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

Strona główna > Wersja do wydruku > Wersja do wydruku

XXXVII OM - II etap

II etap XXXVII Olimpiady Matematycznej

XXXVII OM - II - Zadanie 1

Zawody matematyczne: 
XXXVII OM, 1985-1986
Etap: 
II

Wyznaczyć wszystkie funkcje $ f : \mathbb{R} \to \mathbb{R} $ ciągłe w zerze i takie, że dla każdej liczby rzeczywistej $ x $ zachodzi równość

\[<br />
2f(2x) = f(x) + x.<br />
\]

Rozwiązanie

Załóżmy, że funkcja $ f : \mathbb{R} \to \mathbb{R} $, ciągła w punkcie $ 0 $, spełnia dane równanie funkcyjne.

W celu pozbycia się drugiego składnika po prawej stronie równania wprowadzamy funkcję pomocniczą $ h(x) =f(x)-\frac{1}{3}x $; jest ona również ciągła w punkcie $ 0 $. Wstawiając $ f(x) = h(x) + \frac{1}{3} x $, $ f(2x) = h(2x) + \frac{2}{3} x $ do rozważanego równania, sprowadzamy je do postaci

\[<br />
2h(2x) | + \frac{4}{3}x = h(x)+ \frac{1}{3}x+x,<br />
\]

czyli

\[<br />
(1) \qquad h(2x) = \frac{1}{2} h(x) \ \textrm{dla} \ x \in \mathbb{R}.<br />
\]

Weźmy dowolną liczbę $ x_0 \in \mathbb{R} $. Podstawiając w (1) $ x = 2^{-n}x_0 $, $ n = 0, 1, 2, \ldots $, dostajemy

\[<br />
h(2^{-(n-1)} x_0)= \frac{1}{2} h(2^{-n}x_0),<br />
\]

skąd przez indukcję

\[<br />
(2) \qquad h(x_0) = 2^{-n}h(2^{-n}x_0) \ \textrm{dla} \ n = 0, 1, 2, \ldots.<br />
\]

Z ciągłości $ h $ w punkcie $ 0 $ wynika, że ciąg liczb otrzymanych po prawej stronie (2) dąży do $ 0 $ przy $ n \to \infty $. A to oznacza, że $ h(x_0) = 0 $. Ponieważ punkt $ x_0 $ był wybfany dowolnie, funkcja $ h $ równa się tożsamościowo zeru. Zatem,

\[<br />
f(x) = \frac{1}{3} x \ \textrm{dla} \ x \in \mathbb{R}<br />
\]

Bezpośrednie sprawdzenie pokazuje, że funkcja ta istotnie jest rozwiązaniem danego w zadaniu równania.

XXXVII OM - II - Zadanie 2

Zawody matematyczne: 
XXXVII OM, 1985-1986
Etap: 
II

W turnieju szachowym uczestniczy 66 zawodników, każdy z każdym rozgrywa jedną partią, rozgrywki odbywają się w czterech miastach. Udowodnić, że pewna trójka zawodników rozgrywa wszystkie partie między sobą w tym samym mieście.

Rozwiązanie

Wybierzmy jednego z zawodników, nazwijmy go $ Z_1 $. Ma on do rozegrania $ 65 $ partii, a więc co najmniej $ 17 $ partii rozgrywa w jednym mieście. Oznaczmy to miasto symbolem $ M_1 $. Weźmy pod uwagę przeciwników $ Z_1 $ w spotkaniach rozgrywanych w $ M_1 $. Jest ich nie mniej niż $ 17 $. Jeśli istnieje wśród nich para rozgrywająca partię między sobą także w $ M_1 $, to wespół z zawodnikiem $ Z_1 $ tworzą oni trójkę grającą ,,trójkąt spotkań'' w jednym mieście i twierdzenie jest udowodnione. Załóżmy wobec tego, że cała ta grupa $ 17 $ (lub więcej) szachistów gra wszystkie mecze między sobą w pozostałych trzech miastach. Wybierzmy jednego z tej grupy i nazwijmy go $ Z_2 $. Ma on w tej grupie co najmniej $ 16 $ przeciwników, a więc z co najmniej $ 6 $ z nich musi grać w jednym mieście, które oznaczymy symbolem $ M_2 $. Jeśli któraś para wśród nich rozgrywa swoją partię także w $ M_2 $, daje to ,,trójkąt spotkań'' w $ M_2 $. No to przypuśćmy, że tak nie jest; znaczy to, że rozważana grupa $ 6 $ (lub więcej) szachistów rozgrywa partie między sobą w pozostałych dwóch miastach. Powtarzamy więc jeszcze raz to samo rozumowanie. Wybieramy z tej grupy jednego zawodnika $ Z_3 $ i zauważamy, że mając w tej grupie co najmniej $ 5 $ przeciwników, musi z co najmniej $ 3 $ z nich grać w jednym mieście $ M_3 $. Jeśli jest wśród nich para rozgrywająca swoją partię w $ M_3 $, to wraz z zawodnikiem $ Z_3 $ tworzą oni trójkę grającą ,,trójkąt spotkań'' w $ M_3 $. W przeciwnym razie cała ta grupa $ 3 $ (lub więcej) szachistów rozgrywa spotkania między sobą w ostatnim pozostałym mieście $ M_4 $. Tym samym twierdzenie zostało udowodnione.

