Cím: Az 1956. évi Arany Dániel matematikai tanulóverseny (2. közlemény)
Füzet: 1956/október, 33 - 41. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Arany Dániel

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

Alábbiakban közöljük a kezdők (I. osztályosok) versenyén kitűzött feladatok megoldásait.
Az I. forduló feladatai:

 

1. feladat. Mennyi a %-os alkoholt kell hozzátöltenünk b liter c %-os alkoholhoz, hogy d %-os alkoholt kapjunk ?
 

Megoldás: Nyilvánvalóan csak akkor várható megoldása a feladatnak, ha d az a és c közé eső érték. Általában p %-os alkohol azt jelenti, hogy m liter oldatban
pm100
liter alkohol van. Így, ha a b liter c % alkoholhoz x liter a %-os alkoholt adva, a keletkezett b+x liter d %-os lesz, ekkor az alkoholtartalmat kétféleképpen kiszámítva
bc100+ax100=(b+x)d100.
Innen, ha da
x=bd-ca-d.

Ez x-re akkor ad pozitív értéket, ha a-b és d-c egyező előjelű, ami éppen azt jelenti, hogy d az a és c közé esik.
 

2. feladat. Szerkesszünk háromszöget, ha ismeretes a kerülete (k), egyik oldala (c), és a másik két oldallal szemközti szögek különbsége (α-β).
 

Megoldás: Jelöljük az adott szögkülönbséget δ-val. Ha a c oldal és a kerület adott, akkor ismert a másik két oldal összege a+b is. A szerkeszthetőséghez természetesen szükséges, hogy
a+b=k-c>c,
azaz
2c<k
legyen.
Forgassuk rá egy tetszésszerinti ABC háromszögben pl. a BC=a oldal meghosszabbítására a CA'=b oldalt (1. ábra).
 
 
1. ábra
 

A keletkezett ACA' egyenlő szárú háromszög C csúcsánál levő külső szöge az ABC háromszög γ szöge, így az AA' alapon fekvő szögek γ2 nagyságúak.
Számítsuk ki a keletkező ABA' háromszögben az A-nál levő szöget:
A'AB=α+γ2=α+180-(α+β)2=90+α-β2=90+δ2.

Az AA'B háromszögben ismert tehát két oldal és a nagyobbikkal szemközti szög, így ez egyértelműen megszerkeszthető. Az AA' oldal felező merőlegese metszi ki az A'B oldalból a C pontot (2. ábra).
 
 
2. ábra
 

Ez a BA' oldal belsejére esik, mert az A'AB szög tompaszög.
A keletkezett ABC háromszög kielégíti a feltételeket, mert ‐ szögeit α', β', γ'-vel jelölve ‐ az ACA' háromszög szerkesztés szerint egyenlő szárú, így az alapon fekvő szögei feleakkorák, mint a C csúcsnál levő külső szög, γ'. Ezért
α'-β'=90+δ2-γ'2-β'=90+δ2-180-(α'+β')2-β'=δ2+α'-β'2.
Innen
α'-β'=δ,
másrészt a C csúcsból induló oldalak összege
AC+CB=A'C+CB=A'B,
szintén az előírt k-c érték.
 

Megjegyzés: Az AA' oldal a C csúcsból induló szögfelezővel párhuzamos, és ha az AC oldal meghosszabbítására mérjük rá a CB-vel egyenlő CB' távolságot, akkor ugyanúgy BB' is párhuzamos a szögfelezővel. (1. ábra). A szerkesztés ennek alapján úgy is befejezhető, hogy az AA'B háromszög után ugyanarra az AB oldalra megszerkesztjük az ABB' háromszöget (BB'||AA' és AB'=k-c) is. Ekkor C az AB' és A'B oldalak metszéspontjaként adódik (2. ábra).
 

3. feladat. Vonjuk le egy egész szám utolsó jegyének kétszeresét az utolsó jegy elhagyásával kapott számból (ha az egész szám egyjegyű, akkor 0-ból). Igazoljuk, hogy ha az eredmény osztható 7-tel, akkor az eredeti szám is mindig osztható 7-tel, ha viszont az eredmény nem osztható 7-tel, akkor az eredeti szám sem lehet 7-tel osztható.
 

