Historické extremální úlohy

Podobné dokumenty
Extremální úlohy v geometrii

Matematika 1 MA1. 1 Analytická geometrie v prostoru - základní pojmy. 4 Vzdálenosti. 12. přednáška ( ) Matematika 1 1 / 32

Shodná zobrazení. bodu B ležet na na zobrazené množině b. Proto otočíme kružnici b kolem

Extrémy funkce dvou proměnných

Mgr. Ladislav Zemánek Maturitní okruhy Matematika Obor reálných čísel

MATURITNÍ TÉMATA Z MATEMATIKY

6. ANALYTICKÁ GEOMETRIE

MATEMATIKA 5. TŘÍDA. C) Tabulky, grafy, diagramy 1 - Tabulky, doplnění řady čísel podle závislosti 2 - Grafy, jízní řády 3 - Magické čtverce

49. roënìk matematickè olympi dy, III. kolo kategorie A. BÌlovec, 9.ñ12. dubna 2000

3) Vypočtěte souřadnice průsečíku dané přímky p : x = t, y = 9 + 3t, z = 1 + t, t R s rovinou ρ : 3x + 5y z 2 = 0.

(4x) 5 + 7y = 14, (2y) 5 (3x) 7 = 74,

Cvičné texty ke státní maturitě z matematiky

Projekt OPVK - CZ.1.07/1.1.00/ Matematika pro všechny. Univerzita Palackého v Olomouci

Tematický plán Obor: Informační technologie. Vyučující: Ing. Joanna Paździorová

CVIČNÝ TEST 13. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Zdeňka Strnadová. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 15 IV. Záznamový list 17

11. VEKTOROVÁ ALGEBRA A ANALYTICKÁ GEOMETRIE LINEÁRNÍCH ÚTVARŮ. u. v = u v + u v. Umět ho aplikovat při

Obsah. Metodický list Metodický list Metodický list Metodický list

Matematika PRŮŘEZOVÁ TÉMATA

Odvození středové rovnice kružnice se středem S [m; n] a o poloměru r. Bod X ležící na kružnici má souřadnice [x; y].

Důkazy vybraných geometrických konstrukcí

Maturitní témata profilová část

Gymnázium Česká a Olympijských nadějí, České Budějovice, Česká 64, 37021

Modelové úlohy přijímacího testu z matematiky

Výukový materiál zpracovaný v rámci projektu Výuka moderně Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/

Úlohy klauzurní části školního kola kategorie A

Modelové úlohy přijímacího testu z matematiky

1 Analytická geometrie

19 Eukleidovský bodový prostor

Úlohy domácího kola kategorie B

JAK NA HYPERBOLU S GEOGEBROU

( ) Příklady na středovou souměrnost. Předpoklady: , bod A ; 2cm. Př. 1: Je dána kružnice k ( S ;3cm)

CVIČNÝ TEST 9 OBSAH. Mgr. Václav Zemek. I. Cvičný test 2 II. Autorské řešení 5 III. Klíč 17 IV. Záznamový list 19

Rozpis výstupů zima 2008 Geometrie

Úlohy domácí části I. kola kategorie C

Zajímavé matematické úlohy

Úlohy domácího kola kategorie B

TROJÚHELNÍK 180. Definice. C neleží v přímce. Potom trojúhelníkem ABC nazveme průnik polorovin ABC, BCA, Nechť body. Viz příloha: obecny_trojuhelnik

Matematika I 12a Euklidovská geometrie

Maturitní okruhy z matematiky - školní rok 2007/2008

A[a 1 ; a 2 ; a 3 ] souřadnice bodu A v kartézské soustavě souřadnic O xyz

CZ 1.07/1.1.32/

Přijímací zkouška na MFF UK v Praze

Hledáme lokální extrémy funkce vzhledem k množině, která je popsána jednou či několika rovnicemi, vazebními podmínkami. Pokud jsou podmínky

Nezbytnou součástí ústní zkoušky je řešení matematických příkladů, které student obdrží při zadání otázky.

