ここでは、いくつかの同じサイズの閉正三角形が連なっているとき、その中に、その正三角形の辺以上の距離を置いて配置される点が、どのような位置関係になるかについて研究する。
たとえば下図の場合、「PQ≧ABならば、PB≦QCとなり、PB=QCとなるのはPQ=ABのときに限る。」というようなことである。
定理1:上図(Pは△ABC上、Qは△AB’C上)で、PQ≧ABならば、PB≦QCとなる。PB=QCとなるのはPQ=ABのときに限り、Pは辺AB上でQは辺B’C上か、あるいはP=CでQ=Aである。
証明:
場合分けして考える。
a:P=A
b:P=B
c:P=C
d:Pは辺BC内、Qは辺B’C上
e:Pは辺BC内、Qは辺AB’上
f:Pは辺BC内、Qは△AB’C内
g:Pは辺AB内、Qは辺B’C上
h:Pは辺AB内、Qは辺AB’上
i:Pは辺AB内、Qは△AB’C内
j:Pは△ABC内、Qは辺B’C上
k:Pは△ABC内、Qは辺AB’上
l:Pは△ABC内、Qは△AB’C内
m:Pは辺AC内
これですべての場合を網羅しているはずである。
Qは、B’、あるいはC以外にはありえない(三角形の最長辺以上離れた2点は、この最長辺の両端点である:「【問3】【問4】は、n=1のときは完全に解けること」の付記参照)。
どちらの場合も、命題が真であることは明らか。
さらに、Q=Cと、Q≠Cとに分けられる。どちらの場合も明らか。
上記aと同様。命題が真であることは明らか。
やっと幾何学らしくなる。
上図で、PQ≧BC(題意)。
また、PC+CQ>PQ(三角不等式)。
BC=BP+PC(Pは辺BC内)。
これらから、PC+CQ>BP+PC。
ゆえに、CQ>BP。
注意:この議論は、Qが辺B’Cの、B’側の延長上にあっても成り立つ。
上図のHは、AH=BPとなる点とする。
PQ≧ABなので、AQ≧AH。
このことは、AQ<AHとすると、次のように矛盾が導かれるので分かる。
AQ<AHとすると、Qは△APHの辺AH内の点である。すると、PQは、△APHの最長辺以下であり、最長辺に長さが一致するときは、PQが最長辺となる。
ところが、AP<AB=PH、かつAH<AB’=PHなので、△APHの最長辺はPHである(しかも唯一の最長辺である)。したがって、PQ≦PH。
しかも、PQ≧AB=PHなので、PQ=PHでなければならない。すると、PQは唯一の最長辺PHと端点が一致し、Q=Hとなる。
これは、AQ<AHに反する。(「PQ≧ABならば、AQ≧AH」の証明終わり)
さて、△ACQで、∠A>∠Cなので、QC>AQ。
したがって、QC>AH=PB。
Hは、PH=PQとなる、B’C上の点である。
Pを中心にして、半径がPQの円を描くと、Cはその内部の点、B’はその外部の点なので、このようなHは必ず存在する。
Cがこの円の内部であることは、PC<AB≦PQから言える。
B’がこの円の外部の点であることは、Qが△APB’か、△PCB’かの少なくとも一方に属し、どちらの三角形も最長辺がPB’であることから言える(たとえば、△APB’でAB’<PB’は、∠P<60゜、∠A>60゜となるので分かる)。
PH=PQなので、PH≧AB。
したがって、上記dにより、CH>BP。
また、∠HQC<∠HQP=∠QHP<∠QHCなので、CQ>CH。
よって、CQ>BP。
注意:この議論は、Qが△AB’Cの外側にあっても、PQ>PB’、 CQ>CHが言えれば、成り立つ。しかし、CQ<CHが言えてしまう。
Hは、辺B’C上で、CH=BPとなる点である。
上記eにおけると同様な議論で、CQ≧CH=BPであることが分かる。
CQ=CHとなるときは、四角形PBCQが平行四辺形となるときであり、PQ=BC=ABである。
上記dでAとCの役割を入れ替えれば、AQ≧BPが分かる。
△AQCにおいて、∠A>∠Cなので、CQ>AQ。
したがって、CQ>BP。
Hは、辺B’C上で、PQ=PHとなる点とする。
上記fと同様な議論で、このようなHが存在することが分かる。
上記gから、HC≧PB。
再び上記fと同様に、QC>HC。
これらから、CQ>BP。
辺AB上で、BH=BPとなる点Hをとる。
△PQHで、∠H<∠PHA=(∠HPBの補角)<∠Pなので、HQ>PQ。したがって、HQ>AB。
すると、上記gから、CQ>BH。BH=BPなので、CQ>BP。
辺BC上で、BH=BPとなる点Hをとる。
△PQHで、∠H<∠PHC=(∠HPBの補角)<∠Pなので、HQ>PQ。したがって、HQ>AB。
すると、上記eから、CQ>BH。BH=BPなので、CQ>BP。
辺B’C上に、PH=PQとなる点をとる。
上記fと同様な議論で、このようなHがとれることが分かる。
△QCHで、∠Q<∠PQH=∠PHQ<∠Hなので、QC>HC。
また、上記jにより、HC≧BP。したがって、QC>BP。
注意:上記fと同様、この議論は、Qが△AB’Cの外側にあっても、PQ>PB’、QC>HCが言えれば、成り立つ。しかし、QC<HCが言えてしまう。
これはありえない。PQ≧AB=(△AB’Cの最長辺)であるが、そうするとPは△AB’Cの頂点でなければならないから。
■
定理2:6つの正三角形を下図のように正六角形に並べたものに、6点を、たがいにこれらの正三角形の辺長以上に離れて配置すると、すべての点が、これらのどれかの正三角形の頂点になる。
