Delta 7/2026

Zadania

Zadanie M 1858

Na rysunku przedstawiono trójkąt podzielony na \(25\) mniejszych trójkątów, ponumerowanych liczbami od \(1\) do \(25.\) Czy można te same liczby rozmieścić na polach kwadratowej planszy \(5\times 5\) w taki sposób, aby dowolne dwie liczby zapisane w sąsiednich trójkątach były również zapisane w sąsiednich kwadratowych polach? (Trójkąty, podobnie jak kwadraty, uważa się za sąsiednie, jeżeli mają wspólny bok).

image

Rozwiązanie
Odpowiedź jest negatywna.

Przypuśćmy, że jest inaczej i że udało nam się wpisać liczby od 1 do 25 w pola kwadratu w sposób spełniający warunki zadania. Pokolorujmy trójkąty oraz pola kwadratu naprzemiennie na czarno i biało, jak na rysunku.

image image

Zauważmy, że z dowolnego trójkąta można przejść do każdego innego, przy czym w łańcuchu trójkątów tworzących tę drogę każde dwa sąsiednie trójkąty mają różne kolory. Z założeń wynika, że kolejne liczby z tego łańcucha tworzą również łańcuch na kwadratowej planszy, którego każde dwa kolejne pola są różnokolorowe. Wynika stąd, że dowolne dwie liczby zapisane w trójkątach tego samego koloru muszą być zapisane w kwadratowych polach tego samego koloru.

W danym trójkącie znajduje się \(15\) czarnych oraz \(10\) białych trójkątów. Natomiast w kwadracie \(5\times 5\) znajduje się \(13\) czarnych oraz \(12\) białych pól. Ponieważ liczba czarnych trójkątów jest większa niż liczba pól dowolnego koloru w kwadracie, nie jest możliwe spełnienie warunku zadania.

Zadanie M 1859

Niech \(ABCD\) będzie czworokątem wypukłym takim, że \({\angle ABD=\angle ACD=90^\circ.}\) Okręgi o średnicach \(AB\) oraz \(CD\) przecinają się w punktach \(P\) i \(Q\). Udowodnić, że \(2PQ<AD.\)

image

Rozwiązanie
image

Niech \(K\) i \(L\) będą rzutami prostokątnymi punktów \(B\) i \(C\) na prostą \(AD.\) Wówczas okręgi o średnicach \(AB\) i \(CD\) przechodzą odpowiednio przez punkty \(K\) i \(L,\) a ich punkty wspólne \(P,\) \(Q\) leżą na łukach \(BK\) i \(CL.\) Ponieważ \(\angle BAK<90^\circ,\) otrzymujemy \(PQ\leq BK.\) Ponadto punkt \(B\) leży na półokręgu o średnicy \(AD,\) i dlatego \(BK\leq \frac{AD}{2},\) co kończy dowód. Obie przedstawione nierówności stają się równością tylko wtedy, gdy punkty \(B\) i \(C\) leżą w środku łuku \(AD.\)

Zadanie M 1860

Jaka jest najmniejsza liczba całkowita dodatnia \(k\) o następującej własności: dla każdego wielomianu \(f(x)\) stopnia \(2026\) o współczynnikach rzeczywistych istnieje taki wielomian \(g(x)\) stopnia co najwyżej \(k,\) również o współczynnikach rzeczywistych, że wykresy funkcji \(f(x)\) oraz \(g(x)\) mają dokładnie \(2026\) punktów wspólnych?

Rozwiązanie
Odpowiedź: \(k=2024.\)

Niech \(n\geq 2\) będzie dowolną liczbą naturalną. Pokażemy, że dla dowolnego wielomianu \(f\) stopnia \(n\) istnieje wielomian \(g\) stopnia co najwyżej \(n-2,\) którego wykres przecina wykres \(f\) w dokładnie \(n\) punktach. Mnożenie wielomianu \(f\) przez niezerową stałą nie zmienia liczby punktów przecięcia wykresów (analogicznie można przeskalować \(g\)), dlatego bez straty ogólności możemy przyjąć, że \[f(x)=x^n+a_1x^{n-1}+a_2x^{n-2}+\dots+a_n.\]

