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

Strona główna > Wersja do wydruku > Wersja do wydruku

XLVIII OM - II etap

II etap XLVIIIOlimpiady Matematycznej

ZałącznikWielkość
XLVIII OM II etap - Zadania [1]42.17 KB
XLVIII OM II etap - Rozwiązania [2]74.74 KB

XLVIII OM - II - Zadanie 1

Zawody matematyczne: 
XLVIII OM, 1996-1997
Etap: 
II

Dla każdej liczby rzeczywistej $ a $ wyznaczyć liczbę uporządkowanych trójek liczb rzeczywistych $ (x, y, z) $ spełniających układ równań

\[<br />
\left\{\begin{array}{l}<br />
x + y^2 + z^2 = a\\<br />
x^2 + y + z^2 = a\\<br />
x^2 + y^2 + z = a<br />
\end{array}<br />
\right.<br />
\]

Rozwiązanie

Podstawienie: $ x=u+\frac{1}{2} $, $ y=v+\frac{1}{2} $, $ z=w+\frac{1}{2} $ sprowadza dany układ równań do postaci:

\[<br />
(*) \qquad \left\{<br />
\begin{split}<br />
v^2 + w^2 + u + v + w + 1 = a\\<br />
w^2 + u^2 + u + v + w + 1 = a\\<br />
u^2 + v^2 + u + v + w + 1 = a\\<br />
\end{split}<br />
\right.<br />
\]

skąd przez odejmowanie stronami: $ u^2 = v^2 = w^2 $. Zatem każde rozwiązanie $ (u, v, w) $ układu (*) ma dokładnie jedną z następujących postaci:

\[<br />
(1) \qquad (t,t,t);\qquad t\in \mathbb{R};<br />
\]
\[<br />
(2) \qquad (-t,t,t) \quad \textrm{lub}\quad   (t,-t,t)\quad \textrm{lub}\quad (t,t,-t); \qquad t\in \mathbb{R}, t \neq 0.<br />
\]

Dla $ u = v = w = t $ układ (*) sprowadza się do równania

\[<br />
(1') \qquad 2t^2 + 3t + (1-a) = 0;<br />
\]

gdy zaś dwie z liczb $ u $, $ v $, $ w $ są równe $ t $, trzecia $ -t $ ($ t \neq 0 $), układ (*) sprowadza się do równania

\[<br />
(2')\qquad 2t^2 + t + (1 - a) = 0.<br />
\]

Liczba rozwiązań $ (u,v,w) $ układu (*) mających postać (1) jest równa liczbie pierwiastków równania (1'); oznaczmy ją przez $ N_1 $. Liczba rozwiązań $ (u,v,w) $ postaci (2) jest równa $ 3N_2 $ gdzie $ N_2 $ oznacza liczbę pierwiastków równania (2') różnych od zera. Obliczamy wyróżniki trójmianów (1') i (2'): $ \Delta_1 = 8a + 1 $, $ \Delta_2 = 8a - 7 $. Zatem:

\[<br />
N_1=\left\{\begin{array}{lll}<br />
0&\textrm{gdy}&a<-1/8,\\<br />
1&\textrm{gdy}&a=-1/8,\\<br />
2&\textrm{gdy}&a>-1/8,<br />
\end{array}<br />
\right.\<br />
N_2=\left\{\begin{array}{lll}<br />
0&\textrm{gdy}&a<7/8,\\<br />
1&\textrm{gdy}&a=7/8\ \textrm{lub}\ a=1,\\<br />
2&\textrm{gdy}&a>7/8,\ a\neq 1.<br />
\end{array}<br />
\right.<br />
\]

Liczba rozwiązań układu (*) jest więc równa:

\[<br />
N=N_1+3N_2=\left\{\begin{array}{lll}<br />
0&\textrm{gdy}&a<-1/8,\\<br />
1&\textrm{gdy}&a=-1/8,\\<br />
2&\textrm{gdy}&-1/8<a<7/8,\\<br />
5&\textrm{gdy}&a=7/8\ \textrm{lub}\ a=1,\\<br />
8&\textrm{gdy}&a>7/8\ \textrm{lub}\ a\neq 1.<br />
\end{array}<br />
\right.<br />
\]

