Feladat: Gy.3012 Korcsoport: 16-17 Nehézségi fok: átlagos
Megoldó(k):  Bárány Kristóf ,  Benedek Csaba ,  Bérczi Gergely ,  Devecsery András ,  Gueth Krisztián ,  Gyenes Zoltán ,  Gönczy László ,  Juhász András ,  Katona Zsolt ,  Lantos Yvette ,  Lengyel Tímea ,  Lippner Gábor ,  Major Csaba ,  Nyul Gábor ,  Pap Júlia ,  Pogány Ádám ,  Reviczky Ágnes ,  Szűcs Gábor ,  Terpai Tamás ,  Várady Gergő ,  Végh László ,  Zawadowski Ádám ,  Zubcsek Péter Pál 
Füzet: 1996/szeptember, 350 - 352. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Kör geometriája, Alakzatba írt kör, Húrnégyszögek, Gyakorlat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 1995/október: Gy.3012

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

Ha egy szabályos háromszög csúcsai a nagyobbik körön vannak, akkor beírt köre éppen a kisebbik kör (1. ábra). Az ilyen tulajdonságú szabályos háromszögek területe 33 területegység. Megmutatjuk, hogy ha az A1A2...An sokszög tartalmazza a kisebbik kört, csúcsai pedig a nagyobbik körön vannak, akkor a területe legalább 33.
|A1A2|=|A1'A2'|;  |A3A4|=|A2'A3'|;  |A4A5|=|A3'A4'|;  |A2A3|=|A4'A5'|;  |A5A1|=|A5'A1'| 2. ábra
Tekintsünk most két tetszőleges sugarú koncentrikus kört, és legyen a nagyobbikba írt sokszög, amelyik tartalmazza a kisebb kört, A1A2...An. Jelöljük a körök középpontját O-val. A sokszög területe megegyezik az AiOAi+1 (i=1, 2, ... n; An+1=A1) háromszögek területeinek összegével. Ez a területösszeg nyilván nem változik, ha a háromszögek sorrendjét megváltoztatjuk. Rakjuk egymás mellé azokat a háromszögeket, amelyek AiAi+1 oldala érinti a kisebbik kört, majd ezután változtassuk meg a csúcsok betűzését úgy, hogy az A1'A2', A2'A3', ..., Ak'Ak+1' oldalak legyenek azok, amelyek érintik a kisebbik kört; az Ak+1', Ak+2', ..., An', A1' oldalak pedig azok, amelyek nem érintik (a 2. ábrán ezt láthatjuk ötszög esetén). Az így kapott A1'A2'...An' sokszög területe megegyezik az eredeti A1A2...An sokszög területével. Vizsgáljuk most az Ak+1'Ak+2', Ak+1'Ak+3', ..., Ak+1'An', Ak+1'A1' egyeneseket. Legyen ezek közül ‐ ilyen sorrendben ‐ Ak+1'Am+1' az első olyan, amelyik metszi a kisebbik kört. Ekkor az Ak+1'-ből a kisebbik körhöz húzott Ak'Ak+1'-tól különböző érintőnek a nagy körrel való Ak+1'-től különböző metszéspontját jelöljük B1-gyel (3. ábra). Az Ak+1'Am+1'B1 háromszög területe kisebb, mint az Ak+1'Am+1'Am' háromszög területe, mert B1 közelebb van az Ak+1'Am+1' egyeneshez, mint Am' (ugyanis Ak+1'Am' és Am'Am+1' nem metszhetik a kis kört). Tehát az A1'A2'...Ak+1'B1Am+1'Am+2'...An' sokszög területe kisebb, mint az A1'A2'...An' sokszög területe. Ezután ismételjük meg ezt a ,,levágási'' eljárást úgy, hogy Ak+1' szerepét B1 veszi át. Véges sok vágás után ‐ az új pontokat rendre B2, B3, ..., Bi-vel jelölve ‐ elérjük, hogy a BiA1' egyenes még nem metszi (esetleg érinti), a BiA2' egyenes viszont metszi a kis kört. A kapott A1'A2'...Ak+1'B1B2...Bi sokszög az egybevágóság erejéig egyértelmű, ezért az eljárásból következően ez a legkisebb területű azon sokszögek közül, melyek tartalmazzák a kis kört, csúcsaik pedig a nagy körön vannak. Ezt a sokszöget azzal jellemezhetjük, hogy ‐ legfeljebb egy oldala (BiA1') kivételével ‐ mindegyik oldala érinti a kis kört (4. ábra). Ez a tulajdonság a két kör sugarának arányától függetlenül mindig igaz a minimális területű sokszögre.
Visszatérve eredeti feladatunkra, ha a két kör sugara 1, illetve 2, akkor éppen a nagy körbe írható szabályos háromszöget kapjuk, mint a követelményeket kielégítő, minimális területű sokszöget. Ha A1A2A3 egy a nagy körbe írt szabályos háromszög, A4 pedig a rövidebbik A3A1 ív egy A1-hez ,,közel'' lévő pontja, akkor az A1A2A3A4 húrnégyszög (5. ábra) területe nagyobb, mint az A1A2A3 háromszög területe, de tetszőlegesen megközelítheti azt. Tehát a nagyobbik körbe írt és a kisebbik kört tartalmazó húrnégyszögek területe nagyobb mint 33, de tetszőlegesen megközelítheti ezt az értéket.

 
Megjegyzés. Az 1 pontot kapott versenyzők nem adtak megfelelő indoklást a 33-as határértékre, a 0 pontosak helytelen következtetésre jutottak.