Wybierzmy dowolnie \(n\) parami różnych liczb rzeczywistych \(x_1,\dots,x_n,\) które spełniają warunek \[x_1+x_2+\dots+x_n=-a_1.\] Zdefiniujmy \[h(x)=(x-x_1)(x-x_2)\cdots(x-x_n) \ \ \ \text{oraz}\ \ \ g(x)=f(x)-h(x).\]

Wielomiany \(f\) i \(h\) mają ten sam współczynnik przy \(x^n\) oraz przy \(x^{n-1},\) zatem stopień wielomianu \(g=f-h\) nie przekracza \(n-2.\) Ponadto punkty wspólne wykresów \(f\) i \(g\) są dokładnie pierwiastkami wielomianu \(h,\) czyli jest ich dokładnie \(n.\)

Pokażemy teraz, że stopień \(k\le n-3\) nie wystarcza. Niech \({f(x)=x^n},\) a \(g(x)\) będzie dowolnym wielomianem stopnia co najwyżej \(n-3.\) Załóżmy, że wykresy \(f\) i \(g\) przecinają się w \(n\) punktach o parami różnych odciętych \(x_1,\dots,x_n.\) Wówczas wielomian \(f-g\) stopnia \(n\) ma \(n\) rzeczywistych pierwiastków.

Zauważmy jednak, że w wielomianie \(f-g\) współczynniki przy \(x^{n-1}\) oraz \(x^{n-2}\) są równe zero. Z twierdzenia Viète’a otrzymujemy \[x_1+\dots+x_n=0 \ \ \ \text{oraz}\ \ \ \textstyle\sum\limits_{1\le i<j\le n} x_ix_j=0.\] Stąd \[x_1^2+\dots+x_n^2=(x_1+\dots+x_n)^2 -2\textstyle\sum\limits_{i<j}x_ix_j=0,\] co implikuje \(x_1=\dots=x_n=0,\) w sprzeczności z założeniem, że liczby \(x_i\) są parami różne.

Zadanie F 1147

Ptaki różnią się wielkościami, ale geometrycznie ich kształty są bardzo podobne (różnią się skalą wielkości). Jak moc potrzebna ptakom do utrzymania prędkości lotu zależy od ich wielkości: masy \(m\) i rozmiarów \(l\) (długości)? Wskazówka: zarówno siłę nośną skrzydeł, jak i siłę oporu powietrza podczas lotu z prędkością \(v\) opisuje wzór postaci: \[F = \tfrac{1}{2} \rho CSv^2,\] w którym \(\rho\) oznacza gęstość powietrza, \(S\) powierzchnię skrzydeł, a \(C\) jest współczynnikiem liczbowym: \(C_L\) dla siły nośnej i \(C_D\) dla siły oporu \((C_L \neq C_D).\)

Rozwiązanie
Podczas lotu siła nośna musi równoważyć ciężar ptaka o masie \(m\) w polu ciężkości \(g\): \[mg = \frac{1}{2}\rho C_LSv^2 .\] Niech \(l\) oznacza długość charakteryzującą wielkość ptaka. Mamy: \(m \propto l^3,\) \(S \propto l^2,\) a więc \(v \propto l^{1/2} \propto m^{1/6}.\) Moc \(P\) potrzebna do pokonania siły oporu \(F\) wynosi: \[P = F\cdot v = \frac{1}{2}\rho C_DSv^2\cdot v.\] Po podstawieniu do ostatniego wzoru uzyskanych wcześniej zależności otrzymujemy: \(P \propto l^{7/2} \propto m^{7/6}.\)
Zadanie F 1148

Moc promieniowania elektromagnetycznego Słońca wynosi \({L_0 = 3{,}828\cdot 10^{26}}\ W\). Ciśnienie wywierane przez to promieniowanie działa przeciwnie do przyciągania grawitacyjnego i dla bardzo małych cząstek pyłu może doprowadzić do ich „wywiewania” z okolic Słońca. Dla cząstki pyłu obiegającej Słońce oddziaływanie z promieniowaniem Słońca spowalnia też jej ruch obiegowy. Kulista cząstka pyłu, dla której siła odpychająca promieniowania słonecznego wynosi \(\alpha = 0{,}1\) jej przyciągania grawitacyjnego przez Słońce, w chwili początkowej porusza się po orbicie kołowej o promieniu \(R_0 = 1{,}5\cdot 10^{11}\) m (promień orbity Ziemi). Ile czasu minie, nim ta cząstka spadnie na Słońce?

