Delta 11/2026

Zadania

Zadanie F 1155

Pierścienie Saturna zostały odkryte i opisane w 1658 roku przez Christiaana Huygensa. Do czasu wysłania sond kosmicznych w XX wieku teleskopy nie pozwalały ustalić obserwacyjnie, czy pierścienie są litymi skałami, czy zbiorem skalnych „okruchów”. Jednak jeszcze w XIX wieku zagadnienie to zostało rozstrzygnięte. Jak tego dokonano?
Wskazówka: W XIX wieku w badaniach astronomicznych zaczęto wykorzystywać fotografię i spektroskopię.

Rozwiązanie
Zagadnienie struktury pierścieni Saturna rozstrzygnięto, korzystając ze zjawiska Dopplera. Zjawisko to pozwalało mierzyć różnicę prędkości wewnętrznego (bliższego planecie) i zewnętrznego brzegu pierścienia. Gdyby był on sztywną, litą strukturą, to jego zewnętrzny brzeg poruszałby się szybciej niż wewnętrzny: prędkość ruchu orbitalnego byłaby proporcjonalna do promienia \(R\) orbity badanego fragmentu: \(v(R) = \omega R,\) ze stałą wartością prędkości kątowej \(\omega\) dla całego pierścienia (tzn. niezależną od \(R\)). Dla struktury złożonej z wielu niewielkich okruchów skalnych jej zewnętrzne części poruszają się wolniej od wewnętrznych. Mamy bowiem (\(G\) jest stałą grawitacji, a \(M\) masą Saturna) \[v(R) =\sqrt{\frac{GM}{R}}.\] Stwierdzono, że pierścienie Saturna są gęstym zbiorem – w ogromnej większości – drobnych okruchów skalnych.
Zadanie F 1156

Podczas „spaceru” poza stacją kosmiczną astronauta „zgubił” kartkę białego papieru. Jaka temperatura \(T\) kartki ustali się po osiągnięciu stanu równowagi? Promień orbity Ziemi (i stacji, a później także kartki) \({R_{ZS} \approx 1{,}50\cdot 10^{11}}\) m, promień Słońca \(R_S \approx 6{,}96\cdot 10^8\) m, temperatura Słońca \({T_S \approx 5{,}77\cdot 10^3}\) K, a albedo kartki (współczynnik odbicia i rozpraszania padającego na nią światła) \(a = 0{,}8.\) Powierzchnia kartki jest prostopadła do kierunku w stronę Słońca.

Rozwiązanie
Przyjmijmy, że kartka ma powierzchnię \(A.\) Moc promieniowania przez Słońce (\(\sigma\) oznacza stałą Stefana–Boltzmanna) wynosi \(W = 4\pi R_S^2\sigma T_S^4.\) Na powierzchnię kartki pada część tej mocy równa \(W\cdot A/(4\pi R_{ZS}^2).\) Część \(a\) tej mocy jest odbijania, a tylko część \(1-a\) absorbowana. Obie strony kartki o temperaturze \(T\) emitują promieniowanie termiczne, a więc emitowana moc wynosi \(2A\sigma T^4.\) Po osiągnięciu równowagi (ustaleniu końcowej temperatury \(T\)) moc promieniowana przez kartkę równa jest mocy absorbowanej. Mamy zatem: \[(1-a)\frac{4\pi \sigma R_S^2 T^4}{4\pi R_{ZS}^2} = 2A \sigma T^4.\] Po skróceniu czynników występujących po obu stronach równania otrzymujemy \[T^4 = T_S^4 \frac{R_S^2(1-a)}{2R_{ZS}^2},\] czyli \[T = T_S\left(\frac{R_S\sqrt{1-a}}{R_{ZS}\sqrt{2}}\right)^{1/2}.\] Liczbowo, dla danych w treści zadania, \(T \approx 221\) K \(\approx -52{,}1\)°C.
Zadanie M 1870

Czy można ponumerować wierzchołki i krawędzie ośmiościanu foremnego liczbami \(1, 2, 3, \dots, 18,\) tak żeby numer każdego wierzchołka był równy sumie numerów wychodzących z niego krawędzi?

Rozwiązanie
Odpowiedź: Nie.

Przypuśćmy, że takie rozmieszczenie istnieje. Rozważmy dwa przeciwległe wierzchołki ośmiościanu. Suma liczb stojących w tych wierzchołkach jest równa sumie liczb stojących w środkach ośmiu krawędzi wychodzących z tych dwóch wierzchołków.

