Feladat: 957. matematika feladat Korcsoport: 16-17 Nehézségi fok: nehéz
Megoldó(k):  Arató Péter ,  Bollobás Béla ,  Czékus Laborc ,  Czinege I. ,  Dániel G. ,  Fejes L. ,  Grallert F. ,  Hadik Z. ,  Hajna J. ,  Halász G. ,  Jahn A. ,  Kisvölcsey J. ,  Klimó J. ,  Kolonits F. ,  Máté A. ,  Máté Zs. ,  Mezei F. ,  Molnár E. ,  Muszély Gy. ,  Náray M. ,  Parti Enikő ,  Pósch Margit ,  S. Nagy Erzsébet ,  Sellei Á. ,  Szücs J. ,  Tatai P. ,  Tusnády G. ,  Várady G. 
Füzet: 1959/december, 180 - 184. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Háromszögek hasonlósága, Tengelyes tükrözés, Pont körüli forgatás, Feladat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 1959/február: 957. matematika feladat

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

I. megoldás (csak a szerkesztés) Feladatunknak az 1958. évi Arany Dániel verseny haladó csoport II. fordulóján kitűzött 3. feladat1 speciális esete, ott φ=60. Másrészt φ=30 esetén az ABC háromszöghöz megszerkesztett A1, B1, C1, pontokkal az AC1BA1CB1 hatszögre teljesülnek az 1956. évi Arany Dániel verseny haladó csoport II. fordulója 3. feladatának2 feltételei (2 ‐ 2 szomszédos oldal egyenlő, az egyenlő szomszédos oldalak közti szögek 120-osak), így az ott bebizonyított tétel szerint az A1B1C1 háromszög szabályos; ezért adott A1, B1, C1-ből vagy egyáltalán nem szerkeszthető ABC, vagy számtalan sok szerkeszthető. A φ=30 esetet ezért kizárjuk.
Az 1958. évi versenyfeladatra közölt II. megoldás gondolatmenetét átvéve megoldást kapunk, ha az ottani forgatások szögét, ill. a tükörtengelyek közti szöget az alábbiak szerint módosítjuk.

 
 

A C csúcsnak B1, majd C1 végül A1 (C-t A-ba, majd B-be, végül C-be vivő) forgatásai 180-2φ szöggel végzendők az A1B1C1=H1 háromszög körüljárásával ellentétes irányban (mert ott az 1. (és 5.) ábrán ABC=H és H1 körüljárása pozitív, CAB1, ABC1, BCA1,-é viszont negatív); minden további forgás is így értendő. Ezért az 5. ábra t1-et t2-be, t'1-et t'2-be és t1*-et t2*-be vivő forgásainak szöge 90-φ, a t1-et t'2-be és t''1-et t''2-be vivő, O1 körüli forgások szöge 180-2φ, végül a t''1-et t2*-be vivő forgási ε=270-3φ. Az O2 körüli ε forgással ismét csak O2, kerül eredeti helyére (ott marad), tehát CO2.
Mivel 0<φ<90, azért O1 mindig létezik; ugyanígy O2 is, hacsaknem t''1 és t2* párhuzamosak vagy egybeesők. Ez csak akkor állhatna be, ha 180-2φ és 90-φ kiegészítő szögek (a kizárt φ=30 esete), ill. φ=90 mellett, amikor a föléirt háromszögek értelmüket vesztik. Így ABC megszerkesztése mindig egyértelműen elvégezhető, tehát ha van, akkor egy megoldás van.
 

Czékus Laborc (Budapest, Toldy F. g. III. o. t.)
 

Megjegyzések. 1. O1A1 a BC szakasz felező merőlegese, mert az idézett megoldás szerint B és C az O1 és A1 pontok mindegyike körüli forgással egymásba vihetők át, tehát egyenlő távolságra vannak O1-től és A1-től. Így O1A1 a CBA1 háromszög tengelye, megszerkeszthetők a hozzá 90-φ szöggel hajló A1B és A1C száregyenesek, és közülük az veendő A1C-nek, amelyet a H1 körüljárásával egyező irányú, 180-2φ szögű forgás visz át a másikba. Így kaphatjuk B1C, B1A, C1A, C1B-t is, és a megfelelő metszéspontok adják H csúcsait.
2. Megkaphatjuk H-t hasonlósági transzformációval is abból, hogy BC iránya merőleges O1A1-re, és ugyanígy CA, AB irányát megszerkesztve akárhány a H-hoz hasonló helyzetű H* háromszöget kaphatunk. Egy ilyenhez megszerkesztve a megfelelő A1*, B1*, C1* csúcsokat, a nyert H1* háromszög nyilván ugyancsak hasonló helyzetű H1-hez. H1* és H1-nek S hasonlósági pontjából mint középpontból H* megfelelő nyújtásával kapjuk H-t.
3. A szerkesztés a fentiek szerint akkor is elvégezhető, ha a kívánt egyenlő szárú háromszögek alapján fekvő φ, ψ, ω szögeknek egymástól különbözőknek kell lenniük.
 

