30
И. М. Яелом Оценки углов
Исходной для нас будет служить следующая неопустная, но почитальная задача 1. Пусть — три произвольные (несовпадающие) точки на плоскости; улы треугольника (мочее, и ) мы обозначим через , и . Пусть . Какие значения моем приимать , и ?
Эта задача хорошо иллюстрирует тематику настоящего статьи: в ней обсуждается следующее (в общем виде не решенная до сих пор!)
Основная проблема. На плоскости данных точки . Обозначим через улы треугольников, образованных этих точки *). Пусть . Какие значения моем приимать ?
Чтобы представить себе, с чем мы можем встретиться при решении основной проблемы, решим задачу 1.
Решение задачи 1
Так как , то наиболее из трех углов треугольника не может быть меньше , а
*) Число , разумеется, зависит от . Нетрудно видеть, что
где — число сочетаний из по 3, но нам эта формула не понадобится.
31
ны быть острыми, то (случай, когда три точки лежат на одной прямой, не спасет положения, поскольку при этом , , ). Однако может быть скольго близким к (на рисунке 3 наименьший угол очень мал, а ). Таким образом,
Чтобы заверить решение задачи 1*, нам еще надо доказать, что может принимать либо более значения в пределах (и аналогично для углов и ). Впрочем, эта часть решения очень проста — она совпается к построению треугольника , у которого наибольший угол (или «средний» угол , или наименьший угол ) имеет заданное значение, выбранное в указанных пределах; это вы легко сделать сами.
Обсуждение решения задачи 1
Прежде всего изменим обозначения. Условия обозначать вершины треугольника через , а его углы — через . Наибольший из углов можно обозначить так:
а наименьший из углов так:
причем
мах — это сокращение латинского слова maximum — «максимум», то есть наибольшее. Знак под.max показывает, что меняется , то есть задан набор величины (здебь — ), из которых мы берем наибольшую (а не, скажем, наибольший из вообще возможных углов треугольника — в
*) Мы приводим здесь подробное решение задачи 1. Указания к решению остальных задач помещены в конце журнала (но не топппесь туда заглядываать — попробyte сначала решить задачу самостояльно). Звездочный отмечень более трудные задачи; во-простейный знак у номера задачи ознакомят, что решение автору не известно (откуда еще вовсе не следует, что эта задача — трудная; подумайте и над этим задачи).
этом случае мы напишем max . Закmak max обычно употребляется для наибольшей из конечного числа величины (здебь — из трех). Для наибольшей из бесконечного числа величины тоже можно применять знак max, но это опасно — здесь надо еще доказывать, что это наибольшая величина сущействует (см. далее).
min — сокращение латинского слова minimum — «минимум», то есть наибольшее.
В задаче 1 не вызываю ни каких затруднений определение самого большого возможного значения , то есть
и самого малого возможного значения , то есть
Наибольший интерес здесь представляется наименьшего возможного значения , то есть
Постановка таких «минимаксных» задач характерна для современной «чистой» и (особен!) прикладной математики.
Значительнаяную часть задачи 1 также составляет оценка наибольшего возможного значения величины (наименьшее легко находится: из рисунка 2 следует, что min ). Однако здесь нас подстерегает сорриз: оказавется, что искомого наибольшего значения не существует: угол может быть скольго близок к , но он никогда не оказывается равным . Математики в таком случае говорят, что — это (моная) верхняя грань величины :
sup — это сокращение латинского слова supremum — «супремум», то есть вышее. Запись sup означает, что для любого , но может быть скольго угло
32
близким к ξ, то есть ξ — наименьшее из чисел, не меньше чем любое . Можно показать, что если величины ограничены сверху, то есть существуют хотя бы одна верхняя грань величины то среди этих верхних граней найдется наименьшая (моная), то есть sup существует.
Аналогично употребляется запись inf . Inf — это сокращение латинского слова infimum — «инфимум», то есть низшее.
inf — это мощная низкая грань, то есть наибольшее из чисел, не превысших любого . В тех случаях, когда это не вызывает затруднений при чтении, мы не будем писать , и т.п. под знаками sup, inf, max, min.
