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Solution au problème de mai 2011

Le problème:
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MP105
Problème de mai 2011

En guise de réchauffement, vous pouvez compléter le jeu de points à relier suivant pour découvrir une excellente source de vitamine B.

poisson

Un "jeu de points à relier" est une collection de $n$ points dans le plan, numérotés 1 à n, telle qu'aucune droite ne contient trois points consécutifs $i, i+1, i+2$
(ou $n-1, n, 1$ ). Notre problème comporte deux parties.

  1. Démontrez que pour tout $n \geq 14$ , on peut composer un jeu de points à relier avec $n$ points tel que toute droite contenant une paire de points consécutifs contient au moins une deuxième paire de points consécutifs.

  2. Démontrez que dans tout jeu de points à relier avec 13 points, il existe une paire de points consécutifs telle que la droite passant par ces deux points ne contient aucune autre paire de points consécutifs.

La réponse:

Nous avons reçu les solutions correctes de

Philippe Fondanaiche (France)

Gruian Cornel (Roumanie)

Benoît Humbert (France)

John T. Robinson (États Unis)

Paul Voyer (France)


La solution:

La solution: Humbert reformule ainsi le problème:

« Pour quelles valeurs de n existe-t-il un jeu de n points à relier, sans angle plat, tel que toute droite contenant une paire de points consécutifs contient au moins une deuxième paire de points consécutifs ?»

Voici sa solution:

"10, 12 et tous les nombres supérieurs à 14 conviennent:

$n = 4k+2$ convient pour tout $k \geq 2$ :

Le $(2k+1)$-gone étoilé relie $4k+2$ points par des segments alignés deux à deux.

Exemple : le pentagone étoilé relie 10 points.

$n = 4k$ convient pour tout $k \geq 3$ :

On superpose un $k$-gone régulier avec son image par rotation d'angle $\frac{\pi}{k}$. L'enveloppe relie $4k$ points par des segments alignés deux à deux.

Exemple : l'étoile à six branches relie 12 points.

En résumé, tous les nombres pairs supérieurs à 10 conviennent.

Soit $n$ l'un de ces nombres. Alors $n+5$ convient aussi :

On part de l'étoile reliant $n$ points et on choisit l'une de ses branches. On en replie la pointe et on l'étire suffisamment pour qu'elle recouvre le sommet opposé sur l'étoile, et lui seul. On évide la partie de la branche initiale doublée par la pointe étirée.

Exemple à partir du pentagone étoilé :

On obtient une solution à 15 points.

Exemple à partir de l'étoile à six branches :

On obtient une solution à 17 points.

 

13 convient:

13 convient si l'on accepte que certains des points à relier soient confondus, et qu'un segment en recouvre un autre.

Exemple : le jeu de 13 points ci-contre.

 

 

 

 

13 ne convient pas, si on impose aux points d'être distincts:

(les nombres impairs inférieurs à 13 non plus)


im1

im2

im3





im4

im5

Supposons l'existence d'une solution à 13 points distincts.

Ces 13 points sont reliés par 13 segments, tels que chaque segment est aligné avec au moins un autre, non adjacent. 13 étant impair, il existe une droite d contenant au moins trois segments et donc six points (distincts) de ce jeu.

Chacun de ces six points est également l'extrémité d'un segment non contenu dans d, et est donc aligné avec trois autres points du jeu, hors de d. On définit ainsi six parties à trois éléments parmi les points du jeu non contenus dans d. Parmi ces derniers points, qui sont au plus au nombre de sept, on peut en trouver un qui apparaît dans au moins trois des six parties ainsi définies (car). Ce point est donc l'extrémité de trois segments différents du jeu, ce qui n'est pas possible, puisque le jeu ne repasse pas deux fois par un même point. Contradiction !

13 convient encore, avec des points distincts, mais sur la sphère !

(Toutefois, certains points doivent être diamétralement opposés.)

 

im6 im7


 

 

 


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