PRINCIPIUL LUI DIRICHLET (PRINCIPIUL CUTIEI)

Prof. Hahui Maria

Şcoala nr. 25, Galaţi

Principiul cutiei: ,,dacă repartizăm n+1 obiecte în n cutii atunci cel puţin doua obiecte vor fi în aceeaşi cutie”. Justificare: considerăm cazul cel mai nefavorabil aşezând în fiecare cutie căte un obiect. Deci am folosit ,, n” cutii şi ,, n” obiecte. Obiectul cu numărul n+1 trebuie pus şi el într-o cutie oarecare dar în acea cutie există deja un obiect. Aşadar avem o cutie cu două obiecte. Nu este important care cutie conţine cel puţin două obiecte, nici câte obiecte sunt în acea cutie si nici câte astfel de cutii există. Important este că există cel puţin o cutie cu cel puţin doua obiecte.

Matematicianul german Peter Gustav Dirichlet (1805-1859) a elaborat un principiu extrem de simplu cu aplicaţii neaşteptate în variate domenii, principiu care-i poartă numele şi pe care-l enunţăm mai jos, fiind o demonstraţie de tipul următor: ,,dacă repartizăm n+1 obiecte în n cutii atunci cel puţin doua obiecte vor fi în aceeaşi cutie”.Justificare :considerăm cazul cel mai nefavorabil aşezând în fiecare cutie căte un obiect. Deci am folosit ,, n “cutii şi ,, n” obiecte. Obiectul cu numărul n+1 trebuie pus şi el într-o cutie oarecare dar în acea cutie există deja un obiect. Aşadar avem o cutie cu două obiecte. Nu este important care cutie conţine cel puţin două obiecte, nici câte obiecte sunt în acea cutie şi nici câte astfel de cutii există. Important este că există cel puţin o cutie cu cel puţin două obiecte.

În literatura matematică principiul lui Dirichlet este întâlnit şi sub denumirea de ,,principiul cutiei”, cu precizarea că denumirea de ,,cutie” desemnează ,,grupe de obiecte”, stabilite dupa anumite reguli, iar ,,obiectele” desemnează lucruri, numere, figuri geometrice, etc. La rezolvarea unor probleme este util de aplicat principiul Dirichlet generalizat.

„Dacă plasăm pn + 1 obiecte in n cutii, atunci cel puţin o cutie va conţine cel puţin "p+1"obiecte”. Unele probleme (în special ce ţin de geometrie) se rezolvă, utilizând principiul Dirichlet în următoarele enunţuri:

a) Dacă pe un segment de lungime l sunt situate câteva segmente cu suma lungimilor mai mare ca l, atunci cel puţin doua segmente au un punct comun;

b) Dacă în interiorul unei figuri de arie S sunt plasate figuri cu suma ariilor mai mare decât S, atunci exista cel puţin două dintre aceste figuri cu un punct comun;

c) Dacă figurile F1; F2; . . .; Fn cu ariile S1; S2; . . . ; Sn respectiv sunt incluse în figura F cu arie S si S1 + S2 + . . . + Sn > kS, atunci k + 1 din figurile F1; F2; ... ; Fn au un punct comun;

Ceea ce caracterizează problemele în care se foloseşte acest principiu, este dificultatea de a le aborda pe căi cunoscute. În general principiul cutiei este un principiu de numărare care în ultimul timp a căpătat o mare popularitate fiind pus la baza unui număr mare de probleme, unele chiar dificile.

Vom prezenta în continuare câteva probleme ale caror soluţii se bazează pe principiul de mai sus.

APLICAŢII LA PRINCIPIUL LUI DIRICHLET

1) Se consideră 7 numere naturale. Demonstraţi că printre numerele date, cel puţin două dau acelaşi rest la împărţirea cu 6.

