сайты - меню - вход - но­во­сти


Задания
Версия для печати и копирования в MS Word

Можно ли на плос­ко­сти из каж­дой точки с ра­ци­о­наль­ны­ми ко­ор­ди­на­та­ми вы­пу­стить луч так, чтобы ни­ка­кие два луча не имели общей точки и при этом среди пря­мых, со­дер­жа­щих эти лучи, ни­ка­кие две не были бы па­рал­лель­ны?

 

(П. Ко­же­ни­ков)

Спрятать решение

Ре­ше­ние.

До­ста­точ­но найти такую точку O, что на любой пря­мой, про­хо­дя­щей через O, лежит не более одной ра­ци­о­наль­ной точки. Тогда, про­ве­дя из O все­воз­мож­ные лучи во все ра­ци­о­наль­ные точки и уда­лив у каж­до­го луча на­ча­ло (от O до со­от­вет­ству­ю­щей ра­ци­о­наль­ной точки), по­лу­чим ис­ко­мый набор не­пе­ре­се­ка­ю­щих­ся не­па­рал­лель­ных лучей. Найти точку O можно раз­ны­ми спо­со­ба­ми.

Пер­вый спо­соб. Можно ука­зать точку O явно  — на­при­мер, по­дойдёт точка  левая круг­лая скоб­ка ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 2 конец ар­гу­мен­та , ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 3 конец ар­гу­мен­та пра­вая круг­лая скоб­ка . Пусть на пря­мой, про­хо­дя­щей через эту точку, есть две ра­ци­о­наль­ные точки (a, b) и (c, d) (где a, b, c, d  — ра­ци­о­наль­ные). Тогда век­то­ра  левая круг­лая скоб­ка a минус ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 2 конец ар­гу­мен­та , b минус ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 3 конец ар­гу­мен­та пра­вая круг­лая скоб­ка и  левая круг­лая скоб­ка a минус c, b минус d пра­вая круг­лая скоб­ка про­пор­ци­о­наль­ны, от­ку­да

 левая круг­лая скоб­ка a минус ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 2 конец ар­гу­мен­та пра­вая круг­лая скоб­ка левая круг­лая скоб­ка b минус d пра­вая круг­лая скоб­ка = левая круг­лая скоб­ка b минус ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 3 конец ар­гу­мен­та пра­вая круг­лая скоб­ка левая круг­лая скоб­ка a минус c пра­вая круг­лая скоб­ка , \qquad левая круг­лая скоб­ка * пра­вая круг­лая скоб­ка

от­ку­да

a левая круг­лая скоб­ка b минус d пра­вая круг­лая скоб­ка минус b левая круг­лая скоб­ка a минус c пра­вая круг­лая скоб­ка = левая круг­лая скоб­ка b минус d пра­вая круг­лая скоб­ка ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 2 конец ар­гу­мен­та минус левая круг­лая скоб­ка a минус c пра­вая круг­лая скоб­ка ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 3 конец ар­гу­мен­та .

Воз­во­дя в квад­рат и пе­ре­но­ся за­ве­до­мо ра­ци­о­наль­ные сла­га­е­мые в левую часть, по­лу­чим, что будет ра­ци­о­наль­ным число 2 левая круг­лая скоб­ка b минус d пра­вая круг­лая скоб­ка левая круг­лая скоб­ка a минус c пра­вая круг­лая скоб­ка ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 6 конец ар­гу­мен­та , что воз­мож­но толь­ко при b=d или a=c. Но из ра­вен­ства (*) видим, что если вы­пол­не­но хоть одно из ра­венств b=d, a=c, то вы­пол­не­но и вто­рое, от­ку­да точки (a, b) и (c, d) сов­па­да­ют.

Вто­рой спо­соб. Можно по­сту­пить иначе  — до­ка­зать су­ще­ство­ва­ние такой точки O. Про­ведём все­воз­мож­ные пря­мые через пары ра­ци­о­наль­ных точек. Таких пря­мых будет счётное ко­ли­че­ство. Так как всего на­прав­ле­ний на плос­ко­сти несчётное ко­ли­че­ство, на ней найдётся пря­мая l, не па­рал­лель­ная ни одной из про­ведённых пря­мых. Про­ведённые пря­мые вы­се­ка­ют на l счётное число точек, а всего на l точек несчётное ко­ли­че­ство, по­это­му там ещё оста­нут­ся точки, любая из них по­дойдёт в ка­че­стве O.

 

Ответ: можно.

 

При­ве­дем дру­гое ре­ше­ние.

