Feladat: Pontversenyen kívüli P.376 Korcsoport: 18- Nehézségi fok: nehéz
Megoldó(k):  Kós Géza ,  Szabó Csaba ,  Törőcsik Jenő 
Füzet: 1984/február, 74 - 75. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Egyéb szinezési problémák, Szögfüggvények, síkgeometriai számítások, Pontversenyen kívüli probléma, Sorozatok monotonitása, korlátossága
Hivatkozás(ok):Feladatok: 1983/március: Pontversenyen kívüli P.376

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

Ha egy körlemez pontjai kiszínezhetők a feladat feltételeinek megfelelően, akkor mondjuk azt, hogy a körlemez 2-színezhető. Az 1/2-nél kisebb sugarú körök nyilván 2-színezhetők, megmutatjuk, hogy az egység átmérőjű (zárt) körlemez is ilyen. Színezzük ugyanis a körlemez minden belső pontját pl. pirossal. Továbbá bontsuk a kerületét az átellenes A, B pontokkal két félkörívre, az egyik nyílt félkörív pontjait és A-t pirossal, a másik nyílt félkörív pontjait és B-t színezzük kékkel. Ha P és Q a körlemez két pontja és PQ=1, akkor P és Q a kerület két átellenes pontja, tehát színük különböző. Ezzel megmutattuk, hogy az 1/2 sugarú (zárt) körlemez 2-színezhető.
Most megmutatjuk, hogy ha r>1/2, akkor az r sugarú körlemez nem 2-színezhető. Ehhez vegyük észre a következőt. Ha az r sugarú kör belsejében elfér egy olyan A1A2...A2k+1 szabályos (2k+1)-szög, melynek A1Ak+1 átlója egységnyi hosszú, akkor A1Ak+1A2k+1AkA2kAk-1A2k-1...A2Ak+2A1 csillagsokszög minden oldala egységnyi. Ha tehát a sokszöget tartalmazó kör 2-színezhető volna, akkor ennek a csillagsokszögnek bármely két szomszédos csúcsa különböző színű volna. Ez lehetetlen, mert sokszögünknek páratlan sok csúcsa van. Az olyan r sugarú körök tehát, melyek belsejükben tartalmaznak az A1A2...A2k+1 sokszöggel egybevágót, nem 2-színezhetők.
Számoljuk most ki, mekkora az A1A2...A2k+1 köré írt kör sugara! Legyen a kör középpontja O, és jelölje T az O pont merőleges vetületét A1Ak+1-en.

 
 

Az A1TO derékszögű háromszögből
A1TA1O=1/2ϱk=sinA1OT=sinkπ2k+1,
így
ϱk=12sinkπ2k+1.
A sinkπ2k+1=sin(π2-π2(2k+1))=cosπ4k+2 számok k növekedtével monoton nőnek és egyhez tartanak, tehát a {ϱk} sorozat monoton csökken és 12-hez tart. Ha r>12, akkor létezik tehát olyan k, amelyre r>ϱk, következésképp az r sugarú kör nem 2-színezhető.
Ezzel megmutattuk, hogy ha r>12, akkor az r sugarú (nyílt) körlemez nem 2-színezhető, viszont a legfeljebb 1/2-sugarú (zárt) körlemezek 2-színezhetők.