III etap V Olimpiady Matematycznej
Dowieść, że w trapezie równoramiennym opisanym na kole odcinki łączące punkty styczności boków przeciwległych z kołem przechodzą przez punkt przecięcia przekątnych.
Niech
,
,
,
oznaczają odpowiednio punkty styczności boków
,
,
,
z okręgiem wpisanym w trapez
.
Niech
będzie punktem przecięcia odcinków
i
(rys. 37a). Ponieważ trapez
jest równoramienny, więc prosta
jest osią symetrii figury, przy czym punkt
jest symetryczny do punktu
i
. Proste równoległe
,
i
wyznaczają na prostych
i
odcinki proporcjonalne, zatem
![]() |
Niech
będzie punktem przecięcia przekątnych
i
trapezu. Ponieważ te przekątne są symetryczne względem prostej
, więc punkt
leży na odcinku
(rys. 37 b). Trójkąty
i
są jednokładne względem punktu
, zatem
![]() |
Lecz
, a
, wobec czego
; z powyższych proporcji wynika więc, że
![]() |
Punkty
i
dzielą odcinek
w tym samym stosunku, zatem punkty te pokrywają się, czego należało dowieść.
Jaki związek algebraiczny zachodzi między
,
i
, jeżeli
![]() |
Z równości (1) wynikają kolejno równości
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
Z równości (2) wynika alternatywa:
![]() |
równoważna alternatywie:
![]() |
gdzie
,
,
oznaczają liczby całkowite.
Uzyskaliśmy wynik: Jeśli zachodzi równość (1), to
![]() |
gdzie
,
,
są liczbami całkowitymi.
Zauważmy, że związki (3) nie wykluczają się wzajemnie; jeśli np.
,
, to zachodzą wszystkie trzy związki.
Jednorodną tarczę kołową zawieszono w położeniu poziomym na sznurze uczepionym w jej środku
. W trzech różnych punktach
,
,
brzegu tarczy położono ciężary
,
,
, po czym tarcza pozostała w równowadze. Obliczyć kąty
,
i
.
Ponieważ tarcza po umieszczeniu ciężarów pozostała w równowadze, więc wypadkowa sił równoległych
,
,
przechodzi przez punkt
(rys. 41). Z trzech kątów
,
,
rozważanych w jednakowym kierunku obrbtu przynajmniej dwa są mniejsze od
, gdyż suma wszystkich trzech wynosi
; niech np.
. Wypadkowa sił
i
zaczepionych w punktach
i
przechodzi przez pewien punkt
odcinka
; zatem punkt
jest punktem przecięcia brzegu tarczy z półprostą
i każdy z kątów
,
jest również mniejszy od
.
Wiadomo ze statyki, że położenie punktu
określa równość
![]() |
W trójkątach
i
jest
![]() |
a że
, więc z powyższych równości wynika, że
![]() |
Z równości (1) i (2) otrzymujemy
![]() |
a ponieważ
,
, więc
![]() |
Analogiczne równości zachodzą dla pozostałych par szukanych kątów, zatem
![]() |
Z równości (3) można już wyznaczyć kąty
,
i
. Istotnie niech
,
,
; ponieważ
, wobec czego
, a równości (3) przybierają postać
![]() |
więc
,
,
są kątami trójkąta o bokach
,
,
. Kąty te możemy obliczyć stosując do owego trójkąta twierdzenie cosinusów, kąty zaś
,
,
obliczymy jako dopełnienia kątów
,
,
do
. W ten sposób otrzymujemy
![]() |
Ponieważ każdy z poszukiwanych kątów zawiera się między
i
, więc wzory (4) wyznaczają te kąty w sposób jednoznaczny.
Uwaga. Zgodnie z treścią zadania przyjęliśmy w powyższym rozwiązaniu, że po umieszczeniu ciężarów
,
,
tarcza pozostała w równowadze. Powstaje pytanie, czy ciężary
,
,
mogą mieć dowolne wartości, tzn. czy dowolnie obrane ciężary
,
,
można tak umieścić w trzech różnych punktach tarczy, że tarcza pozostanie w równowadze? Łatwo spostrzec, że tak nie jest. W powyższym rozumowaniu okazało się bowiem, że liczby
,
,
wyrażają długości boków trójkąta, muszą one zatem spełniać nierówności
![]() |
Wykażemy, że warunki konieczne (5) są zarazem dostateczne. Przypuśćmy, że liczby
,
,
spełniają warunki (5). Wówczas istnieje trójkąt o bokach
,
,
. Jeśli kątami tego trójkąta są
,
,
, to możemy wyznaczyć na brzegu tarczy trzy różne punkty,
,
,
w ten sposób, że
,
,
, gdyż
. Kąty
,
,
spełniają wówczas równania (3). Umieśćmy w punktach
,
,
ciężary
,
,
; dowiedziemy, że tarcza będzie wówczas w równowadze. Ponieważ każdy z kątów
,
,
jest mniejszy od
, więc przedłużenie promienia
przecina bok
trójkąta
w pewnym punkcie
. W takim razie zachodzi równość (2), a ponieważ
,
, więc
![]() |
Z równości (6) i (3) wynika, że
![]() |
punkt
jest zatem punktem zaczepienia wypadkowej sił równoległych
i
zaczepionych w punktach
i
. Ponieważ ta wypadkowa ma wartość
, więc trzeba jeszcze tylko dowieść, że punkt
jest punktem zaczepienia wypadkowej sił równoległych
i
zaczepionych odpowiednio w punktach
i
. Otóż z równości (3) wynika, że
![]() |
Stosując twierdzenie sinusów do trójkątów
,
i
mamy
![]() |
![]() |
![]() |
Podstawiając te wartości do równania (7) i uwzględniając że
,
,
otrzymujemy
![]() |
Równość ta dowodzi, że istotnie wypadkowa sił równoległych
i
przyłożonych w punktach
i
przechodzi przez punkt
. A zatem wypadkowa sił równoległych
,
,
przyłożonych odpowiednio w punktach
,
,
przechodzi przez punkt
, czego mieliśmy dowieść.
