Квант

36

ЗАДАЧИ

Решения задач можно посылать не позднее чем через полтора месяца после выхода из печати соответствующего номера журнала по адресу: 117071, Москва В-71, Ленинский проспект, 15, издательство «Наука», редакция журнала «Квант». После адреса на конверте укажите, решения каких задач вы посылаете; например: «Задачик «Кванта», M146, M148». В начале письма укажите свое фамилию, имя, отчество, домашний адрес, а также класс и школа, в котором вы учитесь.

M146.a) В вершинах правильно 7-угольника расставлены черные и белые фишки. Докажите, что найдется три фишки одного цвета, лежащие в вершинах равноведренного треугольника.

  1. Верно ли аналогичное утверждение для 8-угольника?

в) * Выясните, для каких правильных n-угольников аналогичное утверждение верно, а для каких — нет.

А. Романов

M147. Докажите, что если четырехугольник ABCD, вписанный в окружность, таков, что касательные к окружности в точках A и C пересекаются на продолжении диагонали BD, то

a) касательные в точках B и D пересекаются на продолжении диагонали AC;

  1. биссертрисы внутриних углов A и C четырехугольника пересекаются на диагонали BD (а углов B и D — на AC).

И. Ф. Шарыzin

M148. Последовательность x0,x1,x2,…x_0, x_1, x_2, \dots определяется следующими условиями: x0=1,x1=λx_0 = 1, x_1 = \lambda, для любого n>1n > 1 (α+β)nxn=αnxnx0+αn−1βxn−1x1+αn−2β2xn−2x2+⋯+βnx0xn(\alpha + \beta)^n x_n = \alpha^n x_n x_0 + \alpha^{n-1} \beta x_{n-1} x_1 + \alpha^{n-2} \beta^2 x_{n-2} x_2 + \dots + \beta^n x_0 x_n. Здесь λ,α,β\lambda, \alpha, \beta — заданные положительные числа. Найдите xnx_n и выясните, при каком nn величина xnx_n будет наиболее.

А. Л. Лопшиц

M149. Пусть OO — точка пересечения диагоналей четырехугольника ABCD. Докажите, что

a) если равны периметры четырехугольников ABC, BCD, CDA и DAB, то ABCD — прямогольник;

  1. если равны perimетры четырехугольников ABO, BCO, CDO и DAO, то ABCD — ромб.

Н. Б. Васильев

M150*. Из чисел 1, 2, …, kk составляются всевозможные наборы (a1,a2,…,an)(a_1, a_2, \dots, a_n) длины nn (легко видеть, что их knk^n). Выбраны два подмножества PP и QQ таких наборов (один и тот же набор может входить в PP, и в QQ). Известно, что если взять произвольный набор (p1,p2,…,pn)(p_1, p_2, \dots, p_n) из PP и произвольный набор (q1,q2,…,qn)(q_1, q_2, \dots, q_n) из QQ, то они будут совпадать хотя бы в одном месте (то есть pi=qip_i = q_i для некоторого ii). Тогда либо в PP, либо в QQ не более чем kn−1k^{n-1} наборов.

Докажите это утверждение

a) для k=2k = 2 и любого nn;

b) для n=1,2,3n = 1, 2, 3 и любого k≥2k \geq 2;

b) для произвольных k≥2k \geq 2 и n≥1n \geq 1.

Попробуйте найти другие ограничения на количество элементов в подмножествах PP и QQ, связанных таким условиям.

В. Б. Алексеев

Ф158. Гантелька, расположенная горизонтально, падает с высоты hh и удаляется одним из концов о стол

39

Рассмотрим разность
f1(x)−f2(x)=f3(x).f_1(x) - f_2(x) = f_3(x).
(1)

Заметим, что p1−p2≠0p_1 - p_2 \neq 0, так как если p1−p2=0p_1 - p_2 = 0, то R=(q1−q2)2≥0R = (q_1 - q_2)^2 \geq 0, что противоречит условиям. Поэтому уравнение f3(x)=0f_3(x) = 0 имеет корень γ=−q1−q2p1−p2\gamma = -\frac{q_1 - q_2}{p_1 - p_2}, причем, конечно, f3(x)f_3(x) можно записать так:
f3(x)=(p1−p2)(x−γ).f_3(x) = (p_1 - p_2)(x - \gamma).
(2)

Кроме того, как следует из (1),
f1(γ)=f2(γ).f_1(\gamma) = f_2(\gamma).
(3)

Теперь квадратный трехчлен f2(x)f_2(x) (умноженный на коэффициент (p1−p2)2(p_1 - p_2)^2 «разделим с остатком» на f3(x)f_3(x), то есть напишем тожество
(p1−p2)2f2(x)=f3(x)g(x)+R.(p_1 - p_2)^2 f_2(x) = f_3(x) g(x) + R.

