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

Strona główna > Wersja do wydruku > Wersja do wydruku

III OM - III etap

III etap III Olimpiady Matematycznej

III OM - III - Zadanie 1

Zawody matematyczne: 
III OM, 1951-1952
Etap: 
III

Rozwiązać układ równań

\[<br />
(1) \qquad<br />
\left\{<br />
\begin{array}{l}<br />
xy (x - y) = ab (a - b)\\<br />
x^3 - y^3 = a^3 - b^3.<br />
\end{array}<br />
\right.<br />
\]

Rozwiązanie

Pomnóżmy obie strony pierwszego równania przez $ 3 $, a następnie dodajmy równania stronami; otrzymamy równanie

\[<br />
(x - y)^3 = (a - b)^3,<br />
\]

równoważne (w dziedzinie liczb rzeczywistych) równaniu

\[<br />
x - y = a - b.<br />
\]

Układ równań (1) jest równoważny układowi równań

\[<br />
(2) \qquad<br />
\left\{<br />
\begin{array}{l}<br />
xy(x - y) = ab (a - b) \\<br />
x - y = a - b<br />
\end{array}<br />
\right.<br />
\]

lub układowi prostszemu

\[<br />
(3) \qquad<br />
\left\{<br />
\begin{array}{l}<br />
xy (a - b) = ab (a - b) \\<br />
x - y = a - b.<br />
\end{array}<br />
\right.<br />
\]

Należy rozróżnić dwa przypadki:

I. $ a - b \ne 0 $. Układ równań (3) jest równoważny układowi

\[<br />
(4) \qquad<br />
\left\{<br />
\begin{array}{l}<br />
xy = ab\\<br />
x - y = a - b<br />
\end{array}<br />
\right.<br />
\]

mającemu dwa rozwiązania: $ x = a $, $ y = b $ i $ x = - b $, $ y = -a $.

II. $ a - b = 0 $. Pierwsze z równań (3) jest tożsamością $ 0 = 0 $ i układ równań (3) redukuje się do jednego równania

\[<br />
x - y = 0,<br />
\]

majajpego rozwiązanie $ x = m $, $ y = m $, gdzie $ m $ jest dowolną liczbą.

Uwaga. W dziedzinie liczb zespolonych równanie $ (x - y)^3 = (a - b)^3 $ jest równoważne alternatywie trzech równań: $ x - y = a - b $, lub $ x - y = (a - b)\varepsilon $ lub $ x - y = (a - b) \varepsilon^2 $, gdzie

\[<br />
\varepsilon = \frac{- 1 + i\sqrt{3}}{2},<br />
\]

wobec czego układ równań (1) jest równoważny alternatywie trzech układów równań, z których jednym jest układ (2), a dwa inne powstają z układu (2) przez zastąpienie drugiego równania równaniem $ x - y =  (a - b)\varepsilon $ lub równaniem $ x - y = (a - b)\varepsilon^2 $. Rozwiązanie każdego z tych układów przebiega analogicznie do rozwiązania układu (2). Wynik jest następujący:

I. Gdy $ a - b \ne 0 $, dany układ ma w dziedzinie liczb zespolonych $ 6 $ rozwiązań $ (x, y) $, mianowicie:

\[<br />
(a, b),\ (a\varepsilon, b\varepsilon),\ (a\varepsilon^2, b\varepsilon^2),<br />
\]
\[<br />
(-b, -a),\ (-b\varepsilon, -a\varepsilon),\ (-b\varepsilon^2, -a\varepsilon^2).<br />
\]

II. Gdy $ a = b $, rozwiązaniem danego układu równań jest każda para liczb $ x = m $, $ y = m $, gdzie $ m $ jest dowolną liczbą zespoloną.