Ponieważ wszystkie liczby są różne, suma tych ośmiu liczb jest równa co najmniej \[1+2+\ldots+8=36.\] Z drugiej strony w dwóch wierzchołkach stoją dwie różne liczby nie większe niż \(18,\) więc ich suma jest równa co najwyżej \[17+18=35.\] Otrzymana sprzeczność kończy dowód.

Zadanie M 1871

Dany jest trójkąt ostrokątny \(ABC.\) Na okręgu opisanym na tym trójkącie zaznaczono punkt \(D\) antypodalny do punktu \(A\) (rysunek obok). Punkty \(X\) i \(Y\) leżą na boku \(BC\) i spełniają\[BX=XD,\ \ \ CY=YD,\] przy czym punkt \(X\) leży na odcinku \(BY.\) Udowodnić, że prosta \(DA\) jest dwusieczną kąta \(XDY.\)

image

Rozwiązanie
image Niech \(O\) będzie środkiem okręgu opisanego na trójkącie \(ABC.\) Wtedy punkty \(A,O,D\) leżą na jednej prostej. Rozważmy trójkąty \(BOX\) i \(DOX.\) Mamy \[OB=OD,\ BX=DX,\ OX=OX,\] więc trójkąty te są przystające. Zatem \[\angle ODX=\angle OBX.\] Analogicznie trójkąty \(COY\) i \(DOY\) są przystające, więc \[\angle ODY=\angle OCY.\]

Trójkąt \(OBC\) jest równoramienny, bo \(OB=OC,\) zatem \[\angle OBX =\angle OBC=\angle OCB=\angle OCY.\] Wobec tego \[\angle ODX=\angle ODY,\] co kończy dowód.

Zadanie M 1872

Niech \(f,g\colon \mathbb{Z}_{>0}\to \mathbb{Z}_{>0}\) będą funkcjami takimi, że dla każdej liczby całkowitej dodatniej \(n\) zachodzą równości \[f(f(n))=2f(n),\ \ \ g(g(n))=2g(n),\ \ \ f(n)+g(n)=4n+1.\] Udowodnić, że dla każdej liczby całkowitej dodatniej \(n\) zachodzi \[|f(n)-g(n)|=1.\]

Rozwiązanie
Udowodnimy przez indukcję zupełną, że dla każdej liczby całkowitej dodatniej \(n\) zachodzi \[\{f(n),g(n)\}=\{2n,2n+1\}.\] Wtedy teza będzie oczywista.

Rozważmy bazę indukcji, czyli przypadek \(n=1.\) Ponieważ \[f(1)+g(1)=5,\] wystarczy pokazać, że ani \(f(1),\) ani \(g(1)\) nie jest równe \(1.\) Gdyby \(f(1)=1,\) to z warunku \(f(f(1))=2f(1)\) dostalibyśmy \(1=2,\) sprzeczność. Analogicznie \(g(1)\neq 1.\) Zatem \[\{f(1),g(1)\}=\{2,3\}.\]

Załóżmy teraz, że teza indukcyjna jest prawdziwa dla wszystkich liczb \(1\leq k<n.\) Niech \[k=\left\lfloor \frac n2\right\rfloor.\] Wtedy \(n\in\{2k,2k+1\},\) a z założenia indukcyjnego \[\{f(k),g(k)\}=\{2k,2k+1\}.\] Zatem \(n=f(k)\) albo \(n=g(k).\)

Jeśli \(n=f(k),\) to \[f(n)=f(f(k))=2f(k)=2n.\] Jeśli zaś \(n=g(k),\) to korzystając z równości \(f(x)+g(x)=4x+1\) oraz \(g(g(k))=2g(k),\) dostajemy \[\begin{aligned} f(n) & =f(g(k))=4g(k)+1-g(g(k)) \\ & =2g(k)+1=2n+1. \end{aligned}\] W obu przypadkach \(f(n)\in\{2n,2n+1\}.\) Ponieważ \[f(n)+g(n)=4n+1,\] otrzymujemy \[\{f(n),g(n)\}=\{2n,2n+1\}.\] Indukcja jest zakończona, a więc \(|f(n)-g(n)|=1\) dla każdego \(n\in\mathbb{Z}_{>0}.\)