II etap XLII Olimpiady Matematycznej
Liczby
,
,
,
spełniają warunki
oraz
dla
. Udowodnić, że
![]() |
Indukcja. Dla
dana do udowodnienia nierówność zachodzi (ze znakiem równości; bowiem
, zgodnie z założeniem).
Ustalmy liczbę naturalną
i przyjmijmy słuszność podanego twierdzenia dla tej właśnie liczby
. Mamy wykazać jego słuszność dla
.
Niech więc dane będą liczby
,
,
,
(
) spełniające warunki
oraz
. Oznaczmy
![]() |
Z założenia indukcyjnego mamy nierówność
, czyli
![]() |
mamy zaś dowieść, że
![]() |
Na mocy warunków spełnianych przez liczby
,
,
,
zachodzą następujące równości i nierówności:
![]() |
przy czym wyrażenia występujące po obu stronach każdej z relacji (1), (3), (4), (5) są nieujemne. Nierówności zgodnie skierowane, wiążące liczby nieujemne, wolno mnożyć stronami. Mnożymy więc stronami (1) przez (4) oraz (3) przez (5):
![]() |
Otrzymane nierówności dodajemy:
![]() |
Uzyskaliśmy tezę indukcyjną (2).
Na mocy zasady indukcji twierdzenie zachodzi dla dowolnej liczby naturalnej
.
Na bokach
,
,
trójkąta
obrano odpowiednio takie punkty
,
,
, że
![]() |
Dowieść, że jeżeli trójkąt
jest równoboczny, to także trójkąt,
jest równoboczny.
Oznaczmy wspólną wartość podanych stosunków przez
:
![]() |
Zakładamy, że trójkąt
jest równoboczny. Przedstawimy dowód foremności trójkąta
, zachęcając Czytelnika do znajdowania innych metod rozwiązania (np. przez rachunki na wektorach; na liczbach zespolonych; przez porównywanie różnych kątów; itd.).
Użyjemy pojęcia i własności przekształceń afinicznych (por. np.: J. Bednarczuk, Urok przekształceń afinicznych, Warszawa 1978).
Istnieje przekształcenie afiniczne
przeprowadzające trójkąt
na pewien trójkąt równoboczny
. Przekształcenie afiniczne zachowuje współliniowość punktów oraz stosunek podziału odcinka. Zatem punkty
,
,
leżą na bokach
,
,
trójkąta
i dzielą je w tych samych stosunkach, w jakich punkty
,
,
dzielą boki trójkąta
- czyli w równych stosunkach. Stąd wniosek, że trójkąt
jest równoboczny.
Istnieje w takim razie podobieństwo
takie, że
,
,
. Obrazy punktów
,
,
są w obu tych przekształceniach (
i
) takie same. Ale przekształcenie afiniczne jest wyznaczone jednoznacznie przez swe wartości w dowolnych trzech niewspółliniowych punktach. To znaczy, że rozważane tu przekształcenia
i
są tym samym przekształceniem - czyli że
jest podobieństwem.
Obrazem trójkąta
w przekształceniu
jest trójkąt równoboczny
. Skoro zaś
jest podobieństwem, zatem i trójkąt
jest równoboczny.
Dane są liczby całkowite dodatnie
,
,
,
,
,
takie, że
. Udowodnić, że liczby
nie można zapisać w postaci ułamka
gdzie
,
są liczbami całkowitymi dodatnimi o sumie mniejszej od
.
Z założenia zadania wynika, że zachodzą kongruencje
![]() |
Mnożymy te trzy związki stronami:
![]() |
Przypuśćmy, wbrew tezie, że
![]() |
gdzie
,
są liczbami całkowitymi dodatnimi takimi, że
. Mamy więc zależność
![]() |
czyli
![]() |
To znaczy, że liczba
jest dzielnikiem iloczynu
. Musi więc, jako liczba pierwsza, dzielić któryś z czynników. Otrzymaliśmy sprzeczność, bo każda z liczb
,
,
,
jest dodatnia oraz mniejsza od
. Sprzeczność kończy dowód.
