・面白い幾何の問題                    Tabasco 氏

 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

  ・・・・・・・・・・・・・・・・

 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!



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