Квадрат разрезали на равные прямоугольные равнобедренные треугольники. Сколько треугольников могло получиться?

Нижегородская (V открытая) городская математическая олимпиада школьников

Г. Нижний Новгород, НФ ГУ Высшая Школа Экономики, 16 декабря 2007 года

Задачи и идеи предложили школьники Павел Сухов (11 кл., ЦОД), Александр Хилов (10 кл., лицей 38 г. Дзержинск), студенты Владимир Шмаров, Павел Борискин (1 курс, мехмат МГУ им.М.В.Ломоносова), Кирилл Голубев (2 курс, мехмат МГУ им.М.В.Ломоносова), Наталья Бодрова (2 курс, НФ ГУ ВШЭ), Антон Куликов (5 курс, ГУ ВШЭ), преподаватель математики Вадим Александрович Рузанов (лицей №40 г.Н.Новгорода). Вариант подготовлен Дмитрием Юрьевичем Кузнецовым (НФ ГУ ВШЭ, г.Н.Новгород). Председатель жюри – профессор НФ ГУ ВШЭ Валерий Александрович Калягин.

РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Класс

У продавщицы Клавы все 9 гирь к весам имеют надпись 1 кг и среди них нет ни одной гири, весящей более 1 кг. Измеряя их вес, она как-то выложила все их на двухчашечные весы (не все на одну чашу) так, что весы оказались в равновесии. Докажите, что у неё есть гиря весом не более 800 г.

Решение: На одной из чаш у неё не более 4 гирь, значит, не более 4 кг, а на другой чаше – не менее 5 гирь, но тогда среди них, по принципу Дирихле, есть гиря весом не более 4/5 (кг), т.е. 800г.

2. Можно ли расставить на шахматной доске короля, ладью, коня, слона и ферзя так, чтобы каждая фигура била ровно две фигуры и была побита ровно двумя, причём другими, фигурами?

Ответ: нельзя.

Решение: Так как фигуры не должны бить друг друга, то в парах ферзь – король, ферзь – слон, ферзь – ладья именно ферзь бьёт других, но тогда он бьёт уже не менее трёх фигур, что не удовлетворяет условию. Значит, так расставить фигуры нельзя.

3. Докажите, что в остроугольном треугольнике ABC основание высоты, проведённой из вершины B, и середина стороны AC симметричны относительно серединного перпендикуляра, проведённого к одной из средних линий треугольника. (А.Куликов, 5 курс, Высшая Школа Экономики)

Решение 1: Пусть M, N, K –середины сторон АB, BC и CA соответственно, а H – основание высоты, проведённой из вершины B. Тогда по свойству прямоугольного треугольника NH=NC, а так как MK – средняя линия, то MK=ВС/2=NС=NH. Т.к. MN||KН и MK=NH, то MNHK (или MNKH, в зависимости от расположения точек на стороне АС) - равнобедренная трапеция или параллелограмм, или равнобедренный треугольник (если K=H). Но MK||NC¹NH (т.к. треугольник АВС - остроугольный), поэтому MNHK - равнобедренная трапеция или равнобедренный треугольник, у которого ось симметрии совпадает с серединным перпендикуляром к MN, т.е. Н и К симметричны относительно этого серединного перпендикуляра.

Решение 2: MВNK – параллелограмм, тогда он центрально симметричен относительно середины своей диагонали MN, значит, точки К и В равноудалены от любой прямой проходящей через эту точку, но В и Н равноудалены от нужного нам серединного перпендикуляра, значит, точки К и Н также равноудалены от него и лежат по разные стороны (но, возможно, совпадают), т.е. симметричны.

4. Сложим все числа, которые получаются из некоторого натурального числа вычёркиванием одной его цифры (слагаемых будет столько, сколько цифр в исходном числе, нули в начале получающегося числа после стирания первой цифры не учитываются, например, из числа 205 получим сумму 5+25+20=50). Может ли полученная сумма оказаться равной 2008?

