I etap LVII Olimpiady Matematycznej
| Załącznik | Wielkość |
|---|---|
| LVII OM I etap - Zadania [1] | 108.63 KB |
| LVII OM I etap - Zadania z rozwiązaniami [2] | 176.67 KB |
Wyznaczyć wszystkie nieujemne liczby całkowite
, dla których liczba
jest kwadratem liczby całkowitej.
Jeśli
jest liczbą nieparzystą, to liczba
daje z dzielenia przez 3 resztę 2. Ponieważ liczba będąca kwadratem liczby całkowitej nie może dawać reszty 2 z dzielenia przez 3, więc liczba
spełniająca warunki zadania musi być parzysta.
Przyjmijmy więc, że
dla pewnej liczby całkowitej nieujemnej
. Chcemy rozwiązać równanie
w liczbach całkowitych nieujemnych
i
. Równanie to przepisujemy w postaci
.
Z uzyskanej równości wynika, że
. Oczywiście również spełniona jest nierówność
. Ponieważ
, więc wyznaczenie liczb całkowitych nieujemnych m i k spełniających zależność
sprowadza się do rozwiązania czterech układów równań:
![]() |
Odejmując stronami pierwsze równanie od drugiego dochodzimy do wniosku, że liczba
równa się 8, 16, 32 lub 104. Stąd uzyskujemy trzy możliwe wartości
; są nimi: 2, 3 lub 4. Tym samym możliwe wartości liczby n wynoszą 4, 6 lub 8.
Bezpośrednio sprawdzamy, że dla uzyskanych trzech wartości
liczba
jest kwadratem liczby całkowitej:
![]() |
Rozwiązać w liczbach rzeczywistych nieujemnych
równanie
![]() |
Uwaga:
oznacza największą liczbę całkowitą nie większą od
.
Niech
będzie liczbą spełniającą dane równanie. Wtedy liczba
jest całkowita. Ponadto
, gdyż
. Podstawiając więc
do rozpatrywanego równania otrzymujemy
![]() |
Zależność ta oznacza, że
![]() |
Pierwsza z tych nierówności jest prawdziwa dla dowolnej liczby nieujemnej y. Druga natomiast jest równoważna nierówności
![]() |
Ponieważ liczba
należy do przedziału
, więc spośród liczb całkowitych nieujemnych tylko liczby 0, 1, 2, 3, 4 spełniają zależność (1). Tym samym niewiadoma
przyjmuje jedną z pięciu wartości: 0, 1,
,
lub
.
Bezpośrednie sprawdzenie pokazuje, że każda z tych pięciu liczb spełnia wyjściowe równanie.
Trójkąt ostrokątny
jest wpisany w okrąg o środku
. Punkt
jest rzutem prostokątnym punktu
na prostą
, a punkty
i
są rzutami prostokątnymi punktu
odpowiednio na proste
i
. Wykazać, że pole czworokąta
jest równe połowie pola trójkąta
.
Niech
będzie punktem symetrycznym do punktu
względem punktu
(rys. 1). Ponieważ trójkąt
jest ostrokątny,
więc punkty
,
,
i
leżą na okręgu o środku
w tej własnie kolejności.
Pola trójkątów
i
są równe, gdyż trójkąty te mają wspólną wysokość opuszczoną z wierzchołka
, a odcinki
i
są równej długości. Analogicznie, pola trójkątów
i
są równe. Stąd otrzymujemy
, gdzie symbolem
oznaczyliśmy pole figury
.
Aby dokończyc rozwiązanie należy dowieść, ze
.
Odcinek
jest średnicą okręgu opisanego na trójkącie
, więc proste
i
są prostopadłe. Prosta
jest
prostopadła do prostej
, więc równoległa do prostej
. Stąd wynika, że pola trójkątów
i
są równe. Podobnie,
pola trójkątów
i
są równe. Zatem
![]() |
co kończy rozwiązanie zadania.
