III etap XL Olimpiady Matematycznej
Do obrad przy okrągłym stole zasiadła parzysta liczba osób. Po przerwie obiadowej uczestnicy zajęli miejsca przy stole w sposób dowolny. Udowodnić, że istnieją dwie osoby przedzielone tą samą, co przed przerwą, liczbą osób.
Oznaczmy liczbę osób przez
. Numerujemy miejsca przy stole kolejno liczbami całkowitymi od
do
; miejsce nr
i kierunek obiegu ustalamy dowolnie. Osoba zajmująca przed przerwą miejsce
zajmuje po przerwie miejsce
; tak określony ciąg
stanowi permutację zbioru
.
Przypuśćmy, że osoba z miejsca
przesunęła się o
miejsc (w ustalonym przez nas kierunku obiegu);
. Dla każdego
zachodzi więc równość:
![]() |
Tę alternatywę można zapisać w postaci
![]() |
Dla dowodu tezy zadania wystarczy wykazać, że pewne dwie osoby przesunęły się o tyle samo miejsc, czyli, że
dla pewnej pary różnych liczb
,
. Załóżmy więc, że tak nie jest. Wówczas ciąg
stanowi permutację zbioru
. A zatem
![]() |
Dodając stronami
równości (1) (sumowanie po
od
do
) otrzymujemy
![]() |
Stąd zaś wynika, że
(liczba całkowita!) równa się
- wbrew założeniu, że
jest liczbą parzystą. Sprzeczność kończy dowód.
Na płaszczyźnie dane są trzy okręgi
,
,
. Okręgi
i
są styczne zewnętrznie w punkcie
, okręgi
i
— w punkcie
, okręgi
i
— w punkcie
. Prosta
przecina okrąg
jeszcze w punkcie
, a prosta
— w punkcie
. Prosta
przecina okrąg
również w punkcie
, a prosta
przecina
jeszcze w punkcie
. Udowodnić, że punkt
leży na prostej
.

Oznaczmy okrąg wpisany w trójkąt
przez
, jego środek przez
, a środki okręgów
,
,
- przez
,
,
. Okrąg
jest styczny do boków trójkąta
w punktach
,
,
; wymka to z równości
,
,
.
Zachodzą następujące równości kątów (rysunek 6):
![]() |
Z tych równości otrzymujemy z kolei związek
![]() |
który oznacza, że trójkąty
i
są prostokątne:
,
.
Tak więc kąty
i
są proste. Są to kąty wpisane w okręgi
i
i muszą być oparte na półokręgach. Zatem odcinki
i
są średnicami tych okręgów; są wobec tego prostopadłe do wspólnej stycznej (prostej
). Stąd wynika współliniowość punktów
,
,
.
Numerujemy krawędzie sześcianu liczbami od 1 do 12.
(a) Dowieść, że dla dowolnego ponumerowania istnieje co najmniej osiem trójek liczb całkowitych
, gdzie
, takich, że krawędzie o numerach
są kolejnymi bokami łamanej.
(b) Podać przykład ponumerowania, dla którego nie istnieje dziewięć trójek o własnościach wymienionych w (a).
(a) Niech
będzie dowolnym wierzchołkiem sześcianu i niech
,
,
będą numerami krawędzi wychodzących z tego wierzchołka, przy czym
. Pokażemy, że
![]() |
Oznaczmy przez
drugi koniec krawędzi o numerze
. Numery pozostałych dwóch krawędzi wychodzących z
oznaczmy przez
i
; przyjmujmy, że
.
Jeżeli
, podane warunki spełniają trójki
,
.
Jeżeli
, podane warunki spełniają trójki
,
.
Jeśli
, dane warunki spełniają trójki
,
.
To dowodzi słuszności stwierdzenia (1).
