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

Strona główna > Wersja do wydruku > Wersja do wydruku

LVI OM

LVI Olimpiada Matematyczna

ZałącznikWielkość
Informacja o przebiegu LVI Olimpiady Matematycznej [1]100.31 KB

LVI OM - I etap

I etap LVI Olimpiady Matematycznej

ZałącznikWielkość
LVI OM I etap - Zadania [2]99.49 KB
LVI OM I etap - Zadania z rozwiązaniami [3]189.54 KB

LVI OM - I - Zadanie 1

Zawody matematyczne: 
LVI OM, 2004-2005
Etap: 
I

Rozwiązać w liczbach rzeczywistych $ x $, $ y $, $ z $ układ równań

\[<br />
\left\{\begin{array}{l}<br />
x^{2}=yz+1\\<br />
y^{2}=zx+2\\<br />
z^{2}=xy+4<br />
\end{array}\right.<br />
\]

Rozwiązanie

Pierwsze równanie danego układu równań mnożymy przez $ y $, drugie przez $ z $, a trzecie przez $ x $. W ten sposób uzyskane równania dodajemy stronami otrzymując

\[<br />
(1)\qquad 0=y+2z+4x.<br />
\]

Następnie mnożymy pierwsze równanie danego w treści zadania układu równań przez $ z $, drugie przez $ x $, a trzecie przez $ y $. Po dodaniu stronami dostajemy

\[<br />
(2)\qquad 0=z+2x+4y.<br />
\]

Równanie (2) mnożymy przez $ -2 $ i dodajemy stronami do równania (1). W efekcie otrzymujemy $ 0 = -7y $, czyli $ y = 0 $. Wstawiając $ y = 0 $ do pierwszego równania uzyskujemy $ x^2 = 1 $, skąd x =1 lub x = -1. Wykorzystując po raz kolejny zależność (2) mamy $ z = -2x $, czyli odpowiednio $ z = -2 $ lub $ z = 2 $. Wykazaliśmy zatem, że jeśli trójka $ (x,y,z) $ spełnia podany układ rów­nań, to jest nią $ (1,0,-2) $ lub $ (-1,0,2) $. Z drugiej strony, bezpośrednie spraw­dzenie pokazuje, że obie uzyskane trójki $ (x,y,z) $ są rozwiązaniami danego układu równań.

Odpowiedź: $ (x,y,z) = (1,0,-2) $ lub $ (x,y,z) = (-1,0,2) $.

LVI OM - I - Zadanie 2

Zawody matematyczne: 
LVI OM, 2004-2005
Etap: 
I

Wyznaczyć wszystkie liczby naturalne $ n>1 $, dla których wartość sumy $ 2^{2}+3^{2}+\ldots+n^{2} $ jest potęgą liczby pierwszej o wykładniku naturalnym.

Rozwiązanie

Ze wzoru $ 1+2^{2}+3^{2}+ \ldots+n^{2}=\frac{1}{6}n(n+1)(2n+1) $, prawdziwego dla dowolnej liczby naturalnej $ n $, otrzymujemy

\[<br />
2^2+3^2+\ldots+n^2=\frac{1}{6}(n(n+1)(2n+1)-6)=\frac{1}{6}(n-1)(2n^2+5n+6).<br />
\]

Zadanie sprowadza się zatem do wyznaczenia wszystkich liczb naturalnych $ n>1 $, liczb pierwszych $ p $ oraz liczb całkowitych dodatnich $ k $, dla których spełniona jest równość

\[<br />
(1)\qquad (n-1)(2n^{2}+5n+6)=6p^{k}<br />
\]

Ponieważ czynnik $ 2n^2 +5n+6 $ jest większy od $ 6 $, więc z równości (1) wynika, że jest on podzielny przez $ p $. Wykażemy, że z kolei czynnik $ n-1 $ nie jest podzielny przez $ p $.

Przypuśćmy, że $ p|n-1 $. Ponieważ także liczba

\[<br />
(2)\qquad M=2n^{2}+5n+6=2(n-1)^{2}+9(n-1)+13<br />
\]

jest podzielna przez $ p $, więc $ p $ jest dzielnikiem pierwszym liczby $ 13 $. Zatem $ p = 13 $. Stąd $ n - 1 \geq 13 $, co pociąga nierówność $ M \geq 36\cdot 13 $. Z równości (1) wnioskujemy, że $ M $ jest dzielnikiem liczby $ 6\cdot13^k $, a skoro $ M> 6\cdot13 $, to musi zachodzić podzielność $ 13^2 |M $. Z zależności (2) uzyskujemy zatem, że liczba $ 9(n-1)+13 $ jest podzielna przez $ 13^2 $, a więc

\[<br />
(3)\qquad \textrm{liczba } 9 \cdot \frac{1}{13}(n-1)+1 \textrm{ dzieli się przez } 13.<br />
\]

Liczba $ (n-1) $ jest — na mocy równości (1) — dzielnikiem liczby $ 6\cdot13^k-1 $ i jednocześnie nie jest — na mocy podzielności (3) — podzielna przez 13. Stąd wynika, że liczba $ \frac{1}{13}(n-1) $ jest równa 1, 2, 3 lub 6. Jednak w żadnym z tych czterech przypadków nie jest spełniona podzielność (3). Otrzymaliśmy sprzeczność, która dowodzi, że czynnik $ n-1 $ nie jest podzielny przez $ p $.

Z równości (1) wnioskujemy zatem, że czynnik $ n-1 $ musi być jedną z liczb: 1, 2, 3 lub 6. Stąd liczba $ n $ jest równa 2, 3, 4 lub 7. Bezpośrednie sprawdzenie pokazuje, że istotnie każda z tych liczb spełnia warunki zadania:

\[<br />
2^{2}=2^{2},2^{2}+3^{2}=13^{1},2^{2}+3^{2}+4^{2}=29^{1},2^{2}+3^{2}+4^{2}+5^{2}+6^{2}+7^{2}=139^{1}.<br />
\]

Odpowiedź: Liczba $ n $ jest równa 2, 3, 4 lub 7.

LVI OM - I - Zadanie 3

Zawody matematyczne: 
LVI OM, 2004-2005
Etap: 
I

W trójkącie ostrokątnym $ ABC $ punkt $ D $ jest rzutem prostokątnym punktu $ C $ na prostą $ AB $. Punkt $ E $ jest rzutem prostokątnym punk-tu $ D $ na prostą $ BC $. Punkt $ F $ leży na odcinku $ DE $, przy czym

\[<br />
\frac{EF}{FD}= \frac{AD}{DB}.<br />
\]

Wykazać, że proste $ CF $ i $ AE $ są prostopadłe.

Rozwiązanie

Przez punkt $ D $ poprowadźmy prostą równoległą do prostej $ AE $, która przecina bok $ BC $ w punkcie $ G $ (rys. 1). Na mocy twierdzenia Talesa uzyskujemy proporcje

\[<br />
\frac{EF}{FD}= \frac{AD}{DB}= \frac{EG}{GB},<br />
\]

skąd wynika, że proste $ FG $ i $ DB $ są równoległe. Stąd oraz z podobieństwa trójkątów prostokąt­nych $ CDE $ i $ DBE $ otrzymujemy równości

\[<br />
\frac{FD}{GB}= \frac{ED}{EB}= \frac{CD}{DB},<br />
\]

om56_1r_img_1.jpg

Powyższa zależność wraz z równością $ \measuredangle CDF = \measuredangle DBG $ dowodzi, że trójkąty $ CDF $ i $ DBG $ są podobne. Zatem $ \measuredangle  DAE = \measuredangle BDG = \measuredangle DCF $. Jeśli przez $ P $ oznaczymy punkt przecięcia prostych $ CF $ i $ AE $, to z ostatniej zależności wynika, że punkty $ A, D, C, P $ leżą na jednym okręgu. Ostatecznie mamy $ \measuredangle APC = \measuredangle ADC = 90^\circ $.

LVI OM - I - Zadanie 4

Zawody matematyczne: 
LVI OM, 2004-2005
Etap: 
I

Dana jest dodatnia liczba całkowita $ n $ oraz dodatnie liczby rzeczywiste $ a $, $ b $. Wyznaczyć największą możliwą wartość sumy

\[<br />
x_1y_1 +x_2y_2 +\ldots+x_ny_n,<br />
\]

gdy $ x_{1},\ x_{2},\ \ldots,\ x_{n},\ y_{1},\ y_{2},\ \ldots,\ y_{n} $ są liczbami z przedziału $ \langle 0;1\rangle $, spełniającymi warunki

\[<br />
(1)\qquad x_{1}+x_{2}+\ldots+x_{n}\leq a,\qquad y_{1}+y_{2}+\ldots+y_{n}\leq b.<br />
\]

Rozwiązanie

Dla dowolnych liczb $ x_{1},\ x_{2},\ \ldots,\ x_{n},\ y_{1},\ y_{2},\ \ldots,\ y_{n} $ spełniających warunki zadania zachodzą nierówności

\[<br />
\sum_{i=1}^{n} x_iy_i\leq n,\qquad \sum_{i=1}^{n} x_iy_i\leq\sum_{i=1}^{n}x_i\leq a,\qquad\sum_{i=1}^{n}x_iy_i\leq\sum_{i=1}^{n}y_i\leq b.<br />
\]

Zatem

\[<br />
(2)\qquad x_{1}y_{1}+x_{2}y_{2}+\ldots+x_{n}y_{n}\leq\min(a,b,n).<br />
\]

Wykażemy najpierw, że jeśli $ a,\ b\geq n $ lub $ [a]\neq[b] $ (symbol $ [x] $ oznacza największą liczbę całkowitą nie większą od $ x $), to liczba $ \min(a,b,n) $ jest największą wartością rozpatrywanej sumy.

Jeżeli bowiem $ a, b\geq n $, to przyjmujemy $ x_{i}=y_{i}=1 $ dla $ i=1,2, \ldots, n $. Wówczas nierówności (1) są spełnione, a rozpatrywana suma przyjmuje wartość $ n = \min(a,b,n) $, która — na mocy mocy nierówności (2) — jest jej wartością największą.

