сайты - меню - вход - но­во­сти


Задания
Версия для печати и копирования в MS Word

На плос­ко­сти задан ко­неч­ный набор рав­ных кру­гов. Из­вест­но, что для любых 4 кру­гов есть пря­мая, пе­ре­се­ка­ю­щая не­ко­то­рые 3 из них. До­ка­жи­те, что су­ще­ству­ет 12 пря­мых, таких что каж­дый круг пе­ре­се­ка­ет­ся хотя бы с одной из них.

Спрятать решение

Ре­ше­ние.

Нач­нем со сле­ду­ю­ще­го на­блю­де­ния: если даны два не­пе­ре­се­ка­ю­щих­ся круга оди­на­ко­во­го ра­ди­у­са, то все­воз­мож­ные пря­мые, пе­ре­се­ка­ю­щие оба круга, за­ме­та­ют об­ласть, за­штри­хо­ван­ную на ри­сун­ке слева. Эта об­ласть  — объ­еди­не­ние по­ло­сы между двумя внеш­ни­ми ка­са­тель­ны­ми к кру­гам и пары вер­ти­каль­ных углов между двумя внут­рен­ни­ми ка­са­тель­ны­ми. По­это­му два дан­ных круга A и B и не­ко­то­рый тре­тий круг C можно пе­ре­сечь одной пря­мой тогда и толь­ко тогда, когда C имеет общие точки с за­штри­хо­ван­ной об­ла­стью. Будем на­зы­вать эту об­ласть тенью кру­гов A и B.

Пе­рей­дем к ре­ше­нию за­да­чи. Рас­смот­рим 2 cлучая.

 

Слу­чай 1: любые 3 круга из за­дан­но­го на­бо­ра можно пе­ре­сечь одной пря­мой. Тогда рас­смот­рим два круга A и B из на­бо­ра, рас­сто­я­ние между цен­тра­ми ко­то­рых наи­боль­шее. Если это рас­сто­я­ние мень­ше диа­мет­ра кру­гов, то пря­мая, про­хо­дя­щая через 2 общих точки гра­нич­ных окруж­но­стей кру­гов A и B  — ис­ко­мая (любой круг C из на­бо­ра обя­зан ее пе­ре­се­кать, иначе рас­сто­я­ние между цен­тра­ми кру­гов A и C  — либо B и C  — ока­жет­ся боль­ше рас­сто­я­ния между цен­тра­ми кру­гов A и B, что про­ти­во­ре­чи­ло бы вы­бо­ру кру­гов A и B). По­это­му будем счи­тать, что рас­сто­я­ние между цен­тра­ми кру­гов A и B боль­ше диа­мет­ра, то есть эти круги не пе­ре­се­ка­ют­ся.

До­ка­жем, что тогда 4 общих ка­са­тель­ных к A и B  — ис­ко­мые пря­мые, т. е. пе­ре­се­ка­ют любой круг C из на­бо­ра. Дей­стви­тель­но, по пред­по­ло­же­нию слу­чая 1, круги A, B, C можно пе­ре­сечь одной пря­мой. Тогда C дол­жен пе­ре­се­кать тень A и B. Если бы C не пе­ре­се­кал ни одну из 4 общих ка­са­тель­ных к A и B, то C це­ли­ком лежал бы в одном из 4 углов, за­штри­хо­ван­ных на ри­сун­ке спра­ва. Но тогда рас­сто­я­ние между цен­тра­ми кру­гов A и C (либо B и C) было бы боль­ше рас­сто­я­ния между цен­тра­ми кру­гов A и B, так как цен­тры трех кру­гов об­ра­зу­ют ту­по­уголь­ный тре­уголь­ник. А это про­ти­во­ре­чи­ло бы вы­бо­ру кру­гов A и B. Зна­чит, все круги на­бо­ра можно пе­ре­сечь 4 пря­мы­ми.

 

Слу­чай 2: най­дут­ся 3 круга из за­дан­но­го на­бо­ра, ко­то­рые нель­зя пе­ре­сечь одной пря­мой. Тогда рас­смот­рим три таких круга A, B, C, цен­тры ко­то­рых об­ра­зу­ют тре­уголь­ник наи­боль­шей пло­ща­ди. До­ка­жем, что тогда 12 пря­мых  — 4 общих ка­са­тель­ных к A и B, 4 общих ка­са­тель­ных к B и C, 4 общих ка­са­тель­ных к C и A  — ис­ко­мые.

Пред­по­ло­жим, что на­шел­ся круг D из на­бо­ра, не пе­ре­се­ка­ю­щий ни одну из 12 ка­са­тель­ных. По усло­вию за­да­чи, какие-то 3 из кру­гов A, B, C, D можно пе­ре­сечь пря­мой. Пусть, без огра­ни­че­ния общ­но­сти, это круги A, B, D. Тогда со­глас­но на­блю­де­нию выше, D це­ли­ком лежит в одном из углов, за­штри­хо­ван­ных на ри­сун­ке спра­ва. Пусть, без огра­ни­че­ния общ­но­сти, это “верх­ний” из углов, при­мы­ка­ю­щих к кругу A. C дру­гой сто­ро­ны, A, B, C нель­зя пе­ре­сечь пря­мой, зна­чит, C це­ли­ком лежит вне тени A и B. Рас­смот­рим раз­лич­ные ва­ри­ан­ты рас­по­ло­же­ния круга C.