Soluţie. La impărţirea cu 6 a unui număr natural se poate obţine unul din resturile:0, 1, 2, 3, 4,sau 5. Considerăm cutia ,,i” formată din numerele care dau restul ,,i” la împărţirea cu 6.Rezultă astfel 6 cutii în care trebuie plasate 7 numere. Va exista cel puţin o cutie care conţine două sau mai multe numere care dau acelaşi rest la împărţirea cu 6.

Generalizare. Fie n+1 numere. Să se arate că există cel puţin două numere care dau acelaşi rest prin impărţirea la n.

2) Să se demonstreze că printre orice şase numere întregi există doua numere a caror diferentă este divizibilă prin 5.

Soluţie. Conform exerciţiului anterior, există cel puţin două numere care dau acelaşi rest prin împărţire cu 5, deci diferenţa lor este divizibilă cu 5.

3) Să se arate ca oricum am alege 7 numere pătrate perfecte (distincte), exista cel puţin două a caror diferenţă se divide cu 10.

Soluţie.Dacă aЄN, a² împărţit la 10 va da unul din resturile: 0, 1, 4, 5, 6, 9. Deoarece avem 7 pătrate perfecte si numai 6 resturi, atunci există cel puţin două pătrate perfecte care dau acelaşi rest la împărţirea cu 10, deci diferenţa lor se divide cu 10.

4) Să se arate ca oricum am alege cinci numere întregi, există două dintre acestea, care au suma sau diferenţa divizibile cu 7.

Soluţie. La împărţirea cu 7 a unui număr rezultă resturile 0,1,2,3,4,5,6. Pătratul său va da la împărţirea cu 7 unul din resturile 01,2,4. Avem cinci numere şi patru resturi, rezultă conform principiului cutiei că cel puţin două din cele cinci pătrate dau acelaşi rest la împărţirea cu 7 ; x² -y² se divide cu 7, deci 7 |(x-y)(x+y). cum 7 este număr prim ,avem ca 7|x-y sau 7|x+y.

5) La un turneu de şah au participat n>2 şahisti. Să se demonstreze că în orice moment al turneului dinaintea ultimei runde, cel puţin doi şahisti au acelaşi număr de victorii.

Soluţie. În orice moment al turneului dinaintea ultimei runde, fiecare şahist a jucat maximum n-2 partide şi a putut obtine 0, 1, 2, …..n-2 victorii, deci în total n-1 posibilităţi(cutii). Deoarece la turneu au participat n şahisti, rezultă că cel puţin doi şahisti au acelaşi număr de victorii înaintea ultimei runde.

6) Considerăm mulţimea A= {a₁,a_2,……a_n} cu elemente numere întregi. Să se demonstreze ca A are cel puţin o parte nevidă cu proprietatea că suma elementelor sale se divide cu n.

Soluţie.Dacă a este număr intreg şi n număr natural, există q şi r unice astfel încăt a=nq+r cu qЄZ si r Є{0,1,…n-1}.Considerăm următoarele n submulţimi ale lui A: A₁={a₁}, A₂={ a₁ ,a₂ },……..A_n= {a₁,a₂,….a_n }. Notăm cu S_i =a₁+a₂+….+.a_i ,cu i=1,n ( suma elementelor fiecarei mulţimi). Dacă unul din numerele S_i cu i=1,n se divide cu n, problema este rezolvată. Dacă nu, cele n resturi obţinute prinîimpărţirea cu n a numerelor S_{i ,} aparţin mulţimii {1, 2, ….n-1 }cu n-1 elemente diferite. Deci există cu siguranţă două numere S_i si S_j care dau acelaşi rest la împărţirea cu n. Fie S _i = a₁+a₂+….a_i si S_j=a₁+a₂+….a_j cele doua numere. Fie i<j ;cum n| S_i –S_j , rezultă că submulţimea este B={a_i+1, a_i+2,…..a_j}.

7) Punctele planului sunt colorate in două culori. Să se arate ca există două puncte de aceeaşi culoare situate la distanţa 1 m.