W przypadku gdy $ A=[a]\neq[b]=B $, przyjmijmy bez straty ogólności, że $ A<B $. Aby nie rozpatrywać ponownie przypadku $ a, b\geq n $, możemy również założyć, że $ A<n $. Przyjmijmy

\[<br />
x_{1}=x_{2}=\ldots=x_{A}=1,\ x_{A+1}=a-A,\ x_{i}=0\textrm{ dla }i>A+1;<br />
\]
\[y_{1}=y_{2}=\ldots=y_{A+1}=1,\ y_{i}=0\textrm{ dla }i>A+1.\]

Tak wybrane liczby $ x_i, y_i $ należą do przedziału $ \langle 0;1\rangle $, nierówności (1) są dla nich spełnione, a rozpatrywane wyrażenie przyjmuje wartość $ a = \min(a,b,n) $, która — na mocy uzyskanej nierówności (2) — jest wartością największą rozpatrywanej sumy.

Pozostał do rozpatrzenia przypadek $ A = B<n $. Wykażemy, że wówczas największą wartością rozpatrywanej sumy jest liczba $ A+(a-A)(b-A) $, którą można uzyskać przyjmując

\[<br />
x_{1}=x_{2}=\ldots=x_{A}=1,\ x_{A+1}=a-A,\ x_{i}=0\textrm{ dla }i>A+1;<br />
\]
\[<br />
y_{1}=y_{2}=\ldots=y_{A}=1,\ y_{A+1}=b-A,\ y_{i}=0\textrm{ dla }i>A+1.<br />
\]

Pozostało zatem wykazać, że

\[<br />
(3)\qquad x_{1}y_{1}+x_{2}y_{2}+\ldots+x_{n}y_{n}\leq A+(a-A)(b-A).<br />
\]

Jeśli $ x_{1}+x_{2}+\ldots+x_{n}\leq A $, to

\[<br />
x_{1}y_{1}+x_{2}y_{2}+\ldots+x_{n}y_{n}\leq A\leq A+(a-A)(b-A).<br />
\]

Analogicznie dowodzimy nierówności (3) jeśli $ y_{1}+y_{2}+\ldots+y_{n}\leq A $. Przyjmijmy więc w dalszej części rozumowania, że

\[<br />
A<x_{1}+x_{2}+\ldots+x_{n}\leq a \ \textrm{oraz} \ A<y_{1}+y_{2}+\ldots+y_{n}\leq b.<br />
\]

Przypuśćmy, że pewne dwie liczby $ x_{k},\ x_{l} $ należą do przedziału $ (0;1) $. Bez straty ogólności możemy założyć, że $ y_k \leq y_l $. Zdefiniujmy $ \delta=\min(x_{k}, 1-x_{l}) $ oraz zmodyfikujmy ciąg $ x_1,x_2,\ldots,x_n $ przyjmując

\[<br />
x_k'=x_k-\delta,\ x_l'=x_l+\delta,\ x_i'=x_i\ \textrm{dla}\ i \neq k,l.<br />
\]

Wówczas $ x_{k}'=0 $ lub $ x_{l}'=1 $, liczby $ x_{1}', x_{2}', \ldots, x_{n}' $ należą do przedziału $ \langle 0;1\rangle $, $ x_{1}'+x_{2}'+\ldots+x_{n}'=x_{1}+x_{2}+\ldots+x_{n} $ oraz

\[<br />
\sum_{i=1}^{n}x_{i}'y_i^-\sum_{i=1}^{n}x_iy_i =(x_k-\delta)y_k+(x_l + \delta)y_l - x_ky_k - x_ly_l =\delta(y_l-y_k)\geq 0.<br />
\]

Wykazaliśmy zatem, ze zmodyfikowany ciąg $ x_1', x_2', \ldots, x_n' $ zawiera mniej wyrazów różnych od 0 lub 1 niż wyjściowy ciąg $ x_1, x_2, \ldots, x_n $, a przy tym wartość rozpatrywanej sumy nie zmalała. Jeśli uzyskany ciąg $ x_1', x_2', \ldots, x_n' $ zawiera co najmniej dwa wyrazy różne od 0 lub 1, to modyfikujemy go ponownie zgodnie z opisaną wyżej procedurą Po co najwyżej $ n-1 $ krokach uzyskujemy ciąg $ a_1,a_2, \ldots ,a_n $, który zawiera nie więcej niż jeden wyraz różny od 0 lub 1, a przy tym zachodzi nierówność

\[<br />
x_{1}y_{1}+x_{2}y_{2}+\ldots+x_{n}y_{n}\leq a_{1}y_{1}+a_{2}y_{2}+\ldots+a_{n}y_{n}.<br />
\]

Następnie, ustalając liczby $ a_1, a_2, \ldots, a_n $ , przeprowadzamy analogiczną modyfikację ciągu $ y_1, y_2, \ldots, y_n $. W efekcie otrzymujemy ciąg $ b_1,b_2,\ldots,b_n $, który zawiera nie więcej niż jeden wyraz różny od 0 lub 1, a ponadto

\[<br />
a_{1}y_{1}+a_{2}y_{2}+\ldots+a_{n}y_{n}\leq a_{1}b_{1}+a_{2}b_{2}+\ldots+a_{n}b_{n}.<br />
\]

W każdym kroku suma modyfikowanych liczb nie ulega zmianie, więc

\[<br />
(4)\qquad A<a_{1}+a_{2}+\ldots+a_{n}\leq a \ \textrm{oraz} \ A<b_{1}+b_{2}+\ldots+b_{n}\leq b<br />
\]

Niech $ a_{1}', a_{2}', \ldots, a_{n}' $ będzie taką permutacją ciągu $ a_1, a_2, \ldots ,a_n $, że ciągi $ a_1', a_{2}', \ldots, a_{n}' $ oraz $ b_{1}, b_{2}, \ldots, b_{n} $ są jednakowo uporządkowane, tzn.

\[<br />
(a_{i}'-a_{j}')(b_{i}-b_{j})\geq 0\ \textrm{dla wszystkich}\ 1\leq i,j\leq n.<br />
\]

Wówczas zachodzi nierówność

\[<br />
a_1 b_1 + a_2 b_2 + \ldots + a_n b_n \leq a_1'b_1 + a_2' b_2 + \ldots + a_n' b_n.<br />
\]

(zob. Obóz Naukowy Olimpiady Matematycznej, Zwardoń 2003, Dodatek C, str. 38*). Bez straty ogólności przyjmijmy zatem, że $ a_{1}'\geq a_{2}'\geq\ldots\geq a_{n}' $ oraz $ b_{1}\geq b_{2}\geq\ldots\geq b_{n} $. Z nierówności (4) wynika więc, że

\[<br />
a_{i}'=b_{i}=1 \textrm{ dla } i<A+1 \textrm{ oraz } a_{i}'=b_{i}=0 \textrm{ dla }i>A+1,<br />
\]

a ponadto $ a_{p}\leq a-A $ oraz $ b_{p}\leq b-A $ dla $ p=A+1 $. Ostatecznie otrzymujemy

\[<br />
\sum_{i=1}^{n}x_{i}y_{i}\leq\sum_{i=1}^{n}a_{i}'b_{i}=A+a_{p}b_{p}\leq A+(a-A)(b-A),<br />
\]

co kończy dowód nierówności (3).

Reasumując: Największa wartość rozpatrywanego wyrażenia wynosi

\[<br />
\left\{<br />
\begin{array}{ll}<br />
\min(a,b,n),&\textrm{ jeśli } a,b\geq n  \textrm{ lub } [a]\neq[b]; \\<br />
{}[a]+(a-[a])(b-[a]),& \textrm{ jeśli } [a]=[b]<n.<br />
\end{array}\right.<br />
\]

LVI OM - I - Zadanie 5

Zawody matematyczne: 
LVI OM, 2004-2005
Etap: 
I

Czworokąt $ ABCD $ jest wpisany w okrąg, a okręgi wpisane w trójkąty $ ABC $ i $ BCD $ mają równe promienie. Rozstrzygnąć, czy z tych założeń wynika, że także okręgi wpisane w trójkąty $ CDA $ i $ DAB $ mają równe promienie.

Rozwiązanie

Odpowiedź postawiona na pytanie w treści zadania jest twierdząca.

Niech $ I $, $ J $ będą środkami okręgów wpisanych odpowiednio w trójkąty $ ABC $ i $ BCD $ (rys. 2).

om56_1r_img_2.jpg
om56_1r_img_3.jpg

Z równości promieni okręgów wpisanych w trójkąty $ ABC $ i $ BCD $ wynika, że proste $ BC $ i $ IJ $ są równoległe. Ponadto

\[<br />
\measuredangle BIC = 180^\circ -(\frac{1}{2} \measuredangle CBA+ \frac{1}{2} \measuredangle BCA) = 90^\circ + \frac{1}{2} \measuredangle BAC.<br />
\]

Analogicznie dowodzimy, że $ \measuredangle BJC = 90^\circ + \frac{1}{2} \measuredangle BDC $. Z uzyskanych zależności oraz z równości $ \measuredangle  BAC = \measuredangle BDC $ wnioskujemy, że na czworokącie $ BCJI $ można opisać okrąg. Zatem $ BCJI $ jest trapezem równoramiennym. Stąd uzyskujemy równości

\[<br />
\measuredangle ABC =2\measuredangle IBC =2\measuredangle JCB = \measuredangle DCB.<br />
\]

W efekcie otrzymujemy, że czworokąt $ ABCD $ jest trapezem równoramiennym o podstawach $ BC $ i $ AD $. Stąd wynika, że trójkąty $ CDA $ i $ DAB $ są przystające, a więc okręgi wpisane w te trójkąty mają równe promienie.

