Feladat: F.2778 Korcsoport: 16-17 Nehézségi fok: nehéz
Megoldó(k):  Battyányi P. ,  Benczúr P. ,  Csizmadia P. ,  Hajnal 665 J. ,  Harcos Gergely ,  Keresztély T. ,  Kórász T. ,  Maróti M. ,  Matolcsi M. ,  Pór A. ,  Sági Z. ,  Szalkai Á. ,  Székely-Doby A. ,  Szekeres B. ,  Szendrői B. ,  Tokodi T. ,  Virág B. 
Füzet: 1990/november, 374 - 376. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Függvények folytonossága, Feladat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 1990/január: F.2778

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

Jelöljünk ki az egységkör kerületén egy K kezdőpontot. A kör minden X pontját megfeleltethetjük annak a nemnegatív és 2π-nél kisebb x valós számnak, amelyre XOK=x (ahol O az egységkör középpontja). Jelöljük K'-vel K átellenes pontját a körön. Nyilvánvaló, hogy tetszőleges X kerületi pontra az XK és az XK' ívtávolságok összege éppen π (a rövidebb XK ív és a rövidebb XK' ív együtt éppen az egyik KK' félkörívet adja és X-en kívül nincs közös pontjuk. Ha tehát két átellenes pontot adunk meg a kör kerületén, akkor a körkerület tetszőleges pontjának e két ponttól vett ívtávolság-átlaga π2. A feladatban szereplő α értéke így csak α=π2 lehet. (Megjegyezzük, hogy ha n páros, és az n pontot úgy adjuk meg a kerületen, hogy egy szabályos n-szög csúcsai legyenek, akkor is igaz, hogy a körkerület minden pontjának az n ponttól vett ívtávolság-átlaga π2, hiszen az n pont tükrös a kör középpontjára.)
Most megmutatjuk, hogy ha B1, B2, ..., Bn tetszőleges pontok a körön, mindig található ott olyan X pont, amelynek a Bi pontoktól vett ívtávolság-átlaga pontosan π2. Jelöljük fi(x)-szel annak az X pontnak Bi-től vett ívtávolságát, amelyre XOK=x. Ha x végigfut a 0xπ zárt intervallumon, akkor a megfelelő X pont végigfut a ,,pozitív'' félsíkba eső KK' félköríven. Eközben fi(x) folytonosan változik. Ha ugyanis Bi a ,,pozitív'' félsíkban van, akkor fi(x)=|x-bi|, ahol bi=BiOK, (0biπ), ha pedig a ,,negatív'' félsíkban van, akkor fi(x)=π-|π+x-bi|; fi tehát valóban folytonos függvény.
Egy X pontnak a B1, B2, ..., Bn pontoktól vett ívtávolság-átlaga nyilván

g(x)=1n(fi(x)+f2(x)+...+fn(x)),
ahol 0xπ és XOK=x. Nyilván g(x) is folytonos függvény. Végül megmutatjuk,hogy g(0)+g(π)=π. Ehhez elegendő, ha minden i-re fi(0)+fi(π)=π, azaz tetszőleges Bi pontnak a K és K' ponttól vett ívtávolság-összege π, amit viszont már beláttunk.
Ha most g(0)=π2, akkor g(π)=π2, így K-nak is, K'-nek is π2 az ívtávolság-átlaga B1, B2, ..., Bn, pontoktól. Ha pl. g(0)<π2, akkor g(π)=π-g(0)>π2 és ekkor g folytonossága miatt van olyan 0<x<π szám, amelyre g(x)=π2, tehát a megfelelő X pontnak a B1, B2, ..., Bn pontoktól vett ívtávolság-átlaga π2. (Megjegyezzük, hogy az X pont ekkor a KK' ,,pozitív'' félkörív belsejében van, és a kört ,,megfordítva'' a másik félkörív belsejében is találunk egy megfelelő X' pontot. Azt is megmutattuk tehát, hogy mindig legalább két pont van a kör kerületén, amelynek az adott pontoktól vett ívtávolság-átlaga π2.)
Megjegyzés. Bizonyításunkban a körről csak azt használtuk fel, hogy önmagát nem metsző, zárt, folytonos görbe, amelynek bármely két pontja közötti ívnek van egyértelmű (véges) hosszúsága. (Az utóbbi feltétel nem mellékes : a híres ,,hópehelygörbe'' olyan önmagát nem metsző, zárt, korlátos ‐ egy kör belsejében elférő ‐ folytonos görbe, amelynek bármely két pontja közötti mindkét ív végtelen hosszú.) Ha G ilyen, ún. rektifikálható, zárt, önmagát nem metsző folytonos görbe, akkor pontosan egy olyan szám van, amelyre igaz, hogy akárhogyan adunk meg a görbén véges sok pontot, létezik G-n olyan X pont, amelynek a pontoktól vett ívtávolság-átlaga α. (Az X és Y kerületi pontok ívtávolságán a rövidebb XY^ ív hosszát értjük.) Ez az α érték a G görbe g hosszának a negyede. A bizonyítás most is azon múlik, hogy az ívtávolság folytonosan változik, és ha K, K' a G görbe ,,átellenes'' pontjai (vagyis K és K'-t a G görbén két g/2 hosszú ív köti össze), akkor bármely pontnak e két ponttól vett ívtávolság-átlaga ugyanaz: g4.
 

Harcos Gergely (Bp., Apáczai Cs. J. Gyak. Gimn., III. o. t.)