Квант
Разное

Задача о выпуклых телах

Пухов С.

30

С. Пухов

Задча
о выпуклых телах

Эта заметка посвящена решению задачи М380, которая была опубликована в «Задчине «Кванта» (см. № 3 за 1976 год). Напомним ее формуларовку.

a) На плоскости дна выпуклая фигура и внутри нее — точка O. Каждаой прямой l, проходящей через точку O, проводится перепределилуар в точке O и на нем по обе стороны от точки O откладываются два отрезка, длины которых равны длине отрезка, получающейся при пересечении данной фигуры с прямой l. Объедининие всех этих отрезков — новая фигура с центром симметрии O. Будем ли полученная фигура выпуклой?

b) В пространстве дано выпуклое центрально-симметриное место с центром O. Каждаой плоскости α, проходящей через точку O, проводится перепределилуар в точке O и на нем по обе стороны от этой точки O откладываются два отрезка, длины которых равны площади сечения данного места плоскостью α. Объедининие всех этих отрезков — новое место с тем же центром симметрии O. Доказите, что полученное место можно выпукло.

Замечание. В задание б) считается, что фиксирована некоторые единицы. Тогда единица площади определяется автоматически. И процесс откладывания отрезков надо понимать так: отрезок содержит столко единниц длины, сколько единниц площади содержит перепределилуарное сечение.

Мы не будем определять здесь, что такое выпуклое множество, тело, фигура, как и не будем перечислять свойств выпуклых множества, — все эти понятия входят в школьный курс геометрии, и их можно найти в школьных учебниках. Кроме того, мы не будем давать строгого определения площади. Оказывается, любая плоская выпуклая фигура имеет площадь в том же смысле, в каком имеет площадь треугольник, квадрат или круг. Подробно об этом можно прочитать, например, в Энциклопедии элементарной математики, том V, статьи В. А. Рохли и на «Площадь и объем», или в книге В. Б ля ш ке «Круг и шар». Вообще о выпуклых множеств направано много интересных книг. Некоторые из них упомянут в конце заметки.

Итак, научем решать задачу М380.

Отрицательный ответ на вопрос, поставленный в задание a), дает следующее пример.

Рассмотрим выпуклый четырехугольник ABCD, у которого диagonал AC и BD взаимно перпендикулярны и пересекаются в точке O (рис.1). Пусть при этом ∣AO∣=∣BO∣=∣CO∣=2|AO| = |BO| = |CO| = \sqrt{2}, а ∣DO∣=22|DO| = \frac{\sqrt{2}}{2}. Начнем осуществлять конструцию, описанную в пункте a). На лучах OB и OC отложим отрезки OP1 и OP2, конгруэнтные отрезки AC и BD соответственно; точки P1 и P2 — точки нового множества. На бискетрисе угла BOC отложим отрезок OP, конгруэнтный отрезку EF (лежащему на бискетрисе углов AOB и COD).

Рис. 1.

31

Покажем, что отрезок OPOP не пересекает отрезка P1P2P_1P_2. Поскольку PP граничная точка новой фигуры, из этого будет следовать, что новая фигура невыпукла.

Обозначим точку пересечения bicсектрисы угла BOCBOC с отрезком P1P2P_1P_2 через QQ (Q∈[P1P2]Q \in [P_1P_2]). Нам нужно доказать, что отрезок OPOP короте отрезка OQOQ, т. е. что ∣OP∣<∣OQ∣|OP| < |OQ|.

Нетрудно посчитать, что ∣OE∣=1|OE| = 1, ∣OF∣=23|OF| = \frac{2}{3}, т. е. что ∣EF∣=∣OP∣=53|EF| = |OP| = \frac{5}{3}. Но ∣OQ∣=127|OQ| = \frac{12}{7} (проделяйте все вычисления самостояльно). Поскольку 53<127\frac{5}{3} < \frac{12}{7}, получаем, что ∣OP∣<∣OQ∣|OP| < |OQ|, то есть новая фигура, получающая из выбранного нами четырехугольника ABCDABCD по «решиту», описанному в задаче a), в самом деле невыпукла.

У праванении. Докажите, что фигура, получающая из выбранного нами четырехугольника, отличного от параллелограмма, у которого в качестве точки OO взята точка пересечения его диагоналей, также невыпукла.