Uczestnicy zawodów matematycznych rozwiązywali sześć zadań, każde oceniane jedną z ocen 6, 5, 2, 0. Okazało się, że
dla każdej pary uczestników
można wskazać takie dwa zadania, że w każdym z nich
uzyskał inną ocenę niż
.
Wyznaczyć największą liczbę uczestników, dla której taka sytuacja jest możliwa.
Wykażemy, że największą liczbą uczestników, dla której taka sytuacja jest możliwa, jest 1024. W dalszym ciągu przyjmiemy, że dopuszczalnymi ocenami są liczby 0, 1, 2, 3 (zamiast 5 punktów stawiamy 4, a następnie każdą ocenę dzielimy przez 2).
Niech
i rozważmy zbiór
![]() |
Zbiór
ma oczywiście 4096 elementów. Będziemy rozważać podzbiory
zbioru
o następującej własności (*):
(*) jeśli
,
to istnieją i,j takie, że
![]() |
Wystarczy pokazać, że największa liczba elementów zbioru
o własności (*) wynosi 1024.
Najpierw pokazujemy, że jeśli zbiór
ma własność (*), to ma co najwyżej 1024 elementy. Załóżmy zatem, że mamy dany podzbiór
zbioru
mający własność (*) i przypuśćmy, że ma on co najmjniej 1025 elementów. Ponieważ istnieją dokładnie 1024 ciągi
długości 5 o wyrazach ze zbioru czteroelementowego
, więc z zasady szufladkowej Dirichleta wynika, że w zbiorze
istnieją
co najmniej dwa ciągi, mające te same wyrazy od pierwszego do piątego. Te ciągi różnią się więc tylko jednym wyrazem – szóstym,
co jest sprzeczne z własnością (*). Zatem zbiór
ma co najwyżej 1024 elementy.
Teraz pokazujemy, że istnieje zbiór A mający co najmniej 1024 elementy i mający własność (*). Wystarczy mianowicie wziąć następujący zbiór:
![]() |
Najpierw pokazujemy, że zbiór
ma co najmniej 1024 elementy. Weźmy dowolne liczby
. Takiego
wyboru możemy dokonać na 1024 sposoby. Niech
będzie resztą z dzielenia przez 4 sumy
i przyjmijmy
. Wtedy oczywiście
, a więc wskazaliśmy w zbiorze
co najmniej 1024 różne ciągi.
Wreszcie pokazujemy, że zbiór
ma własność (*). Przypuśćmy, że
![]() |
oraz ciągi
i
różnią się tylko jednym wyrazem, np. wyrazem o indeksie
, gdzie 
oraz
dla
. Ponieważ liczby
i
są podzielne przez 4, więc ich
różnica też jest podzielna przez 4. Ale
![]() |
Zatem liczba
jest podzielna przez 4. Ponieważ
, więc
![]() |
W zbiorze
jest tylko jedna liczba podzielna przez 4, mianowicie 0. Zatem
, wbrew założeniu,
że ciągi
oraz
różnią się wyrazem o indeksie
. Ta sprzeczność dowodzi, że zbiór
ma własność (*), co kończy dowód.
Niech
będą liczbami rzeczywistymi. Rozważamy funkcje
oraz
.
Wykazać, że jeśli
dla każdej liczby rzeczywistej
, to również
dla każdej liczby rzeczywistej
.
Zauważmy, że dla dowolnej liczby rzeczywistej
mamy
![]() |
Zatem dla każdej liczby rzeczywistej
otrzymujemy
![]() |
co należało udowodnić.
W trójkącie ostrokątnym
wysokości przecinają się w punkcie
. Prosta przechodząca przez
przecina odcinki
i 
odpowiednio w punktach
i
. Prosta przechodząca przez
i prostopadła do prostej
przecina prostą
w punkcie
.