Uwaga: W rozwiązaniu wykazaliśmy, że punkty $ B $, $ I $, $ J $, $ C $ leżą na jednym okręgu. Nietrudno wyznaczyć środek tego okręgu: jest nim punkt $ M $ przecięcia prostych $ AI $ i $ DJ $, czyli środek łuku $ BC $ okręgu opisanego na czworokącie $ ABCD $ (rys. 3). Dowód tego faktu można znaleźć w broszurze LI Olimpiada Mate­matyczna, Sprawozdanie Komitetu Głównego, Warszawa 2001, Dodatek E, str. 113.

LVI OM - I - Zadanie 6

Zawody matematyczne: 
LVI OM, 2004-2005
Etap: 
I

Rozstrzygnąć, czy istnieje nieskończony ciąg liczb naturalnych $ a_1,a_2, a_3,\ldots $ spełniający równanie

\[<br />
\frac{1}{a_{n}}=\frac{1}{a_{n+1}} + \frac{1}{a_{n+2}} \textrm{ dla } n=1, 2, 3, \ldots.<br />
\]

Rozwiązanie

Wykażemy, że ciąg $ (a_n) $ spełniający warunki zadania nie istnieje.

Przypuśćmy, że ciąg $ (a_n) $ spełnia warunki zadania. Rozumowanie przeprowadzimy na dwa sposoby.

Sposób I

Z podanej równości wynika, że ciąg $ (a_n) $ jest rosnący, a ponadto

\[<br />
(1)\qquad a_{n+2}(a_{n+1}-a_{n})=a_{n}a_{n+1}.<br />
\]

Liczba $ a_{n+1}-a_{n} $ jest podzielna przez największy wspólny dzielnik liczb $ a_n $ i $ a_{n+1} $. Z równości (1) wynika zatem, że liczba $ a_{n+2} $ jest dzielnikiem liczby

\[<br />
\frac {a_{n}a_{n+1}} {\mathrm{NWD}(a_{n}, a_{n+1})} = \mathrm{NWW}(a_{n}, a_{n+1}).<br />
\]

Niech $ k = \mathrm{NWW}(a_1,a_2) $. Wykażemy indukcyjnie, że dla każdego $ n \geq 1 $, liczba $ a_n $ jest dzielnikiem liczby $ k $.

Dla $ n =1 $ i $ n = 2 $ jest to prawda na mocy określenia liczby $ k $.

Jeśli z kolei $ a_n |k $ oraz $ a_{n+1} |k $ dla pewnej liczby $ n \geq 1 $, to liczba $ k $ jest wspólną wielokrotnością liczb $ a_n $, $ a_{n+1} $, jest więc podzielna przez najmniejszą wspólną wielokrotność liczb $ a_n $, $ a_{n+1} $. Stąd, skoro $ a_{n+2} |\mathrm{NWW}(a_n,a_{n+1}) $, uzyskujemy podzielność $ a_{n+2} |k $. Dowód indukcyjny jest zakończony.

Wcześniej stwierdziliśmy, że ciąg $ (a_n) $ jest rosnący. Liczba dodatnia $ k $ ma zatem nieskończenie wiele dzielników. Uzyskana sprzeczność dowodzi, że nie istnieje ciąg $ (a_n) $ o żądanych własnościach.

Sposób II

Niech $ x_n =1/a_n $. Wówczas ciąg $ (x_n) $ jest zbieżny do 0, a daną w treści zadania równość możemy przepisać w postaci $ x_{n+2}=-x_{n+1}+x_{n} $. Stosując metodę rozwiązywania rekurencji liniowych (zob. L Olimpiada Mate­matyczna, Sprawozdanie Komitetu Głównego, Warszawa 2000, Dodatek A, str. 103) uzyskujemy równość

\[<br />
x_{n}=a\cdot\left(\frac{-\sqrt{5}-1}{2}\right)^{n}+b\cdot\left(\frac{\sqrt{5}-1}{2}\right)^{n},<br />
\]

gdzie $ a $, $ b $ są ustalonymi liczbami rzeczywistymi zależnymi tylko od dwóch początkowych wartości $ x_1 $ i $ x_2 $.

Wartość bezwzględna liczby $ \frac{1}{2}(-\sqrt{5}-1) $ jest większa od 1, a wartość bezwzględna liczby $ \frac{1}{2}(\sqrt{5}-1) $ jest mniejsza od 1. Zatem ciąg $ (x_n) $ jest zbieżny do 0 wtedy i tylko wtedy, gdy a = 0. Stąd uzyskujemy

\[<br />
x_{n}=b\cdot\left(\frac{\sqrt{5}-1}{2}\right)^{n},\ \textrm{a więc}\ \frac{a_{1}}{a_{2}}=\frac{x_{2}}{x_{1}}=\frac{\sqrt{5}-1}{2}.<br />
\]

Otrzymaliśmy sprzeczność, gdyż liczba $ a_1/a_2 $ jest wymierna, a $ \frac{1}{2}(\sqrt{5}-1) $ - niewymierna.

LVI OM - I - Zadanie 7

Zawody matematyczne: 
LVI OM, 2004-2005
Etap: 
I

Trzy sfery, parami styczne zewnętrznie, są styczne do pewnej płasz­czyzny w punktach $ A $, $ B $, $ C $. Znając długości odcinków $ BC = a $, $ CA = b $, $ AB = c $, obliczyć promienie tych sfer.

Rozwiązanie

Z warunków zadania wynika, że rozpatrywane sfery leżą po jednej stronie płaszczyzny, do której są styczne.

om56_1r_img_4.jpg

Oznaczmy przez $ r_A $, $ r_B $ i $ r_C $ promienie rozważanych sfer, styczne do danej płaszczyzny odpowiednio w punktach $ A $, $ B $ i $ C $. Wówczas na mocy twierdzenia Pitagorasa mamy (rys. 4)

\[<br />
(1)\qquad 	a^2 =(r_B +r_C )^2 -(r_B -r_C)^2 =4r_Br_C .<br />
\]

Analogicznie uzyskujemy $ b^2 =4r_C r_A $ oraz $ c^2=4r_Ar_B $. Mnożąc stronami dwie ostatnie równości oraz wykorzystując równość (1) otrzymujemy

\[<br />
b^{2}c^{2}=(4r_{B}r_{C})\cdot(4r_{A}^{2})=4a^{2}r_{A}^{2},<br />
\]

skąd obliczamy $ r_A = bc/(2a) $. Analogicznie dostajemy równości

\[<br />
r_{B}=\frac{ca}{2b}\ \text{oraz}\ r_{C}=\frac{ab}{2c}.<br />
\]

LVI OM - I - Zadanie 8

Zawody matematyczne: 
LVI OM, 2004-2005
Etap: 
I

Na okręgu jest umieszczonych $ n $ lampek; każda może być włączona albo wyłączona. Wykonujemy serię ruchów; w każdym ruchu wybieramy $ k $ kolejnych lampek i zmieniamy ich stan: wyłączone włączamy, a włączone wyłączamy (liczba $ k $ nie zmienia się w trakcie tego po­stępowania). Na początku wszystkie lampki są wyłączone. Dla ustalonej liczby naturalnej $ n $ wyznaczyć wszystkie liczby naturalne $ k \leq n $, dla których jest możliwe uzyskanie stanu z dokładnie jedną lampką włączoną.

Rozwiązanie

Załóżmy najpierw, że $ k $ jest liczbą parzystą. Udowodnimy indukcyjnie, że po każdej zmianie stanu $ k $ kolejnych lampek pali się parzysta liczba lampek.

Niech $ x_n $ oznacza liczbę zapalonych lampek po wykonaniu n-tego ruchu. Wówczas $ x_1 =k $. Załóżmy, że $ x_{n-1} $ jest liczbą parzystą. Jeżeli wykonując $ n $-ty ruch włączamy $ a $ lampek, a wyłączamy $ b $, to $ a+b = k $, więc $ x_n = x_{n-1} +a -b = x_{n-1} +k -2b $.

Skoro $ x_{n-1} $ i $ k $ są liczbami parzystymi, to również $ x_n $ jest liczbą parzystą. Dowód indukcyjny jest zakończony. Zatem jeśli $ k $ jest liczbą parzystą, to nie jest możliwe uzyskanie stanu z dokładnie jedną włączoną lampką.

Przyjmijmy następnie, że liczby $ n $ i $ k $ mają wspólny dzielnik $ d> 1 $ i pomalujmy lampki cyklicznie używając d kolorów. (Ściślej mówiąc, postępujemy następująco: numerujemy lampki kolejno liczbami od 1 do $ n $ poruszając się po okręgu w ustalonym kierunku, a następnie malujemy je używając $ d $ kolorów, przy czym jednakowym kolorem malujemy te lampki, których numery dają z dzielenia przez $ d $ taką samą resztę.)

Przypuśćmy, że po wykonaniu pewnego ruchu świeci się dokładnie $ s_i $ lampek $ i $-tego koloru ($ i =1,2,\ldots,d $). W każdym ruchu zmieniamy stan dokładnie $ l = k/d $ lampek $ i $-tego koloru. Jeśli włączamy $ a_i $ lampek $ i $-tego koloru, a $ b_i $ lampek i-tego koloru wyłączamy, to liczba $ s_i $ wzrasta o dokładnie $ a_i -b_i =l-2b_i $. Skoro na początku żadna lampka nie jest włączona, to po każdym ruchu liczby $ s_1,s_2,\ldots,s_d $ dają z dzielenia przez $ 2 $ taką samą resztę. Nie jest zatem możliwe uzyskanie dokładnie jednej lampki włączonej (mielibyśmy wtedy $ s_j = 1 $ dla pewnej liczby $ j $ oraz $ s_i = 0 $ dla wszystkich $ i\neq j $).

Pozostał do rozpatrzenia przypadek, gdy $ k $ jest taką liczbą nieparzystą, że $ NWD(k,n)=1 $. Warunek ten jest równoważny równości $ NWD(k,2n) = 1 $. Wykażemy, że przy pomocy rozpatrywanych ruchów można doprowadzić do sytuacji, gdy dokładnie jedna lampka jest włączona.