Uwaga. Podany dowód ma charakter indukcyjny, składa się z kilku kroków, w których powielany jest ten sam schemat rozumowania. To spostrzeżenie prowadzi do następującego naturalnego uogólnienia; wygodnie formułować je w języku tzw. teorii grafów.

Niech $ (n_k) $ będzie ciągiem liczb określonym wzorem rekurencyjnym $ n_1 = 2 $, $ n_k = kn_{k-1}+1 $ dla $ k \geq 2 $. Przypuśćmy, że $ G $ jest zbiorem $ n $ punktów w przestrzeni, $ n > n_k $, i że każdy z odcinków łączących punkty zbioru $ G $ został pokolorowany jednym z $ k $ kolorów. Wówczas istnieją w zbiorze $ G $ trzy punkty takie, że trójkąt o wierzchołkach w tych punktach ma wszystkie boki jednego koloru.

(Początkowymi wyrazami ciągu $ (n_k) $ są liczby $ 2 $, $ 5 $, $ 16 $, $ 65 $, czyli liczby pojawiające się w rozwiązaniu zadania; dla $ k = 4 $ otrzymujemy twierdzenie dane w zadaniu, przy czym oczywiście szachistów należy interpretować jako punkty zbioru $ G $, rozgrywane partie jako odcinki, a miasta jako kolory).

Sformułowane przed chwilą ogólne twierdzenie łatwo udowodnić przez indukcję stosując schemat rozumowania użyty w rozwiązaniu zadania.

Warto nadmienić, że ciąg $ (n_k) $ określony podanym wzorem rekurencyjnym nie jest optymalny; jeśli $ k \geq 4 $, to istnieją liczby $ n \leq n_k $ takie, że dla dowolnego $ n $-elementowego zbioru punktów $ G $ prawdziwa jest konkluzja twierdzenia (z $ k $ kolorami); w szczególności, twierdzenie z zadania pozostaje prawdziwe przy zastąpieniu liczby $ 66 $ liczbą $ 65 $. Nie jest jednak znany żaden wzór dający nietrywialne dolne ograniczenie dopuszczalnych wartości $ n $, ani asymptotyczne zachowanie tych minimalnych wartości, gdy $ k \to \infty $.

XXXVII OM - II - Zadanie 3

Zawody matematyczne: 
XXXVII OM, 1985-1986
Etap: 
II

Niech S będzie sferą opisaną na czworościanie foremnym o krawędzi długości większej od 1. Sferę $ S $ przedstawiono w postaci sumy czterech zbiorów. Udowodnić, że do pewnego z tych zbiorów należą takie punkty $ P $, $ Q $, że długość odcinka $ PQ $ przekracza 1.

Rozwiązanie

Udowodnimy najpierw lemat stanowiący jednowymiarową wersję tego twierdzenia.

Lemat. Okrąg $ \omega $ opisany na trójkącie równobocznym o krawędzi długości większej od $ 1 $ przedstawiono w postaci sumy trzech zbiorów: $ \omega = U \cup V \cup W $. Wówczas do pewnego ze zbiorów $ U $, $ V $, $ W $ należą punkty $ P $, $ Q $, takie, że $ |PQ| > 1 $.
om37_2r_img_7.jpg
Dowód lematu. Dla dowolnych dwóch nieantypodycznych punktów $ X, Y \in \omega $ będziemy oznaczać symbolem $ \breve{XY} $ łuk domknięty okręgu $ \omega $ o końcach $ X $ i $ Y $, zawarty w półokręgu. Przypuśćmy, że teza lematu nie jest prawdziwa i weźmy dowolny trójkąt równoboczny $ ABC $ wpisany w $ \omega $. Jego wierzchołki muszą należeć do różnych zbiorów (spośród $ U $, $ V $, $ W $); możemy założyć, że $ A \in U $, $ B \in V $, $ C \in W $. Wówczas $ W \cap \breve{AB} = \emptyset  $ (bo odległość każdego punktu łuku $ \breve{AB} $ od punktu $ C $ przekracza $ 1 $). Niech