Dowieść, że
![]() |
Niech
będzie punktem przecięcia prostej
z prostą przechodzącą przez punkt
i równoległą do prostej
(rys. 2). Oznaczmy przez
rzut prostokątny punktu
na prostą
, zaś przez
punkt przecięcia prostych
prostopadłych
i
.

Odcinki
i
są wysokościami w trójkącie
, a zatem prosta
zawiera trzecią wysokość tego trójkąta.
Zatem prosta
jest prostopadła do prostej
, czyli równoległa do prostej
. Stąd
![]() |
Dana jest liczba pierwsza
oraz takie liczby całkowite dodatnie
, że
oraz liczba
jest podzielna przez
. Udowodnić, że co najmniej jedna z liczb
jest równa 1.
Zauważmy, że
![]() |
Zgodnie z warunkami zadania liczby
oraz
dają z dzielenia przez
resztę 1, a więc na mocy powyższej tożsamości liczba
![]() |
jest podzielna przez
. Skoro
jest liczbą pierwszą różną od 3, to któryś z czynników
,
lub
jest podzielny przez
. Przyjmijmy, bez straty ogólności, że
.
Liczby
są całkowite dodatnie, więc
. Stąd wynika, że
, czyli
.
Czworościan
jest opisany na kuli o środku
i promieniu 1, przy czym
. Wykazać, że
.
Udowodnimy najpierw następujący lemat.
Lemat
Trójkąt
jest zawarty w kole o promieniu
. Okrąg o promieniu
jest wpisany w trójkąt
. Wówczas
.
Dowód
Niech
będą odpowiednio środkami boków
(rys. 3). Oznaczmy ponadto przez
punkt przecięcia środkowych
,
i
. Rozpatrzmy dalej jednokładność o środku
i skali
. Jednokładność ta przeprowadza punkty
,
i 
odpowiednio na punkty
,
i
, natomiast okrąg o promieniu
zawierający trójkąt
na okrąg
o promieniu 
zawierający trójkąt
.


Poprowadźmy styczną
do okręgu
, która jest równoległa do boku
i która leży po przeciwnej stronie prostej
niż punkt
. Taka prosta istnieje, gdyż okrąg
przecina prostą
. Analogicznie konstruujemy styczne
i
równoległe odpowiednio do prostych
i
. Proste
,
,
wyznaczają boki trójkąta
podobnego do trójkąta
(rys. 4). Ponadto okrąg
jest wpisany w trójkąt
. Ponieważ trójkąt
jest zawarty w trójkącie
, więc promień okręgu wpisanego w trójkąt
nie przekracza promienia okręgu wpisanego
w trójkąt
. Stąd
, czyli
. To kończy dowód lematu.
Przystępujemy do rozwiązania zadania.
Rozpatrzmy płaszczyznę
przechodzącą przez punkt
i równoległą do płaszczyzny
. Płaszczyzna
przecina krawędzie
,
,
odpowiednio w punktach
,
,
i jej przekrój ze sferą wpisaną w czworościan
jest okręgiem
o promieniu 1, zawartym w trójkącie
. Jednokładność o środku
, która przeprowadza trójkąt
na trójkąt
odwzorowuje okrąg
na okrąg o promieniu większym niż 1 i zawartym w trójkącie
. Stąd wniosek, że promień okręgu wpisanego w trójkąt
jest większy od 1.
Niech
będzie punktem styczności sfery wpisanej w czworościan
ze ścianą
i przypuśćmy, że
. Wtedy również
oraz
. Ponadto
![]() |
i analogicznie
oraz
. Zatem trójkąt
leży wewnątrz okręgu o środku
i promieniu 2, co oznacza (na mocy lematu), że promień okręgu wpisanego w trójkąt
jest mniejszy lub równy 1. Otrzymaliśmy sprzeczność, gdyż jak udowodniliśmy wyżej promień ten jest większy od 1. Sprzeczność ta dowodzi, że
.
Dane są nieujemne liczby całkowite
. Niech
![]() |
Wyznaczyć liczbę nieparzystych współczynników wielomianu
![]() |
Na początku udowodnimy następujący lemat:
Lemat
Jeśli
, to liczba
jest parzysta.