III OM - III - Zadanie 2

Zawody matematyczne: 
III OM, 1951-1952
Etap: 
III

Na bokach $ BC $, $ CA $, $ AB $ trójkąta $ ABC $ obrano odpowiednio punkty $ M $, $ N $, $ P $ w taki sposób, że

\[<br />
(1) \qquad<br />
\frac{BM}{MC} = \frac{CN}{NA} = \frac{AP}{PB} = k,<br />
\]

gdzie $ k $ oznacza liczbę daną większą od $ 1 $; następnie poprowadzono odcinki $ AM $, $ BN $, $ CP $. Mając dane pole $ S $ trójkąta $ ABC $ obliczyć pole trójkąta ograniczonego prostymi $ AM $, $ BN $ i $ CP $.

Rozwiązanie

Oznaczmy punkty przecięcia prostych $ AM $, $ BN $ i $ CP $ literami $ X $, $ Y $, $ Z $, jak wskazuje rys. 36.

Ponieważ pola trójkątów o równych wysokościach mają się jak podstawy tych trójkątów, więc

\[<br />
\textrm{pole }ABM = \frac{BM}{BC} \cdot S,\<br />
\textrm{pole }ABX = \frac{AX}{AM} \cdot \textrm{pole }ABM,<br />
\]

zatem

\[<br />
(2) \qquad \textrm{pole } ABX = \frac{BM}{BC} \cdot \frac{AX}{AM} \cdot S.<br />
\]

Stosunki $ \frac{BM}{BC} $ i $ \frac{AX}{AM} $ obliczamy na podstawie równości (1):

\[<br />
\frac{BC}{BM} = \frac{BM + MC}{BM} = 1 + \frac{1}{k} = \frac{k+1}{k},<br />
\]

więc

\[<br />
(3) \qquad \frac{BM}{BC} = \frac{k}{k+1}.<br />
\]

Wartość stosunku $ \frac{AX}{AM} $ możemy uzyskać opierając się na wyniku zadania nr 23, trzeba tylko występującą tam literę $ P $ zastąpić literą $ X $ (por. rysunki 17 i 36); otrzymujemy równość

\[<br />
\frac{AX}{XM} = n \left( 1 + \frac{1}{m} \right),<br />
\]

gdzie

\[<br />
n = \frac{AN}{NC} = \frac{1}{k},\ m = \frac{BM}{MC} = k,<br />
\]

wobec czego

\[<br />
\frac{AX}{XM} = \frac{1}{k} \left( 1 + \frac{1}{k} \right) =<br />
\frac{k+1}{k^2}<br />
\]

oraz

\[<br />
(4) \qquad \frac{AX}{AM} = \frac{AX}{AX + XM} = \frac{k+1}{k^2 + k +1}.<br />
\]

Podstawiając wartości stosunków $ \frac{BM}{BC} $ i $ \frac{AX}{AM} $ ze wzorów (3) i (4) do wzoru (2) otrzymujemy wzór

\[<br />
\textrm{pole }ABX = \frac{k}{k^2+k+1} S.<br />
\]

Wartość pola trójkąta $ BCY $ uzyskamy, gdy w powyższym obliczeniu pola trójkąta $ ABX $ zamienimy litery $ A $, $ B $, $ C $ odpowiednio na $ B $, $ C $, $ A $, litery $ M $ i $ N $ na $ N $ i $ P $, a literę $ X $ na $ Y $; analogicznie obliczymy pole trójkąta $ CAZ $. Wyniki obliczeń będą oczywiście te same, zatem

\[<br />
\textrm{pole }BCY = \textrm{pole }CAZ = \textrm{pole }ABX =<br />
\frac{k}{k^2+k+1} S.<br />
\]

Ponieważ

\[<br />
\textrm{pole }XYZ = S - (\textrm{pole }ABX + \textrm{pole }BCY + \textrm{pole }CAZ),<br />
\]

więc

\[<br />
\textrm{pole }XYZ = S - \frac{3k}{k^2+k+1}S<br />
\]

i ostatecznie

\[<br />
(5) \qquad \textrm{pole }XYZ = \frac{(k-1)^2}{k^2+k+1}S.<br />
\]

