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 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 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 , , három, ilyen módon választott pont, akkor az tetraéder pontosan akkor tartalmazza a gömb középpontját, ha az szakasz átmetszi az háromszöget, ahol az pontnak -ra való tükörképe. A választandó ponthármasokat nyolcas csoportokba oszthatjuk a következő módon. Vegyünk fel három átellenes pontpárt ‐ legyenek ezek , , ‐ úgy, hogy egyik pont sem esik egybe -val, és a 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 , , és . 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 ‐ valószínűséggel kiválasztjuk valamelyik pontot. Más szóval, először véletlenszerűen választunk egy megfelelő oktédert, majd ezután egyenlő, egyenként valószínűséggel annak valamelyik lapját, amelynek csúcsai alkotják a kiválasztott ponthármast. Tekintsünk egy megfelelő oktaédert. Az pontot a gömb 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 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 . 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 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 pontjának a középpontra való tükörképét jelölje . Az , , , pontok közül válasszuk ki előbb az első hármat, -t, -t és -t; az tetraéder pontosan akkor tartalmazza (belsejében) a gömb középpontját, ha az utolsóként választandó pont az gömbháromszögbe esik. Annak (feltételes) valószínűsége tehát, hogy a pontot megfelelően választjuk (feltéve, hogy , , már valahogyan kiválasztásra került) az 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 , , , , , , , 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 része.
|