Zadania z matematyki - IX 2020»Zadanie 1650
o zadaniu...
- Zadanie pochodzi z artykułu Zadania z matematyki - IX 2020
- Publikacja w Delcie: wrzesień 2020
- Publikacja elektroniczna: 31 sierpnia 2020
Na tablicy zapisanych jest
różnych liczb rzeczywistych, przy czym
jest liczbą nieparzystą. Dla każdej pary
liczb z tablicy na osobnej karteczce zapisano liczbę
Wykazać, że wszystkie karteczki można podzielić na dwa stosy o równych sumach zapisanych liczb.
niech
będą elementami zbioru
Wówczas na jednym stosie kładziemy karteczkę z liczbą
a na drugim - karteczki z liczbami
oraz 
i rozważmy dowolny zbiór
liczb
oraz związane z nimi karteczki. Z założenia indukcyjnego wszystkie karteczki pochodzące wyłącznie od liczb
można podzielić na stosy o równych sumach. Pozostałe karteczki najpierw podzielmy na następujące
grup:
grup po dwie karteczki, z liczbami
oraz
dla
oraz jedna grupa składająca się z pozostałej karteczki z liczbą
Zauważmy, że w każdej grupie suma liczb z karteczek jest równa
Wobec tego wystarczy karteczki z dowolnych
grup dołączyć do jednego stosu, a karteczki z pozostałych
grup - do drugiego stosu. To kończy dowód indukcyjny.
liczb z tablicy na osobnej karteczce zapisano liczbę
Czy może się zdarzyć, że na karteczkach zapisano liczby całkowite od 1 do 10?
Wówczas najmniejsza z liczb zapisanych na karteczkach to
druga najmniejsza (być może równa) -
; największa to
a druga największa -
Ponadto sumując liczby ze wszystkich karteczek, uzyskujemy
a zatem znamy również wartość
Ta wiedza wystarcza kolejno do znalezienia wartości
spełniają warunek
to 

i
spełniają równość
Dowieść, że
a prawą przez
Następnie skorzystać z nierówności
i
spełniają warunek
Dowieść, że
wraz z dwiema analogicznymi równościami. Wykorzystać nierówność 
jest równy 1, to 
Można to zrobić, dodając stronami nierówność między średnią arytmetyczną i geometryczną
prawdziwa jest nierówność
i udowodnić, że
dla
oraz analogicznie dla
i 
i
oraz liczby całkowitej
zachodzi nierówność
Wtedy
z nierówności
Tę ostatnią nierówność wystarczy zsumować dla 
i
oraz liczby całkowitej
zachodzi nierówność
Posługując się nierównościami między średnimi potęgowymi, wykazać dla
nierówności
Następnie wszyscy uczniowie w klasie podchodzili kolejno do tablicy; każdy z nich zmniejszał albo zwiększał o jeden współczynnik przy
albo wyraz wolny trójmianu. Na koniec okazało się, że na tablicy widnieje trójmian
Udowodnić, że w pewnym momencie na tablicy był napisany trójmian o pierwiastkach całkowitych.
będzie wartością danego trójmianu w punkcie
po zmianie współczynników przez
-tego ucznia i niech
będzie wartością w -1 trójmianu napisanego przez nauczyciela. Zauważmy, że
a
(gdzie
to numer ostatniego ucznia). Ponadto zachodzi nierówność
Rzeczywiście - jest to jasne, gdy zmieniamy wyraz wolny, zaś zmieniając o
wartość współczynnika przy
dodajemy lub odejmujemy 1 do wartości wielomianu w -1. W takim razie istnieje takie
że
Zatem w pewnym momencie na tablicy był napisany trójmian
którego jednym z pierwiastków było -1; ze wzorów Viète'a wnosimy, że drugim jego pierwiastkiem była liczba całkowita 
zachodzi równość
będzie punktem przecięcia przekątnych równoległoboku. Wyznaczyć
z twierdzenia cosinusów dla trójkąta
, podobnie trzy pozostałe kwadraty długości boków.
leży na boku
trójkąta
. Niech
,
,
i
. Dowieść, że
(twierdzenie Stewarta).
. Wyznaczyć lewą i prawą stronę z twierdzenia cosinusów dla trójkątów odpowiednio
i
, a następnie przekształcić otrzymaną równość, by otrzymać
.
i
mające wspólny początek
które zostały podane w kolejności antyzegarowej. Prosta
przecina je odpowiednio w punktach
i
Dowieść, że wartość wyrażenia
nie zależy od wyboru prostej
(niezmienniczość dwustosunku).
będzie odległością punktu
od prostej
Oznaczmy przez
kąty pomiędzy półprostymi odpowiednio
i
i
i
Wówczas obliczając na dwa sposoby pole trójkąta
otrzymamy
i 
Punkty
i
leżą odpowiednio na odcinkach
i
przy czym trójkąt
jest równoboczny. Dowieść, że suma pól trójkątów
i
jest równa polu trójkąta 
to
Niech
Zadanie sprowadza się do wykazania równości 
wpisany jest w okrąg. Na tym okręgu leży punkt
Udowodnić, że iloczyn odległości punktu
od prostych
i
jest równy iloczynowi odległości punktu
od prostych
i 
opuszczona z wierzchołka
ma długość
Odległości punktu
od prostych
i
są odpowiednio wysokościami trójkątów

leżą odpowiednio na bokach
trójkąta
Spełnione są następujące równości:

i
Obliczając pole trójkąta
na dwa sposoby, otrzymamy równość
i uprościć tę równość.
zachodzą następujące równości:
oraz
Z równości
otrzymamy po przekształceniach

są równe, a dzięki założeniu o wypukłości pięciokąta mamy
Dalszą część rozwiązania stanowią proste rachunki na kątach.
wpisanym w okrąg o środku
kąt przy wierzchołku
jest rozwarty oraz zachodzi równość
Odcinki
i
przecinają się w punkcie
Dwusieczne kątów
i
przecinają odcinek
w punktach odpowiednio
i
Dowieść, że punkt
jest środkiem odcinka 
Z twierdzenia o dwusiecznej zastosowanego dla trójkąta
otrzymujemy
Miary kątów trójkąta
wynoszą odpowiednio
więc z twierdzenia sinusów
(treść zadania + twierdzenie sinusów), otrzymamy

gdzie
jest punktem wewnątrz trójkąta równobocznego
o boku 1.
poprowadźmy proste równoległe do boków trójkąta
przecinające te boki w punktach
jak na rysunku. Wówczas
podobnie z długościami
i
stąd należy zmaksymalizować pole trójkąta
Oznaczając przez
pole figury
dostajemy
i
są podobne do
w skalach odpowiednio
i
W związku z tym
Równość otrzymamy, biorąc za punkt
środek ciężkości trójkąta
co kończy rozwiązanie.