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

Strona główna > Wersja do wydruku > Wersja do wydruku

VI OM - II etap

II etap VI Olimpiady Matematycznej

VI OM - II - Zadanie 1

Zawody matematyczne: 
VI OM, 1954-1955
Etap: 
II

Obliczyć sumę $ x^4 + y^4 + z^4 $ wiedząc, że $ x + y + z = 0 $ i $ x^2 + y^2 + z^2 = a $, gdzie $ a $ jest daną liczbą dodatnią.

Rozwiązanie

\[<br />
\begin{split}<br />
x^4 + y^4 + z^4 &= (x^2 + y^2 + z^2)^2 - 2(x^2y^2 + y^2z^2 + z^2x^2) =\\<br />
&= a^2 - 2 [(xy + yz + zx)^2 - 2x^2yz - 2xy^2z - 2xyz^2] =\\<br />
&= a^2 - 2 (xy + yz + zx)^2 - 4xyz (x+y+z) = \\<br />
&= a^2 - 2 (xy + yz + zx)^2 =\\<br />
&= a^2 - 2 \left[ \frac{(x+y+z)^2 - (x^2+y^2+z^2)}{2} \right]^2 = \\<br />
&=a^2 - \frac{a^2}{2} = \frac{a^2}{2}.<br />
\end{split}<br />
\]

Uwaga. Układ równań $ x+y+z = 0 $ i $ x^2 + y^2 + z^2 = a $, gdzie $ a > 0 $, ma nieskończenie wiele rozwiązań $ (x, y, z) $. Wynik powyższego zadania oznacza, że dla każdego z tych rozwiązań suma $ x^4 + y^4 + z^4 $ ma tę samą wartość $ \frac{a^2}{2} $. Gdyby warunek $ x+y+z =0 $ nastąpić warunkiem ogólniejszym $ x+y+z = b $, gdzie $ b $ jest daną liczbą, nie można by udowodnić, że suma $ x^4 + y^4 + z^4 $ ma wartość jednoznacznie określoną przez $ a $ i $ b $. Gdy $ a $ i $ b $ są liczbami naturalnymi, równania $ x+y+z=b $ i $ x^2 + y^2 +z^2 = a $ mogą mieć nawet rozwiązania $ (x, y, z) $ w liczbach naturalnych o różnych wartościach sumy $ x^4+y^4+z^4 $. Dowodzi tego przykład $ a = 5946 $, $ b = 108 $, gdyż

\[ 1 + 43 + 64 = 8 + 29 + 71 = 16 + 19 + 73 = 108, \]
\[ 1^2+ 43^2 + 64^2 = 8^2 + 29^2 + 71^2 = 16^2 + 19^2 + 73^2 = 5946,\]

natomiast sumy $ 1^4 + 43^4 + 64^4 $, $ 8^4 + 29^4 + 71^4 $ i $ 16^4 + 19^4 + 73^4 $ są różne.

Żeby się o tym przekonać, nie potrzeba obliczać tych sum dokładnie; wystarczy posługując się tablicą kwadratów liczb od $ 1 $ do $ 1000 $ sprawdzić, że pierwsza z nich jest mniejsza od $ 21 \cdot 10^6 $, druga jest zawarta między $ 26 \cdot 10^6 $ i $ 27 \cdot 10^6 $, a trzecia jest większa od $ 28 \cdot 10^6 $.

Gdy $ a = 66 $, $ b = 10 $, wtedy

\[<br />
(-1) + 4 + 7 = 1 + 1 + 8 = 10,\<br />
(-1)^2 + 4^2 + 7^2 = 1^2 + 1^2 + 8^2 = 66,<br />
\]

natomiast

\[<br />
(-1)^4 + 4^4 + 7^4 = 2658, \textrm{ a } 1^4 + 1^4 + 8^4 = 4098.<br />
\]

VI OM - II - Zadanie 2

Zawody matematyczne: 
VI OM, 1954-1955
Etap: 
II

Znaleźć liczbę naturalną $ n $ wiedząc, że suma

\[<br />
1 + 2 + 3 + \ldots + n<br />
\]

jest liczbą trójcyfrową o jednakowych cyfrach.