За­ме­тим, что если пря­мая задаётся урав­не­ни­ем y=k x плюс b, где k  — ир­ра­ци­о­наль­ное, то на ней лежит не более одной ра­ци­о­наль­ной точки. Дей­стви­тель­но, пусть лежит хотя бы две: (x1, y1) и (x2, y2). Тогда k= дробь: чис­ли­тель: y_2 минус y_1, зна­ме­на­тель: x_2 минус x_1 конец дроби   — ра­ци­о­наль­ное. Про­ти­во­ре­чие.

Так как всего ра­ци­о­наль­ных чисел счётное мно­же­ство, то ра­ци­о­наль­ных точек тоже счётное мно­же­ство. За­ну­ме­ру­ем их: a_1, a_2, \ldots Назовём набор из N лучей хо­ро­шим, если лучи имеют на­ча­ла в точ­ках a_1, \ldots, a_N, причём ни­ка­кие два луча не имеют общей точки и не лежат на па­рал­лель­ных или сов­па­да­ю­щих пря­мых, а на­прав­ля­ю­щие век­то­ры у всех лучей имеют по­ло­жи­тель­ные ко­ор­ди­на­ты (то есть угол между каж­дым лучом и по­ло­жи­тель­ным на­прав­ле­ни­ем оси Ox лежит в ин­тер­ва­ле от 0° до 90°.

До­ка­жем по ин­дук­ции сле­ду­ю­щее утвер­жде­ние: если су­ще­ству­ет хо­ро­ший набор из N лучей, то к нему можно до­ба­вить ещё один луч так, что снова по­лу­чит­ся хо­ро­ший набор.

База: N = 1. Про­ведём через a_1= левая круг­лая скоб­ка x_1, y_1 пра­вая круг­лая скоб­ка пря­мую с уг­ло­вым ко­эф­фи­ци­ен­том  ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 2 конец ар­гу­мен­та , и лучом будет «верх­няя по­ло­ви­на» этой пря­мой.

Пусть про­ве­де­ны нуж­ные нам лучи через точки a_1, \ldots, a_N минус 1. Рас­смот­рим точку aN. Про­ведём через неё го­ри­зон­таль­ный и вер­ти­каль­ный лучи (рис. 1).

Среди всех про­ведённых лучей найдём луч с ми­ни­маль­ным углом на­кло­на к оси Ox (пусть это k0). По­про­бу­ем вы­пу­стить из aN луч с по­ло­жи­тель­ным ир­ра­ци­о­наль­ным уг­ло­вым ко­эф­фи­ци­ен­том, мень­шим k0. Тогда пря­мая, со­дер­жа­щая этот луч, не па­рал­лель­на ни одной из пря­мых, со­дер­жа­щих преды­ду­щие лучи (и не сов­па­да­ет с этими пря­мы­ми). Такой луч может не по­дой­ти, толь­ко если он пе­ре­се­ка­ет какой-то дру­гой уже по­стро­ен­ный луч с на­ча­лом am и уг­ло­вым ко­эф­фи­ци­ен­том km (рис. 2).

Вы­бе­рем тогда такой ир­ра­ци­о­наль­ный ко­эф­фи­ци­ент k боль­ше k_m, что k мень­ше всех ко­эф­фи­ци­ен­тов, бо́льших km и вы­пу­стим из aN луч с этим ко­эф­фи­ци­ен­том (на ри­сун­ке 3 он будет поды­мать­ся «круче» пунк­тир­но­го луча с ко­эф­фи­ци­ен­том km). Его не могут пе­ре­сечь лучи с ко­эф­фи­ци­ен­та­ми, мень­ши­ми k  — они пе­ре­сек­ли бы тогда и луч, вы­хо­дя­щий из am, что про­ти­во­ре­чит пред­по­ло­же­нию ин­дук­ции. По­это­му он не по­дойдёт, толь­ко если его пе­ре­се­ка­ет луч с ещё бо́льшим уг­ло­вым ко­эф­фи­ци­ен­том kl. Тогда, ана­ло­гич­но преды­ду­ще­му, вы­пу­стим из aN луч с ко­эф­фи­ци­ен­том, боль­шим kl и мень­шим всех ко­эф­фи­ци­ен­тов, боль­ших kl, и так далее. Так как всего про­ведённых лучей ко­неч­ное число, найдётся мо­мент, когда мы смо­жем про­ве­сти луч, не пе­ре­се­ка­ю­щий осталь­ные лучи. Пе­ре­ход до­ка­зан.

Взяв объ­еди­не­ние всех хо­ро­ших на­бо­ров для N=1, 2, 3, \ldots. (каж­дый луч берём один раз), по­лу­чим ис­ко­мые лучи.

 

Ответ: можно.