Bollobás Béla (Budapest, Apáczai Csere J. gyak. g. II. o. t.)
 

II. megoldás: Szerkesszük meg a pozitív körüljárású ABC=H háromszöghöz a C1, A1, B1 pontokat (a H1 háromszöget) és forgassuk el egyrészt a B1AC1, háromszöget B1 körül, másrészt az A1BC1 háromszöget A1 körül úgy, hogy A, ill. B csúcsuk C-be jusson.
 
 

A forgások szöge ω=180-2φ, az oldalak fölé írt háromszögek új csúcsánál fekvő szög. Legyen C1 új helyzete C'1, ill. C''1. Ekkor a CC'1C''1=H' háromszög egyenlő szárú, mert CC'1=AC1=BC1=CC''1.
Meghatározzuk a H' alapján fekvő szögeket és azt, hogy C a C'1C''1 egyenes melyik partján fekszik. Első forgatásunk pozitív, a második negatív irányú, mert az AC1BA1CB1 hatszög és vele H1 is pozitív körüljárású (húzzunk vezérsugarat H bármely belső pontjából H, ill. a hatszög kerületét bejáró ponthoz). Így a CC'1=f1 félegyenest C körül CC''1=f2-be átvivő pozitív forgás szöge: ϑ=C'1CB1+B1CA1+A1CC''1=C1AB1+B1CA1+A1BC1=(α+2φ)+(γ+2φ)+(β+2φ)=180+6φ. Így ϑ nagyobb 180-nál, ezért H' szárai rövidebb forgással is átvihetők egymásba; a következőkben megmutatjuk C szerkesztését ϑ különböző értékei mellett.
Ha φ<30, akkor ϑ<360, így f2-t f1-be 360-ϑ=180-6φ(<180), szögű pozitív forgás viszi át, ezért H' csúcsainak C''1, C'1, C sorrendje ad pozitív körüljárást, benne C''1=C'1=3φ(<90). Így C szerkesztése: C1-nek B1 körüli +(180-2φ) és A1 körüli -(180-2φ) szögű forgatásával előáll C'1 és C''1, ezek felező merőlegeséből C-t az a C''1C száregyenes metszi ki, amely a C''1C'1 félegyenesből +3φ szögü forgással áll elő. A-t és B-t hasonlóan kaphatjuk, de pl. A-t megadja a CB1-ből +φ és B1C-ből ‐(180-2φ) forgatással előálló félegyenesek metszéspontja is.
(φ=30 mellett ϑ=360, így C''1C'1; ez is felhívná a figyelmet ennek az esetnek külön vizsgálatára.)
30<φ<60 mellett 360<ϑ<540, így f1-et C körül f2-be átviszi a (0<)ϑ-360=6φ-180(<180) szögű forgás, H'-nek a C'1C''1C körüljárása pozitív, az alapon fekvő szögek nagysága [180-(6φ-180)]/2=180-3φ)(<90).
φ=60 mellett (a versenyfeladat esete) ω=60 és ϑ=540=360+180, így H' egyenes szakasszá fajul, C felezőpontja C'1C''1-nek.3
60<φ<90 mellett 540<ϑ<720, f1 átjut f2-be a (0<)720-ϑ=540-6φ(<180) forgással is, H' körüljárása ismét a C''1, C'1, C sorrendben pozitív, az alapon [180-(540-6φ]/2=3φ-180(<90) nagyságú szögek vannak.
A fentiek alapján φ minden figyelembe veendő értéke mellett megszerkeszthetjük C-t.
A speciális φ=45 esetben 2ω=180, ez a különleges érték módot nyújt egyszerűsítésre, pl. C''1 mellőzhető.
 