Rozwiązanie

Liczba trzycyfrowa o jednakowych cyfrach ma postać $ 111 \cdot c = 3 \cdot 37 \cdot c $, gdzie $ c $ jest jedną z liczb $ 1, 2, \ldots, 9 $, suma zaś pierwszych $ n $ liczb naturalnych wynosi $ \frac{1}{2} n (n + 1) $, wobec czego liczba $ n $ ma czynić zadość warunkowi

\[<br />
(1) \qquad n(n + 1) = 2 \cdot 3 \cdot 37 \cdot c.<br />
\]

Ponieważ $ 37 $ jest liczbą pierwszą, więc jedna z liczb $ n $ i $ n+1 $ musi być podzielna przez $ 37 $. Możliwe są dwa przypadki:

a) $ n = 37 k $, gdzie $ k $ jest liczbą naturalną; równość (1) daje wówczas

\[<br />
k (37k + 1) =2 \cdot 3 \cdot c.<br />
\]

Prawa strona jest tu najwyżej równa $ 54 $, wobec czego liczba $ k $ może być najwyżej równa $ 1 $, czyli $ n = 37 $. Wartość ta nie jest jednak rozwiązaniem zadania, gdyż $ \frac{1}{2} n (n + 1) $ równa się wówczas $ 37 \cdot 19 = 703 $.

b) $ n + 1 = 37 k $ ($ k $ = liczba naturalna); równość (1) daje $ (37 k - 1) k = 2 \cdot 3 \cdot c $.

Jedyną możliwą wartością $ k $ jest podobnie jak w a) liczba $ 1 $, wówczas $ n = 36 $ i $ \frac{1}{2} n(n + 1) = 18 \cdot 37 = 666 $. Zatem jedynym rozwiązaniem zadania jest $ n = 36 $.

VI OM - II - Zadanie 3

Zawody matematyczne: 
VI OM, 1954-1955
Etap: 
II

Jaki powinien być kąt przy wierzchołku trójkąta równoramiennego, żeby można było zbudować trójkąt o bokach równych wysokości, podstawie i jednemu z pozostałych boków tego trójkąta równoramiennego?

Rozwiązanie

Przyjmiemy oznaczenia wskazane na rys. 9. Trójkąt o bokach równych $ a $, $ c $,$ h $ można zbudować wtedy i tylko wtedy, gdy spełnione są nierówności:

\[<br />
a + c > h,\<br />
c + h > a,\<br />
a + h > c.<br />
\]

Ponieważ w trójkącie $ ADC $ mamy $ a > h $, $ \frac{c}{2} + h > a $, więc pierwsze dwie z powyższych nierówności zachodzą zawsze, wobec czego warunkiem koniecznym i dostatecznym istnienia trójkąta o bokach $ a $, $ c $, $ h $ jest nierówność

\[<br />
(1) \qquad a + h> c.<br />
\]

Z trójkąta $ ADC $ mamy $ h = a \cos \frac{x}{2} $, $ \frac{c}{2} = a \sin \frac{x}{2} $; podstawienie do nierówności (1) daje

\[<br />
1 + \cos \frac{x}{2} > 2 \sin \frac{x}{2}<br />
\]

lub

\[<br />
2 \cos^2 \frac{x}{4} > 4 \sin \frac{x}{4} \cos \frac{x}{4},<br />
\]

a ponieważ $ \frac{x}{4} < 90^\circ $, więc warunek żądany przybiera postać

\[<br />
\tg \frac{x}{4} < \frac{1}{2}<br />
\]

lub

\[<br />
x < 4 \arctan \frac{1}{2}.<br />
\]

W przybliżeniu $ 4 \arctan -\frac{1}{2} \approx 106^\circ $ (z niedomiarem).