Uwaga 1. W rozumowaniu powyższym wzór (4) można by również uzyskać stosując do trójkąta $ ACM $ przeciętego prostą $ BN $ twierdzenie Menelausa (patrz zadanie nr 23), co daje równość

\[<br />
\frac{AN}{NC} \cdot \frac{CB}{BM} \cdot \frac{MX}{XA} = -1.<br />
\]

Nadając tej równości postać

\[<br />
\frac{AN}{NC} \cdot \frac{CM + MB}{BM} \cdot \frac{MX}{XA} = -1,<br />
\textrm{ czyli }<br />
\frac{NA}{CN} \cdot \frac{MC + BM}{BM} \cdot \frac{MX}{XA} = 1,<br />
\]

i podstawiając w ostatnim równaniu wartości stosunków

\[<br />
\frac{NA}{CN} = \frac{MC}{BM} = \frac{1}{k}<br />
\]

otrzymujemy równość

\[<br />
\frac{1}{k} \left( \frac{1}{k} + 1 \right) \frac{MX}{XA} = 1<br />
\]

i wreszcie

\[<br />
\frac{AX}{XM} = \frac{k+1}{k^2},<br />
\]

skąd wynika, jak poprzednio, wzór (4).

Uwaga 2. Warunek, że $ k > 1 $, można zastąpić warunkiem słabszym $ k > 0 $ i $ k \ne 1 $. Rozumowanie i wynik (5) pozostają te same. Zauważmy, że gdy $ k = 0 $, punkty $ M $, $ N $, $ P $ pokrywają się odpowiednio z punktami $ B $, $ C $, $ A $, a trójkąt $ XYZ $ pokrywa się z trójkątem $ BCA $. Gdy $ k = 1 $, trójkąt $ XYZ $ redukuje się do jednego punktu - środka ciężkości trójkąta $ ABC $. W obu tych przypadkach wzór (5) daje prawidłowe wartości pola: $ S $ i $ O $.

III OM - III - Zadanie 3

Zawody matematyczne: 
III OM, 1951-1952
Etap: 
III

Zbudować czworokąt $ ABCD $ mając dane długości boków $ AB $ i $ CD $ oraz kąty czworokąta.

Rozwiązanie

Oznaczmy długości danych boków czworokąta: $ AB = a $, $ CD = c $. Weźmy pod uwagę sumy kolejnych kątów czworokąta:

\[<br />
A + B,\   B+C, \  C + D,\   A + D<br />
\]

i z tych sum utwórzmy pary

\[<br />
(A + B, C + D) \textrm{ i } (A + D,B + C).<br />
\]

Na każdej z tych par któraś z sum nie przekracza $ 180^\circ $, gdyż suma wszystkich czterech kątów $ A + B + C + D $ wynosi $ 360^\circ $.

Wystarczy rozpatrzyć przypadek, gdy $ A + B \leq 180^\circ $ i $ A + D \leq 180^\circ $; rozumowanie, które przeprowadzimy, można zastosować w każdym innym przypadku, zmieniając w odpowiedni sposób oznaczenia literowe.

Dogodnie będzie rozróżnić dwie możliwości:

I. $ A + B < 180^\circ $. Niech $ ABCD $ będzie czworokątem poszukiwanym. Czworokąt ten jest wypukły (rys. 37) lub wklęsły (rys. 38) zależnie od tego czy $ C < 180^\circ $, czy też $ C>180^\circ $.

Poprowadźmy przez wierzchołek $ B $ prostą równoległą do prostej $ CD $, a przez wierzchołek $ D $ prostą równoległą do prostej $ BC $; utworzy się równoległobok $ BCDM $.

W przypadku, gdy $ A + D = 180^\circ $, tj. gdy czworokąt $ ABCD $ jest trapezem (rys. 39), punkt $ M $ leży na boku $ AB $, $ MB = c $.