 

Így ugyanis C1B és CC'1 a C1A-hoz képest -90, ill. +90-kal vannak elfordulva, tehát párhuzamosak. Ezért a C1BC'1C négyszög paralelogramma, ismert C1C'1 átlójának A2 felezőpontja megadja az ismeretlen BC átló (azaz oldal) felezőpontját. Sőt C'1-t is mellőzhetjük, mert ez esetben C1C'1B1 egyenlő szárú derékszögű háromszög (átfogója C1C'1), ezért ugyanez áll B1C1A2-re is (átfogója B1C1), tehát A2-t az adott B1C1 oldal fölé befelé írt egyenlő szárú derékszögű háromszög harmadik csúcsaként egyszerűbben kapjuk. Ugyanígy szerkesztjük CA és AB-nek B2, C2 felezőpontját, ezekből pedig H-t. (A háromszögek befelé szerkesztendők, ugyanis a B1C1,-et B1A2-be vivő forgás pozitív, mert fele a C'1-t előállító forgásnak, és arról láttuk, hogy pozitív ‐ akárcsak a B1C1-ből B1A1-be vivő forgás.)
A fentiek szerint az A2B2C2=H2 háromszög középháromszöge H-nak, tehát hasonló helyzetűek, akárcsak a φ=60 esetben (csak a nagyítási arány más). Itt is van olyan felvétel (pl. ha H1 szögei: 30, 60, 90, amelyben A1, B1, C1 a kész H-hoz képest nem a kifelé, hanem a befelé írt megfelelő háromszögek csúcsainak bizonyulnak, és ilyenkor is H2 és H a H1-gyel ellentétes körüljárásúak. Ebből az idézett cikk gondolatmenetét mindenben követve annak feltételéül, hogy H2 a H1-gyel azonos körüljárásúnak adódjék, ezt kapjuk:
4sinαsinβsinγ>sin2α+sin2β+sin2γ
(a mintabeli 3 számok helyén mindenütt 1 áll). Ezt az említett példa (30, 60, 90) nem teljesíti: 3 nem nagyobb, mint 2.
 

Arató Péter (Kaposvár, Táncsics M. g. IV. o. t.)
 

Megjegyzés. φ=45 esetén H csúcsait forgatások nélkül úgy is megkapjuk, ha H1 mindegyik magasságára a csúcstól a szemben fekvő oldal felé felmérjük a szemben fekvő oldalt, pl. A1-ből a B1C1 felé, rá merőlegesen felmért B1C1 szakasz végpontja A.
 
 

Valóban, így pl. az A1B1B és CC1A1 háromszögek egybevágók, hiszen A1B1=CC1, B1B=C1A1 és A1B1B=CC1A1, mert merőleges szárú hegyes szögek (a magasságszakasz a megfelelő oldalszakaszokkal hegyes szöget zár be). A két oldalpár merőlegessége folytán a BA1 és A1C harmadik oldalak is merőlegesek, másrészt az egybevágóság folytán egyenlők, így A1 valóban a BC átfogó fölé valamelyik oldalra szerkesztett egyenlő szárú derékszögű háromszög harmadik csúcsa.
 

Bollobás Béla (Budapest, Apáczai Csere J. gyak. g. II. o. t.)
 

III. megoldás: Forgassuk el a B1C1A háromszöget B1 körül +2φ szöggel, amennyi a C1BA háromszög C1-nél fekvő külső szöge; így az AC1 oldal új A*C1* helyzete párhuzamos és egyirányú C1B-vel. Ezért C1BC1*A* paralelogramma, tehát az ismert C1C1* átló F felezőpontja a BA* átlót is felezi.
 
 

Hasonlóan kapjuk a B1A1C háromszögnek B1 körül. -2φ szöggel B1A1*C*-ba való elforgatása és az A1BA1*C* paralelogramma révén BC*-nak G felezőpontját. FG párhuzamos A*C*-gal, mert a BA*C* háromszög középvonala, tehát CA-val is, mert az ACA*C* négyszög egy a B1 középpontú, B1A sugarú körbe írt szimmetrikus trapéz. Eszerint FG megadja CA irányát. Hasonlóan kapjuk AB, BC irányát is, és belőlük az 1. megoldás 2. megjegyzésében leírt módon a keresett H-t.
φ=45 esetén ez a szerkesztés is egyszerűsödik: A*C és C*A-ra, és tovább FA2, GC2-re vezet; a II. megoldás szerkesztésével való azonosságot az magyarázza, hogy itt 2φ=ω. (L. P.)
 

