A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre. Kezdők (I. osztályosok) versenye. 1. feladat: Két csoportba oszthatjuk-e a következő számot úgy, hogy az egyik csoportba tartozók összege -cel legyen nagyobb, mint a másik csoportba tartozók összege: , , , , , , , , , ?
I. megoldás: Vonjuk ki az adott számok összegéből, -ból, a készítendő csoportok összegének eltérését, -et. A maradékot, -et két egyenlő részre osztva kapnók a kisebb összegű csoport összegét. De máris látjuk, hogy a kívánt felosztás lehetetlen, mert páratlan, a fele nem egész, adott számaink viszont valamennyien egészek.
Megjegyzések. 1. Lényegében ugyanígy bizonyították a kívánt felosztás lehetetlenségét azok is, akik a kisebb összegű csoportban szereplő számok összegét -szel jelölve ‐ így a másik csoport összege ‐ az egyenletről mutatták meg, hogy megoldása tört szám. 2. Több versenyző úgy vélte megoldani a feladatot, hogy elhagyta az adott számok között szereplő -et, és azt mutatta meg, hogy a fennmaradt számok nem oszthatók két egyenlő összegű csoportba. Bármennyire hasonlít is ez a gondolat a fenti megoldáshoz, ‐ mégsem azonos vele, és nem teljes bizonyítás. Ebből csak azt látjuk, hogy olyan megoldása nincs a feladatnak, melyben a -es a nagyobb összegű csoportba tartozik. Olyan megoldás viszont még nem lehetetlen, amelyben a -es a kisebb összegű csoport tagja. Ha pl. az adottak helyett a , , , , , , , , , számokat kellene ugyanazon követelmény mellett két csoportba osztani, ez lehetséges: a kisebb összegű csoportban egyedül a -es áll, a másikban a -esek, bár ‐ mint könnyű belátni ‐ a -es itt sem lehet a nagyobb összegű csoportnak tagja. 3. Általában: adott egész számokat nem lehet úgy két csoportra osztani, hogy a csoportok összegének eltérése adott egész szám legyen, ha a számok összegéből az előírt eltérést levonva páratlan számot kapunk. De ha így páros szám adódik, ebből még nem következik, hogy a kívánt csoportosítás lehetséges. Pl. a , , , , , , számcsoport nem osztható ketté követelményünk szerint, bár összegüknek és az eltérésnek különbsége osztható -vel: . 4. Megállapításunk több csoportra a következőképpen általánosítható. Adott egész számok számú, adott, egész eltérésű csoportra való felbonthatóságának szükséges ‐ de, mint láttuk, nem elegendő ‐ feltétele az, hogy a számok összegéből az eltérések összegét levonva -val osztható számot kapjunk. (Ez az összeg úgy értendő, hogy valamennyi csoport összegének egy bizonyos, kijelölt számcsoport összegétől való eltéréseit vesszük, előjelükkel együtt.)
II. megoldás: A feladat ezt kívánja: alkossunk a felsorolt egész számokból olyan két csoportot, hogy a bennük levő számok összegének különbsége legyen, a két összeg összeadva pedig -ot adjon. Ez lehetetlen, mert ha két egész szám különbsége páratlan, akkor a két szám ellentétes párosságú, és ezért összegük is páratlan.
2. feladat: Húzzuk meg egy szabályos ötszög két egymást metsző átlóját. Bizonyítsuk be, hogy ezek olyan darabokra osztják egymást, amelyek közül a nagyobbik egyenlő az ötszög oldalával.
I. megoldás: Legyen az szabályos ötszög és átlóinak metszéspontja . Az egyenlőséget abból mutatjuk meg, hogy az háromszögnek -en fekvő két szöge egyenlő (1. ábra). 1. ábra Minden (konvex) ötszög szögeinek összege . A szabályos ötszög szögei egyenlők, így egy-egy szöge . Az ötszög köré írható körből az oldalak, mint egyenlő húrok, egyenlő íveket metszenek le. Az ötszög mindegyik szögének szárai között három ilyen ív fekszik, ezért mindegyik ív az ötszög csúcsaiból -nyi szögben látható. Eszerint , , így , amit bizonyítani akartunk. Az szakasz az átlónak nagyobbik darabja: , mert az háromszögben , az egyik -os szöggel szemben fekvő oldal, nagyobb -nél, a -os szöggel szemben fekvő oldalnál, pedig egyenlő -vel, mert a háromszög ‐ két -os szöge révén ‐ ugyancsak egyenlő szárú. Hasonlóan látható be, hogy , és hogy . ‐ Ezzel a bizonyítást befejeztük.
Megjegyzések. 1. A bizonyítás első része csak azt használta fel, hogy a (rövidebb) ív egy, és hogy a (rövidebb) ív két ötödrésze a kör kerületének. Eszerint az egyenlőség érvényes marad akkor is, ha a ívet a körön elforgatjuk (2. ábra). ‐ Vegyük észre, hogy az csúcs a bizonyítás egyik részében sem szerepel. 2. ábra 2. Az egyenlőséget a mértékszámok kiszámítása nélkül is megmutathatjuk. Az szög két ötszögoldalhoz tartozó íven nyugvó kerületi szög, a és kerületi szögek pedig egy-egy ilyen íven nyugszanak. Így az utóbbiak összege egyenlő az szöggel, másrészt ez az összeg a háromszög külső szögeként a szöggel is egyenlő. ‐ Itt viszont csak azt használtuk fel, hogy az húrnégyszög oldalai által lemetszett körívekre fennáll az egyenlőség. Tehát tulajdonképpen a következő általánosabb tételt bizonyítottuk be: ha az húrnégyszögben fennáll az egyenlőség, akkor és , ahol az és átlók metszéspontja. (Mindkét átlónak van egy oldallal egyenlő darabja, ahogyan az eredeti tétel is állítja.) Ennek a tételnek egy más bizonyítása: az körül sugárral írt körnek az négyszög körülírt körével való második közös pontját -vel jelölve (3. ábra) , tehát a körül sugárral írt kör szintén -ben metszi -t. 3. ábra Így és , tehát az egyenes az -nek, a -nek tükörképe -re, vagyis az tükörképe -re. Eszerint és ; egyszersmind a és -nek második közös pontja. (Az pont megfelel a szabályos ötszög ötödik csúcsának.) ‐ Az állítás hurkolt négyszögre is érvényes, hacsak és a ugyanazon ívének pontjai (4. ábra; a 3-4. ábrákon , , , egy-egy szabályos -, ill. -szög csúcsai közül valók). 4. ábra II. megoldás: A kívánt egyenlőséget abból bizonyítjuk, hogy az négyszög paralelogramma. Az I. megoldás szerint a szög , a szög , egymásnak kiegészítő szögei. Ámde tudjuk, hogy ha két szög egymást -ra egészíti ki, és egyik pár száruk párhuzamos ‐ vagy egybeeső ‐, második száraikba pedig az elsőkből ellentétes irányú forgással jutunk ‐ amint az említett szögek közös szárából -be negatív (az óramutató forgásával egyenlő irányú) forgás visz át, -ba pedig pozitív ‐, akkor a második szárak ‐ itt és ‐ szintén párhuzamosak. Ugyanígy a átló párhuzamos az oldallal. Az így létrejövő paralelogrammából és , amit bizonyítani akartunk.
Megjegyzés. Számos versenyző szemlélet alapján elfogadta, hogy a szabályos ötszög mindegyik átlója párhuzamos egy oldallal, vagy más szóval, hogy pl. az négyszög trapéz. Ezt valamivel indokolni kellett volna. Lehet így is: az oldal felező merőlegese szimmetriatengelye az ötszögnek, tehát és egymásnak tükörképei -re. Ezért merőleges -re, és így párhuzamos -vel.
3. feladat: Melyek azok a háromjegyű természetes számok, amelyekben a számjegyek összege harmadrészére csökken, ha magához a számhoz -at adunk?