Dowód
Zauważmy, że
![]() |
Następnie, dla dowolnych liczb
i
takich, że
oraz
zachodzi następująca równoważność
![]() |
Stąd wynika, że w rozkładzie liczb
i
na czynniki pierwsze, liczba 2 występuje w tej samej potędze. Zatem liczba 2
występuje w tej samej potędze w liczniku i mianowniku ułamka
![]() |
Ponieważ
, więc liczba 2 występuje w rozkładzie liczby
w potędze o wykładniku mniejszym od
. Zatem w liczniku ułamka
występuje więcej dwójek niż w mianowniku, co dowodzi, że ułamek
![]() |
(po skróceniu) jest liczbą parzystą. To kończy dowód lematu.
Z lematu wynika, że wielomian
![]() |
ma dokładnie dwa współczynniki nieparzyste: przy
w najwyższej potędze oraz jedynkę. Stąd wynika, że w wielomianie
![]() |
jedyne współczynniki nieparzyste mogą wystąpić przy iloczynach postaci 
(a także przy iloczynie jedynek). Takich iloczynów (łącznie z iloczynem jedynek) jest
. Musimy tylko udowodnić, że
nie nastąpi redukcja wyrazów podobnych zmniejszająca liczbę współczynników nieparzystych. Wynika to z następującego lematu:
Lemat
Jeśli
,
oraz ciągi
i
są różne, to
.
Dowód
Przypuśćmy, że
![]() |
Jeśli
, to w powyższej równości możemy skrócić najwyższe potęgi. Bez zmniejszenia ogólności możemy więc
założyć, że najwyższe potęgi są różne, np.
. Mamy wtedy:
![]() |
To kończy dowód lematu i tym samym dowodzi, że wielomian
ma
współczynników nieparzystych.
Liczby rzeczywiste dodatnie
spełniają warunek
![]() |
Dowieść, że
![]() |
Wykażemy najpierw, że dla dowolnych liczb dodatnich a, b, c spełniona jest nierówność
![]() |
Wymnażając nawiasy przepisujemy nierówność (1) w postaci
![]() |
po czym grupując odpowiednie wyrazy sprowadzamy ją do zależności
![]() |
Bez straty ogólności przyjmijmy, że
oraz zapiszmy ostatnią nierówność jako
![]() |
Oba składniki powyższej sumy są nieujemne. To kończy dowód nierówności (1).
Udowodnimy następnie, że dla dowolnych liczb dodatnich
spełniona jest nierówność
![]() |
Istotnie: nierówność (2) jest równoważna zależności
, która z kolei po pomnożeniu stronami przez 2 sprowadza się do zależności
. Dowód nierówności (2) jest więc zakończony.
Korzystając z nierówności (1), (2) oraz uwzględniając dany w treści zadania warunek
otrzymujemy
![]() |
W czworokącie
miara kąta wewnętrznego przy wierzchołku
jest większa od
oraz zachodzi równość
![]() |
Punkt
jest symetryczny do punktu
względem prostej
Udowodnić, że
.
Jeśli
, to z danej równości wynika, że
. Wtedy punkty
i
leżą na dwusiecznej kąta
,
skąd bezpośrednio wnioskujemy, że
.
Przyjmijmy więc w dalszej części rozwiązania, że
oraz niech dla ustalenia uwagi
(rys. 5).
Załóżmy, że dwusieczna kąta
przecina odcinek
w punkcie
. Wówczas na mocy twierdzenia o dwusiecznej otrzymujemy
![]() |
skąd wynika, że punkt
leży również na dwusiecznej kąta
. Innymi słowy, dwusieczne kątów
i
przecinają
się w punkcie
leżącym na prostej
. Analogicznie, korzystając z twierdzenia o dwusiecznej kąta zewnętrznego dowodzimy,
że dwusieczne kątów zewnętrznych
i
przecinają się w punkcie
, który leży na prostej
. Ponadto
![]() |

Stąd wynika, że punkty
i
leżą na okręgu
o średnicy
. Punkt
— symetryczny do punktu
względem prostej
— również leży na okręgu
. Ponadto łuki
i
okręgu
(nie zawierające punktu
) są równej długości,
a więc
. Stąd
![]() |
co należało wykazać.
