2014 dxdy logo

Научный форум dxdy

Математика, Физика, Computer Science, Machine Learning, LaTeX, Механика и Техника, Химия,
Биология и Медицина, Экономика и Финансовая Математика, Гуманитарные науки




Начать новую тему Ответить на тему
 
 Полупериметр короче диагонали?!
Сообщение11.08.2011, 11:04 


01/10/10

2116
Израиль (племянница БизиБивера)
Четырёхугольник вписан в прямоугольник следующим образом: на каждой из сторон прямоугольника лежит одна и только одна вершина четырёхугольника.
Может ли полупериметр четырёхугольника быть короче диагонали прямоугольника?

 Профиль  
                  
 
 Re: Полупериметр короче диагонали?!
Сообщение11.08.2011, 14:47 
Аватара пользователя


09/08/11
137
СПб
Не может. Сравните периметр четырехугольника с суммой его диагоналей (как для внутреннего четырехугольника, так и для внешнего прямоугольника) и сравните диагонали четырёхугольника со сторонами прямоугольника.

 Профиль  
                  
 
 Re: Полупериметр короче диагонали?!
Сообщение14.08.2011, 18:39 
Аватара пользователя


02/03/08
176
Netherlands
AlexValk в сообщении #474870 писал(а):
Не может. Сравните периметр четырехугольника с суммой его диагоналей (как для внутреннего четырехугольника, так и для внешнего прямоугольника) и сравните диагонали четырёхугольника со сторонами прямоугольника.

AlexValk, хорошее решение, но получается сравнение диагонали прямоугольника со всем периметром четырёхугольника.

 Профиль  
                  
 
 Re: Полупериметр короче диагонали?!
Сообщение15.08.2011, 11:45 
Аватара пользователя


09/08/11
137
СПб
Шутить изволите, Dimoniada. Конечно написал чушь собачью - невнимательно прочитал условие. Но ведь в главном я, все-таки, прав – ответ-то у меня верный! :-)

Вот "нормальное" решение.

Кратко:
В силу “принципа Ферма” вписанный в прямоугольник четырехугольник с минимальным периметром является параллелограммом. Полупериметр вписанного параллелограмма равен диагонали прямоугольника.

Подробно:
1. Основа решения - следующая знаменитая (хотя и простая) задача: Найти на прямой точку, сумма расстояний от которой до двух фиксированных точек (лежащих по одну сторону от нее) минимальна. Ответ может быть сформулирован так: искомая точка удовлетворяет условию "угол падения равен углу отражения".
(Этой задачей обычно на основе элементарной геометрии иллюстрируют общий принципа Ферма http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%80%D0%B8%D0%BD%D1%86%D0%B8%D0%BF_%D0%A4%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%B0. Доказательство основано на методе отражения, и изложено, например, в http://kvant.mccme.ru/pdf/2003/04/39.pdf, Пример 1.)
2. Следствие: Пусть одна из вершин четырехугольника фиксирована на стороне прямоугольника. Тогда выбор трех остальных вершин (лежащих на трех других сторонах прямоугольника) таким образом, чтобы получился четырехугольник минимального периметра, равносилен выполнению условия «угол падения равен углу отражения» в каждой из четырех вершин четырехугольника по отношению к соответствующей стороне прямоугольника.
Физическая аналогия: Траектория луча света (или бильярдного шара), запускаемого из любой точки на стороне прямоугольника, после трех отражений от других сторон прямоугольника и вернувшегося в исходную точку. Нетрудно видеть, что эта траектория будет периодической.
3. Другими словами, четырехугольник, обладающий минимальным периметром – вписанный параллелограмм. Ну а полупериметр вписанного в прямоугольник параллелограмма равен диагонали прямоугольника. Все остальные вписанные четырехугольники, отличающиеся от параллелограммов, имеют, естественно, больший полупериметр. (Периметр произвольного, вписанного в прямоугольник параллелограмма можно найти как несложным тригонометрическим расчетом, так и на основе чисто геометрических соображений).

Обсуждение.
Для придания изложенному решению полной строгости отметим два момента:
Проблема вырождения. Что, если первая из вершин вписанного четырехугольника попадает в вершину прямоугольника? Эта проблема разрешается рассмотрением двух «бесконечно близких» вершин четырехугольника на смежных сторонах прямоугольника вместо одной вырожденной. Принцип «угол падения равен углу отражения» работает и здесь. В результате минимальный по периметру вырожденный «четырехугольник» будет вырожденным «параллелограммом», совпадающим с диагональю прямоугольника. Таким образом, он имеет тот же самый полупериметр, что и любой невырожденный вписанный параллелограмм.
Проблема существования. Фактически принцип «угол падения равен углу отражения» позволил нам утверждать следующее: если во вписанном четырехугольнике хотя бы на одной стороне не выполнено условие «угол падения равен углу отражения», то немного подвигая эту вершину периметр можно уменьшить, а значит, такой четырехугольник не является минимальным по периметру. А периметр вписанного параллелограмма улучить оказалось невозможным, откуда и был сделан вывод о минимуме его периметра.
Эта аргументация предполагает с самого начала существование (хотя бы одного) вписанного четырехугольника минимального периметра (на самом деле, мы утверждаем, что их оказалось бесконечно много). Строгое доказательство существования опирается здесь на теорему Кантора (Вейерштрасса) о достижении экстремума непрерывной функции [в данном случае – периметра] на компактном множестве [в данном случае – на замкнутом, ограниченном множестве вершин вписанных четырехугольников в четырехмерном пространстве]. Для замкнутости этого множества и требуется включение в него вырожденных ситуаций, а ограниченность множества очевидна, т.к. вершины четырехугольника находятся на сторонах (ограниченного) прямоугольника.