W tym szczególnym przypadku konstrukcja czworokąta jest łatwa.

Kreślimy odcinek $ AB = a $. Budujemy $ \measuredangle BAD = A $ i $ \measuredangle ABC = B $ po tej samej stronie prostej $ AB $. Następnie odmierzamy $ BM = c $. Przez punkt $ M $ prowadzimy prostą równoległą do prostej $ BC $ do przecięcia z półprostą $ AD $ w punkcie $ D $. Przez punkt $ D $ prowadzimy prostą $ DC $ aż do przecięcia z prostą $ BC $ w punkcie $ C $. Łatwo sprawdzić, że czworokąt $ ABCD $ spełnia warunki zadania. Rozwiązanie istnieje, jeżeli punkt $ M $ leży wewnątrz odcinka $ AB $, tzn. jeżeli $ c < a $.

W przypadku, gdy $ A + B < 180^\circ $ i $ A + D < 180^\circ $, czyli $ C + D > 180^\circ $, i $ C + B > 180^\circ $, punkt $ M $ leży wewnątrz kąta $ BAD $.

Istotnie, gdy czworokąt $ ABCD $ jest wypukły (rys. 37), półprosta $ DM $ leży wewnątrz kąta $ ADC $, gdyż $ \measuredangle MDC = 180^\circ - C < D $; zatem półprosta $ DM $ przecina prostą $ AB $ w punkcie $ P $ leżącym wewnątrz odcinka $ AB $. Półprosta $ BM $ leży wewnątrz kąta $ ABC $, gdyż $ \measuredangle CBM = 180^\circ - C < B $, zatem półprosta $ BM $ przecina prostą $ AD $ w punkcie $ N $ leżącym wewnątrz odcinka $ AD $. Odcinki $ DP $ i $ BN $ przecinają się w punkcie $ M $ leżącym wewnątrz kąta $ BAD $.

Jeśli zaś czworokąt $ ABCD $ jest wklęsły (rys. 38), to półprosta $ DM $ przecina prostą $ AB $ w punkcie $ P $ leżącym na przedłużeniu boku $ AB $ poza punkt $ B $; podobnie półprosta $ BM $ przecina prostą $ AD $ w punkcie $ N $ leżącym na przedłużeniu odcinka $ AD $ poza punkt $ D $. Odcinki $ DP $ i $ BN $ przecinają się w punkcie $ M $ leżącym wewnątrz kąta $ BAD $.

Obliczmy kąt $ ABM $. W przypadku wielokąta wypukłego

\[<br />
\measuredangle ABM= B - \measuredangle MBC = B - (180^\circ - C) = B + C - 180^\circ.<br />
\]

W przypadku wielokąta wklęsłego

\[<br />
\measuredangle ABM = B + \measuredangle    CBM = B + 180^\circ - (360^\circ - C) = B + C- 180^\circ.<br />
\]

W obu przypadkach, w trójkącie $ ABM $ znamy boki $ AB = a $ i $ BM = c $ oraz kąt między nimi zawarty; trójkąt $ ABC $ można więc zbudować, a tym samym znaleźć punkt $ M $.

Konstrukcja jest następująca: kreślimy odcinek $ AB = a $ i przy półprostych $ AB $ i $ BA $ wykreślamy odpowiednio kąty $ A $ i $ B $; następnie budujemy trójkąt $ ABM $ i przez punkt $ M $ prowadzimy równoległą do zbudowanego ramienia kąta $ B $. Jeśli ta równoległa przetnie zbudowane ramię kąta $ A $ w punkcie $ D $, to wierzchołek $ C $ czworokąta znajdujemy w przecięciu ramienia kąta $ B $ z prostą poprowadzoną przez punkt $ D $ równolegle do prostej $ BM $. Z konstrukcji jest widoczne, że czworokąt $ ABCD $ spełnia warunki zadania.