Megoldás: Az adott egész számot n-nel, utolsó számjegyét b-vel, az ennek elhagyásával keletkező számot a-val jelölve (0b9, a0) a feladat előírása szerint az
n=10a+b
számhoz a
d=a-2b
számot kell kiszámítani. Innen kiküszöbölhetjük pl. b-t úgy, hogy d-t hozzáadjuk n kétszereséhez:
2n+d=21a.

A jobboldal osztható 7-tel, azért a baloldali összegnek is oszthatónak kell lennie 7-tel. Ebből következik, hogy ha valamely tag osztható 7-tel, akkor a másik is. Ha tehát d osztható 7-tel, akkor 2n is osztható 7-tel, különben pedig nem.
Ebből továbbá következik a feladat állítása, mert tudjuk, hogy 2n akkor és csakis akkor osztható 7-tel, ha n osztható 7-tel. Világos, hogy ha n osztható 7-tel, akkor 2n is. Ha viszont n nem osztható 7-tel, akkor 1, 2, 3, 4, 5 vagy 6 maradékot ad, és a kétszerese ekkor rendre 2, 4, 6, 1, 3 illetőleg 5 maradékot ad, tehát szintén nem osztható 7-tel.
 

A II. forduló feladatai:
 

1. feladat. Bizonyítsuk be, hogy
(a2+b2)(c2+d2)(ac+bd)2
bármilyen pozitív vagy negatív (esetleg 0) számokat jelentsen a, b, c, d. Mikor érvényes az egyenlőség jele ?
 

Megoldás: Képezzük a két oldal különbségét
(a2+b2)(c2+d2)-(ac+bd)2=a2d2+b2c2-2abcd=(ad-bc)20,
a, b, c, d minden számbajövő értékére. Egyenlőség csak abban az esetben állhat fenn, ha
ad=bc.

Megjegyzés. 1. A bizonyítás a következő azonosság levezetésével történt:
(a2+b2)(c2+d2)=(ac+bd)2+(ad-bc)2.
Ebből az itt bizonyított egyenlőtlenség mellett egy számelméleti érdekesség is leolvasható: ha itt a, b, c, d egész számokat jelentenek, akkor az azonosság azt fejezi ki, hogy ha két egész szám kifejezhető két négyzetszám összegeként (m=a2+b2 és n=c2+d2), akkor a szorzatuknak is megvan ez a tulajdonsága. Ez lényeges segítséget nyújt annak a kérdésnek vizsgálatában, hogy mely számok állíthatók elő két négyzetszám összegeként (lásd idevonatkozóan pl. Matematikai Versenytételek II. részben az 1938. évi 1. feladathoz fűzött jegyzetet).
 

2. Könnyen igazolható a felhasznált azonosság következő általánosítása:
(a12+a22+...+ak2)(b12+b22+...+bk2)-(a1b1+a2b2...+akbk)2=(a1b2-a2b1)2+ +(a1b3-a3b1)+...+(a1bk-akb1)+(a2b3-a3b2)2+...+(akbk-1-ak-1bk),

amiből leolvashatjuk az
(a12+a22+...+ak2)(b12+b22)+...+bk2)(a1b1+a2b2+...+akb2)2
nevezetes Cauchy-féle egyenlőtlenséget. Itt egyenlőség csak akkor állhat fenn, ha a bi-k a megfelelő ai-ből minden egyes i-re ugyanazon c számmal való szorzással keletkeznek.
 

2. feladat. Szerkesszünk háromszöget, ha adva van a kerülete 2s, a beírt kör sugara ϱ, és szögeik szöge α.
 

