Feladat: A.458 Korcsoport: 18- Nehézségi fok: nehéz
Megoldó(k):  Éles András ,  Nagy Dániel ,  Nagy Donát ,  Nagy János ,  Tomon István ,  Tossenberger Anna 
Füzet: 2009/május, 274 - 275. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Tetraéderek, Térgeometriai bizonyítások, Nehéz feladat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 2008/szeptember: A.458

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

Megmutatjuk, hogy csak n=1, n=2 és n=4 lehetséges, ezekhez az értékekhez könnyen található is megfelelő pontrendszer. Ha n3, akkor a feltétel szerint a P1, P2, P3 pontokhoz találhatunk egy negyedik P-et is (amelyre az is igaz, hogy Q a P1P2P3P tetraéder belső pontja), tehát az n=3 eset nem lehetséges.
A továbbiakban feltételezzük, hogy n4.
Vegyünk fel egy Q középpontú G gömböt, és jelöljük Ai-vel a QPi félegyenes és G metszéspontját (1in). Abból a feltételből, hogy a P1,P2,...,Pn,Q pontok közül semelyik négy nincs egy síkban, következik, hogy az A1,...,An pontok közül semelyik három nincs egy síkban Q-val. Továbbá, tetszőleges PiPjPkP tetraéder pontosan akkor tartalmazza a belsejében Q-t, ha az AiAjAkA tetraéder is a belsejében tartalmazza Q-t. Emiatt bármely három különböző Ai, Aj, Ak ponthoz található legalább egy olyan A pont, amelyre Q az AiAjAkA tetraéder belső pontja.

 
 

Legyen K az A1,A2,...,An pontok konvex burka. Mivel az A1,...,An pontok a G gömbön fekszenek, mindegyikük csúcsa K-nak; a K konvex poliédernek pontosan ez az n csúcsa van. Többnyire K lapjai háromszögek, de előfordulhat, hogy valamelyik lapnak több oldala van; az ilyen lapokat néhány átló behúzásával osszuk fel háromszögekre. (Azt is megtehetjük, hogy az A1,...,An pontokat egy kicsit elmozdítjuk, hogy semelyik négy ne essen egy síkra.)
Jelöljük az így kapott ,,háromszöglapok'' és ,,élek'' számát L-lel, illetve E-vel. Az Euler-féle poliédertétel szerint n+L=E+2. Minden háromszöglapot három él határol, és minden él két háromszöglapot választ el, így azt is tudjuk, hogy 2E=3L. A két összefüggésből E-t eliminálva, 3L=2E=2(n+L-2)=2n+2L-4, azaz
L=2n-4.(1)

Tetszőleges AiAjAk háromszöglaphoz van legalább egy olyan A pont, amelyre Q az AiAjAkA tetraéder belső pontja. Ekkor az AQ egyenes az AiAjAk háromszög síkját az AiAjAk háromszöglap egy belső B pontjában döfi át. Mivel P konvex poliéder, az AQ félegyenes csak egy háromszöglapot döfhet, és a különböző AiAjAk háromszöglapokhoz más és más A pontok tartoznak. Ebből következik, hogy legalább annyi A pont van, mint háromszöglap, vagyis
Ln.(2)
Az (1) és (2) egyenlőtlenségek összevetéséből kapjuk, hogy n4.