・ 交点の数え上げ                   S.H氏

 平行でない2本の直線が必ず1点で交わることはユークリッド幾何の教える所である。

        

 いま上図に次のような性質をもつ1個の円と1本の直線を組にして順次書き加える。

  (イ) 円の中心は、常に直線 L と直線 M との交点である。

  (ロ) 書き加える直線は直線 L と直線 M の交点を常に通る。

  (ハ) 書き加えられた円は何れも重ならない。

  (ニ) 書き加えられたどの直線も、それまでに書き加えられた直線および直線 L 、M と
     は重ならない。

 n 個の円と n 本の直線を書き加えたときの交点の数を、a とおくことにする。

 たとえば、n=1 のとき、
           

明らかに、 a1=7 である。

 次に、n=2 のとき、
          

明らかに、 a2=17 である。

 一般に、a を n の式で表すことが目標である。

 さて、この交点を数え上げる方法として、次の2つが考えられる。

(方法1) 1個の円と1本の直線を書き加えた場合に増加する交点数に注目する方法

(方法2) 1個の円と1本の直線を書き加えて得られる図の交点数を一括で求める方法
       (1個の円と1本の直線の交点数は常に2であるという性質が活躍する!

 (方法1)は漸化式を考えるときの基本的思考であるが、この場合は仇となる。(方法2)
で考えると混乱なく容易に交点数を直接的に求めることが出来る。ここら辺がこの問題の
急所であり、作問者が仕掛けたトラップ(罠)なのだろう。

 いま、直線 L と直線 M が交わっている図に、n−1 個の円と n−1 本の直線が書き
加えられているものとする。ただし、n≧1 とする。

 その図に、さらに、1 個の円と 1 本の直線を書き加える。すると、その図には、n 個の
円と n+2 本の直線があるので、交点の総数は、直線 L と直線 M との交点も含めて、

       = 2×(n+2)×n+1 = 2n2+4n+1

となる。

 (方法1)による解法が如何に大変かは、次の計算を見れば了解されるだろう。

 いま、直線 L と直線 M が交わっている図に、n 個の円と n 本の直線が書き加えられて
いるものとする。ただし、n≧1 とする。このときの交点数が、a である。

 その図に、さらに、1 個の円と 1 本の直線を書き加えたときの交点数が、an+1 である。

交点の増加数を求めよう。

 書き加えた円は、 n+3 本の直線と新規に交わるので、その交点数は、 2(n+3)

 書き加えた直線は、もとの n 個の円と新規に交わるので、その交点数は、 2n

  したがって、 an+1 = a + 2(n+3) +2n = a + 4n+6

 a1=7 なので、この漸化式を解くと、(→参考:「漸化式の全て」)

      = 2n2+4n+1

となる。

                                             投稿一覧に戻る