Uwaga 1. W udowodnionym twierdzeniu można oczywiście zastąpić liczbę
dowolną liczbą pierwszą, a zamiast trzech ułamków - rozpatrywać dowolną nieparzystą liczbę ułamków.
Uwaga 2. Użycie języka i własności kongruencji jest w rozwiązaniu wygodne, ale nie jest niezbędne; były one przydatne do uzasadnienia podzielności iloczynu
przez
.
Konkluzję tę można, nie używając pojęcia kongruencji, uzyskać następująco: w myśl założenia,
,
,
(rozumowanie prowadzimy od razu dla dowolnej liczby pierwszej
, zgodnie z Uwagą 1). Zatem
![]() |
Zakładając, jak poprzednio, że
, mamy
![]() |
Prawa strona tej równości jest liczbą podzielną przez
, więc lewa też.
Znaleźć wszystkie funkcje monotoniczne
spełniające równanie
![]() |
Dla dowolnego
mamy nierówność
, z której wynika, że funkcja (monotoniczna)
jest rosnąca w przedziale
. Analogicznie, dla
zachodzi nierówność
, więc
jest rosnąca także w
.
Zastępując
literą
przepisujemy podane równanie jako
![]() |
Weźmy dowolną liczbę
oraz dowolną liczbę naturalną
. Stosując
-krotnie wzór (1) otrzymujemy równość
![]() |
czyli
![]() |
Chcemy teraz przejść z
do nieskończoności. Dla
ciąg
jest malejący, więc i ciąg wartości
jest malejący, a ponadto ograniczony z dołu przez wartość
(w tym miejscu korzystamy z założenia monotoniczności funkcji
w całym zbiorze
). Podobnie, dla
ciąg
jest rosnący, więc i ciąg
jest rosnący, ograniczony z góry przez
. W każdym przypadku ciąg ten jest zbieżny. Jego granica może {\it a priori} zależeć od
; oznaczmy jej wartość przez
:
![]() |
Przypuśćmy, że dla pewnych dwóch liczb dodatnich
,
zachodzi nierówność
![]() |
Weźmy liczbę
taką, że
![]() |
W myśl definicji granicy ciągu,
![]() |
oraz
![]() |
Znajdujemy teraz liczbę naturalną
tak dużą, żeby dla
zachodziła nierówność (4). Następnie znajdujemy liczbę naturalną
tak dużą, żeby dla
zachodziła nierówność (5) oraz, ponadto, żeby było
![]() |
Mamy wówczas (wobec (3))
![]() |
To się jednak kłóci z nierównością (6); pamiętamy, że funkcja
jest rosnąca w
.
Otrzymana sprzeczność dowodzi, że nierówność
nie jest możliwa dla żadnej pary liczb
. Stąd wniosek, że wartość
jest ta sama dla wszystkich
. Oznaczmy tę wartość przez
. Zatem
![]() |
Zupełnie analogicznie dowodzimy, że wartość granicy
jest wspólna dla wszystkich
. Oznaczając ją przez
mamy więc
![]() |
Możemy teraz we wzorze (2) przejść do granicy (gdy
). Otrzymujemy
![]() |
Z uwagi na żądanie monotoniczności funkcji
na zbiorze
, musi zachodzić nierówność
, zaś wartość
musi leżeć między
i
. Ostatecznie więc
![]() |
gdzie
,
,
są dowolnymi stałymi takimi, że
.
Sprawdzenie, że istotnie każda funkcja tej postaci spełnia podane równanie funkcyjne, jest natychmiastowe.
Rozwiązanie zadania można znacznie uprościć korzystając z twierdzenia analizy, które mówi, że
jeśli funkcja
jest ograniczona i rosnąca w pewnym przedziale
, to istnieją skończone granice jednostronne
![]() |
(Dowód można znaleźć w dowolnym uniwersyteckim podręczniku analizy matematycznej.)
