Решения задач М706—М710; Ф718—Ф722
23
Решения задач
M706 — M710; Ф718 — Ф722
M706. Из центра каждой из двух данных окружностей проведены касательные к другой окружности. Доказите, что хорды, соединяющие точки пересечения касательных с окружностями (на рисунке эти хорды показаны красным цветом), имеют одинаковые длины.
M707. Каждый из учеников класса занимается не более чем в двух кругхах, причем для любой пары учеников существует кругок, в котором они занимаются вместе. Доказите, что найдется кругок, где занимаются не менее 2/3 этого класса.
Если в одном из кругков занимается весь класс, то все доказано. Пусть ни в одном из кругков весь класс целиком не занимается. Расмотрим один из кругков (назовем его кругком № 1) и одного из учеников, занятого в этом кругке (назовем его учеником A). Поскольку в кругке № 1 весь класс целиком не занят, найдется ученик B, не занимающийся в этом кругке. По условию существует кругок № 2, где занимаются вместе ученики A и B. Поскольку и этот кругок не охватывает весь класс, существует ученик C, который не не входит. Но ученик A занимается только в кругках № 1 и № 2, поэтому ученик C занимается вместе с учеником A в кругке № 1. Тогда должен существовать кругок № 3, где занимаются вместе ученики B и C. Расмотрим любого другого ученика D (если в классе есть еще ученики, кроме учеников A, B и C). Если бы ученик D не занимаался ни в кругке № 1, ни в кругке № 2, то для него не нашлось бы общего кругка с учеником A. Если бы D не занимаался в кругках № 1 и № 3, то он не занимался бы вместе с учеником C. Наконец, если бы D не занимаался в кругках № 2 и № 3, то у него не было бы общего кругка с учеником B. Таким образом, каждый ученик класса должен быть в двух из трех рассмотренных кругков. Обозначив через и число учеников в кругках № 1, № 2 и № 3 соответственно, получим , где — число всех учеников в классе. Ясно, что хотя бы одно из чисел должно быть не менее .
A. Сидоренко
M708. На сторонах выпуклого четырехугольника площади S вне его построены квадраты, центры которых служат вершинами нового четырехугольника площади S1. Доказйте, что площадь нового четырехугольника MNPQ (M, N, P и Q — центры квадратов, построенных на сторонах данного четырехугольника ABCD) равна сумме площадей четырехугольников (с вершинами, соответственно, в центрах двух соседних квадратов и серединах двух соседних сторонах исходного
Рис. 1.
Рис. 2.
Рис. 3.
24
жите, что а) ; 6) в том и только в том случае, когда диагонали чисточеxyгольника равны по длине и взаимно перпендикулярны.
четырехугольника) и глубого параллграмма (с вершинами в серединах сторона данного четырехугольника). Найдем, чем равна площадь одного такого розового четырехугольника — например, четырехугольника (см. рис. 1).
Обозначим через ф угол при вершине исходного четырехугольника. Заметим, что
причем знак «+» берется, если (рис. 2), то есть , и знак «-», если (рис. 3).
Подсчитав алгебраическую сумму последних трех слагаемых, найдем
(мы воспользовались теоремой косинусов для трехугольника ).
Проведя аналогичные вычисления для остальных розовых четырехугольников, окончательно получим, что
Но (α — угол между диагонали и ), так что и , — мы решили задачу a).
Поскольку последние неравенства превращаются в равенства в том и только в том случае, когда и , то есть , мы получим получаем 6).
П. Гусятников
M709. Пол комнаты, имеющий форму правильного шестиугольника со сторонам 10, заполнен плитками, имеющими форму ромба со сторонам 1 и острым углом 60°. Разрешается вынуть три плитки, составляющие правильные шестиугольник со сторонам 1, и заменить их расположение другом (рис. 1). Доказите, что а) из любое расположение плиток таких операций можно получить любое другое; б) из расположения плиток рисунка 2 нельзя получить расположение рисунка 3 менее чем за 1000 операций.
Автор задачи А. Смирнов предложил заменательную пространственную интерпретацию, которая делает решение задачи почты очередным.