MATEMATIKA Maturitní témata společná část MZ základní úroveň (vychází z Katalogu požadavků MŠMT)

SHODNÁ ZOBRAZENÍ V ROVINĚ

Analytická geometrie ( lekce)

SOUŘADNICE BODU, VZDÁLENOST BODŮ

( ) ( ) 6. Algebraické nerovnice s jednou neznámou ( ) ( ) ( ) ( 2. e) = ( )

APLIKACE. Poznámky Otázky

Kapitola 5. Seznámíme se ze základními vlastnostmi elipsy, hyperboly a paraboly, které

Úterý 8. ledna. Cabri program na rýsování. Základní rozmístění sad nástrojů na panelu nástrojů

Trojúhelník. MATEMATIKA pro 1. ročníky tříletých učebních oborů. Ing. Miroslav Čapek srpen 2011

s dosud sestrojenými přímkami a kružnicemi. Abychom obrázky nezaplnili

11. VEKTOROVÁ ALGEBRA A ANALYTICKÁ GEOMETRIE LINEÁRNÍCH ÚTVARŮ

February 05, Čtyřúhelníky lichoběžníky.notebook. 1. Vzdělávací oblast: Matematika a její aplikace

6 Skalární součin. u v = (u 1 v 1 ) 2 +(u 2 v 2 ) 2 +(u 3 v 3 ) 2

Maturitní otázky z předmětu MATEMATIKA

Maturitní témata z matematiky

ICT podporuje moderní způsoby výuky CZ.1.07/1.5.00/ Matematika planimetrie. Mgr. Tomáš Novotný

Úlohy klauzurní části školního kola kategorie B

Zajímavé matematické úlohy

ANALYTICKÁ GEOMETRIE V ROVINĚ

55. ročník matematické olympiády

Úlohy domácí části I. kola kategorie B

Definice Tečna paraboly je přímka, která má s parabolou jediný společný bod,

SBÍRKA ÚLOH I. Základní poznatky Teorie množin. Kniha Kapitola Podkapitola Opakování ze ZŠ Co se hodí si zapamatovat. Přírozená čísla.

VZOROVÉ PŘÍKLADY Z MATEMATIKY A DOPORUČENÁ LITERATURA pro přípravu k přijímací zkoušce studijnímu oboru Nanotechnologie na VŠB TU Ostrava

ÚSTAV MATEMATIKY A DESKRIPTIVNÍ GEOMETRIE. Matematika I/1 BA06. Cvičení, zimní semestr

11 Vzdálenost podprostorů

Požadavky na konkrétní dovednosti a znalosti z jednotlivých tematických celků

Řešení geometrické úlohy spočívá v nalezení geometrického útvaru (útvarů) daných vlastností.

CVIČNÝ TEST 40. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Tomáš Kotler. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 13 IV. Záznamový list 15

ÚSTAV MATEMATIKY A DESKRIPTIVNÍ GEOMETRIE. Matematika 0A1. Cvičení, zimní semestr. Samostatné výstupy. Jan Šafařík

[obr. 1] Rozbor S 3 S 2 S 1. o 1. o 2 [obr. 2]

POŽADAVKY pro přijímací zkoušky z MATEMATIKY

Mgr. Tomáš Kotler. I. Cvičný test 2 II. Autorské řešení 7 III. Klíč 15 IV. Záznamový list 17

MATEMATIKA STUDIJNÍ POŽADAVKY PRO JEDNOTLIVÉ ROČNÍKY STUDIA

Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora

Mgr. Tomáš Kotler. I. Cvičný test 2 II. Autorské řešení 6 III. Klíč 15 IV. Záznamový list 17

2. ANALYTICKÁ GEOMETRIE V PROSTORU Vektory Úlohy k samostatnému řešení... 21

Učební plán 4. letého studia předmětu matematiky. Učební plán 6. letého studia předmětu matematiky

61. ročník matematické olympiády III. kolo kategorie A. Hradec Králové, března 2012

Internetová matematická olympiáda listopadu 2008

Systematizace a prohloubení učiva matematiky. Učebna s dataprojektorem, PC, grafický program, tabulkový procesor. Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora

Vzorce počítačové grafiky

CVIČNÝ TEST 49. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Tomáš Kotler. II. Autorské řešení 5 III. Klíč 13 IV. Záznamový list 15

Pracovní listy MONGEOVO PROMÍTÁNÍ

64. ročník matematické olympiády Řešení úloh krajského kola kategorie A

Rovnice přímky. s = AB = B A. X A = t s tj. X = A + t s, kde t R. t je parametr. x = a 1 + ts 1 y = a 2 + ts 2 z = a 3 + ts 3. t R

Analytická geometrie lineárních útvarů

Diferenciální počet 1 1. f(x) = ln arcsin 1 + x 1 x. 1 x 1 a x 1 0. f(x) = (cos x) cosh x + 3x. x 0 je derivace funkce f(x) v bodě x0.

