Задача из журнала «Квант» (1987 год, выпуск 12)

Пусть [latex]p_{n}\left(k\right)[/latex]  — число перестановок множества из [latex] n (n \geq 1) [/latex] элементов, имеющих ровно $k$ неподвижных точек. Докажите, что:

1. [latex] \sum\limits_{k=0}^n k \cdot p_{n}\left(k\right) = 0 \cdot p_{n}\left(0\right)+1 \cdot p_{n}\left(1\right)+\ldots+n \cdot p_{n}\left(n\right) = n![/latex]
2. [latex] \sum\limits_{k=0}^n \left(k-1\right)^2 \cdot p_{n}\left(k\right) = n![/latex]

Примечание

Перестановкой конечного множества $S$ называется взаимно однозначное отображение $f$ множества $S$ на себя; число всех перестановок множества из $n$ элементов равно [latex] n! = 1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot n [/latex]

Доказательство

1. Заметим прежде всего, что $$\begin{equation}
   \sum\limits_{k=0}^n p_{n}\left(k\right) = n!,
   \end{equation}
   $$ так как в левой части стоит суммарное число перестановок, имеющих $0,1,\ldots,n$ неподвижных точек, т.е. просто число всех перестановок. Теперь докажем, что при $1 \leqslant k \leqslant n$ $$\begin{equation}
   k \cdot p_{n}\left(k\right) = n \cdot p_{n-1} \cdot \left(k-1\right),
   \end{equation}
   $$ считая, что $p_{0}\left(0\right) = 1 $. Для этого подсчитаем двумя способами число $N$ пар $\left(f,i\right)$, где $f$ — произвольная перестановка $n$ элементов с $k$ неподвижными точками, а $i$ — любая из этих точек $f\left(i\right)=i$. С одной стороны, каждая из этих $p_{n}\left(k\right)$ перестановок входит в $k$ пар, поэтому $N=k \cdot p_{n}\left(k\right)$. Суммируя равенства (2) по $k = 1,\ldots,n$ и учитывая (1) ( с заменой $n$ на $n-1$), получим $$\sum\limits_{k=0}^n k \cdot p_{n}\left(k\right) = n \cdot \sum\limits_{k=1}^n p_{n-1}\left(k-1\right) = n \cdot \left(n-1\right)! = n!$$
2. Докажем сразу более общее тождество $$\begin{equation}
   s\left(n,m\right) = \sum\limits_{k=m}^n \frac {k!}{\left(k-m\right)!} \cdot p_{n}\left(k\right) = n!
   \end{equation}$$ $n \gneq m$, $m = 0,1,2,…$ (по определению, $0!=1$). При $m=0$ оно совпадает с (1), при $m=1$ — с утверждением 1, а при $m=2$ эквивалентно 2, поскольку $$ \begin{multline*} \sum\limits_{k=0}^n \left(k-1\right)^2 \cdot p_{n}\left(k\right) = \sum\limits_{k=0}^n k \cdot \left(k-1\right) \cdot p_{n}\left(k\right) — \sum\limits_{k=0}^n k \cdot p_{n}\left(k\right)+{}\\{}+\sum\limits_{k=0}^n p_{n}\left(k\right) = s\left(n,2\right)-s\left(n,1\right)+s\left(n,0\right). \end{multline*} $$
   Из тождества (2) следует, что при $1\le m\le n\le k$ $$ \begin{multline*} \frac {k!}{\left(k-m\right)!} \cdot p_{n}\left(k\right) = k \cdot \left(k-1\right) \cdot \ldots \cdot \left(k-m+1\right) \cdot p_{n}\left(k\right) = {}\\ {}=n \cdot \left(k-1\right) \cdot \ldots \cdot \left(k-m+1\right) \cdot p_{n-1}\left(k-1\right) = {}\\ {} = n \cdot \left(n-1\right) \cdot \left(k-2\right) \cdot \ldots \cdot \left(k-m+1\right) \cdot p_{n-2}\left(k-2\right)= {}\\ {} = n \cdot \left(n-1\right) \cdot \ldots \cdot (n-m+1) \cdot p_{n-m}\left(k-m\right)= {}\\ {} = \frac {n!}{\left(n-m\right)!} \cdot p_{n-m}\left(k-m\right). \end{multline*} $$ Суммируем эти равенства по $k = 1,\ldots,n$: $$s\left(n,m\right)=\frac {n!}{\left(n-m\right)!} \cdot s\left(n-m,0\right) = n! $$
   Другое доказательство $(3)$ можно получить из почти очевидного соотношения $p_{n}\left(k\right) = C^k_{n} \cdot p_{n-k}\left(0\right)$, где $C^k_{n} = \frac {n!}{k! \left(n-k\right)!}$ — число $k$ -элементных подмножеств множества из $n$ элементов (число сочетаний).

