| Załącznik | Wielkość |
|---|---|
| LX OM II etap - Zadania [1] | 70.92 KB |
| LX OM II etap - Zadania z rozwiązaniami [2] | 138.95 KB |
Liczby rzeczywiste
spełniają warunek
. Udowodnić nierówność
![]() |
Zastosujemy indukcję matematyczną ze względu na wartość liczby
.
Dla
teza zadania jest prawdziwa, gdyż obie strony dowodzonej zależności są równe
.
Przechodząc do kroku indukcyjnego rozpatrzmy liczby rzeczywiste
, dla których
.
Należy udowodnić nierówność
![]() |
Wprowadźmy oznaczenia
![]() |
wówczas lewą stronę zależności (1) możemy zapisać w postaci
![]() |
Stosując założenie indukcyjne do
liczb 
uzyskujemy
![]() |
Ponadto dla dowolnych liczb rzeczywistych
prawdziwa jest podwójna nierówność
, skąd
i w konsekwencji
![]() |
Oznacza to, że liczba
jest nieujemna. Liczba
jest również nieujemna, zatem
kontynuując zależność (2) i wykorzystując (3) dostajemy
![]() |
Otrzymaliśmy prawą stronę nierówności (1), co kończy dowód indukcyjny.
Dane są takie liczby całkowite
i
, że
oraz liczba
jest podzielna przez
,
zaś liczba
jest podzielna przez
.
Wykazać, że
.
Zauważmy najpierw, że
![]() |
Zatem z danych w treści zadania podzielności wynika, że liczba
jest podzielna przez
i przez
.
Liczby
i
są względnie pierwsze. Jeżeli bowiem
jest ich wspólnym dzielnikiem dodatnim,
to liczby
i
są podzielne przez
; z drugiej strony, liczba
jest podzielna przez liczbę
podzielną przez
. Zatem liczby
i
są podzielne przez
, skąd wynika, że
.
Niech
oznacza największy wspólny dzielnik liczb
i
. Wówczas
jest dzielnikiem sumy
i różnicy tych dwóch liczb, równych odpowiednio
i
. Skoro liczby
i
są względnie pierwsze,
otrzymujemy
lub
. Stąd wniosek, że jeśli liczba całkowita jest podzielna przez
i
, to dwukrotność tej liczby jest podzielna przez
.
Jak zauważyliśmy wcześniej, liczba
jest podzielna przez
i przez
. Oznacza to,
że liczba
jest podzielna przez
. Ponadto
, a więc liczba
jest
dodatnia i wobec tego jest nie mniejsza niż
. Zapisując nierówność
w równoważnej postaci 
widzimy, że
, co jest równoznaczne z tezą zadania.
Rozłączne okręgi
i
o środkach odpowiednio
i
są styczne do prostej
odpowiednio w punktach
i
oraz leżą po tej samej jej stronie. Punkt
leży na odcinku
, przy czym
. Dla
niech
będzie punktem różnym od
, w którym prosta
przecina okrąg
. Dowieść, że prosta
jest styczna do okręgów
i
.
Niech prosta styczna do okręgu
w punkcie
przecina prostą
w punkcie
.
(Punkt przecięcia istnieje, gdyż punkt
nie leży na prostej
, a więc odcinek 
nie jest średnicą okręgu
.) Trójkąt
jest wówczas równoramienny, gdyż dwa jego boki
są odcinkami stycznych do okręgu
poprowadzonymi z punktu
. Wobec tego prosta
jako dwusieczna kąta
jest prostopadła do cięciwy
,
a więc równoległa do prostej
.
Udowodnimy, że proste
i
są równoległe.
Jeżeli
, to
i czworokąt
jest równoległobokiem.
W takim razie
i czworokąt
także jest równoległobokiem. W szczególności
więc
.
Jeżeli natomiast proste
i
przecinają się w punkcie
, to stosując dwukrotnie
twierdzenie Talesa do kąta
przeciętego prostymi równoległymi
, 
oraz
,
otrzymujemy
![]() |
co w połączeniu z twierdzeniem odwrotnym do twierdzenia Talesa znowu daje zależność
.
Wykazana właśnie równoległość wraz z danym w treści zadania warunkiem 
pozwala wnioskować, że proste
i
są prostopadłe. Zauważmy teraz, że prosta
przechodzi
przez środek okręgu
. W efekcie punkty
i
są symetryczne względem prostej 
(gdyż są końcami cięciwy prostopadłej do tej prostej) oraz proste
i
są symetryczne
względem tej prostej. Skoro zaś prosta
jest styczna do okręgu
, to również prosta 
jest doń styczna, co kończy rozwiązanie zadania.