Rozwiązanie istnieje, jeśli punkt $ M $ wypadnie wewnątrz kąta $ BAD $, gdyż tylko wtedy istnieje punkt $ D $. Warunek ten łatwo ująć w formie zależności między danymi zadania. Mianowicie półprosta $ BM $ na pewno przecina się ze zbudowanym ramieniem kąta $ A $, tworząc trójkąt $ ABN $, gdyż suma kątów zbudowanych przy $ A $ i $ B $ jest mniejsza od kąta półprostego:

\[<br />
A + \measuredangle   ABM = A + (B + C- 180^\circ) = 180^\circ - D< 180^\circ.<br />
\]

Punkt $ M $ leży wewnątrz kąta $ BAD $, gdy $ BM < BN $. Otóż

\[<br />
BN = c,\<br />
BN = AB \cdot \frac{\sin NAB}{\sin ANB} = a \cdot \frac{\sin A}{\sin D},<br />
\]

warunek rozwiązalności zadania brzmi zatem

\[<br />
c < \frac{a \sin A}{\sin D},<br />
\]

czyli

\[<br />
(1) \qquad a \sin A > c \sin D.<br />
\]

Zauważmy, że jeśli $ A + D = 180^\circ $, to $ \sin A = \sin D $ i nierówność (1) daje znaleziony poprzednio dla tego przypadku warunek $ a > c $. Możemy więc sformułować wynik całego rozumowania jak następuje:

Jeżeli $ A + B < 180^\circ $, zadanie ma rozwiązanie pod warunkiem, że spełniona jest nierówność (1); rozwiązanie jest tylko jedno.

II. $ A + B = 180^\circ $. W tym przypadku poszukiwany czworokąt jest trapezem o podstawach $ AD $ i $ BC $, przy czym $ AD \geq BC $ (ponieważ założyliśmy na wstępie, że $ A + D < 180^\circ $).

Jeśli $ A + D = 180^\circ $, czworokąt jest równoległobokiem, więc $ AB = CD $ (rys. 40). Zadanie można w takim przypadku rozwiązać tylko wtedy, gdy dane boki spełniają warunek $ a = c $; rozwiązań jest wówczas nieskończenie wiele.

Jeśli $ A + D < 180^\circ $, prowadzimy równoległą $ BM $ do boku $ CD $ (rys. 41). W trójkącie $ ABM $ mamy $ AB = a $, $ BM = c $, $ \measuredangle AMB = D $, $ \measuredangle BAM = A $. Dane boki i kąty muszą więc spełniać związek (twierdzenie sinusów)

\[<br />
\frac{a}{\sin D} = \frac{c}{\sin A},<br />
\]

czyli

\[<br />
(2) \qquad a \sin A = c \sin D.<br />
\]

Jeśli ten warunek jest spełniony, zadanie ma nieskończenie wiele rozwiązań, które otrzymujemy budując trójkąt $ ABM $ i przesuwając następnie odcinek $ BM $ w kierunku $ AM $.

Zauważmy, że jeśli $ A + D = 180^\circ $, to równość (2) daje znaleziony przedtem dla tego przypadku warunek $ a = c $. Możemy więc powiedzieć:

Jeżeli $ A + B = 180^\circ $, zadanie ma rozwiązania, o ile spełniona jest równość (2); rozwiązań jest wówczas nieskończenie wiele.

III OM - III - Zadanie 4

Zawody matematyczne: 
III OM, 1951-1952
Etap: 
III

Dowieść, że jeżeli kąty $ A $, $ B $, $ C $ trójkąta spełniają równanie

\[<br />
(1) \qquad \cos 3A + \cos 3B + \cos 3C = 1,<br />
\]

to jeden z tych kątów równa się $ 120^\circ $.

Rozwiązanie

Dowód twierdzenia uzyskamy przekształcając równość (1). Aby przekształcenie wykonać w sposób właściwy, należy się zastanowić, do czego ma ono zmierzać.