Задача из журнала «Квант» (1991 год, выпуск 8)

На сторонах $AB$, $BC$ и $CA$ треугольника $ABC$ как на основаниях вне его построены треугольники $ABC_{1}$, $BCA_{1}$, $CAB_{1}$, у каждого из которых отношение высоты к основанию равно $k$. Такие же треугольники $ABC_{2}$, $BCA_{2}$ и $CAB_{2}$ построены и по другую (внутреннюю) сторону от оснований. Докажите, что площади $S$, $S_{1}$ и $S_{2}$ треугольников $ABC$, $A_{1}B_{1}C_{1}$ и $A_{2}B_{2}C_{2}$ связаны соотношением $$S_{1} \pm S_{2} = S \cdot \left(\frac12 + 6k^2\right) $$ (знак «$+$» или «$-$» зависит от ориентации треугольника $A_{2}B_{2}C_{2}$ по отношению к $ABC$).

Доказательство

Вершины треугольников с площадями $S_{1}$ и $S_{2}$ лежат на серединных перпендикулярах к сторонам треугольника $ABC$, проходящих через центр $O$ его описанной окружности. Если обозначить через $R$ радиус этой окружности, а через $\alpha$, $\beta$, $\gamma$ — углы треугольника $ABC$, то из рис.1 видно, что, поскольку синусы углов между перпендикулярами равны синусам углов между соответствующими сторонами, то $$ 2S_{1} = OA_{1} \cdot OB_{1} \cdot \sin \gamma + OB_{1} \cdot OC_{1} \cdot \sin \alpha + OC_{1} \cdot OA_{1} \cdot \sin \beta . $$