Ответ: не может.

Решение: 1). При малом (до 3) количестве цифр сумма полученных чисел будет не более 3×99<2008.

2). При большем, чем 4, количестве цифр, получим сумму не меньшую 3×1000>2008, т.к. получаются, как минимум 3 числа, содержащие не менее 4 цифр (это те числа, в которых первая цифра совпадает с первой цифрой исходного числа).

3). Из четырёхзначного числа обязательно должна получиться сумма, кратная 3, т.к. , а 2008 на 3 не делится.

5. Есть 7 кучек по 200 камней. Два игрока ходят по очереди. За один ход можно взять из какой-нибудь кучки количество камней, равное простому числу. Игра заканчивается тогда, когда нельзя сделать ход. Первый выигрывает, если хотя бы в одной кучке по окончании игры нет камней. Второй выигрывает, если по окончании игры во всех кучках по 1 камню. Кто выигрывает при правильной игре? (П.Сухов, 11 кл., ЦОД)

Ответ: при правильной игре выиграет первый.

Решение: Пусть первый берёт из какой-нибудь полной кучки 197 камней. В ней осталось 3 камня и, если второй берёт камни из другой кучки, первый обнуляет эту, – он победил. Таким образом, единственный возможный непроигрышный ход для второго – взять из этой кучки 2 камня (в противном случае ход в 3 камня приводит к победе первого). После этого брать камни из этой кучки нельзя (1 не является простым числом).

Так первый поступает с 6 кучками. Из последней он забирает 193 камня. Второй игрок может брать камни только в этой кучке. Он может взять оттуда 7 (тогда выиграл первый), 2 (тогда первый берёт 5 и он выиграл), 5 (тогда первый берёт 2 и он выиграл) или 3 камня. Если он взял 3 камня, то первый берёт 2 и единственный возможный ход второго – 2, но тогда выигрывает первый.

Класс

1. Сложим все числа, которые получаются из некоторого натурального числа вычёркиванием одной его цифры (слагаемых будет столько, сколько цифр в исходном числе, нули в начале получающегося числа после стирания первой цифры не учитываются, например, из числа 205 получим сумму 5+25+20=50). Может ли полученная сумма оказаться равной 2007?

Ответ: может. В качестве примера можно привести любое решение уравнения в цифрах 100a+40b+7c+d=669, например, 6141, 6138, 6096, 5412, 5409, 5370, 5367, 4641, 4638, 4596, 3912, 3909, 3870, 3867.

Комментарий: Прийти к подобным примерам можно, воспользовавшись следующими рассуждениями. 1). При малом (до 3) количестве цифр сумма полученных чисел будет не более 3×99<2007.

2). При большем, чем 4, количестве цифр, получим сумму не меньшую 3×1000>2007, т.к. получаются, как минимум 3 числа, содержащие не менее 4 цифр.

3). Из четырёхзначного числа обязательно должна получиться следующая сумма , откуда получаем уравнение в цифрах 100a+40b+7c+d=669, которое можно решить полным перебором, начав для удобства перебирать с цифры c.

2. В остроугольном треугольнике ABC прямая, проходящая через вершину B параллельно AC, пересекает серединный перпендикуляр к AC в точке D. Докажите, что точки M, D, B, N лежат на одной окружности, где M и N–середины сторон AB и BC соответственно.(А.Куликов, 5 курс, Высшая Школа Экономики)

Решение: Пусть К – середина стороны АС. Тогда DMNK=DMND, т.к. точки K и D симметричны относительно средней линии MN. Но MBNK – параллелограмм, значит, ÐMDN=ÐMKN=ÐMBN, при этом точки D и В лежат по одну сторону от прямой MN. Следовательно, точки M, D, B, N лежат на одной окружности.

3. Сумма трёх неотрицательных чисел a, b, c не превосходит . Какое наименьшее значение может принимать выражение (1–a)(1–b)(1–c)?