W rozważanym zadaniu rozpoczynamy (jak w sposobie I) od stwierdzenia, że
jest funkcją rosnącą dla
i dla
. Ponadto z założenia monotoniczności
na zbiorze
mamy
![]() |
Biorąc więc jako przedział
w cytowanym wyżej twierdzeniu najpierw przedział
, a następnie
, widzimy, że funkcja
jest w każdym z tych przedziałów rosnąca i ograniczona, i wobec tego istnieją skończone granice
![]() |
Oczywiście monotoniczność funkcji
na
pociąga za sobą nierówność
. Oznaczając
przez
, jak poprzednio, mamy
.
Dalej można powtórzyć pierwszy sposób rozwiązania, pomijając cały fragment środkowy (od wzoru (2) do wzorów (7) i (8)). Można też, zamiast tego, rozumować następująco:
Określamy funkcję
wzorem
![]() |
Z istnienia granic (10) wynika, że również
![]() |
Dane w zadaniu równanie funkcyjne przybiera postać
![]() |
czyli po prostu
![]() |
lub pisząc inaczej:
![]() |
Dla dowolnej liczby rzeczywistej
i dla dowolnej liczby naturalnej
mamy zatem
![]() |
Gdy
dąży do nieskończoności, ciąg
dąży - zgodnie z (12) - do wartości
, jeśli
jest ujemne, oraz do wartości
, jeśli
jest dodatnie; dla
ciąg ten jest stały, równy
. W granicy otrzymujemy więc równość
![]() |
Po uwzględnieniu definicji (11) dostajemy stąd wzór (9), przedstawiający ogólne rozwiązanie rozważanego równania funkcyjnego w klasie funkcji monotonicznych.
są różnymi podzbiorami dwuelementowymi zbioru
. Zbiory
,
dla
mają element wspólny wtedy i tylko wtedy, gdy zbiór
jest jednym ze zbiorów
. Dowieść, że każda z liczb
jest elementem wspólnym dokładnie dwóch zbiorów spośród
.
Dla każdego
oznaczmy przez
liczbę tych zbiorów
, które zawierają element
. Suma tych liczb (gdy
przebiega wartości od
do
) równa się
, bo każdy ze zbiorów
ma dwa elementy, jest więc liczony dwukrotnie. Mamy zatem równość
![]() |
Należy zaś udowodnić, że
dla
.
Zgodnie z warunkiem zadania, rozważana rodzina
zbiorów
składa się dokładnie z tych par
elementów zbioru
, dla których zbiory
,
mają wspólny element. Tym wspólnym elementem może być dowolna liczba
. Dla ustalonego
istnieje
zbiorów
zawierających
; istnieje więc
![]() |
par
takich, że
. Liczba wszystkich rozważanych par jest sumą wyrażeń (2) gdy
przebiega wartości od
do
. Ponieważ każda taka para
jest jednym ze zbiorów
, liczba tych par wynosi
. Otrzymujemy równość
![]() |
czyli
![]() |
Stąd, wobec (1),
![]() |
Chcemy dowieść, że wszystkie liczby
równają się
. Rozważmy wobec tego różnice
. Obliczmy sumę kwadratów tych różnic, korzystając ze związków (1) i (3):
![]() |
Suma liczb nieujemnych równa się zeru tylko wtedy, gdy wszystkie te liczby są zerami. Zatem
.
To znaczy, że każda liczba
należy do dokładnie dwóch
zbiorów
. Dowód jest zakończony.
Uwaga 1. Modyfikując przekształcenie zastosowane w końcówce rozwiązania łatwo możemy otrzymać dowód nierówności między {\it średnią arytmetyczną}
![]() |
układu liczb
a {\it średnią kwadratową} tych liczb, określoną wzorem
![]() |
Pisząc krótko
i
zamiast
i
mamy:
![]() |
skąd
![]() |
równość zachodzi tylko dla
.
Na odwrót: przyjmując nierówność (4) (wraz z informacją, kiedy przechodzi ona w równość) za fakt znany, możemy dowodzoną tezę (
) wydedukować natychmiast z wzorów (1) i (3).