Megoldás: A keresett szám egyes helyi értékű jegyeként csak -nál nagyobb jegyek jöhetnek szóba, mert különben a -mal nagyobb szám harmadik jegye legfeljebb lenne, vagyis nagyobb lenne harmadik jegyénél, első két jegye egyeznék -ével, tehát jegyeinek összege nem lehetne kisebb jegyeinek összegénél. Így utolsó jegye , , vagy , ezért ettől utolsó jegye a tízes összevonás folytán -tel tér el, vagyis -tel kisebb, az összevont tízest pedig tízeseihez adjuk hozzá. Aszerint, hogy ez a jegy -nél kisebb, vagy -cel egyenlő, a továbbiakra két eset adódik; a százas jegy csak az utóbbiban változik meg. Ha a tízes helyi értékű jegy -ben kisebb -nél, akkor -ben -gyel nagyobb, tehát jegyeinek összege csak -tal kisebb -énél. Ez a csökkenés jegyei összegének kétharmad része, tehát jegyeinek összege . ‐ Ha már most utolsó jegye , akkor első két jegyének összege , innen -re , és adódik, az utóbbi azonban nem valódi háromjegyű szám. Hasonlóan kapjuk ‐ utolsó jegynek -at, -et véve ‐ a , és számokat. tízes helyi értékű jegyét -nek véve tízes jegye -ből -nak, azaz -cel kisebbnek adódik, százas jegye pedig -gyel nagyobbnak ‐ hacsak nem százas jegye is . Ha százas jegye kisebb -nél, akkor százas jegye -gyel nagyobb, tehát jegyeinek összege -tal csökken és -gyel nő, azaz végeredményben -tel csökken. Ez azonban nem lehet egész szám két harmadrésze, s így a feladatnak ilyen megoldása nincs. ‐ Ha végül százas jegye is volna, akkor jegyeinek összege -tel csökkenne és ‐ az ezres helyi értékben ‐ -gyel nőne, tehát -gyel csökkenne. ‐ Ebből a jegyek összege lenne, ami lehetetlen, mert háromjegyű szám jegyeinek összege legfeljebb , ‐ tehát ilyen megoldás sincs. Ezek szerint feladatunknak csak a , és számok tehetnek eleget. Mindhárom meg is felel, mert a -mal nagyobb , , számban a jegyek összege , harmada a -nek.
Megjegyzések. 1. Sok versenyző próbálgatás útján találta meg a fenti számokat. Ezzel persze nem bizonyították, hogy csak ez a három megoldás van. ‐ Többen kellő indokolás nélkül kimondták, hegy a jegyek összege csak lehet, vagy hogy az utolsó jegy csak , , vagy lehet. Mindezek nem tekinthetők teljes értékű megoldásnak. 2. Tetszetősen indul, de sokkal több munkával vezet célhoz a következő gondolatmenet. Mivel jegyeinek összege harmada jegyei összegének, azért jegyeinek összege: , osztható -mal, és ezért ugyanez áll magára -re is. Így is osztható -mal, ezért ez áll -re is: , és így . Háromjegyű számban a jegyek összege legfeljebb , így , vagy , vagy . Könnyű belátni, hegy , az egyetlen jegyösszegű háromjegyű szám, nem megoldás, de az lehetőségnek vizsgálata hosszadalmas. Az feltevésből ‐ a fentihez hasonlóan ‐ könnyen adódik a három megoldás.
Lukács Ottó, Scharnitzky Viktor
Haladók (II. osztályosok) versenye.
1 feladat. Mutassuk meg, hogy a egyenletnek bármely (valós) értéke mellett van (valós) gyöke.
I. megoldás: A bizonyítandó állítás fennállásának szükséges és egyben elégséges feltétele, hogy az egyenlet diszkriminánsa legyen bármely értéke mellett. A diszkrimináns | | (1) | és ez -nek másodfokú függvénye. E függvény képe parabola, így elég azt bizonyítanunk, hegy e parabola minden pontja a abszcissza-tengely fölött, vagy a tengelyen helyezkedik el. Helyettesítésekkel nyerjük, hogy a parabola egyes pontjai valóban a -tengely fölött vannak, pl. esetén . Minthogy a parabola folytonos vonal, ezért, ha volna pontja a -tengely alatt is, akkor metszenie kellene a tengelyt, és az ilyen pontra volna. Ámde a egyenlet diszkriminánsa tehát a (2) egyenletnek nincs (valós) gyöke, és az (1) parabola valóban nem metszi a tengelyt, egészen a -tengely fölött helyezkedik el.
Megjegyzés. Nem lehet elfogadni (2) gyökeinek megvizsgálása helyett a parabola néhány pontjának ábrázolása után a szemléletre való hivatkozást. Számos versenyző így ,,bizonyított''.
