De här problemen ingår i mattebloggens tävling vårterminen 2011, men man kan inte skicka in lösningar på dem längre. Kolla istället tävlingens regler och den aktuella poängställningen. Lösningarna kan du titta på nedan.

Cirkelkonstruktion (2 poäng).
Du har en passare, som du kan rita cirklar med (så länge du känner till cirkelns mittpunkt och dess radie) samt en ograderad linjal, som du inte kan mäta något med, men som du kan rita en linje med genom två valfria punkter.

Du har fått ett papper där en cirkel c är ritad (och dess mittpunkt är markerad) och där en punkt A utanför cirkeln är markerad.

Hur kan du med hjälp av dina verktyg rita en ny cirkel, som har A som mittpunkt och som precis tangerar den redan ritade cirkeln c? Bevisa att din konstruktion ger korrekt resultat.

Cosinussumman (5 poäng).
Visa att ifall summan av cosinusar på vinklarna hos en fyrhörning är lika med 0, så måste fyrhörningen antingen vara cyklisk, en parallellogram eller ett parallelltrapets.

Visa lösningar

Cirkelkonstruktion (Davids lösning):
Låt B vara mittpunkten i cirkeln c. Drag sträckan AB. Låt X vara punkten där AB skär c. Rita en cirkel med mittpunkt i A och som går genom X. Jag vill visa att denna cirkel tangerar c. De har ju en gemensam punkt X, så jag vill visa att de inte har någon annan gemensam punkt.

Antag att de har en annan gemensam punkt Y. Då finns det två sätt att gå från A till B: via X (vägens längd är |AX|+|XB|) eller via Y (vägens längd är |AY|+|YB|). AX och AY är radier i vår konstruerade cirkel, alltså |AX|=|AY|. XB och YB är radier i c, alltså |XB|=|YB|. Alltså |AX|+|XB|=|AY|+|YB|. Men när vi går via X följer vi en rät linje enligt vår konstruktion, så ingen annan väg från A till B kan vara lika kort. Vilket motsäger att vägen via Y är lika kort. En motsägelse som visar att vår cirkel och c har en och endast en gemensam punkt, alltså tangerar de varandra.

Cosinussumman (Skäggets lösning):
Vi börjar med att konstatera att ett parallellogram är ett specialfall av en parallelltrapets, så vi visar bara att en fyrhörning är antingen cyklisk eller en parallelltraptes om summan av cosinus av vinklarna är 0.

Låt oss kalla vinklarna i vår fyrhörning för A, B, C och D (med ordningen än så länge godtycklig).

Vi vet att summan av vinklarna i en fyrhörning är 360 grader, och vi kommer använda följande identitet för cosinus:

Vi antar nu att summan av cosinus av alla vinklar är noll, det vill säga:

Vi vet att D = 360 – A – B – C, samt att cos (180 – X) = – cos X. Detta ger oss:

Lås oss anta att cos (A + B)/2 är skiljt från 0. Då får vi:

Eftersom C och D är godtyckliga kan vi ignorera vårt +/- i högerledet, och vi får:

Vi får alltså att ifall cos (A + B)/2 är nollskiljt så kommer A,D och B,C vara par av supplementära vinklar.

Vi noterar att cos (A + B)/2 = 0 implicerar att (A + B)/2 = 90 eller 180, och alltså att A + B = 180 (ty A + B + C + D = 360, och alla vinklar är positiva, så A + B = 360 är ingen möjlighet).

Med andra ord, tar vi två godtyckliga vinklar i vår fyrhörning och kallar dem A och B, då gäller att A + B = 180 eller så är A + D = 180, där D är någon annan vinkel. Alltså är vi garanterade att vinklarna i vår fyrhörning är parvis supplementära.

Vi får två möjligheter, att intilliggande vinklarna är supplementära eller att motstående vinklar är det. Ifall de är intilliggande får vi att två sidor i vår figur är parallella, och vi har alltså en paralleltrapets. Och ifall motstående vinklar i en fyrhörning är supplementära, då är fyrhörningen cyklisk.