==============
Вообще используемая в изложенном выше решении аргументация по сути идентична аргументации Зенодора-Штейнера в решении задачи Дидоны, и имеет те же проблемы с обоснованием. Круг этих вопросов обсуждается, например, в книге Тихомирова из библиотечки Кванта «Рассказы о максимумах и минимумах».

 Профиль  
                  
 
 Re: Полупериметр короче диагонали?!
Сообщение15.08.2011, 12:55 
Заслуженный участник


20/12/10
8858
AlexValk в сообщении #475416 писал(а):
Ну а полупериметр вписанного в прямоугольник параллелограмма равен диагонали прямоугольника.
Это верно только если вершины параллелограмма приходятся на середины сторон прямоугольника. Иначе больше.

 Профиль  
                  
 
 Re: Полупериметр короче диагонали?!
Сообщение15.08.2011, 13:07 


14/01/11
2918
nnosipov в сообщении #475427 писал(а):
AlexValk в сообщении #475416 писал(а):
Ну а полупериметр вписанного в прямоугольник параллелограмма равен диагонали прямоугольника.
Это верно только если вершины параллелограмма приходятся на середины сторон прямоугольника. Иначе больше.


Верно, если стороны параллелограмма параллельны диагоналям прямоугольника, я бы сказал.

 Профиль  
                  
 
 Re: Полупериметр короче диагонали?!
Сообщение15.08.2011, 13:13 
Заслуженный участник


20/12/10
8858
Sender в сообщении #475430 писал(а):
Верно, если стороны параллелограмма параллельны диагоналям прямоугольника, я бы сказал.

Вы правы :-)

 Профиль  
                  
 
 Re: Полупериметр короче диагонали?!
Сообщение15.08.2011, 17:02 
Аватара пользователя


09/08/11
137
СПб
Конечно. Я поторопился сформулировать как выглядит четырехугольник с минимальным периметром в п 3. Условие параллельности сторон четырехугольника диагоналям прямоугольника - явное следствие принципа "угол падения равен углу отражения". В свое оправдание скажу, что считал я периметр именно такого, а не произвольного вписанного параллелограмма (надо было вместо слов привести чертеж).

Пункт 3 в моем решении следует переписать так:
3. Другими словами, четырехугольник, обладающий минимальным периметром – вписанный параллелограмм со сторонами параллельными диагоналям прямоугольника. Ну а полупериметр такого параллелограмма равен диагонали прямоугольника. Все остальные вписанные четырехугольники имеют, естественно, больший полупериметр. (Периметр такого параллелограмма можно найти как несложным тригонометрическим расчетом, так и на основе чисто геометрических соображений).

 Профиль  
                  
 
 Re: Полупериметр короче диагонали?!
Сообщение15.08.2011, 17:47 
Аватара пользователя


02/03/08
176
Netherlands
Да, теперь всё правильно. Я нисколько не шутила, а думала уже известно более короткое решение... Самое короткое, которое я знаю и которое сразу всё объясняет (почему параллелограмм) - это сравнение длины ломанной (полупериметр) и отрезка (диагональ), приведенное на рис.:
Изображение

 Профиль  
                  
 
 Re: Полупериметр короче диагонали?!
Сообщение16.08.2011, 23:56 
Аватара пользователя


09/08/11
137
СПб
Dimoniada, да - очень красиво! Что-то напоминает - возможно, когда-то встречал, но забыл. Это тут же навеяло альтернативный вариант :D :
Изображение.

Единственный недостаток таких красивых решений - неуниверсальность. Подход, основанный на принципе Ферма не так красив, но работает и в других задачах на нахождение минимальных длин ломаных, например, найти треугольник с минимальным периметром, вписанный в заданный остроугольный треугольник и т.д.

 Профиль  
                  
Показать сообщения за:  Поле сортировки  
Начать новую тему Ответить на тему  [ Сообщений: 10 ] 

Модераторы: Модераторы Математики, Супермодераторы



Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей


Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете добавлять вложения

Найти:
Powered by phpBB © 2000, 2002, 2005, 2007 phpBB Group