\[<br />
(1) \qquad a =\sup \{ |CM| \colon M \in \breve{CA} \cup W \}<br />
\]
\[<br />
a =\sup \{ |CM| \colon M \in \breve{CB} \cup W \}<br />
\]

i niech $ E \in \breve{CA} $, $ F \in \breve{CB} $ będą punktami takimi, że $ |CE| = a $, $ |CF| = b $ (rysunek 7). Odcinek $ EF $ ma długość nie większą od $ 1 $; gdyby bowiem było $ |EF| > 1 $, to ponieważ, zgodnie z (1), dowolnie blisko punktów $ E $ i $ F $ leżą punkty zbioru $ W $, znaleźlibyśmy punkty $ P, Q \in W $ takie, że $ |PQ| > 1 $ - wbrew naszemu przypuszczeniu. Zatem $ |EF | \leq 1 $, a więc łuk $ EF $ jest mniejszy, niż $ 1/3 $ okręgu. (Jest to oczywiście ten z łuków o końcach $ E $ i $ F $, który zawiera punkt $ C $, bo drugi z tych łuków zawiera punkty $ A $ i $ B $). Istnieją zatem punkty $ P, Q, R \in \omega $ leżące poza łukiem $ \breve{EF} $ i będące wierzchołkami trójkąta równobocznego.

Z definicji liczb $ a $ i $ b $ oraz punktów $ E $ i $ F $ wynika, że $ W \cap \breve{CA} \subset \breve{CE} $, $ W \cap \breve{CB} \subset \breve{CF} $, a ponieważ $ W \cap \breve{AB} = \emptyset $, wnosimy stąd, że $ W \subset \breve{EF} $. Wobec tego punkty $ P $, $ Q $, $ R $ należą do sumy zbiorów $ U $ i $ V $, a zatem dwa z nich muszą należeć do jednego z tych zbiorów. Kończy to dowód lematu, bo $ |PQ| = |QR| = |RP| > 1 $.

Z lematu natychmiast wynika teza zadania: bierzemy czworościan foremny $ ABCD $ wpisany w sferę $ S $ oraz okrąg $ \omega $ opisany na trójkącie $ ABC $. Punkt $ D $ należy do jednego z czterech rozważanych zbiorów. Jeżeli ten zbiór zawiera jakikolwiek punkt $ X \in \omega $, to $ |DX| > 1 $. W przeciwnym razie okrąg $ \omega $ jest zawarty w sumie pozostałych trzech zbiorów i na mocy lematu jeden z tych zbiorów zawiera punkty $ P $, $ Q $ takie, że $ |PQ| > 1 $.

XXXVII OM - II - Zadanie 4

Zawody matematyczne: 
XXXVII OM, 1985-1986
Etap: 
II

Liczby naturalne $ x, y, z $, których największy wspólny dzielnik jest równy 1, spełniają równanie

\[<br />
\frac{1}{x} + \frac{1}{y} = \frac{1}{z}<br />
\]

Dowieść, że $ x + y $ jest kwadratem liczby naturalnej.

Rozwiązanie

Równanie przepisujemy w postaci

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

Niech $ k $ oznacza największy wspólny dzielnik liczb $ x $ i $ y $: $ k = NWD (x,y) $. Mamy więc

\[<br />
x = km,\ y = kn,\ NWD (m, n) = 1.<br />
\]

Zauważmy, że

\[<br />
(2) \qquad NWD (m + n, mn) = 1,\        NWD (k, z) = 1.<br />
\]

Pierwsza z równości (2) wynika z tego, że $ NWD (m, n) = 1 $ (każdy dzielnik pierwszy iloczynu $ mn $ musi dzielić $ m $ lub $ n $, więc nie może dzielić sumy $ (m + n) $; druga równość (2) jest konsekwencją założenia $ NWD (x, y, z) = 1 $.

Podstawiając $ x = km $, $ y = kn $ do (1) i dzieląc stronami przez $ k $ dostajemy

\[<br />
(m + n)z = kmn,<br />
\]

a stąd, na mocy (2),

\[<br />
m + n = k,\      z = mn.<br />
\]

Ostatecznie więc

\[<br />
x + y = k(m + n) = k^2.<br />
\]

XXXVII OM - II - Zadanie 5

Zawody matematyczne: 
XXXVII OM, 1985-1986
Etap: 
II

Udowodnić, że jeżeli wielomian $ f $ nie równy tożsamościowo zeru spełnia dla każdego rzeczywistego $ x $ równość $ f(x)f(x + 3) = f(x^2 + x + 3) $, to nie ma on pierwiastków rzeczywistych.