Przyporządkujmy teraz każdemu z ośmiu wierzchołków sześcianu średni z trzech numerów krawędzi wychodzących z tego wierzchołka. Jedna liczba może być przyporządkowana co najwyżej dwóm wierzchołkom. Wśród przyporządkowanych liczb są więc co najmniej cztery różne. Każda z nich jest - zgodnie z (1) - środkowym wyrazem dwóch różnych trójek o żądanych własnościach. Istnieje zatem co najmniej osiem takich trójek.
(b) Cztery równoległe krawędzie numerujemy (w dowolny sposób) liczbami od
do
. Dalsze cztery równolegle krawędzie numerujemy liczbami od
do
. Wreszcie pozostałe cztery równoległe krawędzie numerujemy liczbami od
do
. Jeżeli trójka
,
, spełnia warunek podany w (a), to odcinki o numerach
,
,
nie mogą leżeć w jednej płaszczyźnie (bo wówczas skrajne odcinki byłyby równoległe; ich numery byłyby oba większe albo oba mniejsze od numeru środkowej krawędzi). Muszą więc te odcinki reprezentować wszystkie trzy kierunki, a to znaczy, że
,
,
. Przy tym każdy z odcinków o numerach
,
,
,
jest środkowym wyrazem dokładnie dwóch interesujących nas trójek.
Jest więc dokładnie osiem takich trójek.
Niech
będą liczbami naturalnymi. Wybieramy ciąg zbiorów
tak, że
, a dla
zbiór
jest losowo wybranym podzbiorem
, przy czym wybór każdego podzbioru jest jednakowo prawdopodobny. Rozpatrujemy zmienną losową równą liczbie elementów
. Dowieść, że jej wartość oczekiwana jest równa
.
Wprowadzamy zmienne losowe
określone następująco:
![]() |
\
(
). Rozważana w zadaniu zmienna losowa
(liczba elementów zbioru
) jest sumą wprowadzonych przed chwilą zmiennych:
![]() |
Ustalmy liczbę
. Ponieważ
jest losowo wybranym podzbiorem
, liczba
znajdzie się w zbiorze
z prawdopodobieństwem
![]() |
wynika to stąd, że zbiór
ma tyle samo podzbiorów zawierających ustalony element
, co podzbiorów nie zawierających tego elementu.
Z takim samym prawdopodobieństwem liczba
trafi do zbioru
- pod warunkiem, że wcześniej trafiła do
:
![]() |
Zatem
![]() |
(Mówiąc mniej formalnie, a bardziej obrazowo: liczba
znajdzie się w zbiorze
, gdy dwa kolejne losowania okażą się dla niej ,,szczęśliwe''.) Kontynuując to rozumowanie stwierdzamy indukcyjnie, że
![]() |
Dla
otrzymana równość
oznacza, że zmienna losowa
przyjmuje wartość
z prawdopodobieństwem
(i wartość
z prawdopodobieństwem
). Stąd wynika, że jej wartość oczekiwana wynosi
.
Uzyskana konkluzja jest słuszna przy każdym wyborze
. To znaczy, że liczba
jest wartością oczekiwaną każdej ze zmiennych losowych
. Wobec tego
![]() |
Na sferze o promieniu
leżą trzy okręgi o promieniu
, parami styczne i zawarte w jednej półsferze. Znaleźć promień okręgu leżącego na tej samej sferze i stycznego do każdego z tych trzech okręgów.
Uwaga Podobnie jak na płaszczyźnie, mówimy, że dwa okręgi leżące na sferze są styczne, jeśli mają dokładnie jeden punkt wspólny.
Oznaczmy trzy dane okręgi (o promieniu
) przez
,
,
. Załóżmy, że
jest okręgiem o promieniu
, położonym na tej samej sferze i stycznym do każdego z okręgów
,
,
. Żaden z okręgów
,
,
nie jest okręgiem wielkim danej sfery (dwa różne okręgi wielkie zawsze mają dwa punkty wspólne).