Перейдем теперь к доказательству утверждения, сформулированного в пункте 6) задачи. Для удобства обозначим новое тело буквой VV, а тело, из которого оно получается, — буквой WW.

Будем говорить, что граничная точка PP нового тела VV соответствует сечению ω\omega старого тела WW плоскостью α\alpha, проходящей через центр симметрии OO, если отрезок OPOP перpendикулярен к плоскости α\alpha, а длина его равна площади сечения ω\omega: ∣OP∣=Sω|OP| = S_\omega. Каждому сечению соответствует две симметричные относительно OO точки; таким образом, новое тело VV также симметрично относительно точки OO.

Поскольку тело VV образовано соокуппностью отрезков, «торчаших» из центра OO, его выпуклость будет следовать из того, что вместе с любыми двумя границами тела WW, телу VV принадлежит и весь отрезок P1P2P_1P_2 (продумайте это).

Итак, пусть точки P1P_1 и P2P_2 тела VV соответствуют двум различным сечениям ω1\omega_1 и ω2\omega_2 тела WW плоскостями α1\alpha_1 и α2\alpha_2, проходящими через центра симметрии OO. Пусть QQ — произвольная внутренняя точка отрезка P1P2P_1P_2. Нужно доказать, что Q∈VQ \in V. Проведем через OO плоскость, перpendикулярную к отрезку OQOQ, и пусть PP — точка, лежащая на луче OQOQ, соответствующая сечению ω\omega тела WW плоскостью α\alpha. Очевидно, что точка QQ будет принадлежать телу VV тогда и только тогда, когда ∣OQ∣≤∣OP∣|OQ| \leq |OP|. Таким образом, решение задачи 6) сводится к доказательству этого неравенства. Проведем его в несколько шагов.

  1. Спроектируем (ортогонально) сечения ω1\omega_1, ω2\omega_2 и ω\omega на плоскость, проходящую через точки OO, P1P_1 и P2P_2 (плоскость рисуна 2); тогда сечения ω\omega, ω1\omega_1 и ω2\omega_2 превращаются в отрезки. Пусть [B1C1][B_1C_1], [B2C2][B_2C_2] и [BC][BC] — эти отрезки.

Заметим, что цветные лучи на рисунке получаются из красных поворотом на 90° вокруг точки OO, и что длинные красных отрезков OP1OP_1, OP2OP_2 и OPOP равны площадям сечений ω1\omega_1, ω2\omega_2 и ω\omega соответственно. Ниже мы, пользоваться выпуклостью тела WW и принципиом Кавальери *), выведем соответствие.

*) Бонавентура Кавальери (1598—1647)—известный иtalьянский математик. О его принципие в «Кванте» уже расссказываось—см. № 6 за 1972 год и № 8 за 1975 год. Приципи Кавальери есть и школьном учебнике—см. «Алгебру и начаа анализа 10», c. 98.

32

Рис. 3.

ношение для плоскей этих сечений, из которого будет следовать, что отрезок OP пересекает отрезок P1P2P_1P_2.

Ясно, что плоские сечения ω\omega, ω1\omega_1 и ω2\omega_2 пересекаются по общему отрезку O1O2O_1O_2 (рис. 3). Проведем плоскость через точки B1B_1 и B2B_2 параллельно этому отрезку; наозвемем ее α′′\alpha''. Любая плоскость, параллельная α′′\alpha'', пересекает сечения ω1\omega_1, ω2\omega_2 и ω\omega по параллельным отрезкам Δ1\Delta_1, Δ2\Delta_2, Δ\Delta (см. рис. 3), причем если перемешать α′′\alpha'' параллельно самой себе, то отрезки Δ1\Delta_1 исчерпают все сечения ω1\omega_1, отрезки Δ2\Delta_2 — все сечения ω2\omega_2, а отрезки Δ\Delta (см. рис. 3) — часть ω\omega сечения ω\omega. При этом отношение, в котором отрезок Δ\Delta делит боковые стороны трапеции с основаниями Δ1\Delta_1 и Δ2\Delta_2 — одно и то же для всех плоскостей α′′\alpha''; положим его равным μ:λ\mu: \lambda, где μ+λ=1\mu + \lambda = 1 — см. рисунок 4, а. Объясним, почему это так. Спроектируем все наши сечения на плоскость, проходящую через центр OO, перпендикулярную к отрезке ку O1O2O_1O_2; мы получим картинику, изображенную на рисунке 4, б. Сечением ω\omega, ω1\omega_1 и ω2\omega_2 соответствуют цветные отрезки, семейству плоскости α′′\alpha'' — семейство параллельных прямых l′′l'', а каждым trem отрезкам Δ1\Delta_1, Δ2\Delta_2 и Δ\Delta — три точки, лежащие на одной из прямых семейства l′′l''. Ясно, что все средние точки (соответствие общее отрезкам Δ\Delta) делят каждый из отрезков, заключенных между краями прямыми (проекциями сечений ω1\omega_1 и ω2\omega_2) в одном и том же отношении.