I. megoldás: Legyenek a háromszög csúcsai A, B, C, az ezeknél fekvő szögek α, β, γ. Mivel a beírt kör O középpontját a szögfelező metszéspontja adja, ezért az a=BC oldal látószöge az O pontból (3. ábra)
 
 
3. ábra
 

δ=180-β2-γ2=180-(α2+β2+γ2)+α2=90+α2.(1)

Ez a szög tehát α ismeretében megszerkeszthető. Azt is tudjuk, hogy O a BC oldaltól ϱ távolságra van, így a szerkesztés elvégezhető, ha a-t meg tudjuk szerkeszteni. Legyenek a beírt kör érintési pontjai a BC, CA, AB oldalon A1, B1, C1, akkor ismeretes, hogy
AB1=AC1=s-BC=s-a.(2)
(Valóban a körhöz egy pontból húzott érintő egyenlő volta miatt
s=AB1+BC1+CA1=AB1+CA1+A1B=AB1+a.)

Ezzel a következő szerkesztéshez jutottunk: Rajzoljunk α2 nagyságú szöget, csúcspontját jelöljük P-vel (4. ábra).
 
 
4. ábra
 

Húzzunk az egyik szárával párhuzamos egyenest ϱ távolságban, amely metszi a másik szárat egy Q pontban. Az előbbi szárra mérjük rá a P csúcstól a PC=s távolságot, a Q-ból PC-re bocsátott merőleges talppontja legyen B. Rajzoljuk meg azt a körívet, amelyből a BC szakasz 90+α2 szög alatt látszik. Messe ez az először húzott párhuzamost O és O' pontokban. Rajzoljunk pl. O körül ϱ sugarú kört. Az ehhez B-ből és C-ből húzott érintők A metszéspontja lesz a keresett háromszög harmadik csúcspontja. (E két érintő szükségképpen metszi egymást, a BC ugyanazon az oldalán, amelyen a kör van. Ugyanis ezen érintőknek a BC szakasszal bezárt, a kör oldalán fekvő szögei 2OBC, illetőleg 2OCB, és e két szög összege 180-α.)
Csak az így kapott háromszög felelhet meg a feladat feltételeinek, tehát nincs megoldása a feladatnak, ha a látókörív nem metszi a ϱ távolságban húzott párhuzamost.
Az ABC háromszög valóban megfelel a feltételeknek, mert beírt körének sugara ϱ, ennek a középpontjából a BC oldal 90+α2 szög alatt látszik, s így az A csúcsnál fekvő α' szögre (1) szerint
90+α'2=90+α2,α'=α.
Végül a beírt kör érintési pontját a CA oldalon B1-gyel jelölve, a szerkesztett háromszög s' kerületére (2) szerint
s'=AB1+BC.
De az AOB1 és PQB derékszögű háromszögek egybevágók, mert A-nál, illetőleg P-nél fekvő hegyesszögük α2, és az ezzel szemközti befogó mindkét háromszögben ϱ. Így
AB1=PB.
Ennélfogva
s'=PB+BC=s
a szerkesztés szerint.
Ha O helyett az O'-ből kiindulva fejezzük be a szerkesztést, akkor ABC-vel egybevágó megoldást kapunk, mert O és O' szimmetrikus a BC szakaszt felező merőlegesére.
 

Megjegyzés. Legyen az ABC háromszög köré írt kör A-t nem tartalmazó BC ívének felezőpontja D (5. ábra).
 
 
5. ábra
 

Tudjuk, hogy az A csúcsnál fekvő szög felezője átmegy D-n, és egyszerű szögszámítás adja, hogy a BDO háromszög egyenlő szárú: DB=DO. Így B, O és C egy D középpontú körön vannak. Ez éppen a fenti megoldásban használt látókörív.
Mivel a megszerkesztése után, α ismeretében a körülírt kör megszerkeszthető, így a D pont is. E körül B-n és C-n át körívet rajzolva, annak egyik metszéspontját a BC-től ϱ távolságra húzott párhuzamossal kössük össze D-vel. Ez metszi ki a körülírt körből A-t. Többen választották ezt a szerkesztési utat. Ehhez természetesen megfelelően kell módosítani annak bizonyítását is, hogy az ABC háromszög megfelel a feladat feltételeinek. (Lásd a jelen számban kitűzött 372. gyakorlatot.)
 