Ответ: 1/2, например, при a=1/2, b=c=0. Решение: Наше выражение (1–a)(1–b)(1–c)=1–(a+b+c)+ab(1–c)+bc+ca³1–(a+b+c)³1/2. При этом минимум достигается тогда, когда a+b+c =1/2,

ab(1–c)+bc+ca=0, что возможно.

4. Во время матча «ЦСКА»–«Реал» пришедший с шахматного кружка Незнайка задумался над задачей «Можно ли на шахматное поле 8´8 поставить 11 коней, 11 королей и 1 мяч (бить не умеет) так, чтобы не было фигуры, стоящей под боем другой фигуры?» А действительно, можно ли? (по мотивам задачи В.А.Рузанова)

Ответ: можно. На примере – кони-лошади отмечены буквой «л», короли – «к», мяч – «м».

5. Во время занятия математического кружка Знайка предложил Незнайке сыграть 3 партии в следующую игру: «В начале партии ты называешь некоторое натуральное число N, каждый раз новое. Затем мы по очереди (ты – первый, я – второй) записываем в клетки квадрата 7´7 по одному целому числу от 1 до 49 включительно. В каждую клетку записывается ровно одно число, и каждое из чисел должно быть использовано ровно один раз. Если по окончании заполнения квадрата найдутся строка и столбец, в каждом из которых сумма чисел равна N, то выигрываешь ты. В противном случае выигрываю я». Незнайка в ответ заявил: «Я выиграю со счётом 3:0». Кто на самом деле выигрывает при правильной игре и с каким счётом?(по мотивам задачи А.Хилова, 10 кл., лицей 38 г. Дзержинск)

Ответ: при правильной игре со счётом 3:0 выиграет первый игрок, т.е. Незнайка.

Решение: Незнайка для своей победы со счётом 3:0 может применить следующую стратегию. Разобьёт клетки креста без центральной клетки на пары, например, так, как показано на рисунке (клетки с одинаковыми буквами входят в одну пару). Затем в начале первой партии назовёт число N=196, второй – N=175, третьей – N=154.

В первой партии разобьёт числа на 24 пары с суммой 49 – (1,48), (2,47), …, (24,25), число 49 остаётся без пары, им Незнайка и сделает первый ход в центральную клетку.

Во второй партии разобьёт числа на 24 пары с суммой 50 – (1,49), (2,48), …, (24,26), число 25 остаётся без пары, им Незнайка и сделает первый ход в центральную клетку.

В третьей партии разобьёт числа на 24 пары с суммой 51 – (2,49), (3,48), …, (25,26), число 1 остаётся без пары, им Незнайка и сделает первый ход в центральную клетку.

Затем в каждой партии на ходы Знайки он будет отвечать следующим образом:

1). Если Знайка сходил в одну из клеток креста, то Незнайка отвечает парным числом соответствующей пары в парную клетку соответствующей клетки в этом кресте.

2). Если Знайка сходил в одну из клеток, не входящих в крест, то Незнайка отвечает парным числом соответствующей пары в любую свободную клетку, не входящую в крест.

Таким образом, за парный ход (Знайка – Незнайка) они будут использовать одну из пар чисел. В результате в конце каждой партии Незнайка получит в строке и столбце креста суммы, равные сумме центрального числа и трёх пар разбиения, т.е. соответственно 49+3×49=196, 25+3×50=175, 1+3×51=154, что и приведёт его к победе со счётом 3:0.

Класс

1. Даны три действительных числа с ненулевой суммой. Докажите, что сумма трёх попарных произведений их трёх попарных сумм больше суммы их трёх попарных произведений.

(В.Шмаров, 1 курс, мехмат МГУ им. М.В.Ломоносова)

Решение: Пусть a, b, c - наши числа, тогда с учётом a+b+c¹0 получим, что > , т.к. .