Odcinek
jest średnicą okręgu o opisanego na czworokącie wypukłym
, którego przekątne
przecinają się w punkcie
. Proste styczne do okręgu o w punktach
i
przecinają się w punkcie
.
Udowodnić, że
.
Niech
będzie punktem przecięcia prostych
i
.
Zauważmy najpierw, że na mocy warunków zadania proste
i
są wysokościami trójkąta
.
Zatem prosta
jest jego trzecią wysokością i wobec tego przecina prostą
w pewnym punkcie 
pod kątem prostym.
W trójkącie
kąt przy wierzchołku
jest prosty, a środek
odcinka
jest środkiem
przeciwprostokątnej. Stąd uzyskujemy zależności
.
Ponadto trójkąty prostokątne
i
mają wspólny kąt ostry przy wierzchołku
,
zatem ich pozostałe kąty ostre są równe:
.
Udowodniliśmy tym samym, że
![]() |
To oznacza, że prosta
jest styczna do okręgu o w punkcie
.
Podobnie dowodzimy, że prosta
jest styczna do okręgu o w punkcie
.
Stąd i z określenia punktu
wynika, że
. Innymi słowy, punkt
jest środkiem przeciwprostokątnej
w trójkącie prostokątnym
, skąd natychmiast wynika żądana równość
.
Wyznaczyć wszystkie liczby całkowite
o następującej własności: Spośród dowolnych 
różnych 3-elementowych podzbiorów zbioru
-elementowego można wybrać dwa podzbiory, które mają dokładnie
jeden element wspólny.
Niech
będą różnymi 3-elementowymi podzbiorami ustalonego zbioru
-elementowego.
Przypuśćmy ponadto, że dowolne dwa z tych zbiorów albo są rozłączne, albo mają dokładnie dwa wspólne elementy.
Oznaczmy
i wprowadźmy następujące oznaczenie:
wtedy i tylko wtedy, gdy przekrój
jest zbiorem niepustym (a więc mającym co najmniej
2 elementy),
dla (niekoniecznie różnych) zbiorów
.
Dla dowolnych zbiorów
zachodzą następujące własności:
;
, to
;
oraz
, to
. Istotnie, własności 1) i 2) są oczywiste, a by uzasadnić własność 3), wystarczy spostrzec, że z faktu,
iż zbiory
mają 3 elementy, a przekroje
i
mają przynajmniej 2 elementy, wynika,
iż przekrój
jest zbiorem niepustym. Na mocy przyjętego na początku rozwiązania założenia przekrój ten
zawiera zatem przynajmniej 2 elementy, co oznacza, że
.
Własności 1)—3) dowodzą, że zbiory
można podzielić na parami rozłączne
klasy równoważności w taki sposób, by dowolne dwa zbiory
należące do tej samej klasy spełniały
relację
, natomiast dowolne dwa zbiory należące do różnych klas tej relacji nie spełniały.
Niech
będą tak zadanymi klasami równoważności oraz niech
będzie sumą wszystkich zbiorów należących do klasy \mathcal{B}_i. Wówczas zbiory
są parami rozłączne, bowiem zbiory należące do różnych klas są rozłączne.
Ponadto każdy z tych zbiorów zawiera przynajmniej 3 elementy, gdyż jest sumą zbiorów 3-elementowych.
Dla każdego zbioru
rozpatrzmy następujące trzy możliwości:
ma dokładnie 3 elementy.
ma dokładnie 4 elementy.
ma przynajmniej 5 elementów. W przypadku 1. rodzina
składa się z jednego zbioru, mianowicie z tego zbioru
, który jest równy zbiorowi
.
W przypadku 2. każdy zbiór należący do rodziny
jest 3-elementowym podzbiorem 4-elementowego
zbioru
. Zatem w rodzinie tej znajdują się najwyżej 4 zbiory.
Rozpatrzmy z kolei przypadek 3.. Wybierzmy różne zbiory
. Są to zbiory 3-elementowe,
których przekrój
ma 2-elementy, a więc suma
jest zbiorem 4-elementowym. To oznacza, że w
rodzinie
istnieje zbiór
zawierający element, który nie należy do sumy
.