II. megoldás: (1) átalakításával pusztán számviszonyok alapján is belátható, hogy a -nek minden értéke mellett nagyobb -nál: | | E kifejezés első tagja bármely értéke mellett pozitív, vagy , mert négyzet, a második tagja pozitív. Ezzel az állításnál valamivel többet bizonyítottunk be. Miután határozottan nagyobb -nál, az adott egyenletnek bármely (valós) értéke mellett két különböző (valós) gyöke van.
2. feladat. Legyen pozitív szám. Bizonyítsuk be, hogy I. megoldás: | | Mivel pozitív, ezért a jobb oldal minden tagja pozitív. Elhagyva az utolsó két tagot, a jobb oldal kisebbé válik: Innen mind a két oldalból köbgyököt vonva a bizonyítandó állításra jutunk. Meg kell még mutatnunk, hogy (2)-ről (1)-re következtetve nem követünk el hibát, vagyis a köbgyökvonás helyes bizonyítási lépés. Bizonyítjuk, hogy ha tetszés szerinti , számokra azaz akkor azaz Ugyanis (3) bal oldalát tényezőkre bontva nyerjük, hogy | | Mivel -nek az utolsó alakbeli szorzója pozitív, egyenlőtlenségünk helyes marad, ha avval osztjuk. Ezzel éppen a bizonyítandó (4) egyenlőtlenségre jutunk.
Megjegyzés. A kérdéses szorzó is lehet, ti. ha egyszerre fennáll és . Ezekből azonban ellentétbe jutunk feltevésünkkel, ugyanis és így .
II. megoldás: Akárhány , szám számtani közepén értjük az számot, mértani közepén pedig az számot. Általánosan is igaz a következő, esetére közismert egyenlőtlenség: Ha az , számok mindegyike pozitív, akkor a mértani közepük nem nagyobb, mint a számtani közepük. Egyenlőség akkor és csakis akkor áll fenn, ha . Legyen most , , , ekkor feltevésünknél fogva , és így a hivatkozott tétel alapján ami bizonyítandó volt.
Megjegyzések. Eszerint tételünk már -től kezdve fennáll, mert már ekkor teljesül , kivéve mégis az esetet, amikor a két oldal egyenlő. A bizonyítandó állítás más irányú általánosítása: Legyen , és , egész szám, ekkor Mind a két általánosításra rámutatott dolgozatában Bollobás Béla. Meg lehet mutatni, hogy a szóban forgó egyenlőtlenségnek az , számok tesznek eleget.
3. feladat. Egy háromszöget forgassunk el a csúcsa körül -kal és jelöljük az elforgatott háromszöget -vel . Bizonyítsuk be, hogy az , és szakaszok felezőpontjai egy szabályos háromszög csúcsai.
Megoldás: A kérdéses felezőpontokat rendre , , -rel jelölve azt bizonyítjuk, hogy a háromszögnek és oldalai egyenlők és egymásból -os elforgatással állnak elő. Evégett a oldal felezőpontját segítségül véve megmutatjuk, hogy a háromszög -os forgatással áll elő a háromszögből.