Мы не случайно использовать ту же букву RR: остаток равен именю выражению RR, данному в условиях задачи. Действительно,
(p1−p2)2(x2+p2x+q2)=[(p1−p2)x+(q1−q2)][(p1−p2)x+(p1−p2)p2−(q1−q2)]+(q1−q2)2+(p1−p2)(p1q2−p2q1).(p_1 - p_2)^2 (x^2 + p_2x + q_2) = [(p_1 - p_2)x + (q_1 - q_2)][(p_1 - p_2)x + (p_1 - p_2)p_2 - (q_1 - q_2)] + (q_1 - q_2)^2 + (p_1 - p_2)(p_1q_2 - p_2q_1).

Подставив γ\gamma в (4), получим (учтывая, что f3(γ)=0f_3(\gamma) = 0):
(p1−p2)2f2(γ)=R<0.(p_1 - p_2)^2 f_2(\gamma) = R < 0.

Позному f1(γ)=f2(γ)<0f_1(\gamma) = f_2(\gamma) < 0. Следовательно (по свойству (1)) оба уравнения имеют по два действительных корня. Обозначим их соответствию α1,β1\alpha_1, \beta_1 и α2,β2\alpha_2, \beta_2. Тогда
f2(x)=(x−α2)(x−β2).f_2(x) = (x - \alpha_2)(x - \beta_2).
(6)

Теперь, использую последовательно (1), (2), (6) и (5), получаем:
f1(α2)f1(β2)=f3(α2)f3(β2)=(p1−p2)2(α2−γ)(β2−γ)=(p1−p2)2f2(γ)=R<0,f_1(\alpha_2) f_1(\beta_2) = f_3(\alpha_2) f_3(\beta_2) = (p_1 - p_2)^2 (\alpha_2 - \gamma)(\beta_2 - \gamma) = (p_1 - p_2)^2 f_2(\gamma) = R < 0,
(7)

откуда следует (по свойству (2)), что корни уравнения черезются.

Используя графики, результат задачи и основное в нашем решении соответствие (5) можно объяснить в два слова (рис. 2). Алгебраическая подоплека нашего решения более глубока.

Из нашей решения, да и из рисунка 2 видно, что R=0R = 0 модели моledа, коеда квадратные трехчлены f1f_1 и f2f_2 имеют общий корень (или совпадают). Это остолгательство можно использовать в задачах такого типа: каким условиям должны удовлетворять числа λ\lambda и μ\mu, чтобы уравнение x2+λx−1=0x^2 + \lambda x - 1 = 0 и x2+μx−λx+μ=0x^2 + \mu x - \lambda x + \mu = 0 имеющий корень? Достаточно подставить в выражение RR значения p1=λp_1 = \lambda, q1=−1q_1 = -1, p2=μ−λp_2 = \mu - \lambda, q2=μq_2 = \mu, и нужное условие готово:
(μ+1)2+(2λ−μ)(μ−λ+μλ)=0.(\mu + 1)^2 + (2\lambda - \mu)(\mu - \lambda + \mu\lambda) = 0.

Оказывается, что и для двух многочленов произвольной степени
f1(x)=a1xn+b1xn−1+⋯+c1,f_1(x) = a_1x^n + b_1x^{n-1} + \dots + c_1,
f2(x)=a2xm+b2xm−1+⋯+c2f_2(x) = a_2x^m + b_2x^{m-1} + \dots + c_2

можно выписать такой многочлен RR от a1,a2,b1,b2,…,c1,c2a_1, a_2, b_1, b_2, \dots, c_1, c_2, что условие R=0R = 0 будет выполнаться моledа и моledа, коеда f1f_1 и f2f_2 имеют общий делитель (многочлен от xx степени 1 или выше). RR называется результатом многочленов f1f_1 и f2f_2.