VI OM - II - Zadanie 4

Zawody matematyczne: 
VI OM, 1954-1955
Etap: 
II

Wewnątrz trójkąta $ ABC $ dany jest punkt $ P $; znaleźć na obwodzie tego trójkąta taki punkt $ Q $, żeby łamana $ APQ $ dzieliła trójkąt na dwie części o równych polach.

Rozwiązanie

Weźmy pod uwagę trójkąty $ APB $ i $ APC $. Możliwe są trzy następujące przypadki:

a) Każdy z trójkątów $ APB $ i $ APC $ ma pole mniejsze od połowy pola trójkąta $ ABC $. Przypadek ten zachodzi, gdy odległości punktu $ P $ od boków $ AB $ i $ BC $ są mniejsze niż połowy odpowiednich wysokości trójkąta, tzn. gdy punkt $ P $ leży wewnątrz równoległoboku $ AFDE $, którego wierzchołki $ F $, $ D $, $ E $ są odpowiednio środkami boków $ AB $, $ BC $ i $ CA $ (rys. 10).

Jeżeli punkt $ P $ leży na tej przekątnej $ AD $ równoległoboku, która jest środkową trójkąta $ ABC $, to poszukiwany punkt $ Q $ pokrywa się z punktem $ D $.

Pozostaje do rozpatrzenia przypadek, gdy punkt $ P $ leży wewnątrz jednego z trójkątów $ AFD $ i $ AED $, na przykład wewnątrz trójkąta $ AFD $. Jeżeli łamana $ APQ $ spełnia warunki zadania, to punkt $ Q $ leży wewnątrz odcinka $ CD $, a odcinek $ PQ $ przecina środkową $ AD $ w pewnym punkcie $ S $. Wówczas $ \textrm{pole }ABQP = \textrm{pole }ABD $, zatem $ \textrm{pole }ASP = \textrm{pole }QSD $, wobec czego $ \textrm{pole }APD = \textrm{pole }QPD $, skąd wynika, że prosta $ AQ $ jest równoległa do prostej $ PD $. Poszukiwany punkt $ Q $ wyznaczymy więc w tym przypadku jako punkt przecięcia półprostej poprowadzonej przez punkt $ A $ równolegle do prostej $ PD $ z odcinkiem $ DC $. Punkt taki istnieje zawsze, gdyż owa półprosta, jako równoległa do $ PD $, leży wewnątrz kąta $ DAC $.

b) Jeden z trójkątów $ APB $ i $ APC $, na przykład $ \triangle APB $, ma pole równe połowie trójkąta $ ABC $. Poszukiwaną łamaną jest wtedy łamana $ APB $.

c) Jeden z trójkątów $ APB $ i $ APC $, na przykład $ \triangle APB $, ma pole większe od połowy pola trójkąta $ ABC $. Przypadek ten zachodzi, gdy punkt $ P $ leży wewnątrz trójkąta $ EDC $ (rys. 11).

Jeżeli łamana $ APQ $ spełnia warunek zadania, to punkt $ Q $ leży wewnątrz boku $ AB $, a odcinek $ PQ $ przecina odcinek $ AD $ w pewnym punkcie $ S $. Wówczas $ \textrm{pole }AQP = \textrm{pole }ABD $, zatem $ \textrm{pole }ASP = \textrm{pole }SQBD $. Poprowadźmy przez punkt $ B $ prostą równoległą do przekątnej $ QD $ czworokąta $ SQBD $; przetnie ona przedłużenie boku $ SD $, w pewnym punkcie $ G $. Wówczas $ \textrm{pole }QDG = \textrm{pole }QDB $ zatem $ \textrm{pole }SQBD = \textrm{pole }SQG $, wobec czego $ \textrm{pole }ASP = \textrm{pole }SQG $ a $ \textrm{pole }APG = \textrm{pole }QPG $, skąd wynika, że prosta $ PG $ jest równoległa do prostej $ AB $. Konstrukcja łamanej $ APQ $ jest więc następująca: Prowadzimy przez punkt $ P $ prostą równoległą do prostej $ AB $ do przecięcia z przedłużeniem odcinka $ AD $ w punkcie $ G $, a następnie przez punkt $ D $ prostą równoległą do prostej $ GB $, która przetnie odcinek $ AB $ w szukanym punkcie $ Q $. Istotnie $ \textrm{pole } APQ = \textrm{pole }ASQ + \textrm{pole }APS = \textrm{pole } ASQ + \textrm{pole } SQG = \textrm{pole } ASQ + \textrm{pole } APS = \textrm{pole }ABD = \frac{1}{2} \textrm{pola }ABC $.