Представим себе куб размерами , разбить на кубков . Уложим его в «открытую коробку», склеенную из трех квадратов с общей вершиной , и посмотрим на него по направлению диагонали (рис. 4). Мы увидим рисунок 3. Если же высыпать из коробки все кубики (но считать, что на внутренних стенках коробки осталась — «следы» от кубиков), то мы увидим рисунок 2. Вообше, если снять сверху лишь часть из кубков, то мы увидим как раз такую картину, о которой говорится в условиям задачи (где ): шестиугольник, разбитый на одинаковых ромбов (с острым углом 60°)*). При этом ромб какого из трех типов — стороны которых параллельны определяемых двум сторонам шестиугольника (на рисунках 5, 6 и 7 эти ромбы показаны белым, светло-голубым и темно-голубым цветом) — соответствуют грани кубиков, параллельные определенной паре граней большого куба; отстояда ясно, что соответствие между разбиениями шестиугольника на ромбы и соответствующими «частичными»
*) Разумеется, при проектировании куба на плоскость, перпендикулярную диагонали, длинны ребер и параллельных им отрезков в определение числа разумышаются (а именно, умножаются на — проверьте!), но мы надемся, что отсутствие коэффициента не вызовет недоумения читателей, — ведь нас интересют лишь расположения кубиков, а не размеры.
25
заполнениями коробки взаимно однозначно. Операция, указанная на рисунке 1, — это простое добавление кубика в свободное «гнездо» или вынимание такого кубика, на котором не лежат другие. (Например, на рисунке 7 происходит добавление кубика в «гнездо», обеспеченное красной линией.)
Тепер все утверждения задачи допускают вполне осзаемое обоснование (если не верите, сделайте модель!). Чтобы перейти от рисунка 2 к рисунку 3, нужно классify кубики в коробку по одному — и, разумеется, уложить их все можно самое меньше за ходов (большое число ходов может получить, если вынимайте уже уложенные кубики). Если имеется два расположения ромбов: одному соответствует заполнение , а другому — заполнение кубиками, то перейти от одного к другому можно любым из двух способов: либо сначала «спуститься» к рисунку 2 — вынуть все кубики, а затем уложить нужные кубиков, либо «поднять» до полного куба (рис. 3), а затем вынуть лише. Нетрудно
Рис. 4.
Рис. 5.
Рис. 6.
проверить, что в случае первый, а в случае второй способ гарантийрует переход от к не более чем за ходов. (Впрочем, наша модель позволяет указать для любых двух заполнений и точно «расстояние» между ними — наименьшее число ходов, за которой можно перейти от одного к другому. Оно равно числу кубков, на которое различится и , то есть число кубков , которые лежат выше , плоск число кубков , которые лежат выше .)
Заметим, что «выход в пространство» для решения этой задачи не обязательен: многие читатели изложили (по существу, то же) решения, не выходя из плоскости, примерно так. Заметим, что ромбы, у которых имеется хотя одна «горизонтальная» сторона (гольые ромбы обихотенков на наших рисунках), образуют полосок, каждая из которых ведет от верхней к нижней стороне шестиугольника и состоит из ромбов. При этом рисунок 5 соответствует слуаю, когда все полоски максимально смешены вправа, рисунок 6 — влево, а переход (рис. 7) позволяет на одной полоске в одном месте «изгиб вправа» заменить «изгибом вп胳» — сдинуть на 1ровно одну из пересекаемых полосков ромбов. Тепер остается ввести какую-либо числовую оценку «смешения полосок» (аналогичную числу кубков в пространстве модели), и решения задачи доводится до конца так же, как и выше.
Н. Васильев
М710. Существует ли последовательность различных натуральных чисел , ни один из членов которого не равен сумме нескольких других, — прогрессия 1, 2, , , …: у нее каждый член на 1 больше суммы предыдущих. Но она растет слишком быстро.
Основная идея построения всех нижеследующих примеров, показывающих, что ответы на вопросы a) — г) положительные, — составляют последовательность «пачками». В примерах a), б) с показательным ростом числа в печах можно взять расстоянием примерно по геометрической прогрессии, а количество чисел в печке — постоянным; в примерах со степенным ростом длины печек, как и их первые числа, очень
26
быстро растут.
а) Пусть , . Очевидно,
менные ; поэтому ни одно из чисел и не равно сумме предыдуших. При этом и при всех . (В этом примере в каждой «пачке» всего два числа.)
