Feladat: B.3505 Korcsoport: 16-17 Nehézségi fok: átlagos
Megoldó(k):  Bereczki Péter ,  Pallos Péter ,  Tóth János 
Füzet: 2003/október, 412 - 414. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Síkgeometriai bizonyítások, Szabályos sokszögek geometriája, Paralelogrammák, Feladat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 2001/december: B.3505

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

I. megoldás. Feltételezzük, hogy a felosztás véges sok paralelogrammából áll. A nyolcszög bármely két párhuzamos oldalára igaz, hogy paralelogrammák sorozata köti őket össze. Az egymásra merőleges oldalpárokat összekötő sorozatok egy paralelogrammában ,,metszik'' egymást. Megmutatjuk, hogy ez a paralelogramma téglalap.
Válasszuk ki a nyolcszög két szemközti oldalát, legyenek ezek a és b. Legyen P1 egy olyan paralelogramma a felosztásból, amelynek valamely a1 oldala illeszkedik az a oldalra. P1-nek ezzel szemközti oldalát jelölje b1. Kell lennie olyan P2 paralelogrammának is, amelynek egyik a2-vel jelölt oldala olyan, hogy a2-nek és b1-nek a metszete egy s1 szakasz. P2-nek az a2-vel szemben lévő oldalát b2-vel jelölve megállapíthatjuk, hogy b2 közelebb van a b oldal egyeneséhez, mint b1. Folytassuk ezt az eljárást, amíg csak lehet.
Ilyen módon különböző paralelogrammáknak olyan P1,P2,...,Pm sorozatához jutunk, hogy minden i-re a Pi paralelogramma bi oldalának és a Pi+1 paralelogramma ai+1 oldalának közös része egy nem elfajuló si szakasz, ami párhuzamos az a, b oldalakkal. Ha ezt a sorozatot már nem tudjuk folytatni (márpedig egy idő után nem tudjuk, hiszen csak véges sok, a felosztásban szereplő paralelogramma közül választhatunk) az csak úgy lehet, hogy az utolsó paralelogramma bm oldala illeszkedik a nyolcszög b oldalára. Az s0=a1, sm=bm jelöléseket bevezetve, legyen i=0,1,...,m esetén Fi az si szakasz felezőpontja. Ekkor az s=F0F1...Fm töröttvonal összeköti a nyolcszög a és b oldalának egy-egy pontját úgy, hogy az Fi-1Fi szakasz a végpontjaitól eltekintve végig a Pi paralelogramma belsejében halad.
Legyen c és d a nyolcszögnek a-ra és b-re merőleges oldalpárja, és tekintsünk az előbbiek mintájára egy Q1,Q2,...,Qn paralelogramma-sorozatot, ahol most a Qi megfelelő oldalait ci és di jelöli, ci+1 és di metszete a Gi felezőpontú ti szakasz, és a t=G0G1...Gn töröttvonal összeköti a nyolcszög c és d oldalának egy-egy pontját úgy, hogy a Gi-1Gi szakasz a végpontjaitól eltekintve végig a Qi paralelogramma belsejében halad.
A konstrukcióból adódik, hogy az s és t töröttvonalak a nyolcszög belsejében, egy X pontban metszik egymást. Az si és tj szakaszok nem metszhetik egymást, különben a Pi és Qj paralelogrammák egymásba nyúlóak lennének. Ezért X a P1,...,Pm,Q1,...,Qn paralelogrammák közül valamelyiknek belső pontja; az általánosság megszorítása nélkül feltehetjük, hogy X a Pi belsejében helyezkedik el. Mivel egyben valamelyik Qj-nek is pontja, és a paralelogrammák nem nyúlnak egymásba, ez csak úgy lehetséges, ha Pi megegyezik Qj-vel. Ekkor azonban Pi=Qj olyan paralelogramma, melynek oldalai rendre az a, c, b, d szakaszokkal párhuzamosak. A felosztásban szereplő Pi paralelogramma tehát téglalap.

