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El notorio problema del triángulo

Esta pregunta me la hizo un amigo, que me dijo que su amigo había pensado en ello de forma intermitente durante seis meses sin suerte. Yo entonces la he tenido durante un tiempo sin suerte tampoco. Es del estilo de una pregunta de concurso, pero no se parece a ninguna otra, ya que realmente nada parece ganar terreno.

Esta es la pregunta:

Dejemos que $f:[0,1]\rightarrow \mathbb{R}$ sea una función continua que satisfaga la siguiente propiedad: Si $ABC$ es el triángulo equilátero de lado 1, tenemos para cualquier punto $P$ dentro de $ABC$ , $f(\overline{AP})+f(\overline{BP})+f(\overline{CP})=0$ donde $\overline{AP}$ es la distancia del punto P al vértice $A$ . (Ejemplo: tomando $P=A$ vemos $f(0)=-2f(1)$ .)

Demostrar o refutar: $f$ debe ser idénticamente cero en su dominio

Obsérvese que la continuidad es crítica, ya que de lo contrario podría simplemente tomar la función $f(x)=0$ siempre que $x\in (0,1)$ y $f(0)=1$ , $f(1)=\frac{-1}{2}$ .

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theog Puntos 585

Chandru ha proporcionado el enlace a una solución completa, pero como señala Eric, es algo complicado. Hace unos meses, sin conocer esa solución, había encontrado una prueba menos complicada si se asume que $f$ no sólo es continua sino también diferenciable. A continuación reproduzco esa prueba.

Dejemos que $\triangle$ sea el conjunto de puntos dentro o sobre el triángulo, y $a, b, c : \triangle \to [0,1]$ sean campos escalares en $\triangle$ mapeo de cualquier punto $P$ a las distancias $\overline{AP}$ , $\overline{BP}$ , $\overline{CP}$ respectivamente. Definir el campo escalar $$g := f \circ a + f \circ b + f \circ c = 0.$$ Es fácil demostrar que $\nabla a$ es un vector unitario que se aleja de $A$ y de forma similar para $b$ y $c$ . Entonces $$\nabla g = f'(a) \nabla a + f'(b) \nabla b + f'(c) \nabla c,$$ donde $f'(x) = df/dx$ . Pero $g$ es constante, por lo que $\nabla g = 0$ .

Toma $P$ para ser un punto en el lado $AB$ . Entonces $\nabla a$ y $\nabla b$ son antiparalelas, mientras que $\nabla c$ es linealmente independiente. Para que su combinación lineal sea $0$ el coeficiente de $\nabla c$ que es $f'(c)$ , debe ser $0$ . Desde $P$ es un punto arbitrario en $AB$ , $c$ es cualquier valor entre $\sqrt{3}/2$ y $1$ Así que en ese rango $f'$ es cero, y $f$ es constante.

Una vez que hayamos demostrado que $f'$ es cero entre $\sqrt{3}/2$ y $1$ para cualquier otro valor $a$ es bastante fácil elegir un punto dentro del triángulo que sea $a$ unidades de $A$ y más $\sqrt{3}/2$ unidades de $C$ . Ahora $\nabla g = f'(a) \nabla a + f'(b) \nabla b + f'(c) \nabla c = 0$ . El último término se retira porque $f'(c) = 0$ . $\nabla a$ y $\nabla b$ son linealmente independientes en el interior del triángulo, por lo que sus coeficientes $f'(a)$ y $f'(b)$ debe ser cero. Por lo tanto, $f' = 0$ en todas partes, así que $f$ es constante. En particular, $f(1/\sqrt{3}) = 0$ Así que $f = 0$ en todas partes.

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¡Excelente otra solución! Me gusta. Por curiosidad, ¿dónde escuchó por primera vez la pregunta?

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@Eric: Alguien publicó el problema en Reddit, en el enlace que di en el primer párrafo. No conocían la fuente original.

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@Rahul: +1 ¡Una prueba muy buena!

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Este es un problema planteado en el American Mathematical Monthly. Tal vez este enlace pueda ser de ayuda:

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Aunque Chandru ha proporcionado el enlace a la solución, me preguntaba si el siguiente enfoque podría ser de ayuda.

En lugar de elegir $P$ para coincidir con un vértice, sea $P$ para caer en uno de los lados dicen $AB$ .

Dejemos que $AP = x$ . Desde $ABC$ es un triángulo equilátero $BP = 1-x$ y $CP = \sqrt{1+x^2 - x}$ .

Así que $\forall x \in [0,1]$ la función tiene que satisfacer $$f(x) + f(1-x) + f(\sqrt{1+x^2 - x}) = 0$$

¿Podemos exprimir una prueba de que $f(x)$ tiene que ser cero fuera de esto?

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