Rozwiązanie
Foton niesie pęd \(p\) równy jego energii \(E\) podzielonej przez prędkość światła \(c,\) tj. \(p = E/c.\) Strumień pędu \(S\) promieniowania elektromagnetycznego w odległości \(R\) od Słońca wynosi więc: \[S = \frac{L_0}{4\pi cR^2} .\] Na potrzeby oszacowania przyjmijmy, że cała energia padająca na cząstkę pyłu jest przez nią pochłaniana, a następnie wypromieniowywana izotropowo. Przy tym założeniu siła odpychająca \(F\) wywierana przez to promieniowanie na kulistą cząstkę o promieniu \(r\) wynosi: \[F = \pi r^2S = \frac{L_0r^2}{4cR^2}.\] Siła \(F_G\) grawitacyjnego przyciągania cząstki o masie \(m\) przez Słońce o masie \(M\) wynosi: \[F_G = -\frac{GMm}{R^2}.\] W ostatnim wzorze \(G\) oznacza stałą grawitacji. Siły \(F\) i \(F_G\) są odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości \(R\) od Słońca. Tym samym ich stosunek nie zależy od \(R.\) Oznacza to, że na cząstkę pyłu działa ,,efektywna siła grawitacji” postaci \((1-\alpha)F_G.\)

Dla cząstki poruszającej się po orbicie kołowej z prędkością \(v\) strumień pędu promieniowania słonecznego „nadbiega” pod kątem, a związany z tym faktem przekaz pędu jest źródłem siły hamującej równej \(Fv/c = \alpha F_Gv/c.\) Ze względu na bardzo małą wartość \(v/c\) – stosunku prędkości orbitalnej do prędkości światła – cząstka, która początkowo porusza się po orbicie kołowej, w każdej późniejszej chwili porusza się także po torze bardzo bliskim orbicie kołowej (o bardzo wolno malejącym promieniu). Na skutek działania siły \(Fv/c\) cząstka traci energię w tempie \(Fv^2/c = \alpha v^2F_G/c.\) Energia całkowita cząstki w polu siły \((1-\alpha)F_G\) wynosi: \[E = \frac{mv^2}{2} - \frac{(1-\alpha)GMm}{R} = -\frac{(1-\alpha)GMm}{2R}.\] W ostatniej równości uwzględniliśmy fakt, że na orbicie kołowej \(v^2 = (1-\alpha)GMm/R.\)

Otrzymujemy zależność: \[\frac{dE}{dt} = \frac{(1-\alpha)GMm}{2R^2}\frac{dR}{dt} = -\frac{\alpha GMm}{cR^2}\frac{(1-\alpha)GM}{R},\] czyli: \[\frac{dR}{dt} = -\frac{\alpha GM}{R} \Rightarrow \frac{dR^2}{dt} = - 4\alpha GM.\] Po scałkowaniu lewej strony od początkowej wartości \(R_0^2\) do 0, a prawej od 0 do \(t\) – czasu spadku na Słońce, otrzymujemy: \[R_0^2 = \frac{4\alpha GMt}{c}.\] Skorzystajmy ze związku zawierającego rok ziemski \(T\): \({GM/R_0^2 = 4\pi^2R_0/T^2}.\) Otrzymamy wówczas: \[t = \frac{cT^2}{16\pi^2\alpha R_0} = 3{,}99\cdot 10^3 T,\] czyli około 4 tysiące lat.

Warunki zadania (\(\alpha = 0{,}1\)) spełnia cząstka piasku o gęstości \(\rho = 2{,}65\) g/cm\(^3\) i średnicy \(d \approx 4{,}3\cdot 10^{-6}\) m.

Przedstawione tu zjawisko to tzw. efekt Poyntinga–Robertsona.