Soluţie. Considerăm un triunghi echilateral cu lungimea laturii de 1 m. Vârfurile triunghiului vor desemna "obiectele" şi culorile vor fi "cutiile". Cum "obiecte" sunt mai multe decât "cutii" rezultă, că există două vârfuri de aceeaşi culoare. Cum triunghiul este echilateral,distanţa dintre vârfuri este 1 m.

Ţinem să menţionăm că această problemă poate fi rezolvată şi prin altă metodă. Fie A un punct în plan şi presupunem, că toate punctele din plan situate la distanţa de 1 m de A sunt de culoare diferită de culoarea punctului A. Atunci avem o circumferinţa de raza 1 din puncte de aceeaşi culoare. Evident există o coardă a acestei circumferinţe de lungime 1 m. Prin urmare, extremităţile coardei sunt puncte de aceeaşi culoare situate la distanţa de 1 m.

8) Se consideră în plan n puncte distincte. Câte două puncte determină un segment. Să se demonstreze că există două puncte din care pleacă acelaşi număr de segmente.

Soluţie. Dintr-un punct pleacă maximum n-1 segmente si minim 1. Cum avem n puncte, vor există două din care pleacă acelaşi număr de segmente.

9) În interiorul pătratului de latura 1 sunt aşezate căteva cercuri, având suma lungimilor egală cu 10. Să se arate că există o dreapta, care să intersecteze cel puţin patru din aceste cercuri.

Soluţie. Se proiectează cercurile pe una din laturile pătratului. Proiecţia fiecarui cerc este un segment cu lungimea egală cu lungimea diametrului cercului respectiv. Suma tuturor acestor segmente este 3,1. Conform principiului Dirichlet, există cel puţin patru segmente ce au în comun un punct. Perpendiculara ridicată în acest punct, pe latura patratului, va intersecta cel puţin patru cercuri.

10) În plan sunt date 25 puncte, astfel încât dintre orice trei puncte două puncte sunt situate la distanţa mai mică ca 1. Să se demonstreze ca există un cerc de raza 1 ce conţine nu mai puţin de 13 din aceste puncte.

Soluţie. Fie A unul din punctele date. Dacă celelalte puncte sunt în interiorul cercului S1de raza 1 şi centrul in A, atunci problema este soluţionată. Fie B unul dintre punctele situate in exteriorul cercului S1. Examinăm cercul S2 de raza 1 şi centrul B. Printre punctele A; B; C,unde C un punct arbitrar dintre cele date, există două cu distanţa intre ele mai mică decăt 1.Mai mult aceste puncte nu pot fi A si B. Astfel cercurile S1 şi S2 conţin toate punctele iniţiale.Deci, unul dintre aceste cercuri conţine cel puţin 13 puncte.

Observaţie. În general, cand într-o problemă se cere să se arate ca există cel puţin n elemente cu o anumită proprietate, este bine să considerăm că există cel mult n-1 elemente cu acea proprietate şi din analiza cazului ,, exact n-1 “, se ajunge la soluţia problemei.

Exemplu: Într-o şcoală sunt 731 elevi. Arătaţi că există cel puţin 3 elevi care işi serbează ziua de naştere în aceeaşi zi a anului.Soluţie. Presupunem că nu există 3 astfel de elevi.Deci în fiecare zi a anului işi şerbează ziua de naştere cel mult 2 elevi.Dacă în fiecare zi a anului işi vor serba ziua de naştere doi elevi atunci, într-un an, vor avea aniversarea 365•2 = 730 elevi. În şcoală sunt 731 elevi, deci al 731-lea işi va serba ziua împreună alţi doi.

BIBLIOGRAFIE

1. Mircea Ganga, Teme şi probleme de matematică, Ed. Tehnica, Bucureşti, 1991.

2.V.A.Ufnarovski, Acvariu Matematic, Ed. Ştiinta, Chişinău, 1988.