6) Последовательность будем строить тоже по пачкам. -я пачка будет содержать 16 чисел:
Таким образом, , где и выбираются из условия , .
Заметим, что сумма всех чисел в пачках с первой до -й равна
Допустим, что какое-то число из -й пачки представимо в виде суммы нескольких меньших членов нашей последовательности. Поскольку , среди чисел есть хотя одно из -й пачки. Расмотрим два случая.
. Среди чисел ровно одно из -й пачки; можно считать, что это . Но равенство невозможно, так как, с одной стороны, , как разность чисел -й пачки, не меньше , а с другой стороны, , как сумма чисел из пачек с номерами меньше , не превыходит .
. Среди чисел больше одного лежит в -й пачке. Тогда равенство невозможно, так как сумма двух любых различных чисел -й пачки уже больше любого третьего числа этой пачки.
Таким образом, ни одно из чисел не представимо в виде суммы других членов построенной последовательности.
Поскольку и , получаем
— условия 6) выполнено.
в), г). Построим последовательность , ни один из членов которого не равен сумме нескольких других, такую, что при всех одновременно и .
Сначала положим для всех натуральных , то есть , , равно единице с 25 нулями, и т. д.
Последовательность опять будет строить «по пачкам». Первую пачку возьмем состояние из одного числа — единицы. В качестве -й пачки при возьмем арифметическую прогрессию с первой членом , разность и числом членов, равным :
Оценим сумму чисел -й пачки
Таким образом, сумма чисел в пачках от 1-й до -й включительно меньше
Допустим, что некоторое число из -й пачки () представимо в виде суммы нескольких других членов построенной последовательности. Так как сумма всех членов последовательности найдется несколько чисел из -й пачки; обозначим их . Остальные члены нашей суммы обозначим через :
27
Так как сумма первых чисел -й пачки равна
то есть больше наибольшего числа -й пачки, и, следовательно, больше , мы получаем, что .
Поэтому
Но . Поскольку каждое число из -й пачки при делении на дает в остатке 1, числа делятся на , так что делится на . Так как при этом , равно остатку от деления на , то есть ; значит, , что невозможно. Отсюда заключаем, что ни один член построенной последовательности не равен сумме нескольких других.
Проверим теперь, что при любом .
При это очевидно. Если лежит во второй пачке, то . Пусть лежит в -й пачке и . Представим в виде () и расстоянием два случая.
. .
Тогда
Но , поскольку — число членов в -й пачке. Поэтому .
. .
Ясно, что номер в -й пачке не превыходит его номера в последовательности, то есть . Поэтому
Таким образом, неравенство доказано для всех . Неравенство при и проверяется непосредственно, а при вытекает из того, что
Для экономии места мы не стали приводить более простые примеры последовательностей, дающие решение задачи в), но не решающие задачу г).
д) Ответ на этот вопрос отрицательен: такой последовательности не существует.
Докажем, что хотя бы один член последовательности такой, что при всех равен сумме нескольких других. (Конечно, число 100 здесь можно заменить любой константой; от показателя 3/2 в нашем доказательстве нужно, чтобы он был меньше ).
Рассмотрим прямую головную таблицу с строками и столбцами. Присвоим ее строкам номера от до , а столбцам — номера от 1 до . На пересечении -й строки и -го столбца написем число . Оно не превыходит .
Так как в таблице выписано чисел, каждое из которых может принимать менее значений, какие-нибудь два из этих чисел совпадают. Пусть, например, . Поскольку в -й строке все числа различаны, . Можно считать, что (случай аналогичен). Равенство означает, что
откуда и . Так как при этом , получаем, что представляется в виде суммы нескольких других членов последовательности.
Конечно, зазор между и еще довольно велик. Можно быть, кому-либо из читателей удался его сокращить. По-видимому, пока лучшая оценка сизу чем , неизвестна.
Как нам сообщил венгерский математик П. Эрдеш, в свое время он тоже занимался задачей по последовательности , в которых ни одно число не равно сумме неко-
28
Ф719.*) Маленькому тяжелому шарику массы m, имеющему заряд q, сообщают начальное скорость v₀, направленную вертикально вверх. Шарик находится в однородном горизонтальном электростанческом поле, направленность которого равна E. Пренебрегая сопротивлением воздуха и зависящую ускорения свободного давления от высоты, определять минимальную скорость шарика в процессе его движения.
