Feladat: B.4086 Korcsoport: 16-17 Nehézségi fok: nehéz
Megoldó(k):  Bálint Dániel ,  Bartha Zsolt ,  Blázsik Zoltán ,  Dudás Zsolt ,  Éles András ,  Huszár Kristóf ,  Keresztfalvi Tibor ,  Nagy Donát ,  Papp Ádám ,  Salát Zsófia ,  Szabó Dávid ,  Tossenberger Anna ,  Tubak Dániel ,  Varga László 
Füzet: 2009/január, 28 - 30. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Geometriai valószínűség, Gömb és részei, Tetraéderek, Gömbi geometria, Feladat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 2008/április: B.4086

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

I. megoldás. Jelöljünk ki a gömbfelületen egy A pontot, melyet tekintsünk rögzítettnek. Válasszunk ki ezután a gömbfelületen egymástól függetlenül, véletlenszerűen három pontot. A keresett valószínűség megegyezik annak a valószínűségével, hogy ezen három pont és az A által meghatározott tetraéder tartalmazza a gömb középpontját. Mivel annak 0 a valószínűsége, hogy a négy pont közül kettő egybeessen, ezektől az esetektől eltekinthetünk ‐ akárcsak attól, hogy a három kiválasztott pontra illeszkedő sík áthalad a gömb középpontján. Ha X, Y, Z három, ilyen módon választott pont, akkor az AXYZ tetraéder pontosan akkor tartalmazza a gömb O középpontját, ha az OA' szakasz átmetszi az XYZ háromszöget, ahol A' az A pontnak O-ra való tükörképe.
A választandó ponthármasokat nyolcas csoportokba oszthatjuk a következő módon. Vegyünk fel három átellenes pontpárt ‐ legyenek ezek (B,B'), (C,C'), (D,D') ‐ úgy, hogy egyik pont sem esik egybe A-val, és a BCD sík nem halad át a gömb középpontján. Az így kapott hat pont konvex burka egy olyan oktaéder, amely szimmetrikus a gömb középpontjára, párhuzamos lappárjai pedig (BCD,B'C'D'), (B'CD,BC'D'), (BC'D,B'CD') és (BCD',B'C'D). Bármelyik lap csúcsai szóba jöhetnek, mint a három kiválasztandó pont, és minden szóba jövő ponthármas megfelel pontosan egy ilyen módon elképzelt oktaéder egyik lapjának. A megoldás ötlete a következő észrevételen alapul: a három pont véletlenszerű kiválasztását megtehetjük úgy, hogy először véletlenszerűen választunk három átellenes pontpárt, majd ezután minden egyes pontpárból 1/21/2 valószínűséggel kiválasztjuk valamelyik pontot. Más szóval, először véletlenszerűen választunk egy megfelelő oktédert, majd ezután egyenlő, egyenként 1/8 valószínűséggel annak valamelyik lapját, amelynek csúcsai alkotják a kiválasztott ponthármast.
Tekintsünk egy megfelelő oktaédert. Az A pontot a gömb O középpontjával összekötő egyenes az oktaéder két, egymással párhuzamos lapját metszi át, a többit elkerüli. A szimmetria miatt e két párhuzamos lapnak pontosan egyikét átmetszi az OA' szakasz, a másikat pedig nem. Ezért az adott oktaéderhez tartozó nyolc ponthármas közül pontosan egy lesz megfelelő. Mivel ez bármelyik oktaéderre elmondható, érvelésünk alapján a keresett valószínűség 1/8.

 

Megjegyzés. A három csúcs iménti ,,kétlépcsős'' kiválasztásának jogossága szemléletesen nyilvánvalónak tűnhet, valójában bizonyítást igényel, ami a középiskolai matematika eszközeit meghaladja ‐ ezért nem is részletezzük (és természetesen megoldóinktól sem vártuk el). Ebben a szigorú értelemben az alábbi megoldás sem tekinthető hiánytalannak; viszont, akárcsak az előző, ez is ,,koncepciózusan'' mutatja meg, miért éppen 1/8 a keresett valószínűség értéke. Olvasásakor esetleg azon is érdemes lehet elgondolkodni, mennyiben (nem) más ez a megoldás, mint az első.
 
II. megoldás. Használjuk az előző megoldás jelöléseit: a gömb X pontjának a középpontra való tükörképét jelölje X'. Az A, B, C, D pontok közül válasszuk ki előbb az első hármat, A-t, B-t és C-t; az ABCD tetraéder pontosan akkor tartalmazza (belsejében) a gömb középpontját, ha az utolsóként választandó D pont az A'B'C' gömbháromszögbe esik. Annak (feltételes) valószínűsége tehát, hogy a D pontot megfelelően választjuk (feltéve, hogy A, B, C már valahogyan kiválasztásra került) az A'B'C' gömbháromszög felszínének a gömb felszínéhez viszonyított aránya. A négy pont megfelelő kiválasztásának valószínűsége így az előbbi aránynak (egy tetszőleges gömbháromszög felszíne a gömb felszínének hányadrésze) az átlaga (várható értéke) lesz. Ennek közvetlen kiszámítása helyett vegyük észre, hogy az ABC, A'BC, AB'C, ABC', A'B'C, A'BC', AB'C', A'B'C' gömbháromszögek egyrétűen lefedik a gömb felszínét, ezért felszínük összege éppen a gömb felszíne. Mivel mindegyik gömbháromszög felszínének ugyanaz a várható értéke, ez a közös érték a gömb felszínének 1/8 része.