57
А. Лодкин
Функциональное уравнение на сфере
В этой заметке мы решим задачу, предложавшуюся десятиклассикам на втором (исследовательском).type X Всесоюзной олимпиды по математике. Эта задача была помещена в «Задание к Кванта» («Квант», 1976, № 10, М410). Напомним ее формулировку.
На сфере радиуса 1 проведена окружность большого круга, который мы будем называть эквамором. Нам будем удобно использовать и другие географические термины: полос, меридиан, параллель.
a) Зададим на этой сфере функцию f, ставящую в соответствие каждой точке сферы квадрат расстояния от этой точки до плоскости эквамора. Проверять, что эта функция обладает следующим свойствам:
если — концы трех взаимно перpendicularных радиусов сферы, то . (*)
Во всех следующих пунктах f — произвольная неотрицательная функция на сфере, которая обращается в 0 во всех точках эквамора и обладает свойствам (*).
б) Пусть M и N — точки однозоче меридиана, расположенные между северным полосом и эквамором. Доказим, что если точка M dalые от плоскости эквамора, чем точка N, то .
в) Пусть M и N — произвольные точки сферы. Доказим, что если точка M dalые от плоскости эквамора, чем N, то .
- Докажите, что функция f совпадает с функцией, описанной в пункте a).
Решение задачи a)
Задача a) на самом деле есть в школьном учебнике «Геометрия 10» (§ 43, задача 14). Вот ее решение. Пусть нам задан прямогольный базис (репер) . Расмотрим вектор , где P — полос сферы. Обозначим через F (M) квадрат скалярного произведения вектора на . Ясно, что F — это та самая функция, о которой говорится в пункте a). Координаты вектора в базисе , оченьindo, равны расстояниям от точки до плоскости эквамора. Но скалярный квадрат вектора равен единице. Это и дает нам соответствие функция на сфере, равная нулю во всех точках эквамора и обладающая свойствам (*).
Решение задач б) и в)
Очевидно, что пункт б) задачи следует из в); поэтому сразу доказем утверждение пункта b).
Рис. 1.
58
Из условия (*) следует, что функция принимает одинаковые значения в диаметрально противоположных точках сферы. Поэтому нам достаточно рассмотреть значение функции только для точек северного полушария.
Итак, пусть и — две точки северного полушария. Докажем, что если dalые от плоскости экватора, чем , то .
Доказательство. Расстоянием окружность большого круга, самой северной точкой которого является . Пусть — часть этой окружности, лежащая в северном полушарии.
Предположим вначале, что также лежит на . Обозначим через также точку души , что , через — одну из двух точек пересечения души с экватором. Тогда из (*) следует равенство , поскольку , и точки лежат в одной плоскости, — так что для точек и «третьей» точкой будет одна и та же: конец радиуса, перpendикулярного плоскости окружности . Так как , то .
Пусть теперь точка находится в области северного полушария, лежащей к югу от . Тогда найдет такая точка на , что дуга большого круга проходит через (рис. 2). Применяя предыдущей расчёжение к параметре точки и , , получаем неравенства .
Если же лежит к северу от , то для «спуска» из в может попадать уже более двух шагов. Разделим угол между плоскостями меридианов и , проходящих через точки и соответственно, на равных частей плоскости меридианов (рис. 3). Выйдем из по дуге и в точке пересечения этой дуги с меридианом свернем на дугу . Дойдя до точки пересечения с , повернем на и т. д. Последней точкой нашего путьствия будет точка на . Вы, оченьindo, заметили, что чем больше , тем «положке» траектория спуска. Нетрудно доказать, что широта точки может сколь годно приближаться к (заметьте, что ) с помощью при достаточно большом окажется севернее . На спуск из в попадбится уже более двух шагов.
Функция зависит только от широты
Обозначим параллель, находящая на расстоянии от плоскости экватора, через . Чтобы решить задачу , нам попадбится такая.
Лемма. Если , можно построить прямую прямой ба-