Znaleźć wartości
spełniające nierówność
![]() |
gdzie
jest daną liczbą dodatnią.
Przypuśćmy, że liczba
spełnia nierówność (1), wtedy
, z nierówności (1) wynikają kolejno nierówności
![]() |
![]() |
![]() |
Z nierówności (4) wynika, że
i że
![]() |
stąd
![]() |
lub
![]() |
Jeśli więc liczba
spełnia nierówność (1), to
![]() |
Odwrotnie, jeśli spełnione są warunki (8), to zachodzi nierówność (1); istotnie, z nierówności (8) wynikają kolejno nierówności (7), (6), (5), (4), (3), (2) i wreszcie (1).
Fakt, że z nierówności (8) wynika nierówność (1), można by sprawdzić nieco inaczej: z nierówności (8) wynika, że
![]() |
zatem
![]() |
stąd
![]() |
lub
![]() |
i ostatecznie
![]() |
Uzyskaliśmy wynik: liczby spełniające nierówność (1) istnieją tylko wtedy, gdy
; są to liczby określone nierównością
![]() |
Dowieść, że jeżeli w czworościanie
krawędzie przeciwległe są równe, tj.
,
,
, to proste przechodzące przez środki krawędzi przeciwległych są wzajemnie prostopadle i są osiami symetrii czworościanu.
Niech
,
,
,
,
,
oznaczają środki krawędzi czworościanu
, jak wskazuje rys. 42. Wystarczy dowieść, że którakolwiek z prostych
,
,
np.
jest osią symetrii czworościanu i że jest prostopadła do którejś z dwóch pozostałych prostych, np. do
.
\spos{1} Ponieważ według założenia
i
, więc trójkąty
i
są przystające, gdyż mają odpowiednio równe boki, zatem środkowe
i
tych trójkątów są równe, wobec czego trójkąt
jest równoramienny i środkowa
tego trójkąta jest jego wysokością, tj.
; analogicznie
. Stąd wynika, że prosta
jest osią symetrii czworościanu, gdyż punkt
jest symetryczny do punktu
, a punkt
jest symetryczny do punktu
względem prostej
. Odcinek
jest symetryczny do odcinka
, zatem środek
odcinka
jest symetryczny do środka
odcinka
. Prosta
przechodząca przez punkty
i
symetryczne względem prostej
przecina tę prostą i jest do niej prostopadła.
Wewnątrz obręczy o promieniu
toczy się po tej obręczy bez poślizgu krążek o promieniu
. Jaką linię zakreśla punkt obrany dowolnie na brzegu krążka?
Gdy krążek toczy się po obręczy, punkty brzegu krążka stają się jeden po drugim punktami styczności krążka z obręczą. Warunek toczenia się bez poślizgu oznacza, że długość łuku
między dwoma punktami
i
brzegu krążka równa się długości tego łuku obręczy, na który przy toczeniu się padną kolejno punkty łuku
.
Ponieważ promień krążka jest dwa razy mniejszy od promienia obręczy, więc brzeg krążka przechodzi stale przez środek
obręczy.
Obierzmy na brzegu krążka pewien określony punkt
i niech przy początkowym położeniu krążka punkt
znajduje się w punkcie
obręczy (rys. 45).
Gdy krążek potoczy się w ten sposób, że punkt jego styczności z obręczą przebiegnie ćwiartkę
obręczy, odpowiednie punkty brzegu krążka, tj. te, które kolejno stykają się z obręczą w punktach łuku
, utworzą półokrąg; gdy więc punkt styczności krążka z obręczą dojdzie do punktu
, punkt
znajdzie się w punkcie
. Wykażemy, że podczas tego ruchu punkt
zakreśla promień
. W tym celu przypuśćmy, że w pewnej chwili krążek styka się z obręczą w punkcie
łuku
. Środek
krążka jest wtedy środkiem odcinka
. Punkt
zajmuje wówczas takie położenie, że długości łuków
i
(mniejszych od półokręgów) są równe. Stąd wynika, że
![]() |
Z drugiej strony, na mocy twierdzenia o kącie zewnętrznym trójkąta
, a że
, więc
![]() |
Z równości (1) i (2) otrzymujemy
![]() |
zatem punkt
leży na promieniu
.
Odwrotnie, jeśli
jest dowolnym punktem wewnętrznym odcinka
, to istnieje takie położenie krążka, przy którym punkt
znajdzie się w punkcie
; środek krążka leży wówczas w przecięciu symetralnej odcinka
z tym łukiem okręgu o środku
i promieniu
, który leży w kącie
.
Dowiedliśmy, że gdy krążek toczy się po ćwiartce
obręczy, punkt
zakreśla promień
. Przy toczeniu się po ćwiartce
krążek przybiera położenia symetryczne do poprzednich względem prostej
; punkt
zakreśla zatem promień
symetryczny do
tj. tworzący wraz z
średnicę
obręczy. Przy toczeniu się po pozostałych ćwiartkach obręczy punkt
zakreśli średnicę
, gdyż zajmuje wówczas położenia symetryczne do poprzednich względem prostej
.
Uzyskaliśmy wynik: przy toczeniu się krążka wewnątrz obręczy o dwa razy większym promieniu każdy punkt krążka zakreśla pewną średnicę tej obręczy.