|
Feladat: |
1984. évi Kürschák matematikaverseny 2. feladata |
Korcsoport: 18- |
Nehézségi fok: nehéz |
Megoldó(k): |
Birkás György , Csillag Péter , Erdős László , Kós Géza , Oláh András , Pál Gábor , Szabó Zoltán |
Füzet: |
1985/február,
55 - 58. oldal |
PDF | MathML |
Témakör(ök): |
Geometria határterületei, Egyenlő szárú háromszögek geometriája, Szabályos sokszögek geometriája, Háromszög-rácsok geometriája, Hatszög-rácsok geometriája, Tengelyes tükrözés, Középvonal, Térgeometria alapjai, Vektorok, Vektorok lineáris kombinációi, Egyéb szinezési problémák, Oszthatóság, Möbius-szalag, Rombuszok, Kürschák József (korábban Eötvös Loránd) |
Hivatkozás(ok): | Feladatok: 1985/február: 1984. évi Kürschák matematikaverseny 2. feladata |
|
A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre. I. megoldás. Ha a feladatban leírt felület síkba hajtogatható, pl. az háromszög síkjába, akkor a többi háromszög ezt a háromszöget tartalmazó háromszögrács egy-egy háromszögét fogja fedni. Ha a hajtogatás sikerült, akkor vágjuk fel az összehajtogatott felületet az él mentén és hajtogassunk tovább, amíg az összes többszörös fedést meg nem szüntetjük. Így egy paralelogrammához jutunk. Ez utóbbi hajtogatások a síknak a rács egy-egy egyenesére való tükrözésével valósíthatók meg. Rajzoljuk meg azt a két szabályos hatszöget, amelyiknek egyik oldala és az ehhez csatlakozó hatszögrácsot a síkban (4. ábra).
4. ábra Figyeljük meg, hogy bármelyik tükrözésnél ez a hatszögrács önmagába megy át, tehát a kiterítés után az él másodszori képe is hatszögoldalra, sőt párhuzamos hatszögoldalra kellene hogy kerüljön. A sávba eső párhuzamos hatszögoldalak közt azonban - szabályos háromszög van, pedig nem osztható -tal, tehát a keletkező felület nem lehet síkba hajtogatható. II. megoldás. Az egyes háromszögek , ill. oldallal párhuzamos középvonalai zárt törtvonalat alkotnak a térben. Síkba hajtogatva ezek továbbra is zárt törtvonalat alkotnak, tehát mint vektoroknak ‐ alkalmasan irányítva ‐ az összegük a nulla-vektor. Két egymás utáni vektornak az iránya vagy megegyezik, vagy, ha a köztük levő él mentén hajtogatás történt, egyik vagy másik irányban -ot zárnak be egymással (5. ábra).
5. ábra A zárt törtvonal egyes szakaszai tehát az egymással -ot bezáró és egyenlő hosszú vagy vektorral egyenlők. Legyen az vektorok száma, a -ké, a -ké, akkor tudjuk, hogy | |
Az első két egyenletből pl. -t kiküszöbölve és átrendezve az egyenlethez jutunk. Mivel és nem párhuzamos, ez csak úgy lehet, hogy
a harmadik egyenletből. Ez azonban nem lehet, mert egész szám. A felület tehát nem hajtogatható egy síkba. III. megoldás. Ha a feladatban szereplő felület síkba hajtogatható, akkor síkba kiterített hálója is (6. ábra) összehajtogatható úgy, hogy a két , ill. pont egymásra kerüljön.
6. ábra Minden hajtásnál a háló háromszögei a hálót tartalmazó háromszögrács egy-egy háromszögébe mennek át. Színezzük az , , csúcsokat sorra pirosra, sárgára és kékre. Ekkor folytathatjuk a színezést a három színnel úgy, hogy az egész háló és az egész azt tartalmazó síksáv háromszögeinek a csúcsai különböző színűek legyenek. Az , , pontok sorozata periodikusan ismétlődve piros, kék, sárga színű lesz, a , , pontok pedig sárga, piros, kék színűek. Ezután tükrözve az -k, ill. -k egyenesére, majd sorra a keletkező újabb határvonalakra az egész háromszögrács összes csúcsainak olyan színezését kapjuk három színnel, amelynél minden háromszög csúcsai különböző színűek. Ha most a rács bármelyik egyenesére tükrözünk, minden csúcs ugyanolyan színű csúcsba megy át. Ahhoz tehát, hogy a kívánt hajtogatás lehetséges legyen, a két -gyel jelzett csúcsnak egyszínűnek kellene lennie, azonban az egyik piros, a másik sárga. A kívánt hajtogatás tehát nem lehetséges. IV. megoldás. Vizsgáljuk az zárt törtvonalat. Ennek két-két szomszédos szakasza mindig egy háromszöglap két éle, tehát -ot zár be. A felület háromszögei a sík egy szabályos háromszögrácsának a háromszögeibe kerülhetnek csak.
