・平行四辺形版ピタゴラス数                  GAI 氏

 2辺の長さがa、bである長方形では、対角線も整数となるような(a,b)を探すことは、ピタ
ゴラス数を調べることになる。

 そこで、2辺の長さが整数(a,b)であるとき、平行四辺形でその対角線(2つ存在)が共に
整数が起こるような一桁である(a,b)の組合せはどんなものが考えられるか?
(ただし、a≠b とする。)

 なお、この時の2つの対角線の長さは何になるか?


 DD++さんからのコメントです。(平成31年2月1日付け)

 対角線の長さの平方和が2辺の長さの平方和の2倍になることから探せばいいですね。
とりあえず、辺の長さが4と7で、対角線の長さが7と9というのは見つけましたが、一般的に
探すのはなかなかに面倒そう。


 GAI さんからのコメントです。(平成31年2月2日付け)

 あと3組存在できると思います。


 DD++さんからのコメントです。(平成31年2月2日付け)

 辺の長さの平方和とその2倍が、それぞれ別の異なる2つの0でない平方数の和にならな
ければ平行四辺形になりません。面倒なので、「A007692」をカンニングして、ある数とその
2倍が揃っているのを探すと、

(4^2+7^2)*2 = 65*2 = 130 = 7^2+9^2
(6^2+7^2)*2 = 85*2 = 170 = 7^2+11^2
(7^2+9^2)*2 = 130*2 = 260 = 8^2+14^2
(8^2+9^2)*2 = 145*2 = 290 = 11^2+13^2

……と思ったのですが、辺の長さが異なる条件はあっても対角線の長さが等しい条件はない
ので、ピタゴラス数を用いて長方形を作る

(3^2+4^2)*2 = 25*2 = 50 = 5^2+5^2
(6^2+8^2)*2 = 100*2 = 200 = 10^2+10^2

も解ですかね?


 GAI さんからのコメントです。(平成31年2月2日付け)

 こちらが準備していたのは、平行四辺形の2辺(a,b)=>できる2つの対角線(x,y)で、

(4,7)=>(7,9)
(6,7)=>(7,11)
(7,9)=>(8,14)
(8,9)=>(11,13)

の4タイプでした。長方形も含めると、

(3,4)=>(5,5)
(6,8)=>(10,10) ((3,4)に還元できますが・・・)

もパターンですね。そこで、次は、同じ(a,b)の長さを有しながら、2通りに対角線を整数に
できる形状を有せる最小の組合わせの(a,b)は?また3通りでは?
ただし長方形の形状は外すとする。(共に30以下の数で作れると思います。)


 DD++さんからのコメントです。(平成31年2月2日付け)

 同じ辺の長さで、2種類の対角線

  (10^2+15^2)*2 = 325*2 = 650 = 11^2+23^2 = 17^2+19^2

 同じ辺の長さで、3種類の対角線

  (23^2+24^2)*2 = 1105*2 = 2210 = 19^2+43^2 = 23^2+41^2 = 29^2+37^2

 ついでに、同じ対角線の長さで、2種類の辺

  (10^2+15^2)*2 = (17^2+6^2)*2 = 325*2 = 650 = 17^2+19^2

 同じ対角線の長さで、3種類の辺

  (23^2+24^2)*2 = (31^2+12^2)*2 = (32^2+9^2)*2 = 1105*2 = 2210 = 29^2+37^2


 GAI さんからのコメントです。(平成31年2月3日付け)

 お見事、正解です。そこで、今度は3つの整数辺(a,b,c)=(103,106,271)を考える。

 この時、(a,b) 、(b,c) 、(c,a) を2辺に持つそれぞれの平行四辺形が整数対角線を持
ち得る形状はそれぞれ何種類ずつあるか?


