Математика · 7 класс · Олимпиада СПб 2021/22 · районный тур

Задача 2. Три электросамоката

Условие

Аркадий, Борис и Виктор катались на электросамокатах, не зная про ограничение скорости. Весь путь был разделён на два участка. Аркадий проехал первый участок со скоростью 48 км/ч, а второй — со скоростью 24 км/ч. Борис проехал первый участок со скоростью 24 км/ч, второй — с постоянной скоростью не меньше 48 км/ч. Виктор оба участка проехал с одной и той же скоростью. Стартовали все одновременно и к финишу приехали тоже одновременно. Докажите, что Виктор ехал со скоростью не меньшей, чем 32 км/ч.

Второй вариант этой задачи

На олимпиаде соседи по парте получают разные варианты. Условие второго варианта:

Эрик, Юрик и Ярик катались на электросамокатах, не зная про ограничение скорости. Весь путь был разделён на два участка. Эрик проехал первый участок со скоростью 54 км/ч, а второй — с постоянной скоростью не более 27 км/ч. Юрик проехал первый участок со скоростью 27 км/ч, второй — со скоростью 54 км/ч. Ярик оба участка проехал с одной и той же скоростью. Стартовали все одновременно и к финишу приехали тоже одновременно. Докажите, что Ярик ехал со скоростью не большей, чем 36 км/ч.

Его решение и ответ — в последнем шаге разбора.

О задаче · 7 класс
Олимпиада
Санкт-Петербургская олимпиада школьников по математике, 88-я (2022)
Этап
I тур (районный)
Предмет / класс
Математика · 7 класс
Дата
4 декабря 2021 г.

Сначала попробуй сам: возьми какой-нибудь путь — например, 1414 км и 1010 км — и посчитай, сколько минут Аркадий едет каждый участок, сколько времени остаётся Борису на второй участок и с какой скоростью тогда едет Виктор. Получится ли сделать Виктора медленнее 3232 км/ч? В модели «Гонка на самокатах» границу между участками ставишь ты: модель запускает гонку на общих часах и проверяет все условия задачи.

Задача на доказательство: нужно доказать, что при любых длинах участков, при которых выполнены все условия, скорость Виктора не меньше 32 км/ч.

Записать идею

Личный черновик для заметок и расчётов. Он никуда не отправляется и не проверяется.

Исследуй задачу

Самостоятельное исследованиеГонка на самокатах

Пробуй свои варианты. Разбор останется закрытым.

Исследуй задачу

Гонка на самокатах

Поставь границу между участками и запусти гонку. Можно ли разделить путь так, чтобы все условия выполнились, а Виктор ехал медленнее 32 км/ч? (Во 2 варианте — чтобы Ярик ехал быстрее 36 км/ч.)

Если модель не открылась (выключен JavaScript или страница загрузилась не полностью), условие, подсказки и разбор доступны и без неё.

Подсказка для решения без модели

Без JavaScript модель не работает. Возьми путь 24 км и раздели его на два участка, например 14 км и 10 км. Посчитай, за сколько минут Аркадий проезжает каждый участок, сколько времени остаётся Борису на второй участок и какая скорость ему нужна, а потом скорость Виктора. Повтори для 12 + 12 км и 10 + 14 км и сравни.

Подсказка 1

Виктор стартовал и финишировал вместе с Аркадием — значит, проехал тот же путь за то же время. Его скорость зависит только от того, сколько времени Аркадий ехал быстро и сколько медленно. Что про это говорит Борис? Считай не километры, а время каждого гонщика на каждом участке.

Подсказка 2

Пусть Аркадий ехал по первому участку t1t_1 ч, а по второму t2t_2 ч. На первом участке Борис вдвое медленнее Аркадия и тратит 2t12t_1 ч, на втором — хотя бы вдвое быстрее и тратит не больше t22\frac{t_2}{2} ч. Финишировали они одновременно: какое неравенство между t1t_1 и t2t_2 отсюда следует? Потом сравни весь путь 48t1+24t248t_1+24t_2 км с тем, сколько проехал бы за t1+t2t_1+t_2 ч самокатчик со скоростью 3232 км/ч.

Разобрать решение по шагам
1

Считаем время, а не километры

Длины участков нам не даны, а скорость Виктора зависит именно от того, как путь разделён. Опишем участки через время Аркадия: пусть он ехал по первому участку t1t_1 ч, а по второму t2t_2 ч. Путь равен скорости, умноженной на время, поэтому первый участок — 48t148t_1 км, второй — 24t224t_2 км, а весь путь

48t1+24t2 км.48t_1+24t_2\ \text{км}.