Wystarczy dowieść, że jedna z liczb $ \sin \frac{3}{2} A $, $ \sin \frac{3}{2} B $, $ \sin \frac{3}{2} C $ równa się zeru, gdyż wtedy jeden z kątów $ \frac{3}{2} A $, $ \frac{3}{2} B $, $ \frac{3}{2} C $ równa się $ 180^\circ $.

Chodzi więc o to, by z równości (1) wywnioskować równość

\[<br />
(5) \qquad \sin \frac{3}{2} A \sin \frac{3}{2} B \sin \frac{3}{2} C = 0.<br />
\]

W tym celu przekształcamy równość (3) jak następuje:

\[<br />
1 - \cos 3A - (\cos 3B + \cos 3C) = 0,<br />
\]
\[<br />
2 \sin^2 \frac{3}{2} A - 2 \cos \frac{3}{2} (B + C) \cos \frac{3}{2} (B - C) = 0,<br />
\]
\[<br />
2 \sin^2 \frac{3}{2} A + 2 \sin \frac{3}{2} A \cos \frac{3}{2} (B - C) = 0,<br />
\]
\[<br />
2 \sin \frac{3}{2} A \left[ \sin \frac{3}{2} A + \cos \frac{3}{2} (B - C) \right] = 0,<br />
\]
\[<br />
2 \sin \frac{3}{2} A \left[ - \cos \frac{3}{2}(B + C) + \cos \frac{3}{2} (B - C) \right] = 0,<br />
\]
\[<br />
4 \sin \frac{3}{2} A \sin \frac{3}{2} B \sin \frac{3}{2} C = 0,<br />
\]

skąd $ A = 120^\circ $ lub $ B = 120^\circ $ lub $ C = 120^\circ $.

III OM - III - Zadanie 5

Zawody matematyczne: 
III OM, 1951-1952
Etap: 
III

Dowieść, że żadna z cyfr $ 2 $, $ 4 $, $ 7 $, $ 9 $ nie może być ostatnią cyfrą liczby

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

gdzie $ n $ jest liczbą naturalną.

Rozwiązanie

Jeśli ostatnią cyfrą danej liczby jest $ x $, to

\[<br />
\frac{n(n + 1)}{2} = 10k + x (k = \textrm{ liczba naturalna}),<br />
\]

więc

\[<br />
n^2 + n - (20k + 2x) = 0.<br />
\]

Ponieważ $ n $ jest liczbą całkowitą więc wyróżnik powyższego równania, tj. liczba

\[<br />
\Delta = 80k + 8x + 1,<br />
\]

jest kwadratem liczby całkowitej. Ostatnia cyfra tego wyróżnika jest to ostatnia cyfra liczby $ 8x + 1 $. Gdy $ x $ równa się $ 2 $, $ 4 $, $ 7 $, $ 9 $, wówczas $ 8x + 1 $ kończy się odpowiednio cyfrą $ 7 $, $ 3 $, $ 7 $, $ 3 $.

Otóż kwadrat liczby całkowitej kończącej się cyfrą $ c $ ma postać $ (10a + c)^2 = 100a^2 + 20ac + c^2 $, ma więc tę samą ostatnią cyfrę, co $ c^2 $. A ponieważ kwadraty liczb od $ 0 $ do $ 9 $ nie kończą się ani cyfrą $ 7 $, ani cyfrą $ 3 $, więc $ x $ nie może być żadną z cyfr $ 2 $, $ 4 $, $ 7 $, $ 9 $.

III OM - III - Zadanie 6

Zawody matematyczne: 
III OM, 1951-1952
Etap: 
III

W okrągłej wieży o wewnętrznej średnicy $ 2 $ m znajdują się schody kręcone o wysokości $ 6 $ m. Wysokość każdego stopnia schodów wynosi $ 0,15 $ m. W rzucie poziomym stopnie tworzą przylegające do siebie wycinki kołowe o kącie $ 18^\circ $. Węższe końce stopni umocowane są w okrągłym filarze o średnicy $ 0,64 $ m, którego oś pokrywa się z osią wieży. Obliczyć największą długość pręta prostoliniowego, który można przenieść tymi schodami z dołu do góry (nie brać pod uwagę grubości pręta ani grubości płyt, z których zrobione są schody).