Пусть $t$ — тангенс угла наклона стороны равнобедренного треугольника к основанию $(t = 2 \cdot k)$. Тогда отрезки от $O$ до вершин легко выразить через радиус $R$ и получить, что $$\begin{multline} \frac{2S_1}{R^2} = \left(\cos \alpha + t \sin \alpha \right) \cdot \left( \cos \beta + t \sin \beta \right) \cdot \sin \gamma + {} \\\\ {} + \left( \cos \beta+ t \sin \beta \right) \cdot \left( \cos \gamma+ t \sin \gamma \right) \cdot \sin \alpha + {} \\\\ {} + \left(\cos \gamma+ t \sin \gamma \right) \cdot \left( \cos \alpha+ t \sin \alpha \right) \cdot \sin \beta.\end{multline}$$
Отношение же $\frac{ 2S_{2} }{R^2}$ (для случая, изображенного на рис.1) равно аналогичному выражению, где вместо $t$ стоит $-t$. Сложив оба эти выражения и раскрыв скобки, мы увидим, что коэффициент при $t^1$ равен $0$, коэффициент при $t^2$ равен $6 \cdot \sin \alpha \cdot \sin \beta \cdot \sin \gamma$, а свободный член (здесь нужно использовать равенство $\alpha + \beta + \gamma = \pi$, откуда $ \cot \alpha \cdot \cot \beta + \cot \beta \cdot \cot \gamma + \cot \alpha \cdot \cot \gamma = 1$) равен $2 \cdot \sin \alpha \cdot \sin \beta \cdot \sin \gamma$. По известной формуле $S = \frac{abc}{4R}$, выражающей площадь $S$ через стороны $a$, $b$, $c$ и радиус описанной окружности $R$, $$2 \cdot \sin \alpha \cdot \sin \beta \cdot \sin \gamma = 2\frac{abc}{8R^3} = \frac{S}{R^2}$$
Откуда получаем нужную формулу $$\begin{equation} S_{1} + S_{2} = \frac{1+3t^2}{2} S = S \cdot \left(\frac12 + 6k^2\right) \end{equation} $$.
Эти рассуждения необходимо несколько уточнить, чтобы они оказались применимы не только для случая, изображенного на рис.1, но и для случая, когда внутренние треугольники налегают друг на друга, в частности, когда $A_{2}B_{2}C_{2}$ имеет противоположную ориентацию. Вместо этого мы посмотрим на наши рассуждения с более общей точки зрения.
Верен такой общий факт: если три точки $K$, $L$ и $M$ с постоянными скоростями движутся по трем прямым, то площадь ориентированного треугольника $KLM$ как функция,зависящая от времени $t$, выражается квадратным трехчленом от $t:S = F\left(t\right)$. Легко доказать это, например, с помощью метода координат (формула ориентированной площади треугольника с вершинами $\left(x_1, y_1\right)$, $\left(x_2, y_2\right)$, $\left(x_3, y_3\right)$ выглядит так: $$ S = \frac{x_1 y_2 — x_2 y_1 + x_2 y_3 — x_1 y_2 + x_3 y_1 — x_1 y_3}{2}.$$ Ясно, что если каждая координата выражается линейной функцией от $t$, то $S$ — квадратный трёхчлен от $t$).
Будем считать, что при $t=0$ наши точки совпадают с серединами сторон треугольника $ABC$ и двигаются по серединным перпендикулярам (при $t>0$ во внешнюю сторону) со скоростями, пропорциональными длинам $a$, $b$, $c$ соответствующих сторон треугольника: при некотором $t$ они занимают положения $A_{1}$, $B_{1}$, $C_{1}$, а при противоположном значении $\left(-t\right)$ — положения $A_{2}$, $B_{2}$, $C_{2}$. Нас интересует сумма $F\left(t\right)+F\left(-t\right)$, то есть свободный и старший (содержащий $t^2$) члены $F\left(t\right)$, которые по сущетсув мы и вычисляли выше (1).
Интересно заметить, однако, что они имеют геометрический смысл, так что можно найти их без вычислений. Свободный член $F\left(0\right)$ — это $\frac{S}{4}$ (площадь треугольника из средних линий $ABC$). Чтобы найти старший коэффициент, — он определяется как отношение площади $S_{1}$ к $t^2$ в пределе при $t$ стремящемся к бесконечности, — заметим, что при очень большом $t$ треугольник $ABC$ можно считать «почти точкой» $O$. При этом векторы $OA_{1}$, $OB_{1}$, $OC_{1}$ перпендикулярны соответствующим сторонам треугольника и им пропорциональны ( с коэффициентом $k=\frac{t}{2}$ ). Сумма этих векторов $OA_{1}$, $OB_{1}$ и $OC_{1}$ равна нулю (как и векторов, образующих стороны треугольника), то есть они служат отрезками медиан треугольника $A_{1}B_{1}C_{1}$, причем последний по площади в 3 раза больше треугольника $A_{1}OD$ (рис.2), подобного $ABC$ с коэффициентом $k$. Отсюда ясно, что старший член $F\left(t\right)$ имеет вид $3 k^2 \cdot S = 3 \frac{t^2 \cdot S}{4}$.

Итак, $F\left(t\right) = \frac {S \left(1+ \ldots +3 t^2\right)}{4}$, откуда следует нужная формула (2) для $S_1 \pm S_2 = F\left(t\right)+F\left(-t\right)$.
Отметим интересные частные случаи нашей формулы: если на сторонах строятся правильные треугольники, то $t = \sqrt{3}$, так что $S_1 \pm S_2 = 5S$; если равнобедренные прямогульные, то $-t = 1$ и $S_1 \pm S_2 = 2S$; а если $t = \frac{\sqrt{3}}{6}$ (при этом новые точки — центры правильных треугольников, построенных на сторонах), то $S_1 \pm S_2 = S$.

