В правильном тетраэдре с ребром, равным 8, отмечены 25 различных точек: 4 вершины и 21 произвольная точка внутри тетраэдра. Никакие 4 отмеченные точки не лежат в одной плоскости. Докажите, что найдется тетраэдр с вершинами в отмеченных точках, объем которого меньше единицы.
Объем тетраэдра с ребром 8 есть поскольку этот тетраэдр получается если взять не соединенные ребром вершины куба с ребром Заметим, что < 64, значит, если удастся тетраэдр разрезать на 64 тетраэдра с вершинами в отмеченных точках, то один из тетраэдров разбиения будет иметь объем меньше 1.
Докажем, что если внутри тетраэдра выбраны k точек, так что если добавить к ним 4 вершины тетраэдра, то среди полученных k + 4 точек никакие 4 не лежат в одной плоскости, тогда тетраэдр можно разрезать на 3k + 1 тетраэдр с вершинами в выбранных точках.
Индукция по k. При k = 0 считаем что тетраэдр разбит на один тетраэдр – самого себя. Пусть для k доказано, докажем для k + 1. Возьмем любые k из внутренних точек, по предположению индукции разобьем тетраэдр. Теперь добавим последнюю точку, и посмотрим, внутрь какого тетраэдра разбиения она попала. Этот тетраэдр разобьем на четыре, каждый из которых образован новой точкой и гранью разбиваемого тетраэдра. Разбитый тетраэдр заменим в разбиении четырьмя новыми, число тетраэдров в разбиении выросло на 3 (4 добавили 1 убрали).
Итак, при k = 21 имеем разбиение на 64 тетраэдра, что и требовалось.