Rozwiązanie

Na jedno okrążenie wieży przypada $ \frac{360}{18} = 20 $ schodów o łącznej wysokości $ 20 \cdot 0,15 \textrm{m} = 3 \textrm{m} $. Stopień z numerem $ 20 + k $ leży więc dokładnie nad stopniem z numerem $ k $ w odległości $ 3 m $. Rzut prostokątny klatki schodowej na rzutnię poziomą tworzy pierścień kołowy o promieniach $ 1 \textrm{m} $ i $ 0,32 \textrm{m} $ podzielony na $ 20 $ wycinków (rys. 43).

Pręt umieszczony w wieży znajduje się w przekroju klatki schodowej płaszczyzną pionową $ \alpha $, w której ten pręt leży. Niech śladem płaszczyzny $ \alpha $ na rzutni poziomej będzie prosta $ PQ $. Kształt owego przekroju płaszczyzną pionową znajdziemy wykonując kład płaszczyzny $ \alpha $ na rzutnię poziomą, tj. odmierzając na prostopadłych wystawionych w punktach cięciwy $ PQ $ odcinki równe wysokościom odpowiednich punktów przekroju, jak wskazuje rys. 43. Łamana $ L_2 $ powstaje przez przesunięcie łamanej $ L_1 $ prostopadle do prostej $ AB $ o $ 3 $ m. W takim przekroju można umieścić pręt o długości wynoszącej co najwyżej

\[<br />
AC = \sqrt{ AB^2 + BC^2}.<br />
\]

Biorąc pod uwagę płaszczyzny pionowe równoległe do płaszczyzny $ \alpha $, stwierdzamy, że największą wartość długości $ AC $ uzyskamy, gdy ślad płaszczyzny będzie styczny do wewnętrznego okręgu pierścienia, gdyż wówczas osiągniemy największe długości odcinków $ AB $ i $ BC $.

Należy więc obliczyć największą długość pręta, jaki można przenieść schodami w ten sposób, że pręt podczas ruchu pozostaje styczny do filaru.

Przekrój klatki schodowej płaszczyzną styczną do filaru wykreślamy podobnie, jak przekrój na rys. 43, z tą jednak różnicą, że prosta $ AB $ jest styczna do mniejszego okręgu (s. 44).

Długość cięciwy $ AB $ obliczamy ze wzoru $ AB^2 = 4 (OA^2 - OM^2) = 4 - (0,64)^2 $, a kąt środkowy $ AOB $ ze wzoru $ \cos \frac{AOB}{2} = \frac{OM}{OA} = 0,32 $, skąd $ \measuredangle AOB = 142^\circ 40' $. W kącie $ AOB $ mieści cię w przybliżeniu $ 7\frac{8}{9} $ wycinka odpowiadającego stopniom schodów.

Przekrój wykreślony na rys. 44 liniami ciągłymi przechodzi przez koniec $ A $ krawędzi jednego ze stopni, wobec czego w dolnej części przekroju jest $ 7 $ punktów przecięcia płaszczyzny przekroju pionowego z krawędziami stopni; są to punkty $ 1,2, \ldots, 7 $, należące do krawędzi o rzutach $ OA_1, OA_2, \ldots, OA_7 $. W górnej części przekroju mamy analogiczne punkty $ 1', 2', \ldots, 7' $. Obliczamy $ BD = 7 \cdot 0,15 \textrm{m} = 1,05 \textrm{m} $, $ BC = BD + DC = 1,05 \textrm{m} + 3 \textrm{m} = 4,05 \textrm{m} $.