2. В квадрате ABCD взяты такие точки P и Q такие, что ÐBAP=60°, ÐABP=30°, ÐDCQ=ÐCDQ=45°.Прямые PQ и CD пересекаются в точке T. Найдите ÐPTD. (К.Голубев, 2 курс, мехмат МГУ им. М.В.Ломоносова)

Решение: Заметим, что Q - центр квадрата, а точка Р окажется внутри D AQD. Выпуклый четырёхугольник APQB – вписанный, т.к. в нём ÐAPB=90°=ÐAQB. Отсюда ÐBPQ=ÐBAQ=45°. Тогда ÐBPT=45°= ÐBDT, т.е. четырёхугольник BPDT – вписанный. Отсюда ÐPTD=ÐPBD=45°-30°= 15°.

3. Найдите все натуральные числа, обладающие следующим свойством: произведение суммы всех натуральных делителей этого числа, меньших его самого, и количества всех его натуральных делителей равно этому числу. (В.Шмаров, 1 курс, мехмат МГУ им. М.В.Ломоносова)

Ответ:2.Решение 1: Пусть n – наше число. Заметим, что n=2 нам подходит.

1). Пусть n>2 и n - чётно. Тогда сумма его натуральных делителей, меньших его (обозначим её S), больше , а количество всех его натуральных делителей не меньше 3, поэтому указанное в условии произведение больше , т.е. больше n, – противоречие.

2). Пусть n - нечётно и n>1 (единица не удовлетворяет условию). Тогда получим уравнение n=m×S, где m - количество всех натуральных делителей числа n. Т.к. n нечётно, то и m нечётно, т.е. у n нечётное количество натуральных делителей, и все эти натуральные делители нечётны, поэтому и сумма всех натуральных делителей числа n нечётна. Но тогда сумма всех натуральных делителей числа n, кроме n, чётна (т.к. n нечётно), т.е. S чётно, значит, n чётно, – противоречие.

Решение 2: Заметим, что n>1 (единица не удовлетворяет условию) и тогда количество всех его натуральных делителей m³2, значит, сумма его натуральных делителей S<n=m×S, при этом натуральные числа m и S являются делителями числа n, но тогда S должна состоять из одного числа – самого себя, т.е. она равна 1. Значит, m=2 и n=2×1=2.

Квадрат разрезали на равные прямоугольные равнобедренные треугольники. Сколько треугольников могло получиться?

Ответ: 2n² и 4n², где n – любое натуральное число. Решение: Пусть катеты таких треугольников равны 1, тогда гипотенуза равна . Пусть вдоль стороны укладываются а гипотенуз и b катетов, а всего квадрат разрезан на k треугольников. Тогда подсчитаем площадь квадрата двумя разными способами и получим, что . Т.к. a, b, k – целые числа, а - иррациональное число, то либо a=0, либо b=0, откуда и получим, что k=2b², либо k=4a², где a и b могут быть любым натуральным числом, причём для каждого случая есть свой способ разрезания квадрата на треугольники.

Пример: разрежем квадрат на n² равных квадратиков n-1 вертикальными и n-1 горизонтальными линиями (n-1 может быть равно нулю). Для первого случая разрежем каждый квадрат по диагонали на два треугольника, для второго — двумя диагоналями на четыре треугольника.

5. В городском Кубке по блицу должны участвовать 64 шахматиста. Докажите, что можно составить такое расписание турнира, что каждый сыграет по одной партии ровно с 36 другими шахматистами, при этом у любой пары не сыгравших между собой шахматистов будет ровно 18 общих противников среди остальных, а у каждой пары сыгравших между собой шахматистов будет либо 20, либо 26 общих противников среди остальных участников. (В.Шмаров, 1 курс, мехмат МГУ им. М.В.Ломоносова)

Решение: Рассмотрим куб 4×4×4, разбитый на 64 единичных кубика. Разместим шахматистов по кубикам, в каждый кубик – одного человека. После этого дадим сыграть партию каждым двум шахматистам, находящимся в одном “слое” из 16 единичных кубиков. Нетрудно понять, что после этого все условия задачи выполнены: каждый сыграл 36 партий, любые двое не сыгравших между собой имеют 18 общих противников; двое сыгравшие между собой, находящиеся в одном ряду из четырёх кубиков, имеют 26 общих противников; двое сыгравшие между собой, находящиеся в одном слое, но не находящиеся в одном ряду, имеют 20 общих противников.

