naturalnych.
Uwaga 2. Posługując się prostymi wiadomościami z teorii liczb, można rozumowania przeprowadzone wyżej w p. a) i c) zastąpić prostszymi. Według małego twierdzenia Fermata (Patrz Siódma Olimpiada Matematyczna, Warszawa 1957, zadanie nr 2), gdy liczba całkowita
jest niepodzielna przez
, to zachodzi kongruencja
![]() |
skąd wynika, że
![]() |
Początkowe wiadomości o kongruencjach można znaleźć w książce Zadania z Olimpiad Matematycznych, Warszawa 1956, PZWS, s. 28.
Zatem gdy
jest dowolną liczbą całkowitą, to jedna z liczb
,
,
jest podzielna przez
.
Gdy chodzi o podzielność przez
, które nie jest liczbą pierwszą, trzeba zastosować twierdzenie ogólniejsze od twierdzenia Fermata, a mianowicie tzw. twierdzenie Eulera (sławny matematyk szwajcarski, 1707-1783). Niech
będzie liczbą naturalną, a
niech oznacza ilość liczb naturalnych nie większych od
i pierwszych względem
. Na przykład
,
,
,
,
,
,
itd.
Twierdzenie Eulera brzmi: Jeżeli liczby całkowite
i
są pierwsze względem siebie, to
![]() |
Gdy na przykład
, otrzymujemy twierdzenie: jeżeli liczba całkowita
nie jest podzielna przez
, to
![]() |
skąd - jak wyżej - wynika, że przy dowolnym całkowitym
jedna z liczb
,
,
jest podzielna przez
.
Dowód twierdzenia Eulera można przeprowadzić, jak następuje. Niech
, gdzie
, będzie ciągiem rosnącym wszystkich liczb naturalnych nie większych od
i pierwszych względem
. Wówczas każda z liczb
jest także pierwsza względem
; niech
oznaczają reszty tych liczb z dzielenia przez
, wobec czego
![]() |
Każda z liczb
jest pierwsza względem
, gdyż według (1)
jest podzielne przez
, a
jest pierwsze względem
. Ponadto liczby
są wszystkie różne, albowiem z równości
wynikałoby, że
, więc też
, czyli
wbrew definicji liczb
. Zatem liczby
różnią się od liczb
co najwyżej porządkiem i zachodzi równość
![]() |
Mnożąc kongruencje (1) stronami, otrzymujemy
![]() |
Ponieważ każda z liczb
jest pierwsza względem
, więc to samo dotyczy iloczynu tych liczb, wobec czego z (2) i (3) wynika, że
![]() |
czego należało dowieść.
Zauważmy, że gdy
jest liczbą pierwszą, to
; twierdzenie Eulera daje w tym przypadku małe twierdzenie Fermata.
Każdy bok czworokąta wypukłego
podzielono na trzy równe części; przez te punkty podziału boków
i
, które leżą bliżej wierzchołka
, poprowadzono prostą i analogicznie postąpiono przy wierzchołkach
,
,
. Dowieść, że środek ciężkości czworokąta utworzonego przez narysowane proste pokrywa się ze środkiem ciężkości czworokąta
.
Przyjmiemy oznaczenia uwidocznione na rys. 27. Mamy dowieść, że środek ciężkości czworokąta
pokrywa się ze środkiem ciężkości czworokąta
, który jest równoległobokiem, gdyż proste
i
(a także proste
i
) są równoległe do prostej
, a proste
i
są równoległe do prostej
.
Wyznaczymy najpierw środki ciężkości trójkątów
i
, na które przekątna
dzieli czworokąt
. Środek ciężkości
trójkąta
leży na środkowej
tego trójkąta, przy czym
; ponieważ trójkąt
jest jednokładny do trójkąta
w skali
, więc punkt
leży w środku odcinka
. Analogicznie środek ciężkości
trójkąta
leży w środku odcinka
.
Wiadomo, że jeżeli figura składa się z dwóch części (nie zachodzących na siebie), to środek ciężkości tej figury leży na odcinku łączącym środki ciężkości obu części. Środek ciężkości czworokąta
leży zatem na odcinku
, a, tym samym na prostej przechodzącej przez środki boków
i
równoległoboku
. Zupełnie tak samo musi on leżeć na prostej przechodzącej przez środki boków
i
tego równoległoboku. Obie wymienione proste przecinają się w środku równoległoboku
, który jest oczywiście środkiem ciężkości tego równoległoboku. Istotnie więc środki ciężkości czworokąta
i równoległoboku
pokrywają się.