Niech
będzie środkiem rozważanej sfery. Suma półprostych o wspólnym początku
, przecinających okrąg
, jest powierzchnią boczną nieograniczonego stożka kołowego, który oznaczymy przez
: (
).
Okrąg
może być okręgiem wielkim, brzegiem półsfery zawierającej okręgi
,
,
. W takim przypadku suma półprostych o początku
, wyznaczonych przez punkty okręgu
, jest płaszczyzną. Umówmy się, że przez
rozumiemy wówczas jedną z dwóch wyznaczonych przez tę płaszczyznę półprzestrzeni - tę, która zawiera okręgi
,
,
. Mówiąc ,,stożek'' będziemy w dalszym ciągu dopuszczać także i ten przypadek, traktując półprzestrzeń jako graniczną (,,zdegenerowaną'') postać stożka.
Weźmy dwa różne numery
. Okręgi
i
mają dokładnie jeden punkt wspólny, zatem stożki
i
mają dokładnie jedną współną tworzącą. Mamy przy tym dwie możliwości: albo jeden z tych stożków zawiera się w drugim, albo też stożki te nie mają poza wspólną tworzącą innych punktów wspólnych. W pierwszym przypadku będziemy mówili o styczności wewnętrznej, w drugim - o styczności zewnętrznej.
Zauważmy, że dla każdej pary numerów
zachodzi ten drugi przypadek (wobec założonej równości promieni okręgów
,
,
, inkluzja
musiałaby być równością; okręgi
i
byłyby więc identyczne, wbrew temu, że mają tylko jeden punkt wspólny). Tak więc stożki
,
,
są parami styczne zewnętrznie. Tworzące, wzdłuż których stożki te są styczne - to trzy różne półproste.
Wyobraźnia geometryczna ukazuje nam dwie konfiguracje:
I. Stożki
,
,
są styczne wewnętrznie do
.
II. Wszystkie cztery stożki są parami styczne zewnętrznie.
(W przypadku I okrąg
,,obejmuje'' trzy dane okręgi
,
,
, w przypadku II jest ,,wpisany'' pomiędzy nie.)
Wykażemy, że istotnie musi zajść jedna z tych sytuacji.
Przypuśćmy, że tak nie jest. Wówczas co najmniej jeden ze stożków
,
,
(na przykład
) jest styczny do
wewnętrznie oraz co najmniej jeden z tych stożków (na przykład
) jest styczny do
zewnętrznie. Trzeci stożek,
, jest styczny zarówno do
, jak i do
(i to wzdłuż różnych tworzących). Pewne jego punkty muszą więc znajdować się wewnątrz stożka
, a pewne - na zewnątrz. To się jednak nie da pogodzić ze stycznością
do
. Uzyskana sprzeczność pokazuje, że rzeczywiście nie ma innych możliwości niż I i II.
Przechodzimy do obliczeń.
Oznaczmy rozwartość kąta przy wierzchołku każdego ze stożków
,
,
przez
, a stożka
- przez
:
![]() |
Niech
będzie środkiem okręgu
. Trójkąt
jest równoboczny. Długość jego boku wyznaczymy rozważając przekrój danych brył i figur płaszczyzną
(rysunek 7):
![]() |

(na rysunkach
oznacza ślad płaszczyzny okręgu
).
Oznaczmy przez
środek trójkąta
(czyli punkt będący jednocześnie środkiem okręgu wpisanego w ten trójkąt oraz środkiem okręgu opisanego na tym trójkącie). Jego odległość od wierzchołka równa się
wysokości:
![]() |
Odcinek
jest wysokością trójkąta równoramiennego o dwóch bokach długości
, tworzących kąt o mierze
. A zatem
![]() |
Weźmy teraz pod uwagę przekrój płaszczyzną
. Niech
będzie punktem styczności okręgów
i
.