Rozwiązanie

Przypuśćmy, że pewien wielomian $ f $ spełniający podane założenia ma pierwiastki rzeczywiste. Niech $ x_0 $ będzie największym z nich. Liczba $ y_0 = x_0^2 + x_0+ 3 > x_0 $ także jest pierwiastkiem wielomianu $ f $, bo

\[<br />
f(y_0) =f(x_0)f(x_0 + 3) = 0<br />
\]

- wbrew temu, że $ x_0 $ jest największym pierwiastkiem. Otrzymana sprzeczność dowodzi, że $ f $ nie może mieć pierwiastków rzeczywistych.

XXXVII OM - II - Zadanie 6

Zawody matematyczne: 
XXXVII OM, 1985-1986
Etap: 
II

W trójkącie $ ABC $ wybrano punkt $ A' $ na boku $ BC $, punkt $ B' $ na boku $ AC $, punkt $ C' $ na boku $ AB $ tak, że proste $ AA' $, $ BB' $, $ CC' $ przecinają się w jednym punkcie, czyli równoważnie $ |BA'| \cdot |CB'| \cdot |AC'| = |CA'| \cdot |AB'| \cdot |BC'| $. Udowodnić, że pole trójkąta $ A'B'C' $ jest nie większe od $ 1/4 $ pola trójkąta $ ABC $.

Rozwiązanie

Uwaga. Równoważność między podanymi w założeniach warunkami jest treścią twierdzenia Cevy. Pokażemy dwa sposoby rozwiązania; w pierwszym wykorzystamy równość podanych iloczynów (nie korzystając bezpośrednio
z tego, żc trzy rozważane proste mają punkt wspólny), a w drugim sposobie postąpimy przeciwnie.
om37_2r_img_8.jpg
Wprowadźmy oznaczenia (jak na rysunku 8):

\[<br />
\begin{split}<br />
& |BC| = a,\ |CA| = b,\ |AB| = c,\\<br />
& |BA'| = x,\ |CB'| =y,\ |AC'| = z\\<br />
& (\textrm{więc} \  |A'C|=a-x,\  |B'A| = b-y,\  |C'B| = c-z),\\<br />
& S = \textrm{pole trójkąta} \ ABC,\ S' = \textrm{pole trójkąta}\ A'B'C,\\<br />
& S1 = \textrm{pole}\ (AB'C'),\ S_2 = \textrm{pole}\ (BC'A'),\ S_3 = \textrm{pole}\ (CA'B').<br />
\end{split}<br />
\]

Zgodnie z założeniem,

\[<br />
\begin{split}<br />
(1) \qquad xyz & = (a-x)(b-y)(c-z) =\\<br />
& = abc- (abz + bcx + cay) + (ayz + bzx + cxy)-xyz,<br />
\end{split}<br />
\]

czyli

\[<br />
(2) \qquad abc-2xyz = (abz+bcx+cay)- (ayz+bzx+cxy).<br />
\]

Zauważmy dalej, że

\[<br />
S-1 = \frac{1}{2}(b - y)z \sin \measuredangle A, \ S = \frac{1}{2} bc \sin \measuredangle A,<br />
\]

skąd

\[<br />
S_1 = \frac{(b-y)z}{bc} \cdot S<br />
\]

i podobnie (przez cykliczne przestawienie symboli)

\[<br />
S_2 = \frac{(c-z)x}{ca} \cdot S, \ S_3 = \frac{(a-x)y}{ab} \cdot S.<br />
\]

Zatem

\[<br />
S-S' = S_1+S_2+S_3 = \frac{S}{abc} [a(b- y)z+b(c-z)x+c(a-x)y]<br />
\]

Ale wyrażenie w nawiasie kwadratowym to dokładnie prawa strona równości (2). Mamy więc

\[<br />
S-S' = \frac{S}{abc} (abc - 2xyz) = S - \frac{2xyz}{abc} \cdot S,<br />
\]

czyli

\[<br />
(3) \qquad \frac{S'}{S} = \frac{2xyz}{abc}.<br />
\]

Korzystając jeszcze raz ze wzoru (1) i stosując nierówność między średnią geometryczną i arytmetyczną (pary liczb) dostajemy

\[<br />
\begin{split}<br />
xyz = \sqrt{xyz(a - x)(b - y)(c - z)} & =\sqrt{x(a - x)} \cdot \sqrt{y(b - y)} \cdot \sqrt{z(c - z)} \leq \\<br />
& \frac{x+(a - x)}{2} \cdot \frac{y+(b - y)}{2} \cdot \frac{z+(c  -z)}{2}=\frac{abc}{8}.<br />
\end{split}<br />
\]

W połączeniu z wzorem (3) daje to żądaną nierówność $ S' \leq S/4 $.

© 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/738