Uwaga 1. Twierdzenie jest prawdziwe również dla czworokąta wklęsłego; dowód przebiega tak samo jak dla czworokąta wypukłego z tą jedynie różnicą, że jeżeli
jest tą przekątną, która leży na zewnątrz czworokąta
(rys. 28), to środek ciężkości czworokąta
nie leży na odcinku
, lecz na jego przedłużeniu poza punkt
.
Uwaga 2. Dowód poprzedni można zmodyfikować, jak następuje. Jeśli
i
są środkami ciężkości trójkątów
i
, to środek ciężkości czworokąta
jest tym punktem prostej
, który dzieli odcinek
(w przypadku rys. 27 wewnętrznie, a w przypadku rys. 28 zewnętrznie) odwrotnie proporcjonalnie do pól trójkątów
i
. Punkty
i
są zarazem środkami ciężkości równoległoboków
i
, zatem środek ciężkości równoległoboku
dzieli odcinek
odwrotnie proporcjonalnie do pól
i
. Lecz
,
i podobnie
, zatem stosunek pól trójkątów
i
równa się stosunkowi pól równoległoboków
i
. Stąd wynika, że środki ciężkości czworokątów
i
pokrywają się.
Dowieść, że jeżeli
jest liczbą naturalną większą od
, to
![]() |
\spos{1} Weźmy pod uwagę
wektorów jednostkowych
tworzących z osią
odpowiednio kąty
(rys. 29). Niech sumą tych wektorów będzie pewien wektor 
![]() |
Możemy sobie na przykład wyobrazić, że wektory
są siłami działającymi na punkt
, a
jest wypadkową tych sił.
Rozłóżmy każdy z wektorów
oraz wektor
na dwie składowe (rzuty) w kierunku osi
i
. Miarami składowych wektora
na te osie są odpowiednio liczby
i
, miarami składowych wektora
niech będą liczby
i
. Wówczas
![]() |
![]() |
Obróćmy układ
wektorów
dokoła punktu
o kąt
; kąt ten jest mniejszy od kąta pełnego
, ponieważ
. O tenże kąt
obróci się wówczas suma tych wektorów, czyli wypadkowy wektor
. Lecz łatwo zauważyć, że po obrocie otrzymujemy układ tych samych wektorów, gdyż wektor
przejdzie na wektor
,
na
itd., wreszcie
na
, a
na
. Jeśli zaś układ wektorów po obrocie jest ten sam, co przed obrotem, to również wektor wypadkowy po obrocie musi być tym samym wektorem wypadkowym
, co przed obrotem. Wektor
nie zmienia się więc, gdy go obrócimy dokoła
o kąt mniejszy od
. Taką własność ma tylko wektor zerowy, tj. wektor redukujący się do punktu
. Obie składowe tego wektora są wobec tego równe zeru, czyli
,
. Dowód twierdzenia został przeprowadzony; uzyskaliśmy przy tym jednocześnie nowy dowód wzoru z zadania 10.
Rozumowanie powyższe można zmodyfikować, a mianowicie zamiast obrotu układu wektorów
rozważać symetrie tego układu. Łatwo zauważyć, że prosta
jest osią symetrii figury utworzonej z wektorów
. Dwusieczna kąta między wektorami
i
jest również osią symetrii tej figury. Są to dwie różne osie symetrii, gdyż
. Te same osie symetrii musi mieć wektor wypadkowy
układu wektorów
. Ponieważ wektor różny od zera ma tylko jedną oś symetrii, przeto
, c. n. d. W ten sposób rozwiązał zadanie jeden z zawodników IX Olimpiady.
W przeprowadzonym dowodzie korzystaliśmy z następującego twierdzenia o wektorach: Jeżeli wektor
jest sumą wektorów
, to miara (patrz Zadania z Olimpiad Matematycznych, Warszawa 1956, PZWS, zadanie nr 66.) rzutu (składowej) wektora
na dowolną oś rzutów równa się sumie miar rzutów wektorów
na tę samą oś.
Niech na przykład
(rys. 30) i niech
oznaczają miary rzutów wektora
na osie
i
, czyli współrzędne punktu
w układzie
, a
i
odpowiednio miary rzutów wektorów
i
na te osie.
Wówczas (rys. 30)
![]() |
zatem
![]() |
Stosując łatwe rozumowanie indukcyjne, uogólniamy te wzory natychmiast na przypadek dowolnej ilości składników.
Uwaga. Jeżeli układ wektorów (rys. 29) obrócimy dokoła punktu
o dowolny kąt
, to ich suma pozostanie oczywiście równa zeru. Stąd otrzymujemy następujące uogólnienie twierdzeń zadania 10 i zadania 21:
![]() |
![]() |
dla każdego naturalnego
i dowolnego
.