M - Pythagorova věta, Eukleidovy věty

Euklidovský prostor. Euklides. Euklidovy postuláty (axiomy)

Matematická analýza III.

B) výchovné a vzdělávací strategie jsou totožné se strategiemi vyučovacího předmětu Matematika.

ANALYTICKÁ GEOMETRIE LINEÁRNÍCH ÚTVARŮ V ROVINĚ

Požadavky k opravným zkouškám z matematiky školní rok

67. ročník matematické olympiády III. kolo kategorie A. Přerov, března 2018

CVIČNÝ TEST 36. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Tomáš Kotler. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 15 IV. Záznamový list 17

Transkript:

Historické extremální úlohy Pavlína Račková Univerzita obrany, Fakulta vojenských technologií, Katedra matematiky a fyziky e-mail: pavlinarackova@unobcz bstrakt V článku jsou uvedeny některé historické extremální úlohy od dob antiky až do 18 století, které řešili významní matematici, a po nichž jsou tyto úlohy pojmenovány Většina z nich je z geometrie a každá je řešena originálním způsobem, protože obecné postupy řešení extremálních úloh nebyly ještě známy Extremální úlohy najdeme v pracích řady antických matematiků, jako např u Eukleida 1, rchiméda 2, pollónia, Héróna 4 a dalších Většina antických extremálních úloh byla geometrického charakteru, ale jen částečně byly odůvodněny praktickými potřebami Pravděpodobně základním předpokladem pro jejich vznik bylo přání ukázat krásu samotné geometrie Se zánikem antické civilizace zaniká v Evropě vědecká činnost přibližně až do 15 století Od 16 století se pak kromě geometrických úloh začínají objevovat i algebraické extremální úlohy ž do 17 století nebyly vypracovány žádné obecné metody pro řešení extremálních úloh, ale každá úloha se řešila speciálně pro ni vypracovanou metodou Teprve J Kepler 5 formuluje první obecná pravidla pro řešení extremálních úloh Ukažme zde několik úloh z děl antických matematiků a matematiků 17 a 18 století Příklad 1 (Eukleidova úloha) Do daného trojúhelníku vepište rovnoběžník DEF největšího obsahu Řešení Vrcholy D, E, F hledaného rovnoběžníku jsou středy příslušných stran daného trojúhelníku (obr 1) Důkaz lze provést několika způsoby, např lze dokázat, že obsahy rovnoběžníků D DGE a F HE F jsou stejné Odtud plyne, že obsah rovnoběžníku DEF je menší než obsah rovnoběžníku D E F, neboť obsah rovnoběžníku D E F je roven obsahu obrazce DGE HF obsahujícího rovnoběžník DEF Příklad 2 (Zobecněná Eukleidova úloha) Na libovolně zvolené stěně čtyřstěnu zvolte bod, kterým veďte roviny rovnoběžné se zbývajícími stěnami od zvolte tak, aby objem vzniklého rovnoběžnostěnu byl maximální viz obr 2 Řešení Označme vrcholy čtyřstěnu,,, D, hledaný bod X Umístěme tento čtyřstěn v souřadnicové soustavě tak, že pro souřadnice vrcholů platí = [0, 0, 0], = [x 1, y 1, 0], = [0, y 2, 0], D = [x, y, z ] Pro souřadnice bodu X platí X = [x 0, y 0, z 0 ] ez újmy na obecnosti předpokládejme, že bod X leží ve stěně D Potom platí x 0 (0, x ), y 0 ( y x x 0, y y 2 x x 0 + y 2 ), 1 Eukleides z lexandrie (asi 40 278 př n l) starořecký matematik, zabýval se geometrií, optikou a teorií hudby 2 rchimédés ze Syrakús (asi 287 212 př n l) starořecký matematik, mechanik, fyzik, astronom a konstruktér pollónios z Pergy (asi 260 190 př n l) starořecký matematik a astronom, autor prací o kuželosečkách 4 Hérón z lexandrie (asi 1 st n l) starořecký matematik a mechanik, odvodil obsahy a objemy některých geometrických útvarů v rovině a v prostoru 5 Johannes Kepler (1571 160) německý matematik a astronom, provedl řadu výpočtů objemů těles (zejména kubatur sudů)

D E G D H E F F Obr 1: z 0 = z x x 0 Dále označme těžiště stěny D jako T, jeho souřadnice jsou T = [ x Stanovíme rovnici roviny z = 0 a vzdálenost bodu X od roviny Dále stanovíme rovnici roviny D vzdálenost bodu X od roviny D d 1 = z 0 = z x x 0 y 1 z x x 1 z y + (x 1 y x y 1 )z = 0, d 2 = x 1z (y x 0 x y 0 ), kde = x y 2 1 z 2 + x2 1 z2 + (x 1y x y 1 ) 2, rovnici roviny D (y 1 y 2 )z x x 1 z y + (x 1 y x 1 y 2 x y 1 + x y 2 )z + x 1 y 2 z = 0 a vzdálenost bodu X od roviny D d = x 1z [ (y y 2 )x 0 x 0 y 0 + x y 2 ], y 2+y, z ] Objem rovnoběžnostěnu je funkcí součinu délek jeho hran l 1 l 2 l Plocha podstavy je funkcí součinu délek jejích stran l 2 l (l 2 l = k 2 d 2 k d ), tedy P = Kd 2 d = ( x1 z ) 2(y = K x 0 x y 0 ) [ ] (y y 2 )x 0 x y 0 + x y 2, K, k 2, k jsou konstanty Tato plocha pro dané x 0 bude největší, když P (y 0 ) = 0, tj když y 0 = x 0(2y y 2 ) + x y 2 2x Pak P max = K ( x1 y 2 z ) 2(x0 x ) 2 2

Objem rovnoběžnostěnu bude největší, když V (x 0 ) = [ P max (x 0 ) d 1 (x 0 ) ] = 0, tj když x 0 = x Druhý stacionární bod x 0 = x nepatří do otevřeného intervalu (0, x ) Pro x 0 = x je y 0 = y 2+y a z 0 = z Objem rovnoběžnostěnu bude největší, když hledaný bod bude ležet v těžišti zvolené stěny D X Obr 2: Příklad (Hérónova úloha) Nechť, jsou různé body ležící ve stejné polorovině vyťaté přímkou p Najděte bod X p tak, aby součet X + X byl minimální Řešení Hledáme na přímce p bod X tak, aby délka lomené čáry X byla minimální Při řešení této úlohy použijeme osovou souměrnost Hledaný bod X = p, kde bod je osově souměrný podle přímky p s bodem Z obr je patrné a z vlastností osové souměrnosti vyplývá, že X + X = X + X =, a tedy délka lomené čáry X je minimální Y X p Obr : Ukážeme, že tato lomená čára je skutečně nejkratší Nechť Y p je libovolný bod Potom na základě osové souměrnosti a trojúhelníkové nerovnosti platí (obr ): Y + Y = Y + Y = X + X = X + X Úloha má vždy jedno řešení

Příklad 4 (Úloha Fagnano di Toschi 1 ) Do daného ostroúhlého trojúhelníku vepište trojúhelník P QR tak, aby jeho obvod byl minimální R α P Q P P Obr 4: Řešení Do trojúhelníku vepíšeme libovolný trojúhelník P QR s obvodem o tak, aby P, Q a R (obr 4) Sestrojíme body P, P tak, aby platilo: bod P je obrazem bodu P v osové souměrnosti podle přímky určené body, a bod P je obrazem bodu P v osové souměrnosti podle přímky určené body, Protože P Q = P Q a P R = P R, má obvod o stejnou délku jako lomená čára P RQP Při pevně zvoleném P bude obvod o nejkratší právě tehdy, když bod R je průsečíkem přímek a P P a bod Q je průsečíkem přímek a P P Protože P = P = P a P P = 2α (úsečka P rozdělí úhel α na dvě části, dvojnásobek každé části je pak úhlem při vrcholu v rovnoramenných trojúhelnících P P a P P ), platí, že o = P P = 2 P sin α (tento vztah je odvozen z rovnoramenného trojúhelníku P P ) Poslední výraz bude minimální právě tehdy, když přímky určené body, P a, na sebe budou kolmé nalogicky se postupuje u bodů Q, R Hledané body P, Q, R jsou tudíž paty výšek trojúhelníku Příklad 5 (Tartagliova 2 úloha) Rozložte číslo osm na dvě čísla tak, aby jejich součin vynásobený velikostí jejich rozdílu byl maximální Řešení Předpokládejme bez újmy na obecnosti, že x y Podle zadání platí: x + y = 8, tedy y = 8 x Hledáme tedy maximum funkce f(x) = x(8 x)(8 2x) 1 Giulio esare Fagnano di Toschi (1682 1766) (čti faňáno) italský matematik a filozof, zabýval se teorií pravděpodobnosti, algebrou a geometrií trojúhelníku 2 Niccolo Tartaglia (1500 1557) (čti tartalija) italský matematik a fyzik, zabýval se mechanikou, balistikou, topografií Odvodil vzorec pro kubickou rovnici