Sammanfattningsvis har vi alltså funnit att om summan av cosinus av alla vinklar är 0, då gäller att antingen så är varje vinkel supplementär till en intilliggande vinkel (och då är fyrhörningen en parallelltraptes) eller så är motstående vinklar supplementära (och där är fyrhörningen cyklisk), vilket skulle bevisas.

Related posts:

1. Problem vecka 11
2. Problem vecka 17
3. Problem vecka 8. Tävlingsstart!

Exempel:

För att förtydliga, en tillåten operation är följande:

Lösning:

Notera att om sidlängderna hos fyrhörningen är a, b, c, d, så finns exempel, där följden av fyrhörningar innehåller 6 icke-kongruenta: de med olika ordning på sidorna. Tag nämligenen fyrhörning med alla sidor olika, men som ändå påminner om en kvadrat (detta för att fyrhörningarna som bildas inte ska bli icke-konvexa). Men tillåtna operationer byt sedan plats på sidorna på alla möjliga sätt (trianglar med den gråa symbolen flippas):

Ritningen är inte exakt, men vi kan se att alla olika sidordningar verkligen förekommer. Eftersom fyrhörningar kan roteras, valde vi fixera sidan med längden a, den kommer ändå alltid finnas.

Så nu är frågan varför det inte går att konstruera fler fyrhörningar? Notera att det finns en sak som aldrig förändras och det är summan av två motsatta vinklar i fyrhörningen. Vid varje flipp är det ett par av motsatta vinklar som inte ändras, således kommer vinkelsumman i det andra paret inte heller förändras.

Men notera också att sidlängderna kvarstår. Tag nu någon ordning på sidorna, vi skall nu bevisa att det går att bygga exakt en fyrhörning med den ordningen ur den ursprungliga. Utan inskränkning kan vi anta att sidordning är (medurs) a, b, c, d och a är den vänstra sidan.

Kalla vinkeln mellan a och d för x. Då är vinkeln mellan b och c också bestämd, nämligen S-x, där S var vinkelsumman av den ”nedre vänstra” och den ”övre högra” vinkeln. Men då har vi två trianglar, beståndsdelarna i fyrhörningen, som kan sättas ihop endast på ett sätt och det endast när de okända sidorna är lika (de ska bli en diagonal).

De okända sidorna är lika endast för en vinkel x (den som det går att konstruera bilden för).  Det beror på att om vinkeln minskas, så minskas också den motstående sidan. Men då ökar S-x och dess motstående sida, och då kan de sidorna inte längre vara lika. Samma sak händer om vinkeln x ökas.

På så sätt har vi uttömt alla fallen och visat att antalet olika fyrhörningar är 6, en för varje sidordning.

(i) En triangel, men också en femkant

(ii) Både en triangel, en fyrkant och en femkant.

Med ”läggas ihop” menar jag förstås att fyrkanterna inte får överlappa varandra, inte heller får det bildas hål.

Lösning:

Löser man (ii), löser man förstås och (i). Hur tänker man då?

Det är ganska naturligt att utgå från en triangel, för att bitarna ska ändå kunna läggas ihop till en triangel och olika trianglar finns det färst av. Det vill säga, vi bör i princip pröva att skära itu spetsiga trianglar (såna som har alla vinklar mindre än 90°), trubbiga trianglar (såna som har en vinkel större än 90°) och också pröva med rätvinkliga trianglar.

Här nedan är Oves lösning (jag borde ha någon sorts topplista för att beröma honom). Han poängterade för mig att han löste det hela i stort sett med ”trial & error”-metoden. Och det är så konstruktionsproblem oftast löses.

Gåta:

Rita två fyrkanter, som tillsammans kan läggas ihop till

(i) En triangel, men också en femkant

(ii) Både en triangel, en fyrkant och en femkant.

Med ”läggas ihop” menar jag förstås att fyrkanterna inte får överlappa varandra, inte heller får det bildas hål.