Stosując algorytm Euklidesa dla liczb $ k $ i $ 2n $ wnioskujemy, że istnieje taka liczba całkowita dodatnia $ x $ oraz liczba całkowita nieujemna $ y $, że

\[<br />
(1)\qquad 	kx-(2n)y =1 .<br />
\]

Wybieramy blok $ k $ kolejnych lampek i zmieniamy ich stan na przeciwny. Następnie wybieramy blok złożony z $ k $ lampek przyległy do poprzedniego i zmieniamy stan tych lampek na przeciwny. Procedurę kontynuujemy poruszając się po danym okręgu w ustalonym kierunku i wykonując łącznie $ x $ ruchów.

Z równości (1) wynika, że stan jednej lampki zmieni się dokładnie $ 2y +1 $ razy, a stan każdej innej dokładnie $ 2y $ razy. W efekcie dokładnie jedna lampka będzie włączona, a pozostałe wyłączone.

LVI OM - I - Zadanie 9

Zawody matematyczne: 
LVI OM, 2004-2005
Etap: 
I

Wyznaczyć wszystkie liczby rzeczywiste $ a $, dla których ciąg $ (x_n) $ określony wzorami

\[<br />
x_{0}=\sqrt{3},\ x_{n+1}= \frac{1+ax_{n}}{a-x_{n}}\ \textrm{dla}\ n=0,1,2,\ \ldots<br />
\]

spełnia warunek $ x_{n+8} = x_n $ dla $ n =0, 1, 2, \ldots $.

Rozwiązanie

Sposób I

Aby ciąg $ (x_n) $ był poprawnie określony, musi być $ x_n \neq a $ dla każdego $ n\geq 0 $. Niech $ \alpha \in (0;\pi) $ będzie taką liczbą, że $ a = \mathrm{ctg} \alpha $. Wykażemy indukcyjnie, że

\[<br />
(1)\qquad x_n = \mathrm{ctg}( \frac {1}{6} \pi -n\alpha )\ \textrm{dla } n =0,1,2,\ldots .<br />
\]

Dla $ n = 0 $ równość (1) jest spełniona. Przyjmijmy, że zachodzi ona dla pewnego $ n $. Jeśli $ \mathrm{ctg} x \neq \mathrm{ctg} y $, to

\[<br />
\mathrm{ctg}(x-y)=\frac{1+\mathrm{ctg} x \cdot \mathrm{ctg} y}{\mathrm{ctg} x - \mathrm{ctg} y}.<br />
\]

Warunek $ x_n \neq a $ implikuje, że $ \mathrm{ctg}( \frac {1}{6} \pi -n\alpha ) \neq \mathrm{ctg} \alpha $ Na mocy powyższego wzoru uzyskujemy

\[<br />
x_{n+1}=\frac{1+ax_{n}}{a-x_{n}}=<br />
\frac{1+(\mathrm{ctg} \alpha) \cdot (\mathrm{ctg} (\frac {1}{6} \pi -n\alpha))}{\mathrm{ctg} \alpha - \mathrm{ctg} (\frac {1}{6} \pi -n\alpha)}<br />
= \mathrm{ctg} (\frac {1}{6} \pi -(n+1)\alpha),<br />
\]

co kończy dowód indukcyjny zależności (1). Funkcja $ f(x) = \mathrm{ctg} x $ jest $ \pi $-okresowa. Korzystając z równości (1) wnioskujemy, że $ x_{n+8} = x_n $ dla wszystkich $ n \neq 0 $ wtedy i tylko wtedy, gdy istnieje taka liczba całkowita $ k $, że $ 8 \alpha = k\pi $. Stąd uzyskujemy $ \alpha = \frac{1}{8} k \pi $, a ponieważ liczba $ \alpha $ należy do przedziału $ (0;\pi) $, więc $ k $ jest jedną z liczb: $ 1,2,\ldots,7 $. Zatem równość $ x_{n+8} = x_n $ jest prawdziwa dla $ n =0,1,2,\ldots $ wtedy i tylko wtedy, gdy a jest jedną z liczb:

\[<br />
\mathrm{ctg}(\frac{1}{8}\pi),\<br />
\mathrm{ctg}(\frac{1}{4}\pi),\<br />
\mathrm{ctg}(\frac{3}{8}\pi),\<br />
\mathrm{ctg}(\frac{1}{2}\pi),\<br />
\mathrm{ctg}(\frac{5}{8}\pi),\<br />
\mathrm{ctg}(\frac{3}{4}\pi),\<br />
\mathrm{ctg}(\frac{7}{8}\pi),\<br />
\]

czyli odpowiednio: $ \sqrt{2}+1, 1, \sqrt{2}-1, 0, - \sqrt{2}+1, -1, - \sqrt{2}-1 $. Bezpośrednio sprawdzamy, że dla powyższych siedmiu wartości $ a $, ciąg $ (x_n) $ jest poprawnie określony, tzn. $ x_n \neq a $ dla $ n =0, 1,2\ldots,7 $.

LVI OM - I - Zadanie 10

Zawody matematyczne: 
LVI OM, 2004-2005
Etap: 
I

Spośród wszystkich podzbiorów ustalonego zbioru $ n $-elementowego $ X $ losujemy kolejno ze zwracaniem trzy zbiory $ A $, $ B $, $ C $. Za każdym razem wylosowanie każdego spośród $ 2^n $ podzbiorów zbioru $ X $ jest jednakowo prawdopodobne. Wyznaczyć najbardziej prawdopodobną liczbę elementów zbioru $ A\cap B\cap C $.

Rozwiązanie

Zbiór zdarzeń elementarnych $ \Omega $ składa się ze wszystkich trójek $ (A,B,C) $, gdzie $ A $, $ B $ i $ C $ są podzbiorami danego zbioru $ n $-elementowego $ S $. Wylosowanie każdej z $ (2^n)^3 =8^n $ trójek $ (A,B,C) $ jest jednakowo prawdopodobne. Niech $ X_k $ $ (k =0,1,2,\ldots,n) $ oznacza zdarzenie polegające na tym, że trójka zbiorów $ (A,B,C) $ spełnia warunek $ |A\cap B\cap C|= k $, gdzie $ |F| $ oznacza liczbę elementów zbioru $ F $. Szukamy takiej liczby naturalnej $ k $, dla której prawdopodobieństwo zajścia zdarzenia $ X_k $ jest największe.

Ustalmy liczbę $ k\in\{0,1,2, \ldots,n\} $. Obliczymy liczbę trójek $ (A, B, C) $, dla których $ |A\cap B\cap C|=k $.

Jeśli $ (A,B,C) $ jest trójką podzbiorów zbioru $ S $, to każdy element zbioru $ S $ znajduje się w dokładnie jednym spośród następujących ośmiu zbiorów

\[<br />
(1)\qquad \begin{array}{l}<br />
A\cap B\cap C,\ (A\cap B)\backslash C,\ (B\cap C)\backslash A,\ (C\cap A)\backslash B,\\<br />
A\backslash (B\cup C),\ B\backslash (C\cup A),\ C\backslash (A\cup B),\ S\backslash (A\cup B\cup C).<br />
\end{array}<br />
\]

Aby uzyskać trójkę zbiorów $ (A,\ B,\ C) $, dla których $ |A\cap B\cap C|=k $, wybieramy najpierw $ k $ elementów zbioru $ S $, które umieścimy w zbiorze $ A\cap B\cap C $ — możemy to uczynić na $ n \choose k $ sposobów. Każdemu z pozostałych $ n-k $ elementów $ k $ przyporządkowujemy jedną z pozostałych siedmiu możliwości występujących w (1) — możemy to zrobić na $ 7^{n-k} $ sposobów. Opisane postępowanie określa jednoznacznie trójkę $ (A,B,C) $. Zatem liczba trójek $ (A,B,C) $, dla których $ |A \cap B \cap C| = k $ wynosi $ {n \choose k} \cdot 7^{n-k} $. Stąd uzyskujemy

\[<br />
P(X_{k})=\frac{{n \choose k} \cdot 7^{n-k}}{8^{n}}.<br />
\]

Aby wyznaczyć taką liczbę $ k $, dla której prawdopodobieństwo zajścia zdarzenia $ X_k $ jest największe, obliczamy iloraz

\[<br />
\frac{P(X_{k+1})}{P(X_{k})}=\frac{n-k}{7k+7}.<br />
\]

Stąd wynika, że

\[<br />
\left\{<br />
\begin{array}{ll}<br />
P(X_{k+1})>P(X_k),&\textrm{jeśli}\ k<\frac{1}{8}(n-7);\\<br />
P(X_{k+1})<P(X_k),&\textrm{jeśli}\ k>\frac{1}{8}(n-7);\\<br />
P(X_{k+1})=P(X_k),&\textrm{jeśli}\ k=\frac{1}{8}(n-7).\\<br />
\end{array}\right.<br />
\]

Oznaczając $ \lambda=[(n-7)/8] $, gdzie $ [x] $ jest największą liczbą całkowitą nie większą od $ x $, otrzymujemy

\[<br />
\begin{array}{l}<br />
P(X_{0})<P(X_{1})<P(X_{2})<\ldots<P(X_{\lambda})\leq P(X_{\lambda+1}),\\<br />
P(X_{\lambda+1})>P(X_{\lambda+2})>\ldots>P(X_{n}).<br />
\end{array}<br />
\]

Zatem prawdopodobieństwo $ P (X_k) $ jest największe dla $ k = \lambda+1 =[ \frac{1}{8} (n+1)] $.

Jeśli $ \frac{1}{8}(n-7) $ jest liczbą całkowitą, to istnieją dwie wartości $ k $, dla których liczba $ P(X_k) $ jest największa, a mianowicie $ k = \frac{1}{8} (n-7) $ oraz $ k = \frac{1}{8} (n+1) $.

LVI OM - I - Zadanie 11

Zawody matematyczne: 
LVI OM, 2004-2005
Etap: 
I

Okrąg o środku $ I $ jest wpisany w czworokąt wypukły $ ABCD $, przy czym punkt $ I $ nie leży na prostej $ AC $. Przekątne $ AC $ i $ BD $ przecinają się w punkcie $ E $. Prosta przechodząca przez punkt $ E $ oraz prostopadła do prostej $ BD $ przecina proste $ AI $, $ CI $ odpowiednio w punktach $ P $, $ Q $. Wykazać, że $ PE = EQ $.