Класс

1. Докажите, что при любом целом x число (x²⁰⁰⁸+x²+1) делится на (x²+x+1).

Решение 1: x²⁰⁰⁸+x²+1=(x²⁰⁰⁸+x²⁰⁰⁷+x²⁰⁰⁶)–(x²⁰⁰⁷+x²⁰⁰⁶+x²⁰⁰⁵)+(x²⁰⁰⁵+x²⁰⁰⁴+x²⁰⁰³)–

–(x²⁰⁰⁴+x²⁰⁰³+x²⁰⁰²)+…+(x⁷+x⁶+x⁵)–(x⁶+x⁵+x⁴)+(x⁴+x³+x²)–(x³+x²+x)+x+x²+1=

=(x²+x+1)×(x²⁰⁰⁶–x²⁰⁰⁵+x²⁰⁰³–x²⁰⁰²+…+x⁵–x⁴+x²–x+1), где второй множитель является целым числом. Заметим при этом, что x²+x+1=(x+1/2)²+3/4>0, т.е. целое число x²+x+1¹0. Значит, при любом целом x число (x²⁰⁰⁸+x²+1) делится на (x²+x+1).

Решение 2: x²⁰⁰⁸+x²+1=(x²⁰⁰⁸-x)+(x²+x+1)=x((x³)⁶⁶⁹-1⁶⁶⁹)+(x²+x+1). Тогда число ((x³)⁶⁶⁹-1⁶⁶⁹) как разность нечётных (669-х)степеней чисел x³ и 1 раскладывается на два множителя-многочлена с целыми коэффициентами, один из которых равен (x³-1)=(x-1)×(x²+x+1). Значит, и x²⁰⁰⁸+x²+1 раскладывается на целочисленные множители, один из которых равен x²+x+1¹0.

Решение 3 (Шмаров В.): Обозначим , . Отметим, что , т.к. и , где и - недействительные кубические корни из единицы, (т.к., например, ). Поэтому , где имеет целые коэффициенты, т.е. целое число ( ) делится на целое число ( )¹0.

2. В хоккейной Суперлиге принимают участие 20 команд. Первый этап представляет собой турнир в два круга, т.е. каждые две команды играют между собой по два матча. За победу в основное время даётся 3 очка, за победу в дополнительное время – 2 очка, за поражение в основное время – 0 очков, за поражение в дополнительное время – 1 очко. Ничьих по регламенту быть не может. По окончании первого этапа оказалось, что команда «Трудяга» набрала ровно 50% максимально возможного количества очков, при этом её победы в основное время составили ровно 44% от непроигранных в основное время матчей. Сколько побед одержано этой командой в дополнительное время? (по мотивам задачи Н.Бодровой, 2 курс, НФ ГУ ВШЭ)

Ответ:10 побед в дополнительное время.Решение: Всего на первом этапе можно набрать максимум 3×2×19=114 очков, значит, команда «Трудяга» набрала половину этого количества, т.е. 57 очков. 44% от непроигранных в основное время матчей (N) составляют от этого числа, значит, NM25, следовательно, N=25, т.к. является натуральным числом, не превосходящим 38. Т.о., было 0,44×25=11 побед в основное время и они принесли 3×11=33 очка. Остальные 57-33=24 очка команда набрала в 25-11=14 непроигранных в основное время матчах, при этом победы в дополнительное время давали на 1 очко больше, чем поражения в дополнительное время, значит, таких побед было 24-14=10.