 DD++さんからのコメントです。(平成31年2月3日付け)

 人力じゃ手間がかかりすぎるので、実際には挑みませんが、例えば、103と271(4N+3型共
通素因数を持たないことが重要)なら、

・N=103^2+271^2 を計算し、素因数分解をし、正の奇約数の個数を求める
・x^2+y^2=N の整数解が正の奇約数の個数の4倍ある(ヤコビの二平方定理)ので、気合い
で全て求める
・そのうち 0<x<103, 271<y であるものを全て選び出す
・x+y と -x+y が対角線の長さの組の全パターン

です。


 GAI さんからのコメントです。(平成31年2月3日付け)

 手作業ではたいへんですね。結果は、

P:(103,106)=>(29,207),(101,183),(123,169)で3種類
Q:(106,271)=>(255,323)で1種類
R:(271,103)=>(244,328),(266,312)で2種類

 従って、この3辺を持つ並行六面体では6タイプの各面での対角線が全て整数になる立体
が考えられるが、なんとこの中の1つが4つあるbody diagonal length(立体の内部にある線)
までが全て整数を取れるという。

 さてその立体は、P、Rにおける形状をどれにしたものか?
また、この時の4つのbody diagonalの長さは何か?

 長々と質問を繰り返してきましたが、この結果が如何に奇跡に近い組合わせであるかを感
じられると思い出題してきました。

 例のEuler brick(オイラーの直方体)が各面の対角線が整数となる組合わせは色々と見つ
かってはいるが、内部の対角線(1種類しかないが)まで整数とするものは各辺の長さを相当
長いものまで検索されてはいるが未だに発見に至っていなく未解決の問題になっているのに
対し、2009年に平行六面体の内部の対角線まで整数となるものが見つかったというのがこの
結果だというのを知ったことを確認していたものを元に出題しておりました。

 現在のコンピュータの力を利用して最後の形状を見つけてほしい。


 DD++さんからのコメントです。(平成31年2月3日付け)

 対角線の長さは、 272、278、300、374

272^2+278^2+300^2+374^2 = (103^2+106^2+271^2)*4

272^2+278^2 = (103^2+255^2)*2
300^2+374^2 = (103^2+323^2)*2

272^2+300^2 = (106^2+266^2)*2
278^2+374^2 = (106^2+312^2)*2

272^2+374^2 = (271^2+183^2)*2
278^2+300^2 = (271^2+101^2)*2

ってことですか?


 GAI さんからのコメントです。(平成31年2月4日付け)

 上記から立体のイメージがとれなかったので、こちらが思っている図形を記しておきます。

 今、(a,b,c)=(103,106,271) の3辺の長さにしておく。(103,106)=>(101,183) の形状を作る。

つまり、2辺a,bを、

(arccos((103^2+106^2-101^2)/(2*103*106))=1.00836・・・(≒57.774°)

の角度で平行四辺形を作れば、2つの対角線は、101,183 となる。

 同じく、(106,271)=>(255,323)  の形状をとる。

arccos((106^2+271^2-255^2)/(2*106*271))=1.22168・・・(≒69.997°)

の角度で平行四辺形を作れば、2つの対角線は、255,323 となる。

 また、c,aは、1.33035・・・rad(≒76.223°) で、266,312の対角線を持つものにしておく。

 そこで、3次元でOを始点とする3つのA,B,Cベクトルを考え、|A|=103、|B|=106、|C|=271とす
れば、

  O(原点)、A、B、C、A+B、B+C、C+A、A+B+C

の終点は、a,b,cの長さを3辺とする平行6面体の8頂点となる。
(これを順にO,A,B,C,D,E,F,Gとする。)

 そこで、4つのbody diagonalは

OG
=|A+B+C| 、CD=|A+B-C| 、AE=|B+C-A| 、BF=|C+A-B|

なので、例えば、

OG^2=(A+B+C)・(A+B+C)=|A|^2+|B|^2+|C|^2+2*((A・B)+(B・C)+(C・A))
        =103^2+106^2+271^2+2*(103*106*(103^2+106^2-101^2)/(2*103*106)
     +106*271*(106^2+271^2-255^2)/(2*106*271)
     +271*103*(271^2+103^2-266^2)/(2*271*103))
       =139876

 よって、 OG=√139876=374

 他も同様に求めると、 CD=272 、AE=300 、BF=278

とピタリと整数となる。これで平行六面体の6つの対角線と4つの内部対角線はすべて整数
が現れる。


 DD++さんからのコメントです。(平成31年2月4日付け)

 立体の対角線4つのうち任意の2つを選ぶと、それを対角線とする平行四辺形は1組の辺
と1組の面の対角線を辺に持ちます。それら 4C2=6 個の平行四辺形の形状を書きました。



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