27
О хордах непрерывных кривых
Обобщая понятие хорды окружности, хордой произвольной кривой α мы будем называть любой отрезок, концы которого принадлежат α. Например, у кривой α, изображенной на рисунке 1, хордиami являются не только отрезки PQ и RS, но и составляющий часть кривой α отрезок TU.
- О задаче M413
В этой задаче («Квант», 1976, № 11) представлены выяснить, для каких положительных чисел α верно следует утверждение: для любой функции f, определенной на отрезке [0, 1], непрерывной в каждой точке этого отрезка и максим, что f(0)=f(1)=0, уравнение
(1) имеет решение.
Решим ее. Перепишем уравнение (1) в равnocльной форме
Мы считаем (см. условие задачи), что в уравнениях (1), (2) a>0, а функция f определяена на отрезке [0, 1], непрерывна в каждой точке этого отрезка и f(0)=f(1)=0.
График α функция f — это непрерывная кривая, соединяющая точки A〈0, 0〉 и B·〈1, 0〉. График β функция y=f(x+a) получается параллельным переносом кривой α вдоль оси абсцисс влево (поскольку a>0) на a (рис. 2).
Существование решения у уравнения (2) означает, что график α и β пересекаются: если f(x₀+a)=f(x₀)=y₀, то точка с координатами〈x₀, y₀〉 принадлежит и α, и β (рис. 3).
Оказывается, для того чтобы кривые α и β пересекались, необходимо и достаточно, чтобы у α была параллельная оси абсцисс хорда длины a. Это утверждение вытекает из такой леммы (доказите ее самостояльно):
Лемма. Кривая α, соединиющая точки A и B,_MODEA и молко_MODEA имеем паралельную AB хорду длины r, коеда кривая β, полученная из α паралельным переносом в направлении BA на расстояние r, пересекается с α.
Таким образом, мы можем «перевести» задачу M413 на «язык хорд»: требуется выяснить, при каких положительных α график любой функции f, определенной на отрезке [0, 1], непрерывной в каждой точке этого отрезка и максим, что f(0)=f(1)=0, имеем паралельную оси абсцисс хорду длины a.
- «Пложение» числа: a≠1/n.
Покажем, что для любого положительного α, не равного (n=1, 2, 3, 4, …), существует функция описанного вида, график которого не имеет паралельной оси абсцисс хорду длины a.
Очевидно, у любой такой функции для любой хорды CD ее графика, параллельной оси абсцисс, |CD|≤|AB|=1 (рис. 4). Поэтому можно делать считать, что 0<a<1.
Если , проведем через A и B любые прямые u₁||u₂ и через середину R₁ отрезка AB — любую пересекающую их прямую v₁. Легко видеть, что функция f₂, график которого является ломаная α₂=AP₁Q₁B (рис. 5), — искомая, поскольку для любой хорды CD ее графика, параллельной оси абсцисс, |CD|≤1.
Пусть теперь . Разделим отрезок AB точками R₁, R₂ на три равные части и, независимо от этого, точкой S₁— пополам. Проведем
28
через , и любые параллельные между собой прямы и через , — любые пересекающие их параллельные между собой прямы . Функция , график которого является ломаная (рис. 6), — искомая: для любой хорды ее графика, параллельной оси абсцисс, либо , либо . В самом деле. Если точки и лежат на сеседних звеньях ломаной (т. е. на и или на и и т. д.), то, очевидно, . Если точки и лежат «через одно звено», то либо (когда , ), либо . В остальных случаях .
Аналогично строится ломаная (график функции ), соединяющая и и не содержащая никакой параллельной оси абсцисс хорды такой, что . Разделим отрезок точками на равных частей и, независяimo от этого, точками — на равных частей. Проведем через и любые параллельные между собой прямы и через — любые пересекающие их параллельные между собой прямы . Ломаная (на рисунке 7 изображена ломаная ) — искомая. Установливается это опять-tаки перебором различных возможных положений точек и (проверьте!).
У пряжен и е 1. Проверьте, что при график функции :
на отрезке не имеет параллельной оси абсцисс хорды длины . Нарисуйте этот график.
У пряжен и е 2. Докажите, что при любом положительном , не равном , график функции :
29
- 《Хорошие》числа:
Мы докажем, что при () график любой функции рассматривается вида имеет на отрезке [0, 1] паралельную оси абсцисс хорду длины .
В самом деле: путь и — точки на графике функции , соответствующие наибольшем и наименьшем значению этой функции. Проведем через и прямые и , паралельные оси абсцисс. Ясно, что весь график функции расположен в полосе , ограниченной прямыми и (рис. 8).
Допустим теперь, что график функции не имеет паралельной оси абсцисс хорду длины .
Обозначим через график рассматриваемой функции , а через — линю, получающийся из паралельным переносом в направлении оси абсцисс вправа на расстояние ().
Согласно лемме, кривые и не имеют общих точек. Дуга графика (на рисунке 8 она выделена жирно) делит полосу на две части — правую и левую. Так как кривая не пересекается с и не перерывна, она целиком расположена в правой из этих частей.
Следовательно, если — дуга линия , получающая из паралельным переносом, то при вся линя расположена в полосе с правой от дуги , а при — слева от .
В частности, линя расположена в полосе слева от , а линя — справа от , и потому ли-
ни и не имеем общих точек.
С другой стороны, линя получается из паралельным переносом на расстояние . При этом перенос точки переходит в точку , то есть . Так как, кроме того, , то лини и имеем общую точку.
Полученное противоречие и доказывает, что линя имеет паралельную оси абсцисс хорду длины . Тем самым задача M413 решена полностью.
У праванке 3. Докажите, что это утверждение (о существовании хорды длины , паралельной оси абсцисс) справедливо не только для лини , являющейся графиком и коем функцией, но и для произвольной непрерывной кривой, соединяющей точки и .
- Обобщение
Проведенное в предыдущем пункте рассуждание можно осмыслить следующим образом. Пусть — произвольная непрерывная кривая, соединяющая точки и . Предположим, что число является для этой кривой «плохим», то есть при паралельном переносе на расстояние получается линя , не имеющая с общих точек. Тогда числа также является для лини «плохими», откуда и получается противоречение, завершающее доказательство.
Читатель может самостоятельно проверить (повторяя то же рассужение), что справедливо следующей более общее утверждение:
Если непрерывная кривая , соединяющая и , не имеет паралельной AB хорды длины и не имеет паралельной AB хорды длины , то она не имеет также и паралельной AB хорды длины .