A szakasz a szabályos háromszögnek középvonala, így a háromszög is szabályos, tehát a pont -ből az eredeti forgatással áll elő, és ; továbbá ugyanazon irányú -os forgatással keletkezik -ből, mint amelyikkel a -ből, vagyis amelyik forgatással -t az -ből képeztük. Hasonlóan a szakasz a háromszögnek középvonala, így fele a oldalnak, egyszersmind -nak is ‐ mert a háromszög szabályos ‐, tehát egyenlő -rel; továbbá -nek és -nek iránya ugyancsak az eredeti forgatással áll elő , azaz irányából. Ezek szerint a szög szárai a szög száraiból ugyanakkora és ugyanazon irányú forgatással állnak elő, tehát e két szög egyenlő. Egyenlők a és háromszögeknek e szögek megfelelő szárain fekvő oldalai is, így a két háromszög egybevágó, és egymáshoz képest valóban -kal vannak elfordulva. Ennélfogva harmadik megfelelő oldalpárjukra , és , amit bizonyítani akartunk. Megjegyzések. 1. Az ábra több más módon is kiegészíthető oly egybevágó háromszögekkel, amelyek segítségével a háromszög két oldalának egyenlősége bizonyítható. A versenyzők általában a fenti bizonyításénál bonyolultabb utakat követtek; alig volt két versenyző, aki egyformán bizonyított volna. Egyesek nem vették észre, hogy könnyű meghatározni a háromszög két oldalának szögét, ehelyett külön bizonyították be további két oldal egyenlőségét. 2. Az előbbi gondolatmenettel bizonyítható tételünknek következő általánosítása. Ha az háromszögnek a csúcsa körüli -os elforgatása után az , és szakaszokat tetszőleges, de ugyanazon arány szerint osztjuk (pl: mindegyiket harmadoljuk), az osztópontok szabályos háromszöget alkotnak. 3. Néhány versenyző észrevette bizonyítandó tételünk kapcsolatát a következő tétellel: ,,Az és ellentétes körüljárású szabályos háromszögek csúcsa közös. Bizonyítsuk be, hogy az , és szakaszok felezőpontjai szabályos háromszög csúcsai.'' ‐ A versenyfeladatban az háromszög -os elforgatása során keletkező és háromszögek csúcsa közös, és körüljárásuk ellentétes. Ábránk betűzését úgy átírva, hogy a közös csúcs jele , ill. helyett legyen, a többi csúcsé pedig , , és helyett rendre , , és , tüstént látjuk, hogy az idézett állítás éppen a háromszög szabályosságát mondja ki. 4. A feladatot felfoghatjuk úgy is, hogy az és egyező körüljárású szabályos háromszögek megfelelő csúcsait összekötő szakaszok felezőpontjairól mutattuk meg, hogy újabb szabályos háromszöget alkotnak. Ebben a formában a feladat lényegesen általánosítható, amennyiben sem a közös csúcsnak, sem a háromszögek szabályos voltának nincs benne lényeges szerepe. Legyen és két hasonló, egyező körüljárású háromszög, ekkor az , , szakaszok , , felezőpontjai is az háromszöghöz hasonló és egyező körüljárású háromszöget alkotnak. Ez a tétel is könnyen bizonyítható komplex számok segítségével, de a versenyfeladat fenti bizonyításához hasonlóan is bizonyítható. Nevezzük az állításban szereplő háromszögeket a csúcsok indexezésének megfelelően , és háromszögnek. Összekötve -t az és csúccsal is, a keletkező szakaszok felezőpontja legyen és . Mivel ‐ amit a továbbiakban -gal fogunk jelölni ‐ -nek -ből felére kicsinyített képe, így elég és -ról megmutatni, hogy hasonlók és egyező körüljárásúak.
és mint az , ill. háromszög középvonala párhuzamos és egyirányú az , ill. szakasszal és fele akkora. Hasonlóan és mint a , ill. háromszög középvonala a , ill. szakasszal párhuzamos, egyező irányú és fele akkora. Így az háromszögben az -nál levő szög és -ben a -nál levő szög egyaránt annak a szögnek a kiegészítő szögével egyenlő, amellyel -el van forgatva -hoz képest, az ezeket a szögeket közrefogó oldalak aránya pedig (mindkétszer a fönti sorrendben véve) és megfelelő távolságainak arányával egyezik meg. Ebből következik, hogy az és háromszögek hasonlóak és egyező körüljárásúak. Ekkor azonban az -ből és a -ből egyező irányú és nagyságú elforgatással és ugyanolyan arányú nyújtással keletkezik, s így ugyanezzel az elforgatással és nyújtással keletkezik is -ból. Ezzel állításunkat igazoltuk. A bizonyítás könnyen láthatóan abban az esetben is érvényben marad, ha egyes szereplő háromszögek egyenesszakasszá fajulnak. Ez bekövetkezik akkor is, ha és szerepét a versenyfeladat és háromszögének adjuk át. Ekkor a ponttal esik egybe, -nak pedig a feladatmegoldás pontja felel meg.
Lőrincz Pál, Surányi János
Bizonyítását lásd pl. Kürschák ‐ Hajós ‐ Neukomm ‐ Surányi: Matematikai Versenytételek I. 111. o. Lásd Reiman István: Geometriai feladatok megoldása a komplex számsíkon, 48. feladat, 63. és 71. o. Tankönyvkiadó 1957, Középiskolai Szakköri Füzetek.Lásd ugyanott, 77. o. 9. Példa. |