Решения задач М508—М512; Ф515, Ф518—Ф520
26
Решения задач
M508—M512; Ф515, Ф518—Ф520
М508. Окружность касаемая трех полукружностей с диаметрами [AB], [BC] и [AC] (С∈[AB], рис. 1). Доказим, что радиус окружности ввода меньше расстояния от ее центра до пряной AB.
Рис. 1.
Рис. 2.
Рис. 3.
Пусть — центр полукружности с диаметром [AC], — центр полукружности с диаметром [BC], — центр полукружности с диаметром [AB], и, наконец, — центр окружности , касающей трех данных полукружностей (рис. 1). Обозначим длины радиусов окружностей и , соответствующего через , и . Тогда длина радиуса полукружности равна .
Рассмотрим треугольник . Имеем: , , . Обозначим расстояние от центра до пряной AB через . Записав площадь треугольника по формуле Герона и через длины основания и высоты, опущенной из вершины , получим уравнение
Аналогичное уравнение для треугольника имеет вид
Возвода левую и правую части общих уравнений в квадрат и затем вычитая из одного уравнения другое, получаем
откуда , то есть , что и требовалось.
Эту задачу можно решить более изучно, если применить инверсию (об инверсии и ее свойства см. «Кваант» — 1974, № 1, с. 16, 1976, № 2, с. 34, 1977, № 6, с. 38).
Произведем инверсию относительно произвольной окружности с центром в точке . При этой инверсии окружности и преобразуют так, как показано на рисунке 2: окружности и перейдет, соответствующего, в прямые и , перпендикулярные [AB], а окружности и , соответствующей прямых и , причем центра окружности принадлежит пряной AB (эта прямая на рисунках 1 и 2 выделена красным цветом).
Легко сообщить, что окружности и готовятся с центром готовети . Это видно из рисунка 3: проходящие через точку касательные к окружности при инверсии переходит в себя и является касательными к окружности . Обозначим радиус окружности через , а через — расстояние от центра окружности до пряной AB. Поскольку и готовятся, имеем (h — расстояние от центра окружности до пряной AB, x — радиус ). Но, очевидно, (окружности и — одинакового радиуса, см. рис. 2), так что , что и требовалось.
В. Сендеров, И. Шарьиц
М509. Решение в натуральных числах уравнения:
a) ;
b) ;
c) .
Нетрудно видеть, что уравнения a) и б) — частные случаи уравнения b) при и соответственно. Мы разберем случаи a) отдельно, а затем решим уравнение b).
a) Если , то и .
Пусть . Тогда (mod 4), откуда следует, что — четное число (если нечетно, то (mod 4), и раз-
27
венство невозможно). Итак, , то есть . Поскольку , оба множители и должны быть степенями двойки (отличащимися друг от друга на 2). Это возможно только при . Поэтому , так что , и .
Итак, у управления a) два решения: (1; 1) и (3; 2).
b) Решение управления b) проведем в несколько этапов.
Пусть имеет простой делитель : взанно просто с . Пусть , где и НОД .
Рассмотрим выражение . Имеем:
Поскольку не делится на (будем записывать это так: (mod )), получаем
где (mod ).
Рассмотрим теперь . Докажем следующое вспомогательное утверждение (верное, впрочем, при некоторых ограничениях): для любого натурального
причем (mod ). В самом деле, применим формулу биома Ньютона:
Легко видеть, что если , то есть , то утверждение справедливо. Если же , то коэффициент при будет равен . Если нечетное, то делится на , так что (mod ), иначе утверждение для нечетных верно и в этом случае.
Пусть имеет нечетный простой делитель . Применим доказанное утверждение к выражению . Имеем:
причем (mod ), то есть на не делится. Мы ищем решение управления b): , или . Поскольку (mod ), должно выполнять сравнение .
С другой стороны, оченьindo, что . Если , то , откуда , и , что невозможно.
Аналогично разбиается случай, когда у нет нечетных делителей, но оно делится на 4. Таким образом, если , то уравнение b) не может иметь таких решений в натуральных числах, что делится на нечетное число или на 4. Случай разобран в пункте a). Остается рассмотреть случай, когда , и случай .
Если , получаем уравнение , откуда , — любое.
В случае имеем:
то есть
Таким образом, , — любое.
29
a ряд является рядом Фурье функции .
Teория рядов Фурье — бесконечных сумм вида
— чрезвычайно важный и богатый результатами раздел математического анализа. Неравиенство
(для любого натурального и ) было доказано Липотом Фейром (1880—1959), известным венгерским математиком, внесшим значительный вклад в развитие теории трионометрических рядов (ему, в частности, принадлежит один из первых примеров расходящегося в точке ряда Фурье непрерывной функции).
В. Скворцов
**M511. Внутри чемырехуездника ABCD отмечана точка M makая, что чемырехуездник ABMD — параллелограмм. Докажите, что если , то .