 

Слу­чай 2а: цен­тры кру­гов C и D лежат в раз­ных по­лу­плос­ко­стях от­но­си­тель­но линии цен­тров кру­гов A и B. Тогда центр круга A ока­зы­ва­ет­ся внут­ри тре­уголь­ни­ка с вер­ши­на­ми в цен­трах кру­гов B, C, D. При этом круги B, C, D также нель­зя пе­ре­сечь одной пря­мой: тень B и D рас­по­ло­же­на це­ли­ком “выше” ниж­ней гра­ни­цы тени A и B, и не может пе­ре­сечь круг C. Итак, мы по­лу­чи­ли 3 круга B, C, D, ко­то­рые нель­зя пе­ре­сечь пря­мой, цен­тры ко­то­рых об­ра­зу­ют тре­уголь­ник боль­шей пло­ща­ди, чем A, B, C. Это про­ти­во­ре­чит вы­бо­ру кру­гов A, B, C.

 

Слу­чай 2b: цен­тры кру­гов C и D лежат в одной по­лу­плос­ко­сти от­но­си­тель­но линии цен­тров кру­гов A и B, при­чем B и D лежат в одной по­лу­плос­ко­сти от­но­си­тель­но одной из общих внут­рен­них ка­са­тель­ных к B и C. До­ка­жем, что в этом слу­чае круги B, C, D нель­зя пе­ре­сечь пря­мой, а их цен­тры снова об­ра­зу­ют тре­уголь­ник боль­шей пло­ща­ди, чем A, B, C  — тем самым снова при­дем к про­ти­во­ре­чию. Так как B и D лежат в одной по­лу­плос­ко­сти от­но­си­тель­но одной из общих внут­рен­них ка­са­тель­ных к B и C, то D не пе­ре­се­ка­ет тень B и C, зна­чит, B, C, D нель­зя пе­ре­сечь пря­мой. Тре­уголь­ни­ки с вер­ши­на­ми в цен­трах кру­гов A, B, C и B, C, D имеют общее ос­но­ва­ние BC, а вы­со­та боль­ше у вто­ро­го тре­уголь­ни­ка. Зна­чит, по­след­ний имеет боль­шую пло­щадь. И в слу­чае 2b мы при­шли к про­ти­во­ре­чию.

 

Слу­чай 2c: цен­тры кру­гов C и D лежат в одной по­лу­плос­ко­сти от­но­си­тель­но линии цен­тров кру­гов A и B, при­чем B и D лежат в раз­ных по­лу­плос­ко­стях от­но­си­тель­но обеих общих внут­рен­них ка­са­тель­ных к B и C. До­ка­жем, что на этот раз круги A, C, D нель­зя пе­ре­сечь пря­мой, и уже их цен­тры об­ра­зу­ют тре­уголь­ник боль­шей пло­ща­ди, чем A, B, C. Пер­вое утвер­жде­ние сле­ду­ет из того, что D лежит вне тени A и C. Для до­ка­за­тель­ства вто­ро­го утвер­жде­ния про­ве­дем внут­рен­нюю ка­са­тель­ную к A и B, ко­то­рая раз­де­ля­ет C и D, а также внут­рен­нюю ка­са­тель­ную к B и C, ко­то­рая раз­де­ля­ет D и A. Будем ка­тить круги A и C по своим ка­са­тель­ным в сто­ро­ну круга D до тех пор, пока они не кос­нут­ся обеих про­ве­ден­ных пря­мых од­но­вре­мен­но. Будем дви­гать D в сто­ро­ну B, пока он также не кос­нет­ся обеих про­ве­ден­ных пря­мых. Ясно, что в про­цес­се дви­же­ние пло­щадь тре­уголь­ни­ка A, B, C уве­ли­чи­ва­ет­ся, а A, C, D  — умень­ша­ет­ся. А в ко­неч­ном по­ло­же­нии эти пло­ща­ди ста­но­вят­ся рав­ны­ми, из сим­мет­рии. Зна­чит, в ис­ход­ном рас­по­ло­же­нии цен­тры кру­гов A, C, D об­ра­зу­ют тре­уголь­ник боль­шей пло­ща­ди, чем A, B, C.

Итак, во всех слу­ча­ях 2a–2c мы при­шли к про­ти­во­ре­чию. Зна­чит, любой круг D из на­бо­ра пе­ре­се­ка­ет хотя бы одну из ука­зан­ных 12 пря­мых.

Спрятать критерии
Критерии проверки:

Кри­те­рии оце­ни­ва­ния вы­пол­не­ния за­да­нияБаллы
При­ве­де­но пол­ное до­ка­за­тель­ство.20
Разо­бран слу­чай, когда любые три можно пе­ре­сечь пря­мой.2
Ре­ше­ние не со­от­вет­ству­ет ни од­но­му из пе­ре­чис­лен­ных выше кри­те­ри­ев.0
Мак­си­маль­ный балл20