II. megoldás: Forgassuk le egy ABC háromszög oldalait pl. az AB oldal meghosszabbítására (6. ábra)
AC'=AC,BC'=BC.
 
6. ábra
 

Ha az A csúcsnál levő szög α, akkor a CAC' háromszög egyenlő szárú voltából következik, hogy
CC'A=CC'C''=α2.

Az előző megoldásban láttuk, hogy a BC=a oldal az adatokból megszerkeszthető, így megszerkeszthető a BCC' háromszög is a következő módon: Miután a-t megszerkesztettük, mint az előző megoldásban, mérjük fel egy egyenesre C'C''=2s távolságot, ennek C' végpontjában az α2 szöget, a C''-től a távolságra levő B pont körül pedig rajzoljunk a sugárral kört (7. ábra).
 
 
7. ábra
 

E körnek a szög másik szárával való valamelyik metszéspontja ‐ ha van ilyen ‐ legyen C. A CC' szakasz felező merőlegese metszi ki a C'C'' szakaszból az A pontot.
Az ABC háromszög valóban megfelel a feltételeknek, mert szerkesztés szerint a CAC' háromszög egyenlő szárú, így CA=C'A, és a háromszög A-nál levő külső szöge
CAC''=2CC'A=α.

Ez az ABC háromszög belső szöge kell, hogy legyen. Ugyanis a szerkeszthetőséghez szükséges, hogy a<s legyen. Ez esetben C' az a sugarú B középpontú körön kívül van. Ha a kör és a C'C egyenes másik metszéspontját C1-gyel jelöljük, akkor a CC1 szakasz felező merőlegese B-n megy át; mivel pedig CC' (és C1C') felezőpontja C' és a C1C szakasz felezőpontja közé esik, így A-nak is C' és B közé kell esnie. CAC'' tehát az ABC háromszögnek valóban belső szöge. A háromszög kerülete:
CA+AB+CB=C'A+AB+BC''=2s.
Így az I. megoldás (1) szerint a beírt kör érintési pontja A-tól s-a távolságra van. Ebből, mivel a beírt kör középpontja az α szög felezőjén van, a megszerkesztése szerint következik, hogy a beírt kör sugara olyan derékszögű háromszög befogója, melynek ezzel szemközti szöge α2, a másik befogója pedig s-a. Mivel a-t egy ugyanilyen háromszög segítségével szerkesztettük, melynek emellett kérdéses befogója ϱ hosszúságú, így a megszerkesztett háromszög beírt körének sugara ϱ. A háromszög tehát megfelel a feladat feltételeinek.
Azt állítjuk, hogy ha C helyett C1-ből kiindulva szerkesztünk egy A1BC1 háromszöget, ez az előbbivel egybevágó lesz (a megfelelt csúcsok A, C és B). Valóban A1 is C' és B közé esik. Essék mondjuk a C a C' és C1 pontok közé, és jelöljük az ABC és A1BC1 háromszögek szögeit α, β, γ, illetőleg α1, β1, γ1-gyel. Szerkesztés szerint α1=α a megadott szög.
A BCC1 egyenlő szárú háromszögből
BCC1=BC1C=γ1+α2,
így a C-nél keletkező szögek összege
180=C'CA+ACB+BCC1=α2+γ+γ1+α2=α+γ+γ1,
tehát γ1=β. Az ABC és A1C1B háromszögek tehát hasonlók, mivel pedig BC és C1B oldaluk egyenlő, tehát egybevágók is.
 

III. megoldás: Rajzoljuk meg a háromszög BC oldalához hozzáírt kört is. A betűzést a 8. ábra mutatja.
 
 
8. ábra
 

Ismeretes, hogy ekkor
AB2=AC2=s.(3)
(Valóban a körhöz egy pontból húzott érintők egyenlősége folytán
2AB2=AB2+AC2=AC+CA2+AB+BA2=AC+AB+BC=2s.)