Виктор стартовал и финишировал вместе с Аркадием — значит, весь этот путь он проехал за то же время t1+t2t_1+t_2 ч. Борис тоже ехал t1+t2t_1+t_2 ч; это сейчас пригодится.

2

Борис против Аркадия на каждом участке

Первый участок. Борис едет 2424 км/ч — вдвое медленнее Аркадия, поэтому едет этот участок вдвое дольше: 2t12t_1 ч. Проверка: 48t1:24=2t148t_1:24=2t_1.

Второй участок. Его длина 24t224t_2 км. Со скоростью ровно 4848 км/ч Борис проехал бы его за

24t248=t22 ч,\frac{24t_2}{48}=\frac{t_2}{2}\ \text{ч},

то есть вдвое быстрее Аркадия. А Борис едет не медленнее 4848 км/ч, поэтому тратит на второй участок не больше t22\frac{t_2}{2} ч. Обозначим его время на втором участке буквой ss:

s≤t22.s\le\frac{t_2}{2}.
3

Что даёт одновременный финиш

Борис и Аркадий ехали одинаковое время:

2t1+s=t1+t2.2t_1+s=t_1+t_2.

Вычтем из обеих частей t1t_1: получится t1+s=t2t_1+s=t_2, то есть s=t2−t1s=t_2-t_1. Другими словами, на первом участке Борис отстал от Аркадия на t1t_1 ч, а на втором ровно столько отыграл.

Но s≤t22s\le\frac{t_2}{2}, значит, t2−t1≤t22t_2-t_1\le\frac{t_2}{2}. Прибавим к обеим частям t1t_1 и вычтем t22\frac{t_2}{2}:

t22≤t1,то естьt2≤2t1.\frac{t_2}{2}\le t_1,\qquad\text{то есть}\qquad t_2\le 2t_1.

Второй участок Аркадий ехал не больше чем вдвое дольше первого. Вот что на самом деле сообщает условие про Бориса: медленная часть поездки Аркадия (2424 км/ч) не может длиться слишком долго.

Аркадий: 48 км/ч, потом 24 км/чt₁t₂t₂/2середина t₂Борис: 24 км/ч, потом ≥ 48 км/ч2t₁sстартфинишs ≤ t₂/2, значит, t₁ + t₂/2 ≤ 2t₁
Время Аркадия и Бориса на общих часах (пропорции — как у пути 14+1014+10 км). Первый участок Борис едет 2t12t_1 ч, второй — ss ч, и финишируют они вместе. Отрезок ss не длиннее половины отрезка t2t_2, поэтому Борис выезжает на второй участок не раньше середины второго участка Аркадия: t1+t22≤2t1t_1+\frac{t_2}{2}\le 2t_1, то есть t2≤2t1t_2\le 2t_1.
4

Сравниваем Виктора с самокатчиком на 32 км/ч

Представим ещё одного самокатчика, который весь путь едет ровно 3232 км/ч. За t1+t2t_1+t_2 ч он проедет 32(t1+t2)=32t1+32t232(t_1+t_2)=32t_1+32t_2 км. Сравним это с настоящим путём:

(48t1+24t2)−(32t1+32t2)=16t1−8t2=8(2t1−t2).(48t_1+24t_2)-(32t_1+32t_2)=16t_1-8t_2=8(2t_1-t_2).

По шагу 3 t2≤2t1t_2\le 2t_1, поэтому 2t1−t2≥02t_1-t_2\ge 0, и разность не меньше нуля: весь путь не короче 32(t1+t2)32(t_1+t_2) км.

Значит, Виктор не мог ехать медленнее 3232 км/ч: тогда за t1+t2t_1+t_2 ч он проехал бы меньше 32(t1+t2)32(t_1+t_2) км и не успел бы к финишу. Виктор ехал со скоростью не меньше 3232 км/ч, что и требовалось доказать.

На графике под этим шагом то же самое: на первом участке Аркадий обгоняет воображаемого самокатчика на 16t116t_1 км, на втором отстаёт от него на 8t28t_2 км — а это не больше, чем он успел обогнать.