Uwaga 2. W tym zadaniu mamy do czynienia z parą
, gdzie
jest zbiorem
, a
jest rodziną zbiorów dwuelementowych
, z których każdy jest zawarty w
. Tego typu konfiguracja tworzy graf. Ogólnie, {\it grafem} nazywamy parę
, gdzie
jest dowolnym zbiorem, a
jest pewną rodziną wyróżnionych dwuelementowych podzbiorów
. (W zastosowaniach najczęściej
jest zbiorem skończonym.) Wygodnie jest interpretować
jako pewien zbiór punktów (na płaszczyźnie lub w przestrzeni), a każdy zbiór dwuelementowy
należący do rodziny
- jako odcinek łączący punkty
i
. Taka interpretacja uzasadnia stosowaną w teorii grafów terminologię: elementy zbioru
nazywa się wierzchołkami rozważanego grafu, a elementy zbioru
- jego krawędziami (por. zadanie 4 z XXXII Międzynarodowej Olimpiady Matematycznej).
Liczbę krawędzi, których końcem jest ustalony wierzchołek grafu, nazywa się {\it krotnością} tego wierzchołka.
Dwie krawędzie grafu nazywamy przyległymi, jeśli mają wspólny koniec. Dwa wierzchołki grafu nazywamy przyległymi, jeśli łączy je pewna krawędź.
Należy podkreślić, że taka interpretacja ma jedynie ułatwiać wyobrażanie sobie danych zbiorów i ich wzajemnych relacji (o charakterze mnogościowo-kombinatorycznym); nie ma w tym żadnej ,,geometrii''. Abstrahuje się od długości krawędzi i kątów między nimi oraz ich ewentualnych przecięć poza wierzchołkami grafu. Na przykład graf
, gdzie
jest zbiorem wierzchołków kwadratu, a
składa się z jego trzech boków oraz obu przekątnych, jest nieodróżnialny od grafu
, gdzie
jest zbiorem wierzchołków czworościanu, a
- zbiorem dowolnych jego pięciu krawędzi.
Twierdzenie podane do udowodnienia w tym zadaniu formułuje się w języku grafów następująco:
Dany jest graf
, w którym zbiory
i
mają jednakową, skończoną liczbę elementów, ponumerowanych liczbami naturalnymi od
do
. Dla każdej pary różnych liczb naturalnych
wierzchołki o numerach
,
są przyległe wtedy i tylko wtedy, gdy krawędzie o numerach
,
są przylegle. Przy tych założeniach krotność każdego wierzchołka wynosi
.
Równoległościan zawiera kulę o promieniu
i jest zawarty w kuli o promieniu
. Dowieść, że
.

Wybierzmy dowolną ścianę równoległościanu i oznaczmy jej wierzchołki przez
,
,
,
tak, by odcinek
był dłuższą (tzn.: ,,nie krótszą'') przekątną równoległoboku
. Pozostałe wierzchołki równoległościanu oznaczmy przez
,
,
,
tak, by odcinki
,
,
,
były jego czterema równoległymi krawędziami (rysunek 8). Przyjmijmy wreszcie, że
jest dłuższą przekątną równoległoboku
; jeśli jest przeciwnie, zamieniamy oznaczenia:
,
.
Z takiego ustalenia oznaczeń wynika, że
,
. Stosując do trójkątów
i
wzór cosinusów dostajemy związek
![]() |
Zauważmy, że każdy z odcinków
,
,
ma końce położone na pewnych dwóch równoległych ścianach równoległościanu
. Skoro zaś równoległościan zawiera kulę o promieniu
, odległość każdej pary ścian równoległych jest nie mniejsza niż
. Wobec tego mamy nierówności
![]() |
Z drugiej strony, długość przekątnej
nie przekracza średnicy kuli, w której równoległościan jest zawarty:
. Uwzględniając wszystkie te nierówności dochodzimy do wniosku, że
, a stąd
, czyli
.
Uwaga. Wielu uczestników Olimpiady rozpoczynało rozwiązanie od wybrania takiego wierzchołka równoległościanu, że trzy ściany spotykające się przy tym wierzchołku mają przy nim kąty ostre (lub proste). Otóż wierzchołek taki może nie istnieć; dzieje się tak wówczas, gdy istnieje wierzchołek, przy którym kąty płaskie trzech ścian równoległościanu są rozwarte.