Stowarzyszenie na rzecz Edukacji Matematycznej
O pewnym zadaniu VIII OMG
Na zawodach II stopnia VIII OMG, które odbyły się 5 stycznia 2013, jedno z zadań było następujące...
Odpowiedź jest pozytywna, a rozwiązujący podawali (i uzasadniali), że warunki spełnia np. trójkąt równoramienny o długości podstawy 30 i ramion po 25. Wtedy wysokość opuszczona na podstawę ma długość 20, a na każde z ramion po 24. Zwykle dochodzono do tego, odbijając symetrycznie trójkąt prostokątny o bokach długości 3, 4 i 5 względem dłuższej przyprostokątnej. Otrzymuje się wtedy trójkąt równoramienny o długości podstawy 6 i ramion po 5, a wysokości, odpowiednio, 4 i dwie po Kąt przy podstawie jest, oczywiście, ostry, a kąt między ramionami jest mniejszy niż gdyż jest równy podwojonemu mniejszemu kątowi w trójkącie prostokątnym (leży naprzeciw krótszej przyprostokątnej). Jest to zatem trójkąt ostrokątny, w którym żądane długości są liczbami wymiernymi. Wystarczało teraz powiększyć go pięciokrotnie (jednokładnie względem któregoś wierzchołka w skali ), aby otrzymać odpowiedź.
Analizując powyższy przykład, widzimy, że istotne było w nim znalezienie takiego trójkąta ostrokątnego, w którym żądane długości są liczbami wymiernymi i do tego posłużył trójkąt prostokątny o bokach długości 3, 4 i 5. Jest to najmniejszy trójkąt prostokątny, którego długości boków i tworzą tzw. trójkę pitagorejską czyli są liczbami naturalnymi spełniającymi równanie
Równanie to ma nieskończenie wiele rozwiązań, a wszystkie trójki pitagorejskie wyrażają się wzorami
gdzie i są liczbami naturalnymi. Przypomnijmy też, że w trójce pitagorejskiej musi być gdyż jest liczbą niewymierną.
Powstaje pytanie, czy dla dowolnej trójki pitagorejskiej analogiczna konstrukcja prowadzi do trójkąta ostrokątnego o wymaganych w zadaniu własnościach. Odpowiedź też jest pozytywna. Załóżmy, że i odbijmy symetrycznie trójkąt prostokątny o bokach długości i względem dłuższej przyprostokątnej. Wtedy otrzymuje się trójkąt równoramienny o podstawie długości i ramion po Pole tego trójkąta wynosi zatem wysokości mają długości, odpowiednio, i Uzasadnienie, że jest to trójkąt ostrokątny, jest analogiczne. Wystarczy teraz powiększyć ten trójkąt razy, aby otrzymać pozytywną odpowiedź.
Trudniejsza jest sprawa, gdy pytamy o trójkąt ostrokątny o żądanych w zadaniu własnościach, ale niekoniecznie równoramienny. W tym przypadku odpowiedź też jest pozytywna, a poszukiwanie trójkąta o żądanych własnościach również opiera się na opisanym wyżej motywie. Weźmy dwie różne trójki pitagorejskie i i niech oraz Rozważmy trójkąty prostokątne i o bokach długości: oraz gdzie jest w nich wspólną, dłuższą z przyprostokątnych.
Zauważmy, że w trójkącie boki mają długości: i Pole tego trójkąta wynosi Wysokości mają długości, odpowiednio,
są więc liczbami wymiernymi. Zatem w trójkącie długości wszystkich boków i wysokości są wymierne. Powiększając więc go razy (jednokładnie względem któregoś wierzchołka), otrzymujemy trójkąt o żądanych własnościach.