В курсе высшей алгебры приводится компактная запись результата в виде «определителя», составленного из коэффициентов f1f_1 и f2f_2.

Особенно произвольным становится понятие результата, когда f1f_1 и f2f_2 разлагаются на линейные множители:
f1=a1(x−α1)(x−β1)…(x−γ1),f_1 = a_1(x - \alpha_1)(x - \beta_1) \dots (x - \gamma_1),
f2=a2(x−α2)(x−β2)…(x−γ2)f_2 = a_2(x - \alpha_2)(x - \beta_2) \dots (x - \gamma_2)

40

(на множество комплексы чисел это всегда так, ведь там любой многочлен имеет корень). Тогда, как можно доказать,

R=R(f1,f2)=a1ma2n(α1−α2)(β1−α2)…(γ1−γ2),R = R(f_1, f_2) = a_1^m a_2^n (\alpha_1 - \alpha_2)(\beta_1 - \alpha_2) \dots (\gamma_1 - \gamma_2),

(8)

где произведение берется по всем параметров f1f_1 и f2f_2 (то есть в нем mnmn компоненты). Проверьте, что в нашей задаче R=(α1−α2)(β1−α2)(α1−β2)(α2−β2)R = (\alpha_1 - \alpha_2)(\beta_1 - \alpha_2)(\alpha_1 - \beta_2)(\alpha_2 - \beta_2), и подумайте, как с помощью этого выражения RR через корни (быть может, комплексы!) квадратных трехчленов решить задачу другим способом. Из равенства (8) вытекает такое, уже встречавшееся нам в частином случае, равенство:

R=a1mf2(α1)f2(β1)…f2(γ1)=R = a_1^m f_2(\alpha_1) f_2(\beta_1) \dots f_2(\gamma_1) =

=(−1)mna2nf1(α2)f1(β2)…f1(γ2).= (-1)^{mn} a_2^n f_1(\alpha_2) f_1(\beta_2) \dots f_1(\gamma_2).

Основное свойство результата с учетом комплексы корней можно формулировать так: R=0R = 0 модда и молко модда, коеда f1f_1 и f2f_2 имеют общий корень.

M107

a) Дан выпуклый многоугольник A1A2…AnA_1A_2 \dots A_n (рис. 3). На стороне A1A2A_1A_2 взяты точки B1B_1 и D2D_2, на стороне A2A3A_2A_3 — точки B2B_2 и D3D_3, … на стороне AnA1A_nA_1 точки BnB_n и D1D_1 так, что если построить параллелограммы A1B1C1D1A_1B_1C_1D_1, A2B2C2D2A_2B_2C_2D_2, …, AnBnCnDnA_nB_nC_nD_n, то прямые A1C1A_1C_1, A2C2A_2C_2, …, AnCnA_nC_n пересечутся в одной точке. Докажите, что

A1B1⋅A2B2⋯⋅AnBn=A_1B_1 \cdot A_2B_2 \dots \cdot A_nB_n =

=A1D1⋅A2D2⋯⋅AnDn.= A_1D_1 \cdot A_2D_2 \dots \cdot A_nD_n.

b) Докажите, что для треугольника верно и обратное утверждение: пуст на стороне A1A2A_1A_2 выбраны точки B1B_1 и D2D_2, на стороне A2A3A_2A_3 — точки B2B_2 и D3D_3, на стороне A3A1A_3A_1 — точки B3B_3 и D1D_1 так, что A1B1⋅A2B2⋅A3B3=A1D1⋅A2D2⋅A3D3A_1B_1 \cdot A_2B_2 \cdot A_3B_3 = A_1D_1 \cdot A_2D_2 \cdot A_3D_3; тогда, если построить параллелограммы A1B1C1D1A_1B_1C_1D_1, A2B2C2D2A_2B_2C_2D_2, A3B3C3D3A_3B_3C_3D_3, то прямые A1C1A_1C_1, A2C2A_2C_2 и A3C3A_3C_3 пересечутся в одной точке.

a) Пусть OO — точка пересечения. Запишем равенство, которое нам нужно доказать, так (сдвиhem в знаменатель все компоненты, пересечем A1D1A_1D_1 в конец):

A1B1⋅A2B2⋅⋯⋅AnBnA2D2⋅A3D3⋅⋯⋅AnDn=1.\frac{A_1B_1 \cdot A_2B_2 \cdot \dots \cdot A_nB_n}{A_2D_2 \cdot A_3D_3 \cdot \dots \cdot A_nD_n} = 1.