+16t₁−8t₂км/ч483224t₁t₂времясамокатчик 32 км/чАркадий8t₂ ≤ 16t₁, ведь t₂ ≤ 2t₁
Скорость Аркадия в каждый момент (сплошная линия) и воображаемый самокатчик на 3232 км/ч (пунктир). Площадь прямоугольника «скорость × время» — это путь. На первом участке Аркадий проезжает на 16t116t_1 км больше самокатчика (зелёный прямоугольник), на втором — на 8t28t_2 км меньше (красный). Раз t2≤2t1t_2\le 2t_1, красный не больше зелёного: весь путь не короче 32(t1+t2)32(t_1+t_2) км.
5

Ровно 32 км/ч бывает

Скорость Виктора равна 3232 км/ч ровно тогда, когда t2=2t1t_2=2t_1: тогда s=t22s=\frac{t_2}{2}, то есть Борис едет второй участок ровно 4848 км/ч, а участки равны: 48t1=24⋅2t148t_1=24\cdot 2t_1.

Пример: оба участка по 1212 км. Аркадий едет 1212 км за 1515 мин и 1212 км за 3030 мин — всего 4545 мин. Борис — 1212 км за 3030 мин и 1212 км за 1515 мин (это 4848 км/ч), тоже 4545 мин. Виктор проезжает 2424 км за 4545 мин, то есть за 34\frac34 ч:

24:34=32 км/ч.24:\frac34=32\ \text{км/ч}.

Значит, нижнюю границу 3232 км/ч из условия увеличить нельзя: оценка точная.

6

Второй вариант

Здесь неравенство в другую сторону, а две известные скорости — у Юрика. Пусть Юрик ехал по первому участку s1s_1 ч (со скоростью 2727 км/ч), а по второму s2s_2 ч (5454 км/ч). Тогда длины участков — 27s127s_1 км и 54s254s_2 км.

Эрик на первом участке едет 5454 км/ч — вдвое быстрее Юрика — и тратит s12\frac{s_1}{2} ч. Второй участок со скоростью ровно 2727 км/ч он ехал бы 54s227=2s2\frac{54s_2}{27}=2s_2 ч, а едет не быстрее 2727 км/ч, поэтому тратит не меньше 2s22s_2 ч. Финиш одновременный, значит,

s1+s2 ≥ s12+2s2,откудаs1≥2s2.s_1+s_2\ \ge\ \frac{s_1}{2}+2s_2,\qquad\text{откуда}\qquad s_1\ge 2s_2.

Ярик проехал весь путь 27s1+54s227s_1+54s_2 км за s1+s2s_1+s_2 ч. Самокатчик со скоростью 3636 км/ч проехал бы за это время 36(s1+s2)36(s_1+s_2) км, и

36(s1+s2)−(27s1+54s2)=9s1−18s2=9(s1−2s2)≥0.36(s_1+s_2)-(27s_1+54s_2)=9s_1-18s_2=9(s_1-2s_2)\ge 0.

Он проехал бы не меньше всего пути, значит, Ярик ехал не быстрее 3636 км/ч. Ровно 3636 км/ч — когда s1=2s2s_1=2s_2: участки равны и Эрик едет второй участок ровно 2727 км/ч. Например, по 1212 км: Юрик едет 2626 мин 4040 с и 1313 мин 2020 с, Эрик — 1313 мин 2020 с и 2626 мин 4040 с, у обоих 4040 мин; 2424 км за 4040 мин — это 3636 км/ч.

Доказано: Ярик ехал со скоростью не больше 3636 км/ч.

Проверка

Проверим на пути из модели: 2424 км, первый участок 1414 км. Аркадий едет 1414 км за 17,517{,}5 мин и 1010 км за 2525 мин — всего 42,542{,}5 мин; здесь t2=25≤2t1=35t_2=25\le 2t_1=35. Борису на второй участок остаётся 42,5−35=7,542{,}5-35=7{,}5 мин: 1010 км за 7,57{,}5 мин — это 8080 км/ч, не меньше 4848. Виктор: 2424 км за 42,542{,}5 мин — это 57617≈33,9\frac{576}{17}\approx 33{,}9 км/ч, больше 3232. Если же первый участок короче второго, например 1010 км и 1414 км, то t1=12,5t_1=12{,}5 мин, t2=35t_2=35 мин, и t2>2t1t_2>2t_1: Борису понадобилось бы ≈37,3\approx 37{,}3 км/ч — меньше 4848, такой поездки нет (а Виктор получился бы ≈30,3\approx 30{,}3 км/ч). Компьютер с точными дробями перебрал все целые длины участков от 11 до 300300 км: условие Бориса выполнимо ровно тогда, когда первый участок не короче второго и короче двух вторых, и тогда скорость Виктора от 3232 до 3636 км/ч, а ровно 3232 — только при равных участках. Ещё он перебрал скорости Бориса от 4848 до 20002000 км/ч. Перебор подтверждает вывод, но доказательство — шаги 1–4: они годятся для любых длин.

Ответ

1 вариант. Доказано: Виктор ехал со скоростью не меньше 32 км/ч. Из одновременного финиша Аркадия и Бориса следует, что второй участок Аркадий ехал не больше чем вдвое дольше первого, а тогда весь путь не короче того, что за это время проехал бы самокатчик со скоростью 32 км/ч. Ровно 32 км/ч бывает при равных участках.

2 вариант. Доказано: Ярик ехал со скоростью не больше 36 км/ч. Ровно 36 км/ч бывает при равных участках.

Ответ

1 вариант. Доказано: Виктор ехал со скоростью не меньше 32 км/ч. Из одновременного финиша Аркадия и Бориса следует, что второй участок Аркадий ехал не больше чем вдвое дольше первого, а тогда весь путь не короче того, что за это время проехал бы самокатчик со скоростью 32 км/ч. Ровно 32 км/ч бывает при равных участках.

2 вариант. Доказано: Ярик ехал со скоростью не больше 36 км/ч. Ровно 36 км/ч бывает при равных участках.

Главная идея

Считать не километры, а время. Если Аркадий ехал по участкам t1t_1 ч и t2t_2 ч, то Борис тратит 2t12t_1 ч и не больше t22\frac{t_2}{2} ч, и одновременный финиш даёт t2≤2t1t_2\le 2t_1. Скорость Виктора — это средняя скорость Аркадия на всём пути, и она не меньше 3232 км/ч, пока медленная часть (2424 км/ч) длится не больше чем вдвое дольше быстрой (4848 км/ч): 48t1+24t2−32(t1+t2)=8(2t1−t2)≥048t_1+24t_2-32(t_1+t_2)=8(2t_1-t_2)\ge 0.

Признаки: несколько гонщиков едут по одному пути, стартуют и финишируют вместе, у каждого свои скорости на участках, а длины участков неизвестны. Обозначь время одного гонщика на каждом участке — через него выражаются и длины, и время остальных. Скорость того, кто едет «ровно», — это средняя скорость любого другого на всём пути, и она тем ближе к большей скорости, чем большую долю всего времени тот ехал быстро. Оценить её — значит оценить, какую долю времени заняла медленная часть.

Где легко ошибиться

Считать среднюю скорость Аркадия как среднее двух чисел: (48+24):2=36(48+24):2=36 км/ч. Средняя скорость зависит от того, сколько времени ехали с каждой скоростью: при равных участках Аркадий едет медленно вдвое дольше, и средняя скорость 3232 км/ч. Другая ошибка — проверить один пример (скажем, равные участки) и считать утверждение доказанным: нужно показать, что скорость Виктора не меньше 3232 км/ч при любых длинах, которые допускает условие. И ещё — забыть про Бориса: без него участки могли бы быть любыми, и Виктор мог бы ехать почти 2424 км/ч.

Источник и авторство

Санкт-Петербургская олимпиада школьников по математике · 88-я олимпиада (2022 год) · I тур (районный), 4 декабря 2021 г. · 7 класс, задача 2. Та же задача была в 8 классе (задача 1); разбор общий. Листки 7 и 8 классов этого тура озаглавлены также «Районный этап Всероссийской олимпиады школьников».

Условия (PDF организатора, первый вариант) ↗ · Листки олимпиады, оба варианта (ZIP организатора) ↗ · Страница олимпиады 2022 года ↗ · Сайт олимпиады ↗

Условие первого варианта — из файла организатора, второй вариант переписан с листка. Подсказки, решение и модель — Popov Academy. Организатор не публикует решений районного тура. Ответы обоих вариантов получены двумя независимыми решениями и совпали; где можно, проверены перебором или вычислением.

На сайте олимпиады: «Распространение представленных материалов разрешается и приветствуется.»

Продолжить тему: Задачи на движение →
Увеличенный рисунок