(Bereczki Péter (Szeged, Ságvári Gimn., 9. évf.) és
Tóth János (Békéscsaba, Rózsa Ferenc Gimn., 12. évf.) megoldása alapján

 
Megjegyzések. 1. Természetesen van még legalább egy másik téglalap is a felbontásban, hiszen a nyolcszög megmaradt négy oldalára is alkalmazható a megoldás gondolatmenete.
2. Ha a paralelogrammák száma nem véges, akkor a feladat állítása nem igaz:
Daraboljuk fel ehhez háromszögekre a nyolcszöget. Minden ilyen háromszögbe írjunk az ábra szerint paralelogrammákat.
 
 

Ekkor ‐ az eljárást a végtelenségig folytatva ‐ a nyolcszöget olyan paralelogrammákra oszthatjuk fel, amelyek nyilvánvalóan nem téglalapok.
 
II. megoldás. A megoldás során összeszámoljuk a paralelogrammák hegyesszögű, valamint tompaszögű csúcsait. Azt tapasztaljuk, hogy ha nincsenek derékszögű csúcsok, akkor több hegyesszögű csúcs van, mint tompaszögű; ez nyilván ellentmondás, hiszen minden egyes paralelogrammának azonos számú hegyesszögű és tompaszögű csúcsa van.
A felbontásban szereplő bármely paralelogramma-oldal párhuzamos a nyolcszög valamelyik oldalával. Tetszőleges oldalból kiindulva lépjünk a paralelogramma szemben levő oldalára, majd a továbbira. Így a párhuzamos oldalak egymásutánját kapjuk, amelynek utolsó eleme a nyolcszög valamelyik oldala.
Tegyük fel, hogy a paralelogrammák között nincs téglalap. Ekkor csak kétféle szöge lehet a paralelogrammáknak: 45 vagy 135. Így minden paralelogrammának két 45-os hegyes- és két 135-os tompaszöge van.
Számoljuk össze paralelogramma-csúcsonként, hogy az egyes szögekből mennyit találunk.
I.)a nyolcszög belső pontjaiban:
1.)8 hegyes, vagy
2.)5 hegyes, 1 tompa, vagy
3.)2 hegyes, 2 tompa.
Ezért minden belső csúcsban legalább annyi hegyesszög van, mint tompa.
II.)a nyolcszög határán lévő csúcsokban a különböző tulajdonságú szögeket paralelogrammánként számoljuk össze aszerint, hogy a paralelogramma és a nyolcszög határának közös része
4.)a paralelogramma egy teljes oldala: 1 hegyes, 1 tompa;
5.)a paralelogramma két teljes szemközti oldala: 2 hegyes, 2 tompa;
6.)a paralelogramma két teljes szomszédos oldala (ekkor van közös csúcsuk is): 2 hegyes, 1 tompa;
7.)a paralelogramma egyik csúcsa: 1 hegyes, hiszen tompaszög esetén e csúcs körül még két szögtartomány keletkezik, amelyek mindegyike kisebb, mint 45, ezért nem lenne lefedhető.

Látható, hogy mindegyik esetben legalább annyi hegyesszög van, mint tompaszög, és ha a nyolcszög egy csúcsánál a 6., vagy a 7. eset valósul meg, akkor biztosan több hegyesszög keletkezik, mint tompa. Nem valósulhat meg minden csúcsnál a 4. eset, hiszen két, a nyolcszög egy-egy oldalához támaszkodó 45-os szög között marad egy ugyancsak 45-os szögtartomány, ami csak a 7. esethez tartozó módon fedhető le.
Összesen tehát több hegyesszög lesz, mint tompaszög, ami ellentmondás, hiszen a számuk egyenlő.
(Pallos Péter (Fazekas M. Főv. Gyak. Gimn., 12. évf.) megoldása alapján