VI OM - II - Zadanie 5

Zawody matematyczne: 
VI OM, 1954-1955
Etap: 
II

Dany jest trójkąt $ ABC $. Znaleźć prostokąt o najmniejszym polu zawierający ten trójkąt.

Rozwiązanie

Jeżeli prostokąt o polu $ P $ zawiera trójkąt $ ABC $, to możliwe są tylko przypadki następujące:

1. Na każdym boku prostokąta leży jakiś wierzchołek trójkąta. Ponieważ czworokąt ma cztery boki, a trójkąt trzy wierzchołki, więc co najmniej jeden wierzchołek trójkąta musi leżeć na dwóch bokach prostokąta, tzn. w jednym z wierzchołków prostokąta. Mamy zatem dwie możliwości:

a) Tylko jeden wierzchołek trójkąta jest wierzchołkiem prostokąta (rys. 12).

Przyjmując oznaczenia podane na rys. 12 poprowadźmy odcinki $ BD $ i $ CE $ równolegle do boków $ AM $ i $ AP $ prostokąta. Stwierdzamy, że

\[ \textrm{pole }CFB = \textrm{pole }CBN, \textrm{gdyż } \triangle CFB \textrm{ i } \triangle CBN \textrm{ są przystające}, \]
\[ \textrm{pole }ABG < \textrm{pole }AMB, \textrm{gdyż } GB < AM, \textrm{ a }AD = MB,\]
\[ \textrm{pole }CGF < \textrm{pole }ACP, \textrm{ gdyż } GF < PC \textrm{ i } FC < AP. \]

Suma lewych stron powyższych związków równa się polu trójkąta $ ABC $, zatem $ \textrm{pole }ABC < \textrm{pole }CBN + \textrm{pole }AMB + \textrm{pole }ACP $.

Pole $ S $ trójkąta $ ABC $ jest zatem mniejsze od pola pozostałej części prostokąta, czyli

\[<br />
P > 2S.<br />
\]

b) Co najmniej dwa wierzchołki trójkąta są wierzchołkami prostokąta (rys. 13). Wówczas oczywiście

\[<br />
P = 2S.<br />
\]

2. Przynajmniej na jednym z boków prostokąta nie leży żaden wierzchołek trójkąta (rys. 14)

Przesuwając równolegle te boki prostokąta, na których nie ma wierzchołków trójkąta, jak pokazuje rys. 14, otrzymamy prostokąt o polu $ P' $ położony tak jak w przypadku 1a) lub 1b), zatem $ P' \geq 2S $, a ponieważ $ P > P' $ więc

\[<br />
P > 2 S.<br />
\]

Okazało się więc, że prostokąt zawierający dany trójkąt ma najmniejsze pole wtedy, gdy jeden z boków prostokąta pokrywa się z jednym z boków trójkąta, a bok przeciwległy prostokąta przechodzi przez trzeci wierzchołek trójkąta; pole prostokąta jest wówczas równe podwojonemu polu trójkąta. Dla trójkąta ostrokątnego są trzy takie prostokąty, dla prostokątnego - dwa, dla rozwartokątnego - jeden.

