🌐 Математическая загадка: сфера и 5 точек на поверхности

Если на поверхности сферы есть 5 точек, то существует замкнутая полусфера, содержащая по крайней мере 4 из них.

Задача: На сфере отмечено пять точек, никакие три из которых не лежат на большой окружности (большая окружность – это окружность, по которой пересекаются сфера и плоскость, проходящая через её центр). Две большие окружности, не проходящие через отмеченные точки, называются эквивалентными, если одну из них с помощью непрерывнвого перемещения по сфере можно перевести в другую так, что в процессе перемещения окружность не проходит через отмеченные точки.
а) Сколько можно нарисовать окружностей, не проходящих через отмеченные точки и не эквивалентных друг другу?
б) Та же задача для n отмеченных точек.

Решение:
а) Перейдём к двойственным объектам: каждой окружности соответствует такая пара противоположных точек сферы, что соединяющий их диаметр перпендикулярен этой окружности; наоборот, каждой точке соответствует большая окружность. Тогда задача сводится к двойственной: точки считаются эквивалентными, если можно одну перевести в другую, не задевая пяти данных больших окружностей (никакие три из которых не пересекаются в одной точке). Очевидно, точку можно перемещать в пределах области, на которые большие окружности делят сферу. Таким образом, число классов эквивалентности в два раза меньше числа частей, на которые большие окружности делят сферу (противоположным частям соответствует один класс, так как исходной большой окружности в двойственной задаче соответствуют две диаметрально противоположные точки).
Учтем, что n наших больших окружностей делят сферу на n² – n + 2 части. В частности, пять окружностей разобьют сферу на 22 части. А ответ, как показано выше, в два раза меньше.
б) см. а)

#геометрия #видеоуроки #олимпиады #problems #задачи #опыты #эксперименты #math

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib