Feladat: B.4160 Korcsoport: 16-17 Nehézségi fok: átlagos
Füzet: 2010/január, 25. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Feladat, Ponthalmazok, Síkbeli szimmetrikus alakzatok
Hivatkozás(ok):Feladatok: 2009/február: B.4160

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

Megoldás. Létezik ilyen ponthalmaz. Tekintsük ugyanis a derékszögű koordinátarendszerben a Px=(cosx;sinx) pontokat, ezek éppen az O origó körüli egység sugarú körvonal pontjai. Px=Py pontosan akkor teljesül, ha az x-y szám 2π-nek egész számú többszöröse. Álljon K a körvonal azon Px pontjaiból, amelyekre x egész szám. Kihasználva a π szám irracionális voltát láthatjuk, hogy ezek a pontok páronként különbözők, továbbá PxK esetén Px+πK. Ezért ha x,y különböző egész számok, akkor a tx=OPx és ty=OPy egyenesek is különbözők. Minden x egész számra a tx egyenes szimmetriatengelye a korlátos K halmaznak: a Py pont tükörképe éppen P2x-y. A K halmaznak tehát végtelen sok szimmetriatengelye van. Tegyük fel, hogy K középpontosan szimmetrikus az S pontra. Ekkor K minden pontja egyben annak a körnek is pontja, melyet az egységkörből úgy kapunk meg, hogy azt S-re tükrözzük. Mivel két különböző körnek legfeljebb két közös pontja lehet, K-nak pedig végtelen sok különböző pontja van, a két kör egybeesik, vagyis S=O. Azt viszont már láttuk, hogy K nem lehet középpontosan szimmetrikus O-ra, hiszen például P0K, de PπK. Tehát a K halmaz valamennyi feltételnek eleget tesz.

 

Megjegyzések. 1. A helyes megoldások többsége a fenti konstrukciót adta meg, vagy ahhoz hasonlót, mindenképpen egy körvonalon. Ez nem is lehet másként: ha e és f egymást P-ben metsző szimmetriatengelyei K-nak, akkor K invariáns a P pont körüli, a tengelyek által bezárt szög kétszeresével való elforgatásra; a nagyszámú forgásszimmetria megléte tehát szükségszerű. (Két szimmetriatengely nem lehet párhuzamos, mivel akkor a két tükrözés kompozíciója a K halmazt helybenhagyó nemtriviális eltolás lenne, ellentmondva annak a követelménynek, hogy K korlátos.)
2. A közölt megoldás erősen támaszkodik arra a nevezetes tényre, hogy a π irracionális. Ez az eszköz azonban a feladat megoldásában nélkülözhető; Frankl Nóra (Budapest, Berzsenyi D. Gimn., 10. évf.) példája a következő: tekintsük egy körvonal három harmadolópontját, a kapott ívek harmadolópontjait, és így tovább. A kapott végtelen ponthalmaz forgás- és tengelyes szimmetriái a közölt megoldáshoz hasonlóan láthatók, viszont abból az elemi tényből következően nem lesz középpontosan szimmetrikus, hogy az 12 nem írható fel 3-hatvány nevezőjű törtként.