Теперь заметим, что отношения отрезков A1B1/D2A2A_1B_1/D_2A_2, A2B2/D3A3A_2B_2/D_3A_3, …, AnBn/D1A1A_nB_n/D_1A_1 соответственно отношениями площадей треугольников (площадь треугольника MNLMNL мы обозначим так: S(MNL))S(MNL))

S(A1B1O)S(D2A2O),S(A2B2O)S(D3A3O),…,S(AnBnO)S(D1A1O),\frac{S(A_1B_1O)}{S(D_2A_2O)}, \frac{S(A_2B_2O)}{S(D_3A_3O)}, \dots, \frac{S(A_nB_nO)}{S(D_1A_1O)},

так что нужно нам равенство можно записать так:

S(A1B1O)⋅S(A2B2O)⋅⋯⋅S(AnBnO)S(A2D2O)⋅S(B3D3O)⋅⋯⋅S(BnDnO)⋅S(A1D1O)=1;\frac{S(A_1B_1O) \cdot S(A_2B_2O) \cdot \dots \cdot S(A_nB_nO)}{S(A_2D_2O) \cdot S(B_3D_3O) \cdot \dots \cdot S(B_nD_nO) \cdot S(A_1D_1O)} = 1;

42

между точками AA и CC и между точками CC и BB. Решив затем систему из шести уравнений с шестью неизвестными, можно найти сопротивления r1r_1, r2r_2 и r3r_3.

Этот способ, конечно, нельзя считать удачным, тем более, что никакому из читателей, приславших нам такое решение, не удалось в обшем виде решить эту систему уравнений. Не удалось решить ее и участником заключителного тура Всесоюзной олимпиды, который предлагался эта задача.

Ф124

Свет от источника SS на пути к экрану проходит через покоящийся стеклянный кубик с ребром ll (рис. 11). Наколько быстрее свет doit до экрана, если кубик привести в движение со скоростью vv? Скорость света в воздухе cc, показатель преломления стека nn (v≪cv \ll c, n≫1n \gg 1).

Скорость света в стекле равна c′=cnc' = \frac{c}{n}. Свет проходит стеклянный кубик за время t=lc′=ln⁡cct = \frac{l}{c'} = \frac{\ln c}{c}. Кубик за это время перемещается на расстояние x=vt=vln⁡ccx = vt = \frac{v \ln c}{c}. На это расстояние сокращается путь света в воздухе по сравнению с тем случаем, когда кубик неподвижен. Значит, время, за которой свет должно doit до экрана, сокращается на Δt=xc=vln⁡cc2\Delta t = \frac{x}{c} = \frac{v \ln c}{c^2}.

Некоторые читатели прислали более строгое решение этой задачи, учитывающие эффекты, связанные с теорий относительнойности. Мы не будем разбирать это решение подробно. Заметим только, что при учете «релятивистских эффектов» скорость света в движущемся стеклянном кубике нужно считать равной не c′=cnc' = \frac{c}{n}, а c′′=c′+v1−v2c2=(c+nv)cnc−vc'' = \frac{c' + v}{1 - \frac{v^2}{c^2}} = \frac{(c + nv)c}{nc - v}.

В то же время длина кубика в неподвижной системе координат равна ll, а l′=l1−v2c2l' = l \sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}. Поэтому нужно учитывать не только уменшение пути, проходимого светом в воздухе благодаря движению кубика, но и уменшение пути, проходимого светом в стекле.

Ф125

В цилиндре с поршнем находится вода, внутри которого в начальной момент имеет полость объема VV. Давление газов в порсти пребрежимо мало. Поршень оказывает на body постоянное давление pp. Какую кинетическая энергия прибретает вода в момент, когда полость исчезнет? Начальная скорость воды равна нулю. Силу тяжесте можно не учитывать.