Stąd wniosek, że 2-elementowe przekroje
,
,
muszą się pokrywać, a więc
można napisać
![]() |
gdzie elementy
są różne. Weźmy teraz pod uwagę dowolny zbiór
należący do rodziny
i różny od zbiorów
. Wówczas
nie jest zbiorem
, gdyż ten ostatni
ma dokładnie jeden element wspólny ze zbiorem
. Wobec tego przynajmniej jeden z elementów 
nie należy do zbioru
. Przyjmijmy, nie zmniejszając ogólności dalszego rozumowania, iż jest to element
.
Skoro przekrój
jest zbiorem 2-elementowym oraz
, musimy mieć
.
Ale to, wobec dowolności wyboru
, oznacza, że każdy zbiór należący do rodziny 
zawiera elementy
i
. Stąd wniosek, że liczba elementów tej rodziny nie przekracza liczby elementów zbioru
pomniejszonej o 2.
Udowodniliśmy w ten sposób, że każda z rodzin
zawiera najwyżej tyle zbiorów, ile jest
elementów w zbiorze
, przy czym równość może mieć miejsce tylko wtedy, gdy zbiór
ma 4 elementy.
Ponadto zbiory
są parami rozłączne, a ich suma zawiera się w ustalonym na
początku rozwiązania zbiorze
-elementowym, więc suma liczb elementów tych zbiorów nie przekracza
.
Tym bardziej suma liczb elementów rodzin
nie przekracza
, przy czym równość jest możliwa tylko w przypadku, gdy każdy ze zbiorów
oraz każda z rodzin
ma dokładnie 4 elementy,
Jednakże każdy ze zbiorów
należy do dokładnie jednej z tych rodzin. Stąd wniosek,
że
, przy czym równość może mieć miejsce tylko wtedy, gdy każda z rodzin 
ma dokładnie 4 elementy oraz suma ilości elementów tych rodzin jest równa
.
Jest to możliwe tylko wtedy, gdy zachodzi równość
. Jeśli zatem istnieje układ
trójelementowych
podzbiorów zbioru
-elementowego, z których żadne dwa nie mają dokładnie jednego elementu wspólnego,
to liczba
jest podzielna przez
.
Implikacja odwrotna również jest prawdziwa: jeżeli
dla pewnej liczby całkowitej
,
to definiujemy zbiory
warunkami
![]() |
dla
. Wówczas dowolne dwa z określonych wyżej zbiorów albo są rozłączne, albo mają
dokładnie dwa wspólne elementy.
Odpowiedź: Liczba
spełnia warunki zadania wtedy i tylko wtedy, gdy nie jest
podzielna przez 4.
Dla każdej liczby całkowitej
wyznaczyć wszystkie ciągi liczb rzeczywistych
, dla których
![]() |
gdzie przyjmujemy
i
.
Przypuśćmy, że ciąg
ma żądaną własność. Przyjmijmy
![]() |
Wówczas zachodzi równość
, a zatem
z danych w treści zadania dwóch równości wynika, że
![]() |
skąd uzyskujemy
![]() |
Zatem
, co z uwagi na wzór (1) daje
![]() |
Na odwrót, każdy ciąg
spełniający warunek (2) spełnia także równości dane w zadaniu.
Pozostaje więc wyznaczyć wszystkie ciągi, dla których zachodzi warunek (2).
Oznaczmy
oraz
. Wówczas stosując zależność (2) w postaci
dla
otrzymujemy
![]() |
Kontynuując to postępowanie stwierdzamy, że ciąg
jest okresowy:
dla
. Ponieważ
oraz
, więc para
pokrywa się z parą
, gdzie
jest resztą z dzielenia liczby
przez 6.
Korzystając z wyliczonych wyżej wartości
sprawdzamy bezpośrednio,
że dla dowolnej wartości
jedynym rozwiązaniem układu równań
, czyli odpowiednio układów
![]() |
są liczby
. W tej sytuacji oczywiście
i liczby te mają
żądane w treści zadania własności.
Jeżeli natomiast
, a więc gdy liczba
jest podzielna przez 6, to możemy wybrać dowolne
wartości rzeczywiste
i
i korzystając ze wzoru (2) wyznaczyć jednoznacznie wartości
. Nietrudno spostrzec, że warunek (2) będzie wówczas spełniony.
Odpowiedź: Dla każdej liczby całkowitej
rozwiązaniem zadania jest ciąg
; ponadto dla liczb
podzielnych przez 6 istnieją rozwiązania
o okresie długości 6 następującej postaci:
![]() |
Odnośniki:
[1] https://archom.ptm.org.pl/sites/default/files/om60_2.pdf
[2] https://archom.ptm.org.pl/sites/default/files/om60_2r.pdf