面白い問題を見つけましたので、ご紹介します。出典は大昔の大数ですが、模範解答が載っ
ておりませんでした。
問題 単位円周上の任意のn個の点について、それらまでのn個の距離の積が2以上にな
るような点が、円周上、または、円の内部に存在することを示せ。
皆さまの、この問題に対するさまざまなアプローチを見てみたいです。さらに、本問に関連す
る数学的事実などご存知でしたら、教えてください。
at さんからのコメントです。(令和7年1月5日付け)
単位円周上のn点を、z_1、z_2、 … 、z_n とし、多項式 P(w)=(w-z_1)*(w-z_2)*…*(w-z_n)
を考える。
|P(w)|≧2 かつ 1≧|w| なる w の存在が次のようにして示せる。
(z_1)*(z_2)*…*(z_n)=(−1)^n となるように座標を設定できる。
k=1、2、…、n に対して、w_k=exp(i*2*π*k/n) とすると、
P(w_1)+P(w_2)+…+P(w_n)=2*n
であることがわかる。よって、|P(w_1)|+|P(w_2)|+…+|P(w_n)|≧2*n
よって、|P(w_1)|、|P(w_2)|、…、|P(w_n)| のうち、少なくとも1つは2以上。
(コメント) n=1 のとき、単位円周上の点P1(1,0)に対して、Q(−1,0)とおけば、
P1Q≧2 である。
n=2 のとき、単位円周上の点P1(1,0)、P2(−1,0)に対して、Q(0,1)とおけば、
P1Q*P2Q=×≧2
n=3 のとき、単位円周上の点P1(1,0)、P2(−1/2,/2)、P3(−1/2,−/2)
に対して、Q(−1,0)とおけば、
P1Q*P2Q*P3Q=2×1×1≧2
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確かに、条件を満たす点は存在しそう...。
Dengan kesaktian Indukmu さんからのコメントです。(令和7年1月6日付け)
特殊な場合では、こうなっているようです。
単位円に内接する正 n+1 角形の頂点のうち n 個をとります。それらまでの n 個の距離の
積が 2 以上になる点が、円周上ないしは円の内部に存在することを示せ。
↓↓↓
正 n+1 角形の頂点のうち n 個をとったときにあぶれた頂点を P とします。
P から あらかじめとられていた n 個の頂点に引いた線分の長さの積 N は n+1 に等しい。
不思議……。
(コメント) n=3、4の場合について、「不思議」さを体験してみました。
n=3 のとき、
このとき、 N=PQ1・PQ2・PQ3=・2・=4
n=4 のとき、
このとき、 N=PQ1・PQ2・PQ3・PQ4=(2−2cos72°)(2−2cos144°)
ここで、 cos144°=−cos36°=−(+1)/4 、cos72°=(−1)/4 なので、
N=PQ1・PQ2・PQ3・PQ4=(5−)/2・(5+)/2=5
DD++ さんからのコメントです。(令和7年1月9日付け)
「または、円の内部」がわざわざついているのが気になっているんですが、この積が最大
値をとる点は、必ず円周上にあるわけでもないんですかね?
感覚的には、必ず円周上と言えそうな気がしていますが、さりとて証明もできず。
Dengan kesaktian Indukmu さんからのコメントです。(令和7年1月21日付け)
双対多角形を利用すべきと直感的に思ったのですが、今日まで鼠一匹捕れませんでした。
(円の内部にもあるとしたら……)
以下、工事中!