Uwaga. Posługując się liczbami zespolonymi, można sumę cosinusów
i sumę sinusów
wielokrotności
(
) obliczyć jednocześnie. Obliczamy mianowicie
![]() |
Według wzoru Moivre'a
![]() |
Niech
, wówczas
![]() |
Otóż
![]() |
Stąd
![]() |
Zatem
![]() |
wobec czego
![]() |
![]() |
Dowieść, że jeżeli
jest liczbą naturalną, to
![]() |
gdzie
jest liczbą naturalną zależną od
; wyznaczyć
.
Stwierdzamy, że dla
zachodzi wzór (1), przy czym
, czyli
. Stosujemy indukcję zupełną, oznaczając jak poprzednio lewą stronę równości (1) literą
; przypuśćmy, że dla pewnego naturalnego 
![]() |
Biorąc pod uwagę, że
, otrzymujemy stąd
![]() |
Według wzoru na sumę postępu geometrycznego
![]() |
Wobec tego
![]() |
Na mocy indukcji wynika stąd prawdziwość wzoru (1) dla dowolnego naturalnego
, przy czym
.
Udowodnić twierdzenie: W czworościanie płaszczyzna dwusieczna każdego kąta dwuściennego dzieli krawędź przeciwległą na odcinki proporcjonalne do pól ścian czworościanu tworzących ten kąt dwuścienny.
Twierdzenie o płaszczyźnie dwusiecznej w czworościanie można w następujący sposób sprowadzić do twierdzenia o dwusiecznej w trójkącie. Weźmy pod uwagę rzut prostokątny
czworościanu
(rys. 33) na płaszczyznę
prostopadłą do krawędzi
.
Rzuty
,
punktów
i
pokrywają się i rzut czworościanu jest trójkątem
, przy czym kąt
jest równy kątowi liniowemu dwuścianu o krawędzi
. Niech
będzie rzutem punktu
, w którym płaszczyzna dwusieczna przecina krawędź
. Prosta
jest dwusieczną kąta
, gdyż kąty
i
są równe kątom liniowym równych dwuścianów. Wobec tego
![]() |
Ponieważ rzutowanie nie zmienia stosunku odcinków na prostej, więc
![]() |
Odcinki
i
są rzutami trójkątów
i
, są więc zarazem rzutami wysokości tych trójkątów względem boku
. Wysokości te, jako równoległe do rzutni
, są równe swoim rzutom. A ponieważ pola trójkątów
i
o wspólnym boku
mają się do siebie jak odpowiednie wysokości, więc
![]() |
Z powyższych równości otrzymujemy
![]() |
Dowieść, że ze wszystkich czworokątów opisanych na danym kole najmniejszy obwód ma kwadrat.
Ponieważ pole wielokąta opisanego na kole jest proporcjonalne do jego obwodu, więc twierdzenie, które mamy udowodnić, jest równoważne twierdzeniu, że spośród wszystkich czworokątów opisanych na danym kole najmniejsze pole ma kwadrat.
Niech
będzie kwadratem opisanym na kole
,
czworokątem opisanym na tymże kole, a nie będącym kwadratem,
- kołem opisanym na kwadracie. Dla większej przejrzystości na rys. 34 opisano czworokąty na dwóch równych kołach zamiast na jednym.
Zauważmy, że co najmniej jeden wierzchołek czworokąta
musi leżeć wewnątrz koła
, gdyż co najmniej jeden z jego kątów jest większy od kąta prostego.
Boki kwadratu odcinają od koła
cztery równe odcinki kołowe; oznaczając pola tych odcinków literą
, mamy
![]() |
Proste
,
,
,
odcinają od koła
takie same odcinki o polu
; ponieważ przynajmniej jeden z punktów
,
,
,
leży wewnątrz koła
, więc przynajmniej dwa z tych odcinków częściowo się pokrywają. Wobec tego różnica
jest mniejsza, niż pole tej części czworokąta
, która znajduje się w kole
, tym bardziej więc
![]() |
Uwzględniając (1), otrzymujemy
![]() |
Uwaga. Twierdzenie, które udowodniliśmy, jest przypadkiem szczególnym twierdzenia następującego.
Spośród wszystkich wielokątów, o tej samej liczbie
boków, opisanych na danym kole najmniejszy obwód ma wielokąt foremny.
Aby uzyskać dowód tego twierdzenia, wystarczy w rozumowaniu podanym wyżej w sposobie 1 zastąpić wyrazy "kwadrat" i "czworokąt" wyrazami "wielokąt foremny o
bokach" i "wielokąt o
bokach" oraz liczbę
przez
.