Рис. 4.
Проведем и (рис. 4). Тогда четырехуездники и — параллелограммы, откуда следует, что и точки лежат на одной окружности. Поэтому . Но , а (четырехуездники и — параллелограммы). Поэтому , что и требовалось доказать.
Ю. Михеев
Приведем еще одно решение этой задачи, основанное на том, что четырехуездники и подобны; здесь . Действительно, у этих четырехуездников угол обещий, а остальные углы попарно конгузнуты: . Однако конгузнительный углов для подобия четырехуездников недостаточно. Заметим теперь, что треугольники и подобны. Из этого подобия и того, что четырехуездник — параллелограмм, вытекает равенство
из которого уже следует подобие четырехуездников и . Из этого подобия в свою очередь следует, что .
Л. Лиманов
**M512. Пусть . Докажите, что любое натуральное числа , , … попарно взаимно просты.
Положим , и для каждой .
Тогда и (по индукции) для каждой . Таким образом, свободный член многочлен с целыми коэффициентами равен 1. Поэтому при любом натуральном и целом число дает при делении на остаток 1. Отсюда следует, что при любых числа и число при делении на дает в остатке 1, так что и взаимно просты.
Возникает естественный вопрос: каков должен быть многочлен с целыми коэффициентами, чтобы для не
30
x(x-1)r(x)+1;
x(x+1)[(x-1)r(x)-1]+1;
x[(x^2-1)r(x)-2x]+1;
x(x-1)[(x+1)r(x)+1]-1;
x[(x^2-1)r(x)+2x]-1;
x(x+1)r(x)-1
(здесь r(x) — произвольный многочлен с цельми коэффициентами).
ГО ВЫПОЛНЯЮСЬ УСЛОВИЕ ЗАДАЧИ:
для любого натурального m числа
(*)
m,f(m), f(f(m)), … попарно взаимно просты.
Из нашей решения ясно, что для этого достаточно условия f(0)=f(1)=1, другими словами, любой многочлен вида f(x) = x(x-1)r(x)+1 (где r(x) — любой многочлен с цельми коэффициентами) удовлетворяет условию (). Оказывается, полный ответ на наш вопрос таков: многочлен f(x) удовлетворяет условию () тогда и только тогда, когда он принадлежит одному из шести типов, приведенных на полях.
Заметим, что в решении задачи мы построили бесконечную последовательность натуральных чисел, в котором числа попарно взаимно просты (например: 2, f₁(2)=7, f₂(2)=f₁(7)=337, …, fₙ(2), …). Из существования такой последовательности сразу вытекает бесконечность множества простых чисел.
А. Коломов
Ф515. Леектий стержень длины l закреплен в вертикальной плоскости на оси, проходящей через точку O, коморад делим стержень в относительной 1:3. К одному из концов стержения прикреплен мягкой шарик массы m, другой конец стержения прикреплен к горизонтальной пружине жесткости k (рис. 5). Прижина не рас挛нума, когда стержень вертикален. Определим неPIO малых колебаний стержения.
Рис. 5.
Смешение верхнего и нижнего концов стержения от вертикали при колебаниях обозначим соответствию x₁ и x₂. Тогда
x₁ = l/4 sin φ, x₂ = 3l/4 sin φ.
Проекции сил, действующих на шарик, на ось X, касательную к траектории движения шарика (рис. 5), равны — m|g| sin φ и — |F’|, где F’ — сила нормальной реакции стержения. Так как стержень неисом, моменты сил F и F’ равны. Следовательно,
|F’|/3 l = |F|/4 l,
откуда
|F’| = kx₁/3 = 1/12 kl sin φ.
Тепер запишем уравнение движения матрика:
- m|g| sin φ - |F’| = ma_T,
или
1/m (kl/12 sin φ + m|g| sin φ) = ω₀² 3l/4 sin φ.
Выражая циклическую частоту ω₀ через период T и сокращая на sin φ, находим T:
T = 6π √(kl + 12m|g|).
Ю. Левчук
Ф518. На рисунке б показано положение двух точек A и B и их изображений A’ и B’, коморые daem monкая линия. Наимптотное положение линии и ее фокусов.
Рис. 6.
Лучи, индущее без преломления из точки A в точку A’ и из точки B в точку B’, проходят через оптический центр линии. Следовательно, точка O — оптический центр линии (см. рис. 6).
Лучи, проходящий через точки A и B, после преломления в лице проходит через точки A’ и B’. Следовательно, точка M — точка пересечения лучей AB и A’B’— лежит в плоскости линии.
Итак, положение линии мы определили. Главная оптическая ось линии перpendикularна плоскости линии. Лучи Aa и Bb, параллельные главной оптической оси, после преломления проходят через фокус линии. Следовательно, F и F’ — фокус линии, OO’ — главная оптическая ось линии.