【附】为方便编辑,特附“纯文本”如下。另外,文末提供有PPT照片版。
【构造3-9】证明:一个单位正方形可以被分割为有限个与1×(3+∛3)型长方形相似的长方形(不要求这些长方形都全等)。(2020年泰国竞赛题)
【题感】从条件看,数据“3+∛3”比较怪异,这么一个无理数有什么讲究呢?可以这样设想:如果将这个奇怪的数据改为任何一个有理数,则问题是平凡的。这自然想到,应将“3+∛3”经过适当的转换,使之变成一个有理数。
应如何转换呢?一时找不到头绪,不妨先看看目标。
从目标看,属于构造问题,只需找到一种合乎要求的分割即可。这当然可找一个充分条件(无需穷举所有分割),使单位正方形容易分割。进一步,只需存在任一正方形容易分割(将正方形适当放缩到单位正方形即可)。
由于正面分割比较困难,我们可从反面思考,由若干好矩形拼合成正方形。
为方便拼合,可找一个充分条件,让好矩形都有一条边长相等。特别地,期望若干个1×t(t∈R)型好矩形拼成1×n矩形,其中n∈N+。
为叙述问题方便,我们先引入一些定义。
【下定义】令p=3+∛3,如果一个矩形可以分割为若干个与1×p矩形相似的矩形,则称之为“好矩形”。
如果1×a矩形是好矩形,则称a为“好数”。
如果好数a1,a2,…,am,经过运算f,得到的数f(a1,a2,…,am)为“好数”,则称运算f是“合适”的,否则为“不允许”的。
【反向分割】我们期望从好数p出发,经过一系列的合适运算,得到一个正整数好数,然后拼成一个好矩形。
为了便于拼合,需要先确定哪些运算是合适的。
【发掘性质】性质1:数乘运算是合适的。若a是好数,则ka(k∈N+)也是好数。
进一步,线性组合运算也是合适的。
拓广:对任何不全为0的自然数k1,k2,…,km,若a1,a2,…,am是好数,则k1a1+k2a1+…+kmam也是好数。
为了发现其它合适的运算,我们可通过位似变换来构造相似矩形。
设a是好数,构造一个1×a的好矩形,通过位似变换,容易在原矩形内部找到与其相似的好矩形。取这个相似矩形的一条边长为1,则另一条边长为1/a。
由此得到如下的
性质2:“取到数”运算是合适的。如果a为好数,则1/a也为好数。
下面考虑,能否对p反复进行上述两个合适运算,最终得到一个正整数。这可采用拟对象逼近策略:先通过一些运算(包括一些不允许的),得到一个正整数,进而将其中不允许的运算替换为合适的。
【拟对象逼近】令p=3+∛3,则(p-3)3=3(变成正整数)。
其中包含两种“不允许”的运算:减3、立方。设法将其替换为合适的运算,这就要将左边展开,适当变形。
进而有p3-9p2+27p-27=3,
去掉“不允许”的“减法”运算,得p3+27p=9p2+30。(*)
至此,推理受阻。我们回头尝试发掘一些衍生性质。
【衍生性质】记所有好数的集合为H,则p∈H,进而由性质2,有1/p∈H。再由性质1,对任何不全为0的自然数m、n,有mp+n/p∈H。
又由性质2,有1/(mp+n/p)∈H,即p/(mp^2+n)∈H。
由此想到,期望(*)式两边分解因式,进而通过“取倒数”运算,产生形如“p/(mp^2+n)”的好数。
由(*),得1=(p^3+27p)/(9p^2+30),所以,
9=(〖9p〗^3+243p)/(9p^2+30)(凑分子分母的首项系数相同)=p+71p/(3p^2+10)(分离整数部分)= p+71/(3p+10/p)(去掉不合适运算:“平方”、“加10”)。
因为p∈H、71/(3p+10/p)∈H,所以9∈H,命题获证。
【新写】用M=a×b表示两边分别为a、b的矩形M。令p=3+∛3,如果一个矩形可以分割为若干个与矩形A=1×p相似的矩形,则称之为“好矩形”。
显然,与好矩形相似的矩形都是好矩形,这是因为将好矩形按要求进行分割,然后按适当的比例进行放缩便得到与其相似的矩形的分割。
因为矩形A=1×p是好矩形,所以与A相似的矩形B=1×1/p是好矩形。进而矩形C=1×(3p+10/p)是好矩形,这是因为它可分割为3个矩形A和10个矩形B。
因为矩形D=1×1/(3p+10/p)与矩形C=1×(3p+10/p)相似,所以D是好矩形。
由p=3+∛3,得9= p+71/(3p+10/p),所以矩形E=1×9可以分割为一个矩形A=1×p与71个矩形D=1×1/(3p+10/p),所以矩形E是好矩形,进而9×9正方形是好矩形。最后按比例1:9将9×9正方形缩小到单位正方形,可知单位正方形是好矩形,命题获证。