Rozwiązanie

Niech $ o_1 $ będzie okręgiem o środku $ P $ i stycznym do prostych $ AD $ i $ AB $ odpowiednio w punktach $ S $ i $ T $. Analogicznie, niech $ o_2 $ będzie okręgiem o środku $ Q $ i stycznym do prostych $ CB $ i $ CD $ odpowiednio w punktach $ U $ i $ W $ (rys. 5). Oznaczmy przez $ o $ okrąg wpisany w czworokąt $ ABCD $. Bez straty ogólności przyjmijmy, że punkt $ Q $ leży na odcinku $ CI $.

om56_1r_img_5.jpg

Korzystając z twierdzenia Menelausa dla trójkąta $ PIQ $ uzyskujemy

\[<br />
\frac{PE}{EQ}=\frac{CI}{CQ}\cdot\frac{AP}{AI}=\frac{r}{r_{2}}\cdot\frac{r_{1}}{r}=\frac{r_{1}}{r_{2}},<br />
\]

gdzie $ r $, $ r_1 $ i $ r_2 $ są odpowiednio promieniami okręgów $ o $, $ o_1 $ i $ o_2 $. Stąd

\[<br />
(1)\qquad \frac{PE}{r_{1}}=\frac{EQ}{r_{2}}=\lambda.<br />
\]

Wprowadźmy następujące oznaczenia: $ a=BT $ , $ b=DS $, $ c=BU $, $ d=DW $. Wówczas otrzymujemy zależności:

\[<br />
(2)\qquad<br />
\begin{array}{l}<br />
a-b=AB-AD=CB-CD=c-d,\\<br />
a^{2}-b^{2}=PB^{2}-PD^{2}=BE^{2}-DE^{2}=QB^{2}-QD^{2}=c^{2}-d^{2}.<br />
\end{array}<br />
\]

Zatem jeśli $ a=b $, to $ AB =AD $ oraz $ CB =CD $; w tym przypadku punkt $ I $ leży na przekątnej $ AC $, co przeczy założeniom. Stąd mamy $ a \neq b $, a więc również $ c \neq d $. Z równości (2) otrzymujemy wówczas $ a + b = c + d $, co w połączeniu z zależnością $ a-b = c-d $ daje $ a = c $ i $ b = d $. Zatem

\[<br />
(3)\qquad PE^{2}-EQ^{2}=PD^{2}-QD^{2}=(r_{1}^{2}+b^{2})-(r_{2}^{2}+d^{2})=r_{1}^{2}-r_{2}^{2}.<br />
\]

Równości (1) i (3) pociągają zależność $ (\lambda^{2}-1)(r_{1}^{2}-r_{2}^{2})=0 $.

Przypuśćmy, że $ \lambda = 1 $. Wówczas $ EQ = r_2 $, a więc okrąg $ o_2 $ jest wpisany w trójkąt $ BCD $. Ponieważ w czworokąt $ ABCD $ można wpisać okrąg, więc okrąg $ \omega $ wpisany w trójkąt $ ABD $ jest styczny do okręgu $ o_2 $. Stąd wynika, że punkty $ Q $, $ E $ oraz środek okręgu $ \omega $ leżą na jednej prostej. To jednak nie jest możliwe, gdyż punkty te znajdują się odpowiednio na bokach $ IC $, $ CA $, $ AI $ trójkąta $ AIC $ i są różne od jego wierzchołków. Otrzymaliśmy sprzeczność, która dowodzi, że $ \lambda\neq 1 $. Z uzyskanej wyżej równości wynika zatem, że $ r_1 = r_2 $, czyli $ PE = EQ $.

LVI OM - I - Zadanie 12

Zawody matematyczne: 
LVI OM, 2004-2005
Etap: 
I

Dane są funkcje

\[<br />
f(x)=2^x$ \quad \text{oraz} \quad $g(x)= f(f(f(f(f(f(f(x)))))))<br />
\]

(7-krotna iteracja funkcji $ f $). Rozstrzygnąć, czy liczba $ g(3)-g(0) $ jest podzielna przez liczbę $ g(2)-g(0) $.

Rozwiązanie

Liczby $ g(0) $, $ g(2) $ i $ g(3) $ są odpowiednio wyrazami $ a_7 $, $ b_7 $ i $ c_7 $ ciągów $ (a_n) $, $ (b_n) $ i $ (c_n) $ określonych rekurencyjnie wzorami

\[<br />
\left\{<br />
\begin{array}{l}<br />
a_0=0\\<br />
a_{n+1}=2^{a_n},<br />
\end{array}<br />
\right.<br />
\left\{<br />
\begin{array}{l}<br />
b_0=2\\<br />
b_{n+1}=2^{b_n},<br />
\end{array}<br />
\right.<br />
\left\{<br />
\begin{array}{l}<br />
c_0=3\\<br />
c_{n+1}=2^{c_n},<br />
\end{array}<br />
\right.<br />
\]

Wykażemy, że liczba $ c_7-a_7 =g(3)-g(0) $ nie dzieli się przez $ b_7-a_7 =g(2)-g(0) $. W dowodzie skorzystamy z następującego lematu:

Lemat

Dane są takie liczby całkowite dodatnie $ k $ i $ l $, że liczba $ 2^l-1 $ jest podzielna przez $ 2^k -1 $. Wówczas liczba $ l $ jest podzielna przez $ k $.

Dowód

Niech $ l = kq +r $, gdzie $ r \in \{0,1,2,\ldots,k-1\} $. Liczby $ 2^l -1 $ i $ 2^{kq} -1 $ są podzielne przez $ 2^k-1 $, zatem różnica tych liczb, czyli liczba $ 2^l -2^{kq} =2^{kq}(2^r -1) $ jest podzielna przez $ 2k - 1 $. Liczby $ 2^{kq} $ i $ 2^k - 1 $ są względnie pierwsze, skąd wynika, że liczba $ 2^r -1 $ jest podzielna przez $ 2^k -1 $. Ponieważ $ r<k $, więc podzielność ta ma miejsce jedynie wtedy, gdy $ r = 0 $. To oznacza, że liczba $ l $ jest podzielna przez $ k $.

Przystępujemy do rozwiązania zadania. Przypuśćmy, że $ b_7 -a_7 |c_7 -a_7 $. Wtedy $ 2^{b_{6}}-2^{a_{6}}|2^{c_{6}}-2^{a_{6}} $, skąd wynika, że $ 2^{b_{6}-a_{6}}-1|2^{c_{6}-a_{6}}-1 $. Korzystając z lematu uzyskujemy $ b_{6}-a_{6}|c_{6}-a_{6} $.

Kontynuując to rozumowanie dochodzimy do podzielności $ b_0-a_0 |c_0-a_0 $, czyli 2|3, co nie jest prawdą.

LVI OM - II etap

II etap LVI Olimpiady Matematycznej

ZałącznikWielkość
LVI OM II etap - Zadania [4]66.89 KB
LVI OM II etap - Zadania z rozwiązaniami [5]128.54 KB

LVI OM - II - Zadanie 1

Zawody matematyczne: 
LVI OM, 2004-2005
Etap: 
II

Wyznaczyć wszystkie dodatnie liczby całkowite $ n $, dla których

\[<br />
n^n+1\ \textrm{oraz}\ (2n)^{2n}+1<br />
\]

są liczbami pierwszymi.

Rozwiązanie

Niech $ a\geq 2 $, $ m\geq 1 $ będą liczbami całkowitymi. Wykażemy najpierw, że jeśli liczba $ m $ ma dzielnik nieparzysty większy od 1, to liczba $ a^m+1 $ jest złożona. Istotnie: jeśli $ l $ jest dzielnikiem nieparzystym liczby $ m $ to $ m=ld $ dla pewnej liczby całkowitej $ d $ dodatniej oraz

\[<br />
a^{m}+1=(a^{d})^{l}+1=(a^{d}+1)\cdot((a^{d})^{l-1}-(a^{d})^{l-2}+\ldots-a^{d}+1).<br />
\]

Z powyższego wzoru wynika, że liczba $ a^{d}+1 $ jest dzielnikiem liczby $ a^{m}+1 $. Dla $ l>1 $ dzielnik ten jest większy od 1 i mniejszy od $ a^{m}+1 $. Zatem liczba $ a^{m}+1 $ jest złożona.

Liczba $ n=1 $ spełnia warunki zadania: liczby $ 1^1+1=2 $, $ 2^{2}+1=5 $ są liczbami pierwszymi. Załóżmy więc w dalszej części rozumowania, że $ n\geq 2 $.

Jeśli liczba $ n^{n}+1 $ jest liczbą pierwszą, to $ n $ nie ma dzielników nieparzystych większych od 1. Stąd wynika, że $ n=2^k $ dla pewnej liczby całkowitej dodatniej $ k $. Wówczas

\[<br />
(1)\qquad n^{n}+1=2^{k\cdot 2^{k}}+1\ \text{oraz}\ (2n)^{2n}+1=2^{(k+1)\cdot 2^{k+1}}+1.<br />
\]

Dla $ k\geq 2 $ co najmniej jedna z liczb $ k\cdot 2^{k} $, $ (k+1)\cdot 2^{k+1} $ ma dzielnik nieparzysty większy od 1, a więc co najmniej jedna z liczb (1) jest złożona. Wobec tego musi być $ k=1 $, czyli $ n=2 $.

Pozostało upewnić się, że liczba $ n=2 $ spełnia warunki zadania: liczby $ 2^2+1=5 $ oraz $ 4^4+1=257 $ są liczbami pierwszymi.

Odpowiedź: $ n=1 $ lub $ n=2 $.