W takim przekroju można umieścić pręt o długości wynoszącej co najwyżej

\[<br />
AC = \sqrt{AB^2 + BC^2} \approx 4,47 \textrm{m}.<br />
\]

Niech płaszczyzna przekroju pionowego obraca się dokoła osi wieży. Wówczas przekrój będzie się zmieniał, przy czym wszelkie możliwe kształty przekroju wystąpią już przy obrocie od $ 0^\circ $ do $ 18^\circ $; przy dalszym obrocie powtarzają się co $ 18^\circ $ jednakowe przekroje przesunięte za każdym razem do góry o $ 0,15 \textrm{m} $.

Dla przedstawienia rysunkowego dogodnie jest przyjąć, że płaszczyzna $ ABC $ przekroju jest nieruchoma, a obraca się wieża, np. w kierunku zaznaczonym na rysunku 44 strzałką. Przy obrocie od $ 0^\circ $ do $ 18^\circ $ punkt $ A_1 $ przebiega wówczas łuk $ A_1A $, a punkt $ A_8 $ przebiega łuk $ A_8A_7 $ Rozważmy kolejne stadia tego obrotu.

1° Gdy punkt $ A_8 $ zakreśla łuk $ A_8B $, pręt umieszczony początkowo w położeniu $ AC $ może pozostawać w tym położeniu, tzn. mieć obliczoną wyżej największą długość $ 4,47 $ m. Zauważmy, że umieszczeniu pręta wzdłuż odcinka $ AC $ nie przeszkadza podczas rozważanego obrotu żadna krawędź stopni; na wykonanym dokładnie rysunku jest widoczne, że punkty $ 1,2, \ldots, 7 $ leżą stale po jednej stronie, a punkty $ 1', 2',\ldots, 7' $ po drugiej stronie prostej $ AC $. Fakt ten można by sprawdzić rachunkowo, wykazując, że kąty $ BA1, BA2, \ldots, BA7 $ pozostają mniejsze od kąta $ BAC $, a kąty $ BC1', BC2' , \ldots, BC7' $ są większe od kąta $ BCA $.

2° Gdy punkt $ A_8 $ przekroczy przy obrocie punkt $ B $ i przebiegać będzie łuk $ BA7 $, sytuacja ulegnie zmianie; płaszczyzna $ ABC $ przetnie oprócz poprzednich krawędzi stopni jeszcze te krawędzie, których rzutem jest promień $ OA_8 $. W górnej części przekroju powstanie z lewej strony ósma wnęka i pręt można będzie przesuwać w płaszczyźnie $ ABC $ stopniowo do góry od położenia $ AC $ aż do położenia $ A'C' $, tj. podnieść go o wysokość jednego stopnia, czyli o $ 0,15 $ m. Na rys. 44 odpowiedni kształt przekroju został zaznaczony kreskami.

3° Gdy punkt $ A_8 $ znajdzie się w położeniu $ A_7 $, otrzymamy przekrój tego samego kształtu, co przekrój początkowy, lecz podniesiony o $ 0,15 $ m; pręt zachowa nadal położenie $ A'C' $, w którym pozostanie aż do chwili, gdy punkt $ A_9 $ znajdzie się w punkcie $ B $, po czym znowu można będzie przesuwać pręt ku górze itd.

Z powyższego wynika, że pręt o długości $ 4,47 $ m można przenieść schodami do góry; dłuższego pręta przenieść nie można, gdyż nie zmieściłby się w niektórych przekrojach, np. w przekroju początkowym.

Gdyby natomiast chodziło tylko o umieszczenie pręta w wieży bez przenoszenia, mógłby on mieć największą długość

\[<br />
AC' = \sqrt{AB^2 + BC'^2} =\sqrt{4 - (0,64)^2 + (3 + 0,15 \cdot 8)^2} \approx 4.6 \textrm{m}.<br />
\]
© 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/1726