Ez a következő szerkesztéshez vezet: Szerkesszünk α nagyságú szöget, csúcsa legyen A, és szerkesszük meg a két szárat érintő ϱ sugarú k1 kört. Mérjük rá a szög egyik szárára az AC2=s távolságot, és szerkesszük meg azt a k2 kört, amelyik mindkét szárat érinti, egyiket C2-ben. Húzzuk meg a két kör egyik közös belső érintőjét, messe ez a szög szárait B és C pontokban.
ABC a keresett háromszög, mert A-nál levő szöge α, beírt körének sugara ϱ, és a (3) összefüggésből következik, hogy kerülete 2s.
A másik belső közös érintő meghúzása nyilvánvalóan a megszerkesztettel egybevágó háromszöghöz vezet.
 

3. feladat. A községből egy nő 10 óra 31 perckor elindult és egyenletesen haladva 13 óra 43 perckor érkezett B községbe. Ugyanezen a napon B-ből 9 óra 13 perckor indult el egy férfi ugyanazon az úton, és állandó sebességgel 11 óra 53 perckor ért A-ba. Útközben egyszerre értek egy hídhoz, amelyet a nő (miután egymás mellett elhaladtak) 1 perccel később hagyott el, mint a férfi. Mikor értek a hídhoz és hol vannak a híd végpontjai ?
 

I. megoldás: Az egész utat a nő 192 perc alatt tette meg, a férfi 160 perc alatt. Mivel mindketten egyenletesen haladnak, azért ugyanakkora út megtételéhez a nőnek és férfinak szükséges idők aránya mindig
192160=65.

Jelöljük a híd végigjárásához a férfinek szükséges időt ‐ percekben ‐ t-vel, ekkora nő a feltétel szerint t+1 perc alatt jut át a hídon, és így
t+1t=1+1t=65,t=5perc.

A híd hosszát távolságegységnek választva, az egész út hossza (a férfi menetidejéből számítva)
160:5=32hídhossz.

A híd eléréséig a nő és a férfi együtt 31 hídhossznyi utat tett meg. Ha a nő útja ebből x hídhossz volt, akkor, mivel a nő egy hídhosszat 6 perc alatt tesz meg, azért 6x idő alatt ért a hídhoz. A férfi 78 perccel korábban indult el, mint a nő, és (31-x) 5 percig ment, míg a hídhoz ért. Mivel egyszerre értek a hídhoz, azért
6x=(31-x)5-78,x=7.



Eszerint a nő (és ugyanakkor a férfi is) a nő elindulásától számított 6x=42 perc múlva ér a hídhoz, vagyis mindketten 11 óra 13 perckor érik el a hidat.
A híd A felőli hídfője 7 hídhossznyira van A-tól és így a másik hídfő 24 hídhossznyira B-től.
 

II. megoldás: A férfi 160 perc alatt teszi meg az egész utat és 78 perce gyalogol, mikor a nő elindul, tehát megtette már az út
78160=3980
részét, együtt tehát még az út 4180 részét teszik meg a találkozásig.
Mivel egyenletesen haladnak, mindketten, így sehességeik aránya
192160=65,
másszóval, ami utat a férfi 5 perc alatt tesz meg, azt a nő 6 perc alatt. Ebből mindjárt az is következik, hogy a hídon is 5, illetőleg 6 perc alatt haladnak át. A fenti arányt úgy is értelmezhetjük, hogy az ugyanazon idő alatt együttesen megtett útnak 511-ét teszi meg a nő, 611-ét a férfi. Így az egész útnak A-tól mért
5114180=41176
részénél találkoznak, és ez a hídnak A-tól mért 511 részénél lesz. A híd hossza (a férfi menetidejéből számítva) az egész út
5160=132
része, így a híd A-hoz közelebb eső vége A-tól az út
41176-511132=77352=732
részén, a túlsó vege pedig az út A-tól mért negyedrészére van.
A B-ből induló férfi a hídig terjedő utat, azaz az egész út 34 részét 34160=120perc=2 óra alatt teszi meg, tehát mindketten 11 óra 13 perckor érnek a hídhoz.