LVI OM - II - Zadanie 2

Etap: 
II

W czworokącie wypukłym $ ABCD $ punkt $ M $ jest środkiem przekątnej $ AC $. Wykazać, że jeżeli

\[<br />
\measuredangle BAD= \measuredangle BMC =\measuredangle CMD<br />
\]

to na czworokącie $ ABCD $ można opisać okrąg.

Rozwiązanie

Oznaczmy: $ \alpha=\measuredangle BAD $.

Jeśli $ \alpha=90^{\circ} $, to punkty $ B $, $ M $, $ D $ leżą na jednej prostej. Wtedy punkty $ A $ i $ C $ są symetryczne względem prostej $ BD $. Stąd $ \measuredangle BCD = \measuredangle BAD = 90^{\circ} $, czyli na czworokącie $ ABCD $ można opisać okrąg.

W dalszym ciągu przyjmijmy, że $ \alpha \neq 90^{\circ} $. Niech $ E $ będzie punktem symetrycznym do punktu $ D $ względem symetralnej odcinka $ AC $ (rys. 1, 2). Wówczas $ \measuredangle BMC= \measuredangle CMD =\measuredangle AME $, skąd wynika, że punkty $ B $, $ M $, $ E $ leżą na jednej prostej. Proste $ AC $ i $ ED $ są równoległe. Zatem gdy $ \alpha<90^{\circ} $ (rys. 1), to

\[<br />
\measuredangle BAD=\measuredangle BMC = \measuredangle BED;<br />
\]

natomiast jeśli $ \alpha>90^{\circ} $ (rys. 2), to

\[<br />
\measuredangle BAD = \measuredangle BMC =180^{\circ}- \measuredangle BMA= 180^{\circ}-\measuredangle BED<br />
\]

W obu przypadkach otrzymana równość oznacza, że punkty $ A $, $ B $, $ D $, $ E $ leżą na jednym okręgu. Ponadto czworokąt o wierzchołkach $ A $, $ C $, $ D $, $ E $ jest trapezem równoramiennym, a więc również punkty $ A $, $ C $, $ D $, $ E $ leżą na jednym okręgu. Zatem punkty $ A $, $ B $, $ C $, $ D $ leżą na jednym okręgu, co należało wykazać.

om56_2r_img_1.jpg
om56_2r_img_2.jpg

LVI OM - II - Zadanie 3

Zawody matematyczne: 
LVI OM, 2004-2005
Etap: 
II

W przestrzeni danych jest $ n $ punktów ($ n\geq 2 $) z których żadne cztery nie leżą w jednej płaszczyźnie. Niektóre z tych punktów zostały połączone odcinkami. Niech $ K $ będzie liczbą poprowadzonych odcinków ($ K\geq 1 $), a $ T $ liczbą powstałych trójkątów. Udowodnić, że

\[<br />
9T^{2}<2K^{3}.<br />
\]

Rozwiązanie

Ponumerujmy liczbami od 1 do $ m $ te punkty, z których wychodzi co najmniej jeden odcinek i przyjmijmy, że z punktu o numerze $ i $ ($ i=1,2,\ldots,m $) wychodzi dokładnie $ k_i $ odcinków. Wtedy $ k_i>0 $. Oznaczmy ponadto przez $ t_i $ ($ i=1,2,\ldots,m $) liczbę tych trójkątów, których jednym z wierzchołków jest punkt o numerze $ i $ Wówczas

\[<br />
(1) \qquad k_{1}+k_{2}+\ldots+k_{m}=2K\ \textrm{oraz}\ t_{1}+t_{2}+\ldots+t_{m}=3T.<br />
\]

Zbiór $ A_i $ tych punktów, które zostały połączone odcinkiem z punktem o numerze $ i $ zawiera dokładnie $ k_i $ elementów. Ponadto trójkątów mających wierzchołek w punkcie o numerze $ i $ jest tyle samo, ile poprowadzonych odcinków o wierzchołkach w zbiorze $ A_i $. Zatem

\[<br />
(2)\qquad t_{i}\leq {{k_i} \choose 2} = \frac{k_{i}^{2}-k_{i}}{2} < \frac{k_{i}^{2}}{2}.<br />
\]

Z drugiej strony, liczba tych odcinków jest mniejsza niż liczba wszystkich poprowadzonych odcinków. Wobec tego

\[<br />
(2)\qquad t_{i}\leq K.<br />
\]

Mnożąc stronami nierówności (2) i (3) uzyskujemy $ t_i^2< \frac{1}{2}k_i^2K $. Stąd oraz z równości (1) otrzymujemy

\[<br />
3T = \sum_{i=1}^{m}t_{i} < \sum_{i=1}^{m}\frac{k_{i}\cdot\sqrt{K}}{\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{K}}{\sqrt{2}}\cdot\sum_{i=1}^{m}k_{i} = \frac{2K\sqrt{K}}{\sqrt{2}}.<br />
\]

Podnosząc ostatnią nierówność stronami do kwadratu dostajemy tezę.

LVI OM - II - Zadanie 4

Zawody matematyczne: 
LVI OM, 2004-2005
Etap: 
II

Dany jest wielomian $ W(x)=x^2+ax+b $, o współczynnikach całkowitych, spełniający warunek:

Dla każdej liczby pierwszej $ p $ istnieje taka liczba całkowita $ k $, że liczby $ W(k) $ oraz $ W(k + 1) $ są podzielne przez $ p $. Dowieść, że istnieje liczba całkowita $ m $, dla której

\[<br />
W (m)= W (m +1)=0.<br />
\]

Rozwiązanie

Warunek $ W(m) = W(m +1) = 0 $ oznacza, że $ W(x)=(x-m)(x-m+1) $, czyli $ W(x)=x^{2}-(2m+1)x+m^{2}+m $. Należy zatem wykazać, że istnieje taka liczba całkowita $ m $, że

\[<br />
a=-2m-1\ \textrm{oraz}\ b=m^{2}+m.<br />
\]

Ustalmy liczbę pierwszą $ p $. Wówczas dla pewnej liczby całkowitej $ k $ liczby

\[<br />
A=W(k)=k^{2}+ak+b,<br />
\]
\[<br />
B=W(k+1)=k^{2}+(a+2)k+(a+b+1).<br />
\]

są podzielne przez $ p $. Przez $ p $ dzielą się więc kolejno następujące liczby:

\[<br />
C=B-A=2k+(a+1),<br />
\]
\[<br />
D=2A-kC=(a-1)k+2b,<br />
\]
\[<br />
E=(a-1)C-2D=a^{2}-4b-1.<br />
\]

Liczba $ E $ jest wyznaczona przez współczynniki wielomianu $ W $ i nie zależy od $ k $. Przeprowadzając to rozumowanie dla każdej liczby pierwszej $ p $ stwierdzamy, że liczba $ E $ jest podzielna przez każdą liczbę pierwszą $ p $ i w konsekwencji $ E = 0 $. Stąd wynika, że liczba $ a $ jest nieparzysta, tzn. $ a = -2m-1 $ dla pewnej liczby całkowitej $ m $, oraz $ b= \frac{1}{4}(a^{2}-1)=m^{2}+m $.

LVI OM - II - Zadanie 5

Zawody matematyczne: 
LVI OM, 2004-2005
Etap: 
II

Dany jest romb $ ABCD $, w którym $ \measuredangle BAD > 60^{\circ} $. Punkty $ E $ i $ F $ leżą odpowiednio na bokach $ AB $ i $ AD $, przy czym $ \measuredangle ECF = \measuredangle ABD $. Proste $ CE $ i $ CF $ przecinają przekątną $ BD $ odpowiednio w punktach $ P $ i $ Q $. Wykazać, że

\[<br />
\frac{PQ}{EF}=\frac{AB}{BD}.<br />
\]

Rozwiązanie

Z równości $ \measuredangle FDQ = \measuredangle PCQ $ wynika, że trójkąty $ FDQ $ i $ PCQ $ są podobne. Ponieważ punkty $ A $ i $ C $ są symetryczne względem prostej $ BD $, więc trójkąty $ PCQ $ i $ PAQ $ są przystające oraz

\[<br />
\measuredangle  APQ = \measuredangle CPQ = \measuredangle DFQ = 180^{\circ} - \measuredangle AFQ.<br />
\]

Równość ta oznacza, że punkty $ A $, $ P $, $ Q $, $ F $ leżą na jednym okręgu. Podobnie dowodzimy, że punkty $ A $, $ P $, $ Q $, $ E $ leżą na jednym okręgu. Istnieje więc okrąg przechodzący przez punkty $ A $, $ P $, $ Q $, $ E $ i $ F $.

om56_2r_img_3.jpg

Z zależności $ \measuredangle CPQ = \measuredangle CFE $ wnioskujemy, że trójkąty $ CPQ $ i $ CFE $ są podobne. Analogicznie uzyskujemy podobieństwo trójkątów $ DQF $ i $ DAP $. Ponadto podobne są trójkąty $ PAQ $ i $ ABQ $. Stąd

\[<br />
\frac{EF}{PQ}=\frac{FC}{PC}=\frac{FQ+AQ}{PC}=\frac{FQ}{PA}+\frac{AQ}{PA}=\frac{DQ}{AD}+\frac{BQ}{AB}=\frac{BD}{AB},<br />
\]

co należało wykazać.

LVI OM - II - Zadanie 6

Zawody matematyczne: 
LVI OM, 2004-2005
Etap: 
II

Liczby $ a $, $ b $, $ c $ należą do przedziału $ \langle 0;1\rangle $. Udowodnić, że

\[<br />
\frac{a}{bc+1}+\frac{b}{ca+1}+\frac{c}{ab+1}\leq 2.<br />
\]

Rozwiązanie

Wykażemy, że dla dowolnych liczb $ a $, $ b $, $ c $ należących do przedziału $ \langle 0; 1\rangle $ zachodzi nierówność

\[<br />
(1) \qquad \frac{a}{bc+1}\leq\frac{2a}{a+b+c}.<br />
\]

Istotnie: jeśli $ a = 0 $, to powyższa nierówność jest spełniona. Dla $ a>0 $ zależność (1) jest równoważna nierówności $ a + b + c \leq 2bc + 2 $, którą można zapisać jako

\[<br />
a \leq 1 + bc + (b- 1)(c-1).<br />
\]

Ostatnia nierówność jest spełniona - wynika ona bezpośrednio z zależności $ a \leq 1 $, $ 0 \leq bc $, $ 0 \leq (b - 1)(c - 1) $. To kończy dowód własności (1).