XLVIII OM - II - Zadanie 2

Zawody matematyczne: 
XLVIII OM, 1996-1997
Etap: 
II

Punkt $ P $ leży wewnątrz trójkąta $ ABC $ i spełnia warunki:

\[<br />
\measuredangle PBA = \measuredangle PCA = \frac{1}{3}(\measuredangle ABC + \measuredangle ACB).<br />
\]

Udowodnić, że

\[<br />
\frac{AC}{AB+PC}=\frac{AB}{AC+PB}.<br />
\]

Rozwiązanie

Oznaczmy przez $ K $ punkt przecięcia prostych $ BP $ i $ AC $, zaś przez $ L $ punkt przecięcia prostych $ CP $ i $ AB $. Na mocy warunków zadania mamy:

\[<br />
\begin{split}<br />
\measuredangle KPC &= \measuredangle PBC + \measuredangle PCB = \measuredangle ABC - \measuredangle ABP + \measuredangle ACB - \measuredangle ACP =\\<br />
&= \measuredangle ABC + \measuredangle ACB - 2 \cdot \frac{1}{3}(\measuredangle ABC + \measuredangle ACB) = \\<br />
&= \frac{1}{3}(\measuredangle ABC + \measuredangle ACB) = \measuredangle PCK,<br />
\end{split}<br />
\]

co dowodzi, że $ KP = KC $. Analogicznie $ LP = LB $. Trójkąty $ ABK $ oraz $ ACL $ są podobne, więc dostajemy

\[<br />
\frac{AB}{AC}=\frac{AK+KB}{AL+LC}=\frac{AC-KC+KP+PB}{AB-LB+LP+PC}=\frac{AC+PB}{AB+PC},<br />
\]

czyli równość, którą należało udowodnić.

XLVIII OM - II - Zadanie 3

Zawody matematyczne: 
XLVIII OM, 1996-1997
Etap: 
II

Dany jest zbiór $ n $ punktów ($ n \geq 2 $), z których żadne trzy nie leżą na jednej prostej. Kolorujemy wszystkie odcinki o końcach w tym zbiorze tak, by każde dwa odcinki o wspólnym końcu miały różne kolory. Wyznaczyć najmniejszą liczbę kolorów, dla której istnieje takie pokolorowanie.

Rozwiązanie

Przyjmijmy, że dane punkty są wierzchołkami pewnego $ n $-kąta (jeśli $ n = 2 $, wystarczy oczywiście jeden kolor). Wszystkie odcinki o jednakowym kolorze wyznaczają rozłączne pary wierzchołków wielokąta. Maksymalna liczba rozłącznych podzbiorów dwuelementowych zbioru $ n $-elementowego wynosi $ [n/2] $. Zatem liczba kolorów jest nie mniejsza niż

\[<br />
{n \choose 2}\left[\frac{n}{2}\right]^{-1}=\left\{<br />
\begin{array}{cl}<br />
n & \textrm{dla $n$ nieparzystych},\\<br />
n-1 & \textrm{dla $n$ parzystych}.<br />
\end{array}\right.<br />
\]

Wykażemy, że ta liczba kolorów wystarcza do spełnienia żądanego warunku.

Gdy $ n $ jest liczbą nieparzystą, bierzemy zbiór wierzchołków $ n $-kąta foremnego i malujemy jednakowym kolorem bok i wszystkie równoległe do niego przekątne; odcinki nierównoległe malujemy różnymi kolorami. Użyliśmy $ n $ kolorów.

Gdy $ n $ jest liczbą parzystą, bierzemy zbiór wierzchołków $ (n-1) $-kąta foremnego $ V $ oraz jeszcze jeden punkt $ P_0 $. Kolorujemy boki i przekątne wielokąta $ V $ w sposób opisany powyżej, używając $ n - 1 $ kolorów. Dla każdej rodziny równoległych odcinków jednakowego koloru $ k_i $, pozostaje jeden wierzchołek $ P_i $ wielokąta $ V $ nie będący końcem żadnego z tych odcinków. Malujemy odcinek $ P_0P_i $, kolorem $ k_i $. Użyliśmy $ n - 1 $ kolorów, spełniając wymagany warunek.

XLVIII OM - II - Zadanie 4

Zawody matematyczne: 
XLVIII OM, 1996-1997
Etap: 
II

Wyznaczyć wszystkie trójki liczb całkowitych dodatnich mających następującą własność: iloczyn dowolnych dwóch z nich daje resztę $ 1 $ przy dzieleniu przez trzecią liczbę.