Niech
będzie liczbą całkowitą dodatnią i niech
![]() |
dla
. Wykazać, że jeśli
jest liczbą całkowitą dodatnią spełniającą warunek
, to
.
Niech
będzie największym spośród wyrazów
. Wówczas ciąg
dla
także spełnia dany w treści zadania warunek rekurencyjny oraz równość
. Ponadto
jest największą liczbą spośród
.
Możemy więc bez straty ogólności przyjąć, że
jest największą liczbą spośród
.
Stąd w szczególności wynika, że
jest liczbą parzystą.
Oznaczmy:
oraz
. Wówczas równość
możemy przypisać w postaci
![]() |
gdzie każda z funkcji
jest równa funkcji
lub funkcji
. Przyjmijmy w dalszej części rozwiązania, że
w złożeniu występującym z prawej strony równości (1) znajduje się dokładnie
funkcji
oraz dokładnie
funkcji
.
Wtedy oczywiście
oraz
.
Odwzorowanie
przeprowadza wyraz nieparzysty
na wyraz parzysty
. Stąd wynika, że jeśli dla pewnego 
mamy
, to
. Wyraz
jest parzysty, więc
. Z obserwacji tych wynika, że
.
Niech
. Wtedy dla dowolnej liczby rzeczywistej
spełniona jest zależność
. Obie funkcje
i 
są rosnące, więc zastępując każdą funkcję
znajdującą się w równości (1) przez funkcję
powiększamy wartość wyrażenia
stojącego z prawej stronie równości (1). Innymi słowy
![]() |
gdzie tym razem każda z funkcji
jest równa funkcji
lub funkcji
.
Nierówność (2) jest równoważna zależności
![]() |
czyli
.
Niech
![]() |
Jak zauważyliśmy wyżej, w równości (1) mamy
. Ponadto jeśli dla pewnego
spełniona jest zależność
, to
. Zatem związek (1) możemy przepisać w postaci
![]() |
gdzie każda z funkcji
jest równa
lub
. Ponadto z prawej strony równości (3) występuje dokładnie
funkcji
oraz
funkcji
.
Dalej zauważmy, że
dla dowolnej liczby rzeczywistej
.
Obie funkcje
i
są rosnące, zatem wymieniając w równości 3) dowolne złożenie
na złożenie 
zmniejszamy wartość wyrażenia stojącego po prawej stronie równości (3). Przy pomocy skończonej liczby takich zamian możemy
doprowadzić prawą stronę związku (3) do postaci
![]() |
A zatem
![]() |
Udowodnimy indukcyjnie, że
dla
(gdzie
oznacza
-krotne złożenie
funkcji
). Istotnie: Dla
powyższa równość jest spełniona, a krok indukcyjny wygląda następująco:
![]() |
Korzystając z udowodnionej właśnie zależności przepisujemy nierówność (4) jako
![]() |
Mnożąc ją stronami przez
i przegrupowując wyrazy uzyskujemy
![]() |
Wyżej udowodniliśmy, że
, a więc
. Zatem
![]() |
Aby dokończyć rozwiązanie zadania wystarczy wykazać, że
![]() |
Bezpośrednio sprawdzamy, że dla
i dla
powyższa nierówność jest spełniona. Jeśli natomiast
, to
![]() |
Tym samym rozwiązanie zadania zostało zakończone.
Odnośniki:
[1] https://archom.ptm.org.pl/sites/default/files/om57_1.pdf
[2] https://archom.ptm.org.pl/sites/default/files/om57_1r.pdf