На поршень действует сила F=pSF = pS, где SS — площадь поршня. Работа, совершенная поршнем, равна произведению этой силы на перемещение поршня xx. Но перемещение поршня связано с изменением объема газа в цилиндре: x=VSx = \frac{V}{S}. Поэтому

A=Fx=pSVS=pV.A = Fx = pS \frac{V}{S} = pV.

Эта работа и равна изменению кинетической энергии воды. Такой же результат можно получить из сообщений размерности. Из двух величины pp и VV можно составить единственный комбинацию, имеющую размерность энергии pVpV.

Ф126

Оценить максимальныйную силу, которая будет показывать диаметром, присоединенный к плоскостям, закрывающим «магдедбургские полушария» (полусферы) с радиусом RR. Полусферы растягиваются в противоположные стороны силами FF. Атмосферное давление равно 1 амп.

Каждая из плоскостей находится в равновесии благодаря действующего на нее трех сил: TT, действующего со стороны диаметра, силы F0=p0SF_0 = p_0S атмосферного давления и силы реакции полусферы (рис. 12). Так как в тот момент, когда плоскость отрывается от

полусферы, сила реакции полусферы равна нулю, то Tmax=F0=pS=ρ0πR2≈12.6⋅103πT_{\text{max}} = F_0 = pS = \rho_0 \pi R^2 \approx 12.6 \cdot 10^3 \pi.

Ф127

В стакан с водой, врашающейся вокруг своей оси, бросают шарик, который плавает на поверхности воды. В каком месте поверхности будет находиться шарик?

Так как шарик плавает на поверхности воды, то плотность матриала шарика меньше плотности воды: ρш<ρв\rho_{\text{ш}} < \rho_{\text{в}}.

Предположим, что шарик находится на расстоянии RR от оси врашающегося сосуда. Если бы плотность шарика была равна плотности воды ρв\rho_{\text{в}}, он находится бы на неизменном расстоянии от оси врашения. Центрстремительное ускорение такой шарик сообщает равнодействующая силы тяжести и сил давления окружающей воды. Поскольку шарик движется по окружности радиуса RR, то эта равнодействующая равна mω2R=ρвVω2Rm\omega^2 R = \rho_{\text{в}} V\omega^2 R (ω — угловая скорость врашения сосуда, V — объем шарика).

На шарик плотности ρш\rho_{\text{ш}}, помещенный в ту же точку, со стороны окружающей воды действует точно такая же сила. Эта сила сообщает шарик ускорение a=ρвρшω2Ra = \frac{\rho_{\text{в}}}{\rho_{\text{ш}}} \omega^2 R, большее центрstreмительное ускорение, необходимо для врашения по окружности радиуса RR. Следовательно, шарик будет движется к оси врашения сосуда. Это означает, что положение равновесия шарика находится на оси сосуда.

Ф128

Тонкую однородную палочку классит так, что она опирается на две плоскости, наклоненные к горизонту под углами α и β, угол между плоскостями равен 90° (рис. 13). Что будет проискать с палочкой? Каким будет ее окончательное положение, если трение между палочкой и плоскостями очень мало?

Пусть угол между палочкой и одной из плоскостей равен γ. Соединним центр тяжесте палочки C с вершиной угла O и показем, что длина отрезка CO не зависит от величины γ.

Проведем CD ⊥ OB. Треугольник CDB подобен треугольнику OAB. Поэтому DBOB=CBAB=12\frac{DB}{OB} = \frac{CB}{AB} = \frac{1}{2}. Это означает, что DB = OD, и треугольник OCD равен треугольнику CDB по двум катетам. Отсюда следует, что отрезок OC равен половине длины палочки при любом угле γ, то есть центр тяжесте палочки C при ее движении описывается окружность.

Тело находится в равновесии, если его потенциальная энергия минимальная или максимальная. Однако в положении с минимальной потенциальной энергией равновесие устойчиво, а в положении с максимальной энергией — неустойчиво. Поэтому палочка может находиться в устойчивом равновесии только тогда, когда она лежит на одной из плоскостей. Палочка будет колбаться, почередно ударяясь о каждой плоскости и затем отскакивая от нее.

Из-за тяжесте палочки будет затухать, и через достаточно большое время палочка оставится у одной из плоскостей.

Интересно разобрать случай, когда трене не мало. Попробуйте это сделать самостояльно, а мы рассмотрим такой случай в одном из близких номеров журнала.

И. Ш. Словодецкий