Mamy równości:
;
,
. Rozwartość kąta
wynosi:
w przypadku I oraz
w przypadku II (rysunki 8 i 9 ilustrują te dwie sytuacje). Wobec tego, zgodnie z (1),
![]() |
(znak minus w przypadku I, plus w przypadku II). Jednocześnie, wobec związków (2) i (3), mamy równość
![]() |
Przyrównując prawe strony (4) i (5) dostajemy równanie
![]() |
które - po podniesieniu stronami do kwadratu i dalszych przekształceniach - przybiera postać
![]() |
Pierwiastkami równania kwadratowego (7) są liczby
![]() |
wyrażenia podpierwiastkowe są nieujemne, co wynika ze związku (5):
. Liczba
spełnia równanie pierwiastkowe (6) ze znakiem minus po prawej stronie,
zaś - ze znakiem plus.
Stąd wynika odpowiedź:
Dla każdej trójki parami stycznych okręgów o promieniach równej długości
(na półsferze o promieniu
) istnieją dwa okręgi styczne do każdego z tych trzech okręgów, usytuowane w sposób opisany powyżej (konfiguracje I i II). Ich promienie są dane wzorami (8); wartość
odpowiada konfiguracji I, a wartość
- konfiguracji II.
Udowodnić, że dla dowolnych liczb dodatnich
spełniona jest nierówność
![]() |
Przyjmijmy oznaczenia:
![]() |
Liczby
,
,
,
są współczynnikami wielomianu
![]() |
Jest to wielomian czwartego stopnia, mający cztery pierwiastki ujemne:
,
,
,
(jeśli któreś z tych liczb są równe, mamy pierwiastek wielokrotny).
Różniczkujemy wielomian
:
![]() |
Na mocy twierdzenia Rolle'a między każdymi dwoma kolejnymi różnymi pierwiastkami wielomianu
znajduje się pierwiastek pochodnej
; ponadto, jeśli pewien punkt jest pierwiastkiem
-krotnym wielomianu
, to jest on pierwiastkiem (
)-krotnym wielomianu
. Stąd wynika, że wielomian
ma (licząc z krotnościami) co najmniej trzy pierwiastki w przedziale
, gdzie
jest najmniejszą, a
największą z liczb
,
,
,
; ma więc trzy pierwiastki ujemne. Oznaczmy je przez
,
,
(
). Ponieważ
jest wielomianem trzeciego stopnia, nie ma on już innych pierwiastków. Ma zatem postać
![]() |
czynnik
na początku pojawia się dlatego, że współczynnik przy najwyższej potędze zmiennej w wielomianie
wynosi 4 (por.wzór (2)). Po wymnożeniu dwumianów w nawiasach otrzymujemy
![]() |
Przyrównując współczynniki wielomianów (2) i (3) dostajemy równości
![]() |
Między średnią arytmetyczną 1 średnią geometryczną liczb
,
,
zachodzi nierówność
![]() |
którą, w myśl wzorów (4), możemy przepisać w postaci
![]() |
Jest to właśnie nierówność, którą mieliśmy udowodnić.
Uwaga 2. Rozważana w tym zadaniu nierówność jest szczególnym przypadkiem ogólniejszego twierdzenia.
Niech będą dane liczby naturalne
,
(
) oraz liczby rzeczywiste
. Średnią symetryczną rzędu
liczb
nazywamy wielkość
![]() |
gdzie sumowanie rozciągnięte jest na wszystkie
-wyrazowe układy wskaźników
,
. Tak więc
![]() |
Teza naszego zadania mówi, że
![]() |
Prawdziwe są także nierówności
![]() |
(w odróżnieniu od (13), dowody nierówności (14) są całkiem prostym ćwiczeniem).
Nietrudno się domyśleć, że ogólnie, dla
liczb:
![]() |
Są to nierówności McLaurina; dowód można znaleźć na przykład w książce: D.S.Mitrinović Analytic Inequalities, Berlin-Heidelberg-New York 1970 (rozdział 2.15, twierdzenie 4).