Feladat: F.2204 Korcsoport: 14-15 Nehézségi fok: átlagos
Füzet: 1979/november, 135 - 136. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Kombinatorikus geometria síkban, Szélsőérték-feladatok differenciálszámítás nélkül, Feladat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 1979/április: F.2204

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

Miután megrajzoltuk egy konvex n-szög néhány átlóját a kívánt módon, osztályozzuk a csúcsokat a belőlük induló átlók száma szerint. Fessük is be, mondjuk, sárgára azokat a csúcsokat, amelyekből csak egy átló indul, és barnára, amelyből több. Ha van barna csúcs, a belőle induló átlók legyezőszerűen szétterülnek, közülük a többiekhez viszonyított helyzetük alapján kettőt szélsőnek, a többit, ha van ilyen, belsőnek mondunk. Megmutatjuk, hogy egy barna csúcsból induló bármely belső átló másik végpontja csak sárga lehet. Az ilyen átló ugyanis úgy vágja ketté a síkot, hogy a barna végpontjából induló két szélső átló különböző félsíkokban. van. Emiatt azokat egyszerre egyetlen, a belső átló másik végpontjából induló szakasz sem metszheti.
Küldjünk most képzeletben minden megrajzolt átlóra két-két katonát a következő paranccsal. Ha az átlónak csak egy sárga végpontja van, akkor menjenek mindketten oda, különben egyikük az egyik, másikuk a másik végpontba menjen. A parancs végrehajtása után minden csúcsba legfeljebb két katona érkezhet be, hiszen

 
‐ sárga csúcsba csak az oda befutó átló katonái mehetnek;
‐ barna csúcsba csak a két szélső átló katonái mehetnek.
 
Így tehát legfeljebb 2n katonánk, vagyis legfeljebb n megrajzolt átlónk lehet.
 
 

Végül megmutatjuk, hogy ha n5, akkor ez a felső korlát el is érhető. (Ha n<5, akkor eleve nincs n átlónk, így a korlát nyilván nem érhető el. Az n=3 és n=4 esetek azonban könnyen elintézhetőek, hiszen az elsőben nincs átló, a másodikban pedig két, egymást metsző átló van.) Legyen A, B, C, D, E az n-szög öt egymás utáni csúcsa. Rajzoljuk meg az AC, CE, EB, BD, DA átlókat, és ha n>5, a C-ből induló összes további átlót. A megrajzolt átlók közül ‐ a C-ből indulóknak C a közös végpontjuk,
‐ bármely C-ből induló átló metszi az EB, BD, DA átlókat, hiszen bármely C-ből induló átló egyenese elválasztja egymástól az EB, BD, DA párok tagjait, és mivel a sokszög konvex, a metszéspont csak az átlón keletkezhet;
‐ az EB, BD, illetve BD, DA átlóknak közös végpontjuk van, EB és DA pedig metszik egymást.
A kérdezett szám tehát n, ha n5, és n-2 különben.
 
Megjegyzés. Ha átlók helyett oldalakat is megengedünk, akkor mindig n a kérdezett maximum.