Rozwiązanie

Niech $ a $, $ b $, $ c $ będą liczbami, jakich szukamy. Z podanych warunków wynika, że są to liczby większe od $ 1 $, parami względnie pierwsze. Liczba $ bc+ca+ab- 1 $ dzieli się przez $ a $, przez $ b $ i przez $ c $, dzieli się więc także przez iloczyn $ abc $:

\[<br />
(1) \qquad bc +ca +ab = kabc+1 \ (\textrm{$k$ - liczba całkowita}).<br />
\]

Po podzieleniu stronami przez $ abc $:

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

Suma po lewej stronie równości (1) jest większa od $ 1 $, więc $ k > 0 $. Suma po lewej stronie (2) jest mniejsza od $ 2 $, więc $ k < 2 $. Zatem $ k = 1 $. Prawa strona (2) jest większa od $ 1 $, więc największa z liczb $ 1/a $, $ 1/b $, $ 1/c $ przekracza $ 1/3 $. Przyjmując, że $ a > b > c $ wnosimy stąd, że $ c = 2 $. Równość (1) przybiera postać $ 2a + 2b + ab = 2ab + 1 $, czyli $ (a - 2)(b - 2) = 3 $. Stąd $ a = 5 $, $ b = 3 $, $ c = 2 $. Te liczby spełniają warunki zadania i są (z dokładnością do permutacji) jego jedynym rozwiązaniem.

XLVIII OM - II - Zadanie 5

Zawody matematyczne: 
XLVIII OM, 1996-1997
Etap: 
II

Rzucamy $ k $ kostkami sześciennymi białymi i $ m $ czarnymi. Obliczyć prawdopodobieństwo tego, że reszta z dzielenia przez $ 7 $ łącznej liczby oczek wyrzuconych na kostkach białych jest równa reszcie z dzielenia przez $ 7 $ łącznej liczby oczek wyrzuconych na kostkach czarnych.

Rozwiązanie

Zbiorem zdarzeń elementarnych w tym zadaniu jest

\[<br />
\Omega=\{(b_1,\ldots,b_k,c_1,\ldots,c_m) : b_1,\ldots,b_k,c_1,\ldots,c_m \in \{1,2,\ldots,6\}\},<br />
\]

gdzie wszystkie zdarzenia elementarne są jednakowo prawdopodobne. Niech $ A $ oznacza zdarzenie, którego prawdopodobieństwa szukamy:

\[<br />
A = \{(b_1,\ldots,b_k,c_1,\ldots,c_m) \in \Omega : 7|(b_1+\ldots+b_k-c_1-\ldots-c_m)\}.<br />
\]

Niech zaś $ B $ będzie zdarzeniem, że łączna liczba wyrzuconych oczek na wszystkich $ k + m $ kostkach jest podzielna przez $ 7 $:

\[<br />
B = \{(b_1,\ldots,b_k,c_1,\ldots,c_m) \in \Omega : 7|(b_1+\ldots+b_k+c_1+\ldots+c_m)\}.<br />
\]

Przekształcenie dane wzorem

\[<br />
(b_1,\ldots,b_k,c_1,\ldots,c_m)\mapsto (b_1,\ldots,b_k,7-c_1,\ldots,7-c_m)<br />
\]

jest odwzorowaniem wzajemnie jednoznacznym zbioru $ A $ na zbiór $ B $. Zbiory $ A $ i $ B $ są więc równoliczne, a zatem prawdopodobieństwa zdarzeń $ A $ i $ B $ są jednakowe.

Oznaczmy przez $ p_{n,r} $ ($ n \geq 1 $, $ r = 0,1,\ldots, 6 $) prawdopodobieństwo tego, że przy rzucie $ n $ kostkami reszta przy dzieleniu przez $ 7 $ łącznej liczby wyrzuconych oczek jest równa $ r $. Wówczas $ p_{1,0} = 0 $, $ p_{1,1} = p_{1,2} = \ldots = p_{1,6} = 1/6 $.