Задача из журнала «Квант» (2000 год, 2 выпуск)

Условие

Докажите, что уравнение [latex]\displaystyle \bigl (\frac{\sin\: x}{x} \bigm) ^\beta  = \cos x [/latex] на [latex] \displaystyle \bigl(0;\frac{\pi}{2} \bigm)[/latex] не имеет решений при [latex] \beta \leqslant 3 [/latex], но имеет единственное решение при [latex]\beta  > 3 [/latex].

Решение

Такие задачи обычно сводятся к исследованию функции с помощью производных. Трудность состоит в том, чтобы суметь удачно выбрать исследуемую функцию.
Исследование уравнения задачи мы начнем с очевидного замечания: при [latex] \beta \leqslant 0 [/latex] оно решений не имеет. В самом деле, поскольку [latex] \sin x < x [/latex] при [latex]x > 0 [/latex], то при [latex] \beta \leqslant 0 [/latex] на всем интервале  [latex] \displaystyle \bigl(0;\frac{\pi}{2} \bigm)[/latex] выполнено неравенство [latex]\displaystyle \bigl (\frac{\sin \: x}{x} \bigm) ^\beta \geqslant 1  [/latex].
Пусть [latex] \beta > 0 [/latex] . Заметим, что функция   [latex] \displaystyle \bigl (\frac{\sin\: x}{x} \bigm) ^\beta  — \cos\: x [/latex] обращается в ноль в тех же точках интервала [latex] \displaystyle \bigl(0;\frac{\pi}{2} \bigm),[/latex] что и функция $$ \displaystyle f(x) = \sin \:x \: \cos^{ \gamma} x — x,$$ где [latex]\gamma =- \frac{1}{\beta}< 0[/latex].
Изучим поведение [latex] f(x)[/latex] на полуинтервале [latex] \displaystyle \lbrack 0;\frac{\pi}{2} \bigm)[/latex]. Имеем: [latex]f(0)=0[/latex], [latex]f'(0)=0[/latex], [latex]f(x) \to +\infty[/latex] при [latex]\displaystyle x \to \frac{\pi}{2}[/latex] . Далее, [latex]f»(x)=-\sin\:x \cdot \phi(x)[/latex], где $$\phi(x) = (1+\gamma)^{2}\: \cos^{\gamma}\:x — \gamma(\gamma-1) \cos^{\gamma-2}x$$.
Заметим, что [latex] \phi(x)[/latex] имеет на  [latex]\displaystyle \bigl(0;\frac{\pi}{2} \bigm)[/latex] не более одного корня. Найдем знак функции [latex] \phi(x)[/latex] в окрестности нуля. Функция [latex] \phi(x)[/latex] положительна в некоторой окрестности точки [latex] 0[/latex] , если
$$\gamma(\gamma-1) < (1+\gamma)^{2},\\
2\gamma + 1 > -\gamma,\\
1 > -3\gamma,\beta>3.$$

Легко видеть, что при [latex] 0 <\beta \leqslant 3[/latex] на всем интервале  [latex]\displaystyle \bigl(0;\frac{\pi}{2} \bigm)[/latex] выполняется неравенство [latex] \phi(x) < 0[/latex].
Теперь мы знаем ход изменений функции  [latex] f(x)[/latex] на рассматриваемом интервале (рис. а и б). Тем самым утверждение задачи доказано.

Замечание. На рисунках в и г изображены графики функции  [latex] f(x)[/latex] при  [latex] \beta < 0 [/latex] ; полезно проследить за изменением вида этого графика при изменении числа [latex] \beta [/latex] от  [latex] 0 [/latex] до  [latex] +\infty [/latex], а затем от [latex] 0 [/latex] до [latex] -\infty [/latex].