*) Решение задачи Ф718 — в статье С. Кротова на с. 30.
На шарик действуют две постоянные силы: сила тяжестки mg и сила qE со стороны электростанческого поля. Следовательно, шарик будет движаться с постоянным ускорением
Вектор составляет с горизонтом угол α, причем
Скорость шарика будет все время меняться и по величины, и по направлению. Через время t после начала движения модуль скорости
вектор составляет с вертикально угол β_t такой, что
Скорость шарика будет минимальная в тот момент времени τ, когда проекция ускорения на направление скорости будет равна нулю, то есть когда векторы и будут перепределены. Угол, который составит в этот момент вектор с вертикально, будет равен α. Из условия tg α = tg β_t найдем τ:
Minimalная скорость шарика в процессе движения равна по величины
Б. Буховцев
Ф720. Оdnородный брусок массы M длины l начинает движаться вниз по наклонной плоскости, составляющей угол α с горизонтом. Начальний участок длины l наклонной плоскости занят близко расположенными катками в виде трубок массы m и радиуса r << l (пис. 1), которые врачаются без трения в подшипниках. Остальной участок наклонной плоскости ладки. Найти заисимость ускорения бруска от перемещения вдоль плоскости.
Запишем уравнение движения бруска для момента времени, когда перемещение бруска вдоль наклонной плоскости равно x (x < l):
(1)
где N = l/2r — полное число катков на участке длины l, N(1 - x/l) — число катков, с которых соприкасается брусок в данной момент, f_{\tau p} — абсолотная величина силы трения, действующего на брусок со стороны каждого катка.
Кажdomу катку, соприкасающемуся с бруском, сила трения f_{\tau p} сообщает в данной момент тангенциальное ускорение
29
ние, равное по абсолотной величины (брусок не просkal-
зыает по каткам), то есть
(2)
Подставив (2) в (1), найдем зависимость ускорения бруска от перемещения вдоль наклонной плоскости (для ):
При брусок перетает касаться катков и скользит по наклонной плоскости с ускорением
Общий вид зависимости представлен на рисунке 2.
А. Стасенко
Ф721. Равномерно заряженный по поверхности лист из дизлектрика, имеющий форму равноведренного прямогоольного треугольника, сложили пополам. При этом была совершена работа против селектроатического поля. Какую работу надо совершить, чтобы сложить пополам по лучентийной треугольнике?
Рис. 1.
Рис. 2.
Ф722. Плокый конденсатор находится в магнитном поле, которое перепendlкулярно плоскости пластин. Рассмотрение между пластинами , вектор магнитной индукции . Внутри конденсатора около отрицательно заряженной пластин-
Пусть — заряд на поверхности начального (не сложенного ни разу) треугольника площади , — электростатическая энергия, которой обладает этот заряд. Эта энергия складывает из электростатических энергий попарного взаимодействия отдельных заряженных участков треугольника.
Рассмотрим два малых участка и треугольника, находящихся на расстоянии друг от друга (см. рис. 1). Пусть — площадь каждого участка; заряд каждого участка, очевидно, равен s. Электростатическая энергия взаимодействия этих участков
Посмотрим, как изменится эта энергия после первого сложения треугольника. Из рисунка 2 видно, что на сложенном треугольнике участки, подобные и , — это участки и . Заряд на сложенном треугольнике будет по-прежнему , площадь треугольника станет , расстояние между площадками, как нетрудно понять, станет , а площади их — . Таким образом, энергия взаимодействия площадок станет
Поскольку те же расускления относятся к любой паре площадок, электростатическая энергия сложенного треугольника станет
Изменение энергии равно работе , затраченной при сложении треугольника, то есть
При повторном сложении треугольника его электростатическая энергия станет
Изменение энергии равно работе , которое при сложении три площадки. Таким образом,
О. Савченко
Рассмотрим движение электронов как суперпозицию двух движений: прямолинейного движения вдоль оси (направление оси совпадает с направлением вектора индукции ) и движения в плоскости, перpendикулярной оси .
Со стороны электронов поля на электрон действует сила , сообщающая ему ускорение, направленное вдоль оси (вектор направлен вдоль оси ) и равное по абсолотной величины