Ze wzoru na prawdopodobieństwo całkowite dostajemy dla $ n = 1,2,3,\ldots $ równość:

\[<br />
(*)\qquad p_{n+1,0}=p_{1,0}\cdot p_{n,0}+\sum_{r=1}^6p_{1,7-r}\cdot p_{n,r}=\frac{1}{6} \sum_{r=1}^6 p_{n,r}=\frac{1}{6}(1-p_{n,0}).<br />
\]

Wprowadzając oznaczenie $ q_n = p_{n,0} - \frac{1}{7} $, ze wzoru (*) otrzymujemy równość

\[<br />
q_{n+1} = q_n \cdot \left(-\frac{1}{6}\right)\qquad  \textrm{dla}\  n \geq 1.<br />
\]

Stąd przez łatwą indukcję

\[<br />
q_n = q_1 \left(-\frac{1}{6}\right)^{n-1}=\frac{(-1)^n}{7\cdot 6^{n-1}}\qquad  \textrm{dla}\  n \geq 1.<br />
\]

Ostatecznie więc

\[<br />
P(A) = P(B) = p_{k+m,0} = \frac{1}{7} + q_{k+m} = \frac{1}{7} + \frac{(-1)^{k+m}}{7\cdot 6^{k+m-1}}<br />
\]

XLVIII OM - II - Zadanie 6

Zawody matematyczne: 
XLVIII OM, 1996-1997
Etap: 
II

W sześcianie o krawędzi długości $ 1 $ leży osiem punktów. Wykazać, że pewne dwa z nich są końcami odcinka o długości nie większej niż $ 1 $.

Rozwiązanie

Oznaczmy wierzchołki danego sześcianu $ \mathcal{C} $ przez $ A_1,\ldots, A_8 $. Oznaczmy przez $ \mathcal{C}_i $ sześcian o krawędzi długości $ \frac{1}{2} $, mający jeden wierzchołek w punkcie $ A_i $ oraz trzy ściany zawarte w ścianach sześcianu $ \mathcal{C} $. Niech $ P_1,\ldots,P_8 $ będą ośmioma danymi punktami.

Każdy sześcian $ \mathcal{C}_i $ ma średnicę $ \frac{1}{2}\sqrt{3} < 1 $. Jeśli więc pewne dwa różne punkty $ P_k $, $ P_l $ leżą w którymś z sześcianów $ \mathcal{C}_i $, to $ P_kP_l < 1 $; wymagany warunek jest spełniony.

Załóżmy zatem, że każdy z tych sześcianów zawiera dokładnie jeden punkt $ P_i $. Ustalmy numerację tak, by $ P_i \in \mathcal{C}_i $ dla $ i = 1,\ldots, 8 $. Sześcian $ \mathcal{C}_i $ ma dokładnie trzy ściany wspólne z powierzchnią sześcianu $ \mathcal{C} $; punkt $ P_i $, jest odległy od każdej z tych trzech ścian o nie więcej niż $ 1/2 $. Oznaczmy te trzy odległości przez $ a_i $, $ b_i $, $ c_i $. Niech $ d $ będzie największą spośród $ 24 $ liczb: $ a_1,b_1,c_1,\ldots,a_8,b_8,c_8 $. Bez straty ogólności możemy przyjąć, że $ d = P_1Q $, gdzie $ Q $ jest rzutem prostokątnym punktu $ P_1 $ na pewną ścianę sześcianu $ \mathcal{C} $, oraz że $ A_1A_2 $ jest krawędzią sześcianu $ \mathcal{C} $ równoległą do prostej $ P_1Q $.

Niech $ R $ będzie rzutem prostokątnym punktu $ P $ na prostą $ A_1A_2 $. Weźmy pod uwagę prostopadłościan, którego jedną krawędzią jest odcinek $ A_2R $, a jedną ze ścian prostopadłych do $ A_2R $ jest kwadrat o wierzchołku $ A_2 $ i boku długości $ d $, zawarty w ścianie sześcianu $ \mathcal{C} $. Z określenia liczby $ d $ wynika, że ów prostopadłościan zawiera punkty $ P_1 $ i $ P_2 $. Jego średnica jest równa

\[<br />
\sqrt{d^2 + d^2 + (1 - d)^2} = \sqrt{d(3d - 2) + 1} \leq 1,<br />
\]

gdyż $ 0 \leq d \leq \frac{1}{2} < \frac{2}{3} $. Zatem $ P_1P_2 \leq 1 $, co kończy dowód.

  • Pliki
  • 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/438

Odnośniki:
[1] https://archom.ptm.org.pl/sites/default/files/om48_2.pdf
[2] https://archom.ptm.org.pl/sites/default/files/om48_2r.pdf