Feladat: Gy.2523 Korcsoport: 14-15 Nehézségi fok: nehéz
Füzet: 1989/november, 386 - 387. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Tengelyes tükrözés, Középpontos tükrözés, Pont körüli forgatás, Transzformációk szorzata, Szabályos sokszögek geometriája, Gyakorlat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 1988/december: Gy.2523

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

Igen, következik. Tükrözzük a hétszöget egymás után a két szimmetriatengelyére. Az eredő transzformáció vagy eltolás (ha a tengelyek párhuzamosak), vagy elforgatás (ha a két tengely metszi egymást). Mivel a transzformáció során a hétszög képe önmaga, ezért a transzformáció szükségképpen elforgatás. Ennek szöge a két szimmetriatengely szögének kétszerese, így legfeljebb 180. Pontosan 180 nem lehet a szög, mivel a 180-os forgatás középpontos tükrözést jelent, páratlan oldalszámú konvex sokszög pedig nem lehet középpontosan szimmetrikus. Hétszögünket tehát egy 180-nál kisebb szögű forgatás önmagába viszi. Nevezzük egy csúcs pályájának azon csúcsok együttesét, amelyekbe ez a csúcs az elforgatás egy más utáni alkalmazásai során kerül. (Ha pl. az A1A2A3A4A5A6A7 hétszög A1 csúcsát a forgatás A3-ba, A3-at A7-be, A7-et pedig A1-be viszi, akkor az A1 pályája ‐ és persze az A3, A7 csúcsoké is ‐ A1, A3, A7.) Egy pálya nem állhat egyetlen elemből, hiszen ez azt jelentené, hogy a forgatás centruma a hétszög valamelyik csúcsa, ami a konvexitás miatt lehetetlen. Két elemből sem állhat egy pálya, mivel ekkor az elforgatás 180-os lenne, amit már korábban kizártunk. Ha valamelyik csúcs pályája háromelemű, akkor az előbbiek szerint a másik négy csúcsnak egyetlen pályát kellene alkotnia. De háromelemű pálya csak akkor létezhet, ha az elforgatás szöge 120 vagy 240, míg ha egy pálya négy elemből áll, akkor az elforgatás szöge 90 vagy 270. Ezek a szögek mind különbözőek, ami ellentmondás. Öt vagy hat elemből álló pálya sem lehet, mert ekkor a maradék csúcsok kettő-, illetve egyelemű pályá(k)ba tartoznának.

 
 

Tehát a sokszög hét pontja egyetlen pályát alkot; ez azt jelenti, hogy a hétszög bármely csúcsát egy rögzített pont körüli alkalmas elforgatással át tudjuk vinni a hétszög tetszőleges csúcsába. Legyen az A1A2A3A4A5A6A7 sokszög forgáscentruma O, és legyen α=A1OA2. Az O körüli α szögű forgatás a sokszöget önmagába viszi. Mivel ekkor A1 képe A2, ezért A2 képe csak A2 fennmaradó szomszédja, A3 lehet hasonlóan A3 képe A4,...,A7 képe pedig A1. Így A1OA2=A2OA3=...=A7OA1, tehát a sokszög szabályos.
 

Megjegyzés. A feladat állítása 7 helyett tetszőleges prím oldalszámú konvex sokszögre is érvényes, és ennek belátásához a fenti bizonyítást nem is kell túl sokkal kiegészíteni. Ha azonban a sokszög oldalainak száma nem prím, akkor már nem igaz a megfelelő állítás.