Analogicznie dowodzimy, że

\[<br />
(2) \qquad \frac{b}{ca+1}\leq\frac{2b}{a+b+c}\ \textrm{oraz}\  \frac{c}{ab+1}\leq\frac{2c}{a+b+c}.<br />
\]

Dodając stronami nierówności (1) oraz (2) uzyskujemy tezę.

LVI OM - III etap

III etap LVI Olimpiady Matematycznej

ZałącznikWielkość
LVI OM III etap - Zadania [6]67.92 KB
LVI OM III etap - Zadania z rozwiązaniami [7]129.64 KB

LVI OM - III - Zadanie 1

Zawody matematyczne: 
LVI OM, 2004-2005
Etap: 
III

Wyznaczyć wszystkie trójki $ (x,y,n) $ liczb całkowitych dodatnich spełniające równanie

\[<br />
(x-y)^n=xy.<br />
\]

Rozwiązanie

Dla $ n = 1 $ podane równanie ma postać $ (x + 1)(y - 1) = -1 $, więc nie ma rozwiązań w liczbach całkowitych dodatnich. Przyjmijmy zatem, że $ n \geq 2 $.

Niech $ z = x - y $. Dane równanie przybiera postać $ x^{2}-xz =z^{n} $. Po przemnożeniu przez 4 i prostym przekształceniu uzyskujemy

\[<br />
(1) \qquad (2x-z)^{2}=z^{2}(1+4z^{n-2}).<br />
\]

Stąd wynika, że czynnik $ 1+4z^{n-2} $ jest kwadratem liczby całkowitej. Ponieważ jest to liczba nieparzysta większa od 1, więc dla pewnej liczby całkowitej dodatniej $ t $ mamy $ 1+4z^{n-2}=(2t+1)^{2} $, czyli

\[<br />
z^{n-2}=t(t+1).<br />
\]

Dla $ n = 2 $ uzyskujemy $ 1 = t(t + 1) $, co nie może być spełnione, gdyż liczba $ t(t + 1) $ jest parzysta dla każdej liczby całkowitej $ t $. Zatem jeśli $ n = 2 $, to dane równanie nie ma rozwiązań w liczbach całkowitych dodatnich.

Dla $ n = 3 $ mamy $ z = t(t+ 1) $. Wstawiając to wyrażenie do równania (1) wyznaczamy niewiadomą $ x $. Po kilku przekształceniach otrzymujemy

\[<br />
x=t(t+1)^{2}\ \text{lub}\ x=-t^{2}(t+1).<br />
\]

Ponieważ $ t> 0 $, a $ x $ jest liczbą dodatnią, to druga z wyznaczonych wartości $ x $ odpada. Ponadto $ y=x-z =t(t+1)^{2}-t(t+1)=t^{2}(t+1) $. Znaleźliśmy w ten sposób następujące trójki:

\[<br />
(2) \qquad (x,y,n) =(t(t+1)^{2},\ t^{2}(t+1), 3),\  \textrm{gdzie}\ t =1,2,3, \ldots<br />
\]

Bezpośrednio sprawdzamy, że są one rozwiązaniami danego równania.

Pozostał do rozpatrzenia przypadek $ n \geq 4 $. Ponieważ liczby $ t $, $ t + 1 $ są względnie pierwsze, a ich iloczyn jest $ (n-2) $-gą potęgą liczby całkowitej dodatniej, to każda z tych liczb musi być $ (n-2) $-gą potęgą liczby całkowitej dodatniej. Jednak dla $ n \geq 4 $ nie istnieją dwie kolejne liczby całkowite dodatnie będące $ (n-2) $-gimi potęgami liczb całkowitych. Zatem jeśli $ n \geq 4 $, to dane równanie nie ma rozwiązań w liczbach całkowitych dodatnich.

Reasumując: dane równanie ma rozwiązanie $ (x,y) $ w liczbach całkowitych dodatnich tylko dla $ n = 3 $. Wszystkie rozwiązania są dane wzorem (2).

LVI OM - III - Zadanie 2

Zawody matematyczne: 
LVI OM, 2004-2005
Etap: 
III

Punkty $ A $, $ B $, $ C $, $ D $ leżą, w tej właśnie kolejności, na okręgu $ o $. Punkt $ S $ leży wewnątrz okręgu $ o $ i spełnia warunki

\[<br />
\measuredangle SAD = \measuredangle SCB \ \textrm{oraz}\ \measuredangle SDA = \measuredangle SBC.<br />
\]

Prosta zawierająca dwusieczną kąta $ ASB $ przecina okrąg $ o $ w punktach $ P $ i $ Q $. Dowieść, że $ PS = QS $.

Rozwiązanie

Przyjmijmy, że proste $ AS $, $ BS $, $ CS $ przecinają okrąg $ o $ po raz drugi odpowiednio w punktach $ E $, $ F $, $ G $ (rys. 1). Z danych w zadaniu równości wynika podobieństwo trójkątów $ ASD $ i $ CSB $, a stąd

\[<br />
\frac{AS}{CS}=\frac{DS}{BS} \ \textrm{oraz}\ \measuredangle BSC =\measuredangle DSA,<br />
\]

więc i $ \measuredangle ASC = \measuredangle DSB $. Równości te dowodzą, że trójkąty $ ASC $ i $ DSB $ są podobne, skąd w szczególności dostajemy $ \measuredangle ACS = \measuredangle DBS $. Stąd wniosek, że łuki $ GA $ i $ FD $ okręgu $ o $ są równe (pisząc „łuk $ XY $" mamy na myśli łuk biegnący wzdłuż okręgu $ o $ od punktu $ X $ do punktu $ Y $ w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara). Analogicznie, z równości $ \measuredangle SAD = \measuredangle SCB $ wnioskujemy, że łuki $ GB $ i $ ED $ są równe. Zatem także łuki $ AB $ i $ EF $ są równe.

om56_3r_img_1.jpg
om56_3r_img_2.jpg

Czworokąt $ ABEF $ jest więc trapezem równoramiennym, a punkt $ S $ jest punktem przecięcia jego przekątnych (rys. 2). Przyjmijmy, że punkt $ P $ leży na tym łuku $ AB $ okręgu $ o $, który nie zawiera punktów $ C $ i $ D $. Z równości

\[<br />
\measuredangle PSA = \frac{1}{2}\measuredangle ASB =\frac{1}{2}(\measuredangle FAS+\measuredangle AFS)=\measuredangle  FAS<br />
\]

wynika, że prosta $ PQ $ jest równoległa do prostych $ BE $ i $ AF $. Stąd wniosek, że punkty $ A $, $ P $, $ B $ są odpowiednio obrazami punktów $ F $, $ Q $, $ E $ w symetrii względem symetralnej odcinków $ AF $ i $ BE $. Zatem $ PS = QS $.

LVI OM - III - Zadanie 3

Zawody matematyczne: 
LVI OM, 2004-2005
Etap: 
III

W kwadratowej tablicy o wymiarach $ 2n \times 2n $, gdzie $ n $ jest liczbą naturalną, znajduje się $ 4n^2 $ liczb rzeczywistych o sumie równej 0 (na każdym polu tablicy jedna liczba). Wartość bezwzględna każdej z tych liczb jest nie większa od 1. Dowieść, że wartość bezwzględna sumy wszystkich liczb z pewnego rzędu (poziomego lub pionowego) nie przekracza $ n $.

Rozwiązanie

Ponumerujmy wiersze i kolumny danej tablicy liczbami $ 1,2,\ldots, 2n $.

Niech $ r_1,r_2,\ldots ,r_{2n} $ będą sumami liczb napisanych w wierszach o numerach $ 1,2,\ldots,2n $, a $ c_1,c_2,\ldots,c_{2n} $ sumami liczb znajdujących się w kolumnach o numerach $ 1,2,\ldots,2n $. Zmieniając numerację wierszy oraz kolumn możemy założyć, że $ r_1 \geq r_2 \geq \ldots \geq r_{2n} $ oraz $ c_i \geq c_2 \geq \ldots \geq c_{2n} $.

Oznaczmy przez $ A $, $ B $, $ C $, $ D $ sumy liczb w czterech ćwiartkach tablicy, jak pokazuje rysunek 3.

Wówczas $ A + B + C + D = 0 $, skąd wynika, że w ciągu $ (A,B,C,D,A) $ istnieją dwie kolejne liczby, z których jedna jest nieujemna, a druga niedodatnia. Przyjmijmy na przykład, że $ AB \leq 0 $. Rozumowanie w pozostałych przypadkach jest analogiczne.

om56_3r_img_3.jpg

Liczby $ A $ i $ B $ powstały z sumowania $ n^2 $ liczb rzeczywistych o wartości bezwzględnej nie większej niż 1, a więc $ |A| \leq n^2 $ oraz $ |B| \leq n^2 $. Jedna z liczb $ A $, $ B $ jest nieujemna, a druga niedodatnia, więc $ |A + B| \leq max(|A|,|B|) \leq n^2 $. Stąd otrzymujemy również $ |C + D| = | A + B| \leq n^2 $.

Jeżeli $ r_n \geq 0 $, to liczby $ r_1 ,r_2,\ldots,r_n $ są nieujemne. Wtedy ich suma $ A + B $ jest też nieujemna, skąd uzyskujemy $ r_1 + r_2 +\ldots + r_n = A + B \leq n^2 $. Zatem co najmniej jedna z (nieujemnych) liczb $ r_1,r_2,\ldots ,r_n $ nie przekracza $ n $.