při podmínce 0 x 4 Podle Weierstrassovy věty 1 (např [6]) řešení existuje Z nutné podmínky pro extrém f (x 0 ) = 0 určíme stacionární body x 2 24x + 2 = 0, x 0 = 4 ± 4 Jedno z čísel je tedy rovno 4 + 4/ a druhé 4 4/ Příklad 6 (Steinerova úloha) Nalezněte takový bod v rovině, pro který je součet jeho vzdáleností od vrcholů daného trojúhelníku nejmenší (Touto úlohou se zabývalo mnoho matematiků v 17 století avalieri 2, Viviani, Torricelli 4, Fermat 5 aj V 19 století tuto úlohu vyřešil J Steiner, a proto po něm dostala jméno Později se začaly podobné úlohy objevovat při stavbě silnic, ropovodů a městských komunikací) Řešení Elegantní řešení této geometrické úlohy v případě, že daný trojúhelník je ostroúhlý, lze nalézt v [1] Příklad 7 Najděte pravoúhlý trojúhelník o maximálním obsahu tak, aby se součet jeho odvěsen rovnal danému číslu (Tuto úlohu použil v roce 168 Fermat k ilustraci své metody nalezení minima) Řešení Pro obsah pravoúhlého trojúhelníku platí: S = ab/2, kde a, b jsou jeho odvěsny Podle zadání má dále platit a + b = x, kde x je dané kladné reálné číslo Hledáme tedy maximum funkce S(a) = a(x a)/2 na intervalu a (0, x) [Řešením bude pravoúhlý rovnoramenný trojúhelník] Literatura [1] V leksejev, V Tichomirov, S V Fomin atematická teorie optimálních procesů cademia, Praha, 1991 [2] F alada Z dějin elementární matematiky SPN, Praha, 1959 [] N ogoljubov atěmatiki mechaniki Naukova dumka, Kyjev, 198 [4] Z Došlá, J Kuben Diferenciální počet funkcí jedné proměnné asarykova univerzita, rno, 200 [5] Hejný a kol Teória vyučovania matematiky 2 Slovenské pedagogické nakladateľstvo, ratislava, 1990 [6] J Kuben Diferenciální počet funkcí více proměnných Vojenská akademie, rno, 2001 [7] K Rektorys o je a k čemu je vyšší matematika cademia, Praha, 2001 [8] R Slouka Sbírka příkladů z matematiky pro 5 9 ročník ZŠ a víceletá gymnázia FIN, Olomouc, 1994 [9] R Wesley a kol atematika pre každého Slovenské vydavateľstvo technickej literatúry, ratislava, 1967 1 Karl Theodor Wilhelm Weierstrass (1815 1897) (čti vajrštrás) německý matematik, vybudoval základy matematické analýzy, význam mají zvláště práce z teorie analytických funkcí, variačního počtu, diferenciální geometrie a lineární algebry 2 Francesco onaventura avalieri (1598 1647) (čti kavalieri) italský matematik, jeden ze zakladatelů matematické analýzy, zabýval se teorií logaritmů, trigonometrií a astronomií Vincenzo Viviani (1622 170) italský matematik a fyzik, zabýval se geometrií, úlohami na maxima a minima 4 Evangelista Torricelli (1608 1647) (čti toričeli) italský fyzik a matematik, formuloval větu o záměně operací integrování a derivování 5 Pierre Fermat (1601 1655) francouzský matematik a právník, zabýval se teorií čísel, analýzou a analytickou geometrií