  1. Расмотрим теперь плоскость α′\alpha', проходящую через отрезок O1O2O_1O_2 и перпендикулярную к плоскостям α′′\alpha''. Спроектируем сечения ω1\omega_1, ω2\omega_2 и ω\omega на α′\alpha'. В силу выбора плоскости α′′\alpha'', проекции сечения ω1\omega_1 и ω2\omega_2 (np.ω1np. \omega_1 и np.ω2np. \omega_2) на плоскость α′\alpha' имеют одинаковую высоту (рис. 5). Отрезки Δ1\Delta_1 и Δ2\Delta_2 проектируют в отрезки, лежащие на одной прямой, без искажения длины. Очевидно, что ∣Δ∣⩾λ∣Δ1∣+μ∣Δ2∣|\Delta| \geqslant \lambda |\Delta_1| + \mu |\Delta_2| (поскольку λ∣Δ1∣++μ∣Δ2∣\lambda |\Delta_1| + +\mu |\Delta_2| — лина отрезка Δ\Delta, параллельного основаниям трапеции длины ∣Δ1∣|\Delta_1| и ∣Δ2∣|\Delta_2|, делящего боковые стороны в отношении μ:λ\mu: \lambda и лежащого внутри трапеции, а отрезок Δ\Delta — не короче, что следует из выпуклости тела WW).

Развиваем теперь проекции сечений ω1\omega_1 и ω2\omega_2 (в плоскости α′\alpha') вдоль прямой, на которой расположено их общее основание — см. рисунок 6; на нем изображены только верхние половинки проекций, параллельную WW центрально-симметрично. В промежутке между этим «развивнутыми» проекциями нарисуем еще одну фигуру, у которой:

a) высота также, как и у np.ω1np. \omega_1 и np.ω2np. \omega_2;

33

  1. основание такое же, как и у np.ω1np.\omega_1, np.ω2np.\omega_2;
    в) если aa и bb — длины отрезков, получающихся при пересечении np.ω1np.\omega_1 и np.ω2np.\omega_2 некоторой прямой, параллельной основанию, то длина отрезка пересечения этой прямой с новой фигурой равна λa+μb\lambda a + \mu b (λ\lambda и μ\mu — те, о которых говорилось выше).
  1. Постраемся выяснить теперь, как связаны между собой площади проекций ω1\omega_1, ω2\omega_2 и новой фигуры, и как площадь новой фигуры связана с площадью проекции сечения ω\omega. Для этого нам понадобится три свойства площади (доказывать мы их не будем, поскольку неだけ строго определеня площади).

Первое свойство — это приццит Кавальери. Прицицит Кавальери утверждает, что если две фигуры, лежащие в одной плоскости, обладают тем свойством, что любая прямая, параллельная данной прямой (лежащей в той же плоскости), в пересечении с этим фигурами дает конструктивные отрезки, то эти две фигуры равновелики.

Второе свойство — это обобщение приццита Кавальери. Пусть на плоскости даны три фигуры FF, F1F_1 и F2F_2, такие, что любая прямая, параллельная заданной прямой, лежащей в плоскости фигур, пересекает эти фигуры по отрезкам длины ff, f1f_1 и f2f_2, причем всякий раз f=f1+f2f = f_1 + f_2. Тогда SF=SF1+SF2S_F = S_{F_1} + S_{F_2} (выведите это свойство из приццита Кавальери).

И наконец — третье свойство: при растяжении фигуры относительно некоторой оси с коэффициентом kk площадь ее умножается на kk.

Из приццита Кавальери немедленно следует, что площадь построенной на рисунке 6 фигуры также же, как у проекции на плоскость