Feladat: 1305. matematika gyakorlat Korcsoport: 16-17 Nehézségi fok: átlagos
Megoldó(k):  Gál Péter ,  Móri Tamás 
Füzet: 1971/május, 206 - 208. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Középpontos tükrözés, Gúlák, Térfogat, Tetraéderek, Gyakorlat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 1970/március: 1305. matematika gyakorlat

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

Először azt mutatjuk meg, hogy bármely valódi OPQR=G0 háromoldalú gúlához ‐ vagyis ha O, P, Q, R különböző pontok, nincsenek egy síkban (nincs közülük három egy egyenesen) ‐, megadható olyan ABCD valódi háromoldalú gúla ‐ más néven négylapú test, tetraéder ‐, melynek 6 élét a P, Q, R és P', Q', R' pontok felezik.
Válasszuk ki a kívánt tetraéder ABC lapját határoló élek felezőpontjai céljára a 3 tükrös pontpár (ti. P és P', Q és Q', R és R') egyik-egyik tagját, pl. a P, Q, R ponthármast. Húzzunk párhuzamost a PQR háromszög mindegyik csúcsán át a szemben fekvő oldallal, és legyenek ezek páronkénti metszéspontjai A, B és C úgy, hogy a PQRA, QRPB és RPQC négyszögek paralelogrammák. Ekkor ABC valódi háromszög, ennek AB, BC, CA oldalát rendre P, Q, R felezi, hiszen pl. AP=RQ=PB, és más ilyen háromszög nincs.
Vegyük most az ABD lap céljára az ABR' síkot. Ez átmegy Q'-n is, hiszen AB párhuzamos és egyező irányítású RQ-val és 2-szer akkora, így a tükrözésre tekintettel Q'R'-vel is párhuzamos, egyező irányítású és 2-szer akkora. Eszerint A, B, R', Q', egy konvex trapéz egymás utáni csúcsai. A BR', AQ' szárak meghosszabbításai metszik egymást egy D pontban. D-t az R'Q' egyenes elválasztja AB-től, és az ABD, Q'R'D hasonló háromszögekből DA:DQ'=DB:DR'=AB:Q'R'=2:1, tehát DA=2DQ', DB=2DR'.
Ugyanígy BC párhuzamos és egyező irányítású PR-rel és R'P'-vel és 2-szerese ezeknek, így P' benne van a BCR' síkban, és BR'-nek és CP'-nek D* metszéspontjára D*B=2D*R', és D* az R'P'-nek BC-t nem tartalmazó partján van, ennélfogva azonos D-vel; továbbá DC=2DP'.

 

 

Mindezek szerint P', Q', R' felezi rendre a DC, DA, DB szakaszt. És mivel D nincs benne az ABC síkban, hiszen tőle 2-szer akkora távolságban van, mint pl. Q', ez viszont ismét 2-szer annyira, mint O, ami pedig a föltevés szerint nincs benne az ABC=PQR síkban, azért a kapott ABCD=G egy a feladat követelményeinek megfelelő, valódi tetraéder. Úgy is mondhatjuk a távolságarányokat, hogy G-nek D-ből húzott, az ABC lap síkjára merőleges magassága 4-szer akkora, mint G0-nak O-ból induló magassága. S mivel a D-vel szemben fekvő ABC alapháromszög területe is 4-szer akkora, mint az O-val szemben fekvő PQR háromszögé, hiszen az ABC háromszöget PQ, QR és RS 4 egybevágó háromszögre bontják, azért G térfogata 16-szor akkora, mint G0 térfogata.
Máshogyan nem határozhatjuk meg a fenti ABC laphoz a keresett tetraéder D csúcsát, mert az ABP' sík nem alkalmas az ABD lap céljára, hiszen csak 2-t tartalmaz az előírt élfelező pontok közül.
Ugyanerre a G-re jutunk akkor is, ha fenti eljárásunkat ismételve a PQR háromszög helyett a PQ'R', vagy QR'P', vagy az RP'Q' háromszögből indulunk ki, hiszen e 4 háromszög a G-ben ekvivalens szerepet játszik, mindegyik a G egyik lapháromszögének a középháromszöge.
Akkor viszont más tetraédert kapunk, ha a kiindulási háromszögünk csúcsai a 3 "vesszős'' pont (P',Q',R'), vagy az egyik tükrös pontpárból a vesszős, a további két párból a vesszőtlen pont, pl. P, Q, R'. Mivel azonban az új gúla mindegyik esetben G-nek O-ra való A'B'C'D'=G' tükörképe, hiszen a most mondott 4 háromszög mindegyike a föntebbi 4 háromszög valamelyikének O-ra való tükörképe, azért G' térfogata is 16-szorosa G0 térfogatának.
G és G'-n túl nincs további megfelelő tetraéder, mert P, Q, R, P', Q' és R' közül már csak úgy lehetne 3 pontot választani, hogy közülük kettő egymás képe legyen O-ra, ilyen 3-asból pedig eljárásunkkal nem adódik tetraéder, hiszen pl. a P, P', Q pontok síkjában O, és így Q' is benne van. ‐ Ezzel vizsgálatunkat befejeztük.
 

Móri Tamás (Budapest, Berzsenyi D. Gimn., II. o. t.)

2 dolgozata alapján, kiegészítésekkel
 

Megjegyzés. A fenti 2 dolgozathoz fűzött megjegyzések említik a két gúla létezését és szimmetrikus voltát, másrészt tovább ezt olvassuk: "Nem mutattuk ki az ABCD tetraéder létezését ..., de ezt a feladat nem is írja elő.''
Az idézettel szemben a szerkesztőség a pontversenykiírást idézi: "mindig gondolják meg a versenyzők, létezik-e, lehetséges-e az mindig ‐ ill. mely feltételek mellett ‐, amiről beszélnek.'' A meggondolást kétes esetekben természetesen le is kell írni, ha a feladat nem is kérdezi. Pórázon vezetné a szerkesztőség a versenyzőket, ha maga mondana ki előre minden a megoldás során esetleg föllépő részletkérdést ‐ itt éppen a létezés vagy nem létezés, az egyértelműség fontos, gyakran fellépő kérdéseit ‐, amin a versenyző bemutathatná éleslátását, körültekintését.
Megjegyezzük másrészt, hogy pl. egy gép részére szerkesztett számítási programban el kell várni a programozótól, hogy minden eshetőségre adjon utasítást a gépek. A mostani feladatunkhoz hasonló bizonyítást azonban egyelőre nem végeznek a gépek.
Egy másik dolgozat ‐ némi helyes meglátással, de a sajnálatosan gyakori elnagyolással ‐ így ír: "Hasonló módszerrel még több ilyen tetraédert szerkeszthetünk.'' Ez viszont ‐ mint láttuk ‐ már sok, csak kettő van.