Нетрудно понять, с чем связан этот сорпириз. Ясно, что величины max и min существуют — ведь из трех углов , и всегда можно выбрать наибольший и наименьший. А число треек точек на плоскости является бесконечным. И здесь мы уже не можем ручаться за то, что найдется такая трека, которая отвечает наибольшее значение угла . Ведь переходить от одной треки точек к другой, которое отвечает большее значение угла , мы можем сколь годно много раз, и при этом каждый раз может оказаться, что все равно осталась трека, лучшая, чем все предыдущее.
В принципие, ни одна из величины sup , sup , sup , inf , inf , inf не обязательна достаточно — и мы должны расценить как удачу то обстоятельство, что величины sup , sup , inf и inf достигаются, то есть что существуют max , max , min и min . Для величины , как мы видели, inf достигается, а sup — нет.
Аналогично этому, скажем, для величины , где — натуральное число, sup достигается (при ), а inf — нет; таким образом, величины имеет максимум и не имеет минимума.
Рассмотрим, наконец, вопрос о том, для каких именно треек точки (или ) достигается максимум или минимум величины , и . Легко видеть, что min и (одновременно) max достигаются для единственного тройки точек — для вершин правильного треугольника (см. рис. 1) конечно, с точностью до замены треугольника подобным, что, впрочем, не меняет ни одного из его углов. max , как мы уже знаем, вообщше не существует. А величины max , min и min реализуют беско нечны множеством разных (далее не подобных) тройек точек, — ведь средняя точка на рисунке 2 может располагаться в любом месте на отрезке, соединяющего две другие точки.
Тепер мы перейдем к другим задачам.
Задание 2. a) Пусть — произвольная система четырех точки на плоскости; величины наименьшего из 12 углов, определенных эмпиримом и мочиками, обозначим через . Докажите, что .
b) Пусть — произвольная система четырех точки на плоскости; наименьший из определенных эмпиримом и мочиками углов обозначим через . Докажите, что .
в) Пусть — произвольная система четырех точки на плоскости; наименьший из определенных эмпиримом и мочиками углов обозначим через . Докажите, что .
Для каких систем из четырех, пяты и шести точки на плоскости достигаются наибольшее и наименьшее значения угла ?
Начало решения задачи 2. Предположим, что рассматриваемые точки — это вбитые в земм
34
мом же результатом, что и для систем из 7 точек (мо есть это здесь также inf α = 120°, u min α не существует).
Обратимся снова к фигурирующим в основной проблеме «общим» системе из точек на плоскости; наиболее изуглов, определяемых этих точек, мы обозначим через , а наиболее — через . Так как, очевидно, наиболее возможное значение равно 180°, а наиболее значение равно 0°, то задача оценки углов и состоит в нахождения sûр (эту величины мы обозначим через или плоскку она, разумеется, зависит от , — через ) и inf (эту величины мы обозначать через или ). Найти величины несколько:
и эта величина всегда достижима (см. задачу 3). Однако задача нахождения величины не так проста и в общем виде до сих пор еще не решена. Задачи 4 и 5 утверждают, что , и ; при этом значения и достижены, а значения и уже не достижены.
Задачу определяния величины впервые поставил американский геометр Л. Блюменталь; ее решением занимались венгерские математики П. Эрдеш*) и Г. Секереш. П. Эрдеш предложил, что для всех , где , и что достигается это значение лишь при . Однако доказано до сих пор лишь, что
при
*) Пал Эрдеш — видный современный венгерский математик. Эрдеш принадлежит многое яркие результаты в разных областях математики (теория чисел, математический анализ, теория вероятности, геометрия и т. д.); одна в результате его деятельности число нерешенных до сих пор задач лишь увеличилось, но он поставил больше новых задач, чем решил старых.
и что если (где ), то (последняя оценка может быть даже слегка усилена).
Обратимся теперь к остальном углом, фигурирующим в probleме.
Задача 6. Пусть — произвольная система четырех точек на плоскости; и — два сальых больших из девенадчатми углов, задаваемых этим точек, и — два сальых маленных углов; при этом , . Докажите, что
a) ;
b) .
Для каких систем точки реализуется наобольшее и наименьшее значения и ?
Задача 7. Докажите, что при всех max при ,
при
Таким образом вопрос об оценках всех углов свидетельствует к определению величины inf , где
(inf можно обозначить символом ) и sup при
*) Заметьте, что . Укажем еще, что число подлежащих определению величины всегда вдвое большие числа интерсуоших нас числа , например: 2 и 1 при , 8 и 4 при и т. д.