Jeżeli natomiast $ r_n < 0 $, to liczby $ r_{n+1},r_{n+2},\ldots, r_{2n} $ są ujemne i ich suma wynosi $ C + D $. Wtedy $ |r_{n+1}| + |r_{n+2}| +\ldots + |r_{2n}| = |C + D|\leq n^2 $. Stąd wynika, że co najmniej jedna z liczb $ |r_{n+1}, |r_{n+2}|,\ldots,|r_{2n}| $ nie przekracza $ n $.

To dowodzi zadania.

LVI OM - III - Zadanie 4

Zawody matematyczne: 
LVI OM, 2004-2005
Etap: 
III

Dana jest liczba rzeczywista $ c> -2 $. Dowieść, że jeżeli liczby $ x_1, x_2,... ,x_n $ ($ n \geq 2 $) są dodatnie oraz

\[<br />
\begin{array}{r}<br />
\sqrt{x_{1}^{2}+cx_{1}x_{2}+x_{2}^{2}}+\sqrt{x_{2}^{2}+cx_{2}x_{3}+x_{3}^{2}}+\ldots+\sqrt{x_{n}^{2}+cx_{n}x_{1}+x_{1}^{2}}=\\<br />
=\sqrt{c+2}(x_{1}+x_{2}+\ldots+x_{n}),<br />
\end{array}<br />
\]

to $ c =2 $ lub $ x_1 = x_2 = \ldots = x_n $.

Rozwiązanie

Wprowadźmy następujące oznaczenia:

\[<br />
a_{i}=\sqrt{c+2}(x_{i}+x_{i+1})\ \textrm{oraz}\ b_{i}=2\sqrt{x_{i}^{2}+cx_{i}x_{i+1}+x_{i+1}^{2}}\ \textrm{dla}\ i=1,2, \ldots, n,<br />
\]

przyjmując $ x_{n+1} = x_1 $. Liczby $ a_i $ są dodatnie. Redukując wyrazy podobne otrzymujemy zależność $ a_{i}^{2}-b_{i}^{2}=(c-2)(x_{i}-x_{i+1})^{2} $. Stąd oraz z danej w treści zadania równości dostajemy

\[<br />
0=\sum_{i=1}^{n}(a_{i}-b_{i})=\sum_{i=1}^{n}\frac{a_{i}^{2}-b_{i}^{2}}{a_{i}+b_{i}}=(c-2)\sum_{i=1}^{n}\frac{(x_{i}-x_{i+1})^{2}}{a_{i}+b_{i}}.<br />
\]

Prawa strona powyższej równości jest równa 0 jedynie wtedy, gdy $ c = 2 $ lub $ x_1 = x_2 = \ldots = x_n $.

LVI OM - III - Zadanie 5

Zawody matematyczne: 
LVI OM, 2004-2005
Etap: 
III

Niech $ k $ będzie liczbą naturalną większą od 1 i niech $ m = 4k^2 - 5 $.

Wykazać, że istnieją takie liczby całkowite dodatnie $ a $, $ b $, że każdy wyraz ciągu $ (x_n) $ określonego wzorami

\[<br />
x_{1}=a,\ x_{2}=b,\ x_{n+2}=x_{n+1}+x_{n}\ \textrm{dla}\ n\geq 1<br />
\]

jest względnie pierwszy z liczbą $ m $.

Rozwiązanie

Wykażemy, że warunki zadania spełniają liczby $ a = 1 $, $ b = 2k^2 + k - 2 $. Udowodnimy indukcyjnie, że $ x_n \equiv b^{n-1}(\mathrm{mod}\ m) $ dla $ n = 1,2,3,... $ . Dla $ n = 1 $ i $ n = 2 $ zależność ta jest oczywiście spełniona.

Korzystając ze związku $ 4k^2\equiv 5(\mathrm{mod}\ m) $ uzyskujemy kolejno:

\[<br />
2b=4k^{2}+2k-4\equiv 2k+1(\mathrm{mod}\ m),<br />
\]
\[<br />
4b^{2}\equiv 4k^{2}+4k+1\equiv 4k+6\equiv 4b+4(\mathrm{mod}\ m).<br />
\]

Liczby 4 i $ m $ są względnie pierwsze, więc $ b^2\equiv b+1(\mathrm{mod}\ m) $. Stąd i z założenia indukcyjnego dostajemy

\[<br />
x_{n+2}=x_{n+1}+x_{n}\equiv b^{n}+b^{n-1}\equiv b^{n+1}(\mathrm{mod}\ m).<br />
\]

Dowód indukcyjny jest zakończony.

Z uzyskanej w tym dowodzie zależności $ b^2 \equiv b +1 (\mathrm{mod}\ m) $ wynika, że liczby $ b $ i $ m $ są względnie pierwsze. Skoro zaś $ x_n \equiv b^{n-1} (\mathrm{mod}\ m) $, wnosimy stąd, że (dla każdego $ n $) liczby $ x_n $ i $ m $ są względnie pierwsze.

LVI OM - III - Zadanie 6

Zawody matematyczne: 
LVI OM, 2004-2005
Etap: 
III

Udowodnić, że każdy wielokąt wypukły o polu 1 zawiera sześciokąt wypukły o polu nie mniejszym niż 3/4.

Rozwiązanie

Spośród wierzchołków danego wielokąta $ \mathcal{W} $ wybieramy trzy $ A $, $ B $ i $ C $ będące wierzchołkami trójkąta o największym polu, równym $ s $. Niech $ X $ będzie punktem wielokąta $ \mathcal{W} $, leżącym po przeciwnej stronie prostej $ BC $ niż punkt $ A $ i oddalonym najdalej od prostej $ BC $ (rys. 4). Analogicznie definiujemy punkty $ Y $ i $ Z $.

om56_3r_img_4.jpg

Wykażemy, że pole sześciokąta $ AZBXCY $ jest nie mniejsze niż 3/4, co zakończy rozwiązanie zadania.

Przez punkty $ A $, $ B $ i $ C $ poprowadźmy proste równoległe odpowiednio do prostych $ BC $, $ CA $ i $ AB $ wyznaczające trójkąt o wierzchołkach $ D $, $ E $, $ F $ (rys. 5). Z faktu, iż trójkąt $ ABC $ ma największe pole spośród wszystkich trójkątów o wierzchołkach w wierzchołkach wielokąta $ \mathcal{W} $ wynika, że wielokąt $ \mathcal{W} $ jest zawarty w trójkącie $ DEF $.

Przez punkty $ X $, $ Y $, $ Z $ prowadzimy proste równoległe odpowiednio do prostych $ BC $, $ CA $, $ AB $ przecinające boki trójkąta $ DEF $ w punktach $ K $, $ L $, $ M $, $ N $, $ P $, $ Q $, jak na rysunku 5. Z określenia punktów $ X $, $ Y $, $ Z $ wynika, że wielokąt $ \mathcal{W} $ jest zawarty w sześciokącie o wierzchołkach $ K $, $ L $, $ M $, $ N $, $ P $, $ Q $.

Oznaczmy przez $ s $ pole trójkąta $ ABC $. Wówczas każdy z trójkątów $ BCD $, $ CAE $ i $ ABF $ ma pole równe $ s $. Niech ponadto $ x $, $ y $, $ z $ oznaczają odpowiednio pola trójkątów $ BCX $, $ CAY $ i $ ABZ $. Należy wykazać, że $ x + y + z + s \geq 3/4 $.

Niech $ J $ będzie takim punktem, że czworokąt $ CBJL $ jest równoległobokiem. Wówczas trójkąty $ CBD $ i $ JKB $ są podobne. Oznaczając przez $ [\mathcal{F}] $ pole figury $ \mathcal{F} $, mamy zależności

\[<br />
\frac{[JKB]}{[CBD]}=\left(\frac{KB}{BD}\right)^{2}=\left(\frac{[CBK]}{[CBD]}\right)^{2}=\left(\frac{[CBX]}{[CBD]}\right)^{2}=\frac{x^{2}}{s^{2}},<br />
\]

czyli $ [JKB] = x^2/s $. Stąd otrzymujemy

\[<br />
[CBKL]=[CBJL]-[JKB]=2x-[JKB]=2x-\frac{x^{2}}{s}.<br />
\]

om56_3r_img_5.jpg

Analogicznie wyrażamy pola trapezów $ ACMN $ i $ BAPQ $. Zatem pole sześciokąta o wierzchołkach $ K $, $ L $, $ M $, $ N $, $ P $, $ Q $ wynosi

\[<br />
s + \left(2x-\frac{x^{2}}{s}\right) + \left(2y-\frac{y^{2}}{s}\right) + \left(2z-\frac{z^{2}}{s}\right) = s+2x+2y+2z-\frac{x^{2}+y^{2}+z^{2}}{s}.<br />
\]

Ponieważ sześciokąt ten zawiera dany wielokąt $ \mathcal{W} $, więc

\[<br />
s+2x+2y+2z-\frac{x^{2}+y^{2}+z^{2}}{s}\geq 1.<br />
\]

Wystarczy zatem wykazać, że

\[<br />
s+x+y+z\geq\frac{3}{4}\left(s+2x+2y+2z-\frac{x^{2}+y^{2}+z^{2}}{s}\right).<br />
\]

Mnożąc obie strony tej nierówności przez $ 12s $ oraz redukując wyrazy podobne uzyskujemy jej równoważną postać:

\[<br />
(3x-s)^{2}+(3y-s)^{2}+(3z-s)^{2}\geq 0,<br />
\]

a ta ostatnia nierówność jest oczywiście spełniona.

  • Olimpiada Matematyczna
© 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/25

Odnośniki:
[1] https://archom.ptm.org.pl/sites/default/files/om56-komunikat.pdf
[2] https://archom.ptm.org.pl/sites/default/files/om56_1.pdf
[3] https://archom.ptm.org.pl/sites/default/files/om56_1r.pdf
[4] https://archom.ptm.org.pl/sites/default/files/om56_2.pdf
[5] https://archom.ptm.org.pl/sites/default/files/om56_2r.pdf
[6] https://archom.ptm.org.pl/sites/default/files/om56_3.pdf
[7] https://archom.ptm.org.pl/sites/default/files/om56_3r.pdf