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.