Uwaga. Dowód, że w przypadku 1a) zachodzi nierówność $ P > 2S $ monia również uzyskać w sposób następujący (rys. 12).

\[<br />
\begin{split}<br />
P & = AM \cdot AP =AB \cos \delta \cdot AC \cos \varepsilon = AB \cdot AC \cdot \frac{1}{2} [\cos (\delta + \varepsilon) + \cos (\delta - \varepsilon)] = \\<br />
& = \frac{1}{2} AB \cdot AC [\sin \alpha + \cos (\delta - \varepsilon)];<br />
\end{split}<br />
\]

ponieważ $ |\delta - \varepsilon| < \delta + \varepsilon = 90^\circ - \alpha $, więc $ \cos (\delta - \varepsilon) > \sin \alpha $; z poprzedniej równości wynika zatem, że

\[<br />
P > AB \cdot AC \sin \alpha, \textrm{ tj. }P > 2 S.<br />
\]

VI OM - II - Zadanie 6

Zawody matematyczne: 
VI OM, 1954-1955
Etap: 
II

Wewnątrz kąta trójściennego $ OABC $, którego kąty płaskie $ AOB $, $ BOC $, $ COA $ są równe, obrano punkt $ S $ równo odległy od ścian tego kąta. Przez punkt $ S $ poprowadzono płaszczyznę przecinającą krawędzie $ OA $, $ OB $, $ OC $ odpowiednio w punktach $ M $, $ N $, $ P $. Dowieść, że suma

\[<br />
\frac{1}{OM} + \frac{1}{ON} + \frac{1}{OP}<br />
\]

ma wartość stałą, tzn. niezależną od położenia płaszczyzny $ MNP $.

Rozwiązanie

Obliczymy dwoma sposobami objętość $ V $ czworościanu $ OMNP $ (rya. 15).

1°. Mech $ PQ $ będzie prostopadłą opuszczoną z punktu $ P $ na płaszczyznę $ AOB $ i niech $ \alpha $ oznacza kąt $ AOB $, a $ \beta $ - kąt nachylenia krawędzi $ OP $ do płaszczyzny $ AOB $; wówczas $ PQ =OP \cdot \sin \beta $ oraz

\[<br />
\begin{split}<br />
V & = \frac{1}{3} \textrm{pole }M0N \cdot PQ =<br />
\frac{1}{3} \left( \frac{1}{2} OM \cdot ON \cdot \sin \alpha\right) \cdot \left( OP \cdot \sin \beta \right)= \\<br />
& = \frac{1}{6} OM \cdot ON \cdot OP \cdot \sin \alpha \sin \beta.<br />
\end{split}<br />
\]

2°. Czworościan $ OMNP $ jest sumą czworościanów $ SM0N $, $ SNOP $, $ SPOM $ o wspólnym wierzchołku $ S $ i podstawach $ MON $, $ NOP $, $ POM $; wysokości tych czworościanów są równe odległości $ d $ punktu $ S $ od ścian kąta trójściennego. Zatem

\[<br />
\begin{split}<br />
V & = V_{SMON} + V_{SNOP} + V_{SPOM} = \\<br />
&=\frac{1}{3} d \cdot (\textrm{pole }MON + \textrm{pole }NOP + \textrm{pole }POM) =\\<br />
& = \frac{1}{6} d \cdot (OM \cdot ON + ON \cdot OP + OP \cdot OM) \sin \alpha.<br />
\end{split}<br />
\]

Z 1° i 2° wynika, że

\[<br />
\frac{1}{6} d \cdot (OM \cdot ON + ON \cdot OP + OP \cdot OM) \sin \alpha  = \frac{1}{6} OM \cdot ON \cdot OP \sin \alpha \sin \beta.<br />
\]

Dzieląc obie strony tej równości przez $ \frac{1}{6} d \cdot OM \cdot ON \cdot OP \cdot \sin \alpha $ otrzymujemy

\[<br />
\frac{1}{OP} + \frac{1}{OM} + \frac{1}{ON} = \frac{\sin \beta}{d},<br />
\]

skąd wynika teza twierdzenia, gdyż $ \beta $ i $ d $ nie zależą od położenia płaszczyzny $ MNP $.

© 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/1641