7. ábra Jelöljünk meg egy csúcsot, ahová kerül (7. ábra). Ekkor annak a szabályos hatszögnek egyik csúcsába kerül, amelyiknek a megjelölt csúcs a középpontja, pedig valamelyik szomszédos csúcsába, mert a szomszédos szakaszok -ot zárnak be. ezután vagy újra a megjelölt csúcsba kerül, vagy annak a hatszög valamelyik oldalára vonatkozó tükörképébe. Jelöljük meg ezeket is. Az eljárás most már ismételhető. A következő két pont ismét egy megjelölt pont körüli szabályos hatszög két szomszédos csúcsába kerül, a harmadik vagy egy már megjelölt pontba kerül, vagy egy ilyennek a körülötte levő hatszög valamelyik oldalára vonatkozó tükörképébe. Jelöljük meg ezeket is. Ilyen módon minden harmadik szakasz végpontja kerül megjelölt pontba, tehát pl. a szakasz végpontja. Ekkor azonban a szakasz végpontja nem kerülhet -be. A kívánt hajtogatás tehát nem lehetséges.
Megjegyzések. 1. Láttuk, hogy ahhoz, hogy, a keletkező felület síkba hajtogatható legyen, a háromszögek számának oszthatónak kell lennie -tal. Többen állították, hogy ez elegendő is. Ez így már csak azért sem igaz, mert a háromszögből álló felület egy oktaéder, amelyiknek két szemközti lapját eltávolítottuk, és ez merev a két lap eltávolítása után is (8. ábra).
8. ábra Arra is gondolni kell, hogy a felületnek a feladatbeli leírása (most már helyett darab háromszöggel, ahol legalább ) nem egyértelmű, hiszen elkészítve a hálót, a két él összeragasztása előtt még meg is csavarhatjuk, akár többször is. A és ábra egy-egy síkba hajtogatott, háromszögből álló szalagot mutat, és alatta ‐ hajlékony anyagból képzelve el őket ‐ térben is szemléltettük alakjukat.
9. ábra
10. ábra Az már kérdéses, hogy a síkbeli zárt karika -dimenziós felületté hajtogatható-e csak a megengedett élek menti hajtogatással. Az, hogy ez nem magától értetődő, látható abból is, hogy az oktaéder-felületnek megfelelő szalag is megvalósítható a síkban. A jobb elképzelés kedvéért két részben rajzoltuk meg a felületet.
11. ábra A 11. ábra két rombusza fölé kell hajtani a hozzájuk csatlakozó háromszöget, majd az I rombuszt a II-re helyezni és az egyformán jelölt (és betűzött) éleket összeragasztani. Ha ez -dimenziós felületté volna hajtogatható a háromszögek hajlítása nélkül, akkor megfordítva, az oktaéder-felület is síkba volna hajtogatható, de az, mint említettük, merev. Még meglepőbb eredményre jutunk, ha az I rombuszhoz csatlakozó háromszöget a rombusz alá hajtjuk, úgy helyezzük egymásra a két rombuszt és ragasztjuk össze az egymásnak megfelelő éleket. Így egy megcsavart szalagot kapunk síkba hajtogatva ( ábra). Ennek megfelelő -dimenziós felület merev háromszögekből egyáltalán nem készíthető.
12. ábra 2. Többen állították, hogy a háromszögből álló szalag is síkba hajtogatható, ha . Ez az állítás már azért is kétes értékű, mert a feladat szövege páros számú háromszögre utal. Megtehetjük azonban, hogy pl. eggyel kevesebb pontot veszünk, mint -t. Így már páratlan számú háromszög keletkezik. Ekkor azonban a IV. megoldásra gondolva az ott szereplő élsorozat kijelölt ponttól kijelölt pontig menő három-három éle egy pontból egy pontba vezet vagy fordítva. Ha tehát páratlan számú élhármasunk van, akkor az csak úgy zárulhat, ha -ből -be vezet. A szalagot tehát úgy kell zárnunk, hogy a kezdő élet a záró éllel ragasztjuk össze. Ilyen módon úgynevezett Möbius-szalagot kapunk, amelyiknek csak egy határvonala és egy oldala van. Ilyen síkba hajtogatott szalag háromszögből mindig készíthető, ha (13. ábra). 13. ábra Megjegyzendő, hogy azok a versenyzők, akik akár az ., akár a . megjegyzésben szereplő állítást megfogalmazták, igazolásukra nem tettek kísérletet.
|
|