3. Про положительные числа a, b, c, d известно, что abcd=1. Докажите, что среди чисел есть число, не меньшее 2.(П.Борискин, 1 курс, мехмат МГУ им. М.В.Ломоносова)

Доказательство 1: Предположим обратное, тогда каждое число меньше 2. Перемножив все эти положительные числа, получим, что . Но каждая дробь вида при положительных x. Тогда получаем, что это произведение после перегруппировки - противоречие, значит, наше предположение не верно и хотя бы одно из данных чисел будет не меньше 2.

Доказательство 2: В силу цикличности выражений и по принципу Дирихле среди данных четырёх чисел найдутся такие два подряд идущих по циклу(a, b, c, d) числа x и y, что x³1 и 0<y£1, тогда соответствующее этой паре число , т.е. является нужным нам.

4. ABCD – квадрат, M и N – точки на сторонах BC и AD соответственно. K – точка пересечения BN и AM, а L – проекция K на CD. Докажите, что среди отрезков BM, CL и DN нечётное количество различных. (В.Шмаров, 1 курс, мехмат МГУ им. М.В.Ломоносова)

Решение: Будем считать AB=1. Обозначим BM=a, DN=b, CL=c.

Пусть F – точка пересечения KL и AB (проекция K на AB), тогда из двух пар подобных треугольников (DMKB, DAKN) и (DABM, DAFK) получим, что , т.е. прямоугольные треугольники FMB и FNA подобны, значит, . Из последнего соотношения следует, что если равны какие-то два из положительных чисел a, b и c, меньших 1, то равны все эти три числа, т.е. среди них нечётное количество различных.

5. Доказать, что число из 2000 восьмёрок делится на 2008.

Доказательство: Заметим, что согласно малой теореме Ферма число =10²⁵⁰-1 делится на простое число 251, но 9 и 251 – взаимно просты, значит, на 251 делится число из 250 единиц. Тогда на 251 делится и число из в восемь раз большего количества единиц (из 2000), следовательно, число из 2000 восьмёрок делится на 251×8=2008.

6. Во время матча «ЦСКА»–«Реал» пришедший с шахматного кружка Незнайка задумался над задачей «При каком наибольшем n на шахматное поле 8´8 можно поставить n коней, n королей и 1 мяч (бить не умеет) так, чтобы не было фигуры, стоящей под боем другой фигуры?» Решите эту задачу. (по мотивам задачи В.А.Рузанова)

Ответ:n=11, на примере – кони-лошади отмечены буквой «л», короли – «к», мяч – «м».

Решение: Предположим, что на поле можно разместить фигуры при n³12, тогда можно разместить и при n=12.Разобьём поле на 16 квадратов 2´2, тогда ровно в 12 из них будут стоять по 1 королю («к»), а в 4 других – 12 коней-лошадей («л») и 1 мяч, т.е. 13 фигур, значит, пустых квадратов быть не должно. Соответственно, квадраты будем называть к-квадраты и л-квадраты. Заметим, что если хотя бы в одном из л-квадратов две «л» стоят у общей стороны с другим квадратом, то этот соседний квадрат не будет содержать «к», значит, он должен быть л-квадратом, но тогда в сумме в этих

двух квадратах разместится не более 4 фигур, т.к. клетки прямоугольника 2´4 разбиваются на пары в виде хода «л» (см. рис.), а во всех 4 л-квадратах разместится не более 4+2×4=12 фигур, а должно быть 13. Таким образом, не существует л-квадратов с 4 «л», значит, в каждом таком квадрате будет ровно 3 «л» и никакие 2 «л» не могут стоять парой у общей стороны с другим квадратом, следовательно, такие л-квадраты находятся в углах поля 8´8 и 3 «л» стоят с краю всего поля, причём в одном из них ещё стоит и мяч. Тогда из двух выделенных на поле квадратов (см.рис.) хотя бы один должен оказаться пустым – противоречие. Значит, n£11.