Megjegyzések. 1. Láttuk, hogy H1 oldalai fölé befelé φ=60 és φ=45 alapszögű egyenlő szárú háromszögeket szerkesztve a harmadik csúcsok által alkotott H2 háromszög hasonló helyzetű az eredeti H-hoz, és így vele azonos körüljárású. Megmutatjuk, hogy ez a tény bármely φ30 hegyes szög esetén fennáll. Ehhez elég belátnunk H és H2, egy tetszés szerinti megfelelő oldalpárjának párhuzamosságát. ‐ Valóban, F a B1C1C1* egyenlő szárú háromszög C1C1* alapjának felezőpontja, a B1-nél levő szög 2φ, ezért FB1C1=φ, tehát A2 a B1F egyenesen fekszik, továbbá F a B1C1A2 háromszög B1A2 szárához tartozó magasság talppontja. (Így lesz B1C1A2 befelé írt háromszög, mert C1*, F és A2 ugyanazon oldalán van B1C1-nek, mint A1.) Ugyanígy C2 a B1G egyenesen van és G az A1B1C2, háromszög B1C2 oldalához tartozó magasság talppontja. Mivel pedig a B1C1A2 és A1B1C2 háromszögek hasonlók, azért B1A2:B1C2=B1F:B1G, ennélfogva A2C2 párhuzamos FG-vel és a fentebbiek szerint AC-vel, amit bizonyítani akartunk.
H2 ezen tulajdonsága alapján tetszőleges φ-re elvégezhetjük az idézett cikknek megfelelő diszkussziót, alább ezt vázoljuk. 3 helyett tgφ=μ-vel a feladat követelményét kielégítő H háromszög létezésének feltétele:
(3μ2+1)sinαsinβsinγ>μ(sin2α+sin2β+sin2γ).(1)
Ezen egyenlőtlenség fennállásának szükséges feltétele, hogy H1 szögei a
3μ2+12sinα-μ-μ(1-cosα)=0
egyenlet gyökei által meghatározott ,,középső'' intervallumba essenek. Innen (egyszersmind ctgφ=1/μ=ν-vel is kifejezve
cosα=8μ2±(9μ4-1)9μ4+10μ2+1,cosα1=9μ4+8μ2-19μ4+10μ2+1=(9μ2-1)(μ2+1)(9μ2+1)(μ2+1)=9μ2-19μ2+1=9-ν29+ν2,cosα2=-9μ4+8μ2+1(9μ2+1)(μ2+1)=1-μ21+μ2=ν2-1ν2+1.


0-hoz ,,közel járó'' φ-vel (μ0)α2 ,,közel jár'' 0-hoz, mert cosα21, α1 pedig 180-hoz, mert cosα1-1; és hasonlóan 90-ot megközelítő φ-vel (ν0)α10 és α2180, vagyis a ,,középső'' intervallum a H1 szögeire majdnem minden értéket megenged. Ha viszont a diszkrimináns: 9μ4-1=0, azaz μ=1/3, φ=30, akkor az intervallum egyetlen pontra zsugorodik össze: cosα1=cosα2=1/2, α1=α2=60, ennél ‐ mint tudjuk ‐ H1 szögei sem kisebbek, sem nagyobbak nem lehetnek. Mennél távolabb van φ a ,,kritikus'' 30 értéktől (akár felette, akár alatta), annál tágabb határok között változtatható az adott H1 alakja. φ=45-ra a határok cosα1=4/5-ből α136,9 és cosα2=0-ból, α2=90.
Végül α-val H1 legkisebb szögét jelölve (1) fennállásinak elégséges feltételeként (a cikk jelöléseivel) az
f(α,β-γ)β-γ-180-3α=2sin2α[(3μ2+1)sinαcosα-μ(sin2α+3cos2α)]>0
egyenlőtlenségre jutunk. A bal oldal 0-helyei: tgα1=3μ és tgα2=1/μ. Ezekből φ=30 esetén α1=α2=60, minden más esetben α1 és α2 egyike kisebb 60-nál: Ha α (vagyis H1 mindegyik szöge) nagyobb ennél, akkor H megszerkeszthető.
 

Lőrincz Pál
 

2. A cos2φ=(1-tg2φ)/(1+tg2φ)=(1-μ2)/(1+μ2) azonosság alapján látjuk, hogy a közbülső intervallum egyik határa α2=2φ. Hasonlóan 3tgφ=3μ=tgψ jelöléssel -cosα1=cos(180-α1)=(1-tg2ψ)/(1+tg2ψ)=cos2ψ-ből α1/2 annak a szögnek a pótszöge, amelynek tangense 3-szorosa φ tangensének. A szükséges feltételt adó ezen eredményekhez az 575. gyakorlat4 általánosításában egyszerűbben jutottunk el; ott azonban kizárólag egyenlő szárú H1 háromszögekről és elfajult H2-ről volt szó. Innen viszont (ti. az idézett cikk vizsgálataiból) a kérdésünkre megoldást adó bármely H1-ről többet tudtunk meg.

1Lásd a megoldást KML. XVII. kötet 76‐79. o. és Lőrincz Pál hozzáfűzött megjegyzéseit 128‐134. o. (1958. november, ill. december)

2Lásd a megoldást KML. XIII. kötet 78. o. 1956. november.

3A versenyfeladat 1. ábráján A2, B2, megfelel C'1, C''1-nek, mert pl. a C1 körüli -60-os forgással B1 ugyanoda jut, mint B1, a C1 körüli +60-os forgással.

4Lásd ezen számban, 176. o.