したがって、たがいにこれらの正三角形の辺長より離して配置すると、5点しか配置できない。
証明:
場合分けして考える。
a:正六角形の中心に点を配置する
b:正六角形の中心に点を配置しない
正六角形の中心に点を配置してしまうと、この点から「正三角形の辺長以上離れた点」は、正六角形の頂点しかなくなる。
したがって、定理は成り立つ。
正三角形の各頂点の所属を明確にする。具体的には下図。辺の所属もこれに順ずる。
中心は、点を配置しないので、除いた。
このようにすると、各正三角形は、ちょうどひとつずつ頂点を持つことになる。
したがって、各正三角形には、2つ以上の点を配置することができない。各正三角形には、ちょうどひとつずつの点を配置することになる。
ここでまた場合分けする。
b−a:ある正三角形に注目すると、その頂点(正六角形の頂点)に点が配置される
b−b:ある正三角形に注目すると、その辺(正六角形の中心と頂点を結ぶもの)内に点が配置される
b−c:ある正三角形に注目すると、その辺(正六角形の辺)内に点が配置される
b−d:ある正三角形に注目すると、その内部に点が配置される
これで、正六角形の中心に配置しない場合のすべての場合を網羅している。
b−a:ある正三角形に注目すると、その頂点(正六角形の頂点)に点が配置される
時計回りに回って、この正三角形(Tと呼ぶことにする)の後ろにある正三角形(Sと呼ぶことにする)を考える。
正三角形Tに配置された点から、正三角形の辺長以上離れた点は、正三角形Sには、正三角形Sに属する頂点しかない。
したがって、正三角形Sも、その頂点に点が配置される。
以下、順に後ろの正三角形についても、その頂点に点が配置されることになり、結局すべての点が、どれかの正三角形の頂点になる。
定理は成り立っている。
注意:このとき、点間の距離の最小値は、正三角形の辺長に等しい。
b−b:ある正三角形に注目すると、その辺(正六角形の中心と頂点を結ぶもの)内に点が配置される
これは、ありえない。
なぜなら、この正三角形の後ろの正三角形上に、この点から正三角形の辺長以上離れた点は存在しないから。各正三角形にちょうど1つずつの点を配置することができない。
b−c:ある正三角形に注目すると、その辺(正六角形の辺)内に点が配置される
これも、ありえない。
下図のように、各点に名前をつけることにする。この図では、すべての点が辺内に配置されているかのように表されているが、他のところに配置された点があっても議論の本質は変わらない。
P1〜P6は配置された各点、V1〜V6は、頂点である。対応するものには、同じ添え字を付けた。注目した三角形のものの添え字は1とした。
定理1から、V1P1≦V2P2≦V3P3≦V4P4≦V5P5≦V6P6≦V1P1となる。
この等号付不等式列の最初と最後は同じものであるから、すべて同じ値にならなければならない。
定理1で同じ値になるためには、P1はV1と中心を結ぶ辺上にあるか、V2に一致しなければならない。
これは、P1が正三角形の辺(正六角形の辺)内という仮定に反する。
これも、ありえない。
下図のように、各点に名前をつけることにする。この図では、すべての点が正三角形内部に配置されているかのように表されているが、他のところに配置された点があっても議論の本質は変わらない。
P1〜P6は配置された各点、V1〜V6は、頂点である。対応するものには、同じ添え字を付けた。注目した三角形のものの添え字は1とした。
定理1から、V1P1≦V2P2≦V3P3≦V4P4≦V5P5≦V6P6≦V1P1となる。
この等号付不等式列の最初と最後は同じものであるから、すべて同じ値にならなければならない。
定理1で同じ値になるためには、P1はV1と中心を結ぶ辺上にあるか、V2に一致しなければならない。
これは、P1が正三角形の内部という仮定に反する。
■
定理2の系1:いくつかの同じ大きさの正三角形が、たがいに辺で接していて、順にたどっていくと元に戻れるようになっているとき、これらの正三角形と同じ個数の点をたがいにこれらの正三角形の辺長以上に離して配置し、隣の正三角形と接している辺には高々1個の点しか配置しないようにし、辺上の点はどちらの正三角形に所属するかを明確にして、各正三角形にはちょうど1点ずつが配置されるようにしたとき、配置されたすべての点は、どれもこれらのどれかの正三角形の頂点に配置され、点間距離の最小値は正三角形の辺長に一致する。
証明:
この条件の場合、定理2の証明中のb−cあるいはb−dにおける不等式列と同様な等号付不等式列を作ることができ、最初と最後が同じものにできるので、その各項の値はすべて同じになる。このときは、点間距離の最小値は正三角形の辺長に一致する。
すると、ある正三角形に配置された点は、その頂点にあるか、ある辺内にあって隣の正三角形の点とを結ぶともう1辺と平行である。
前者の場合、その点は2つあるはずの隣の正三角形の少なくとも一方にとっても頂点であり、この「隣の正三角形」に配置される点も、頂点でなければならなくなる。これもまた反対隣の正三角形にとって頂点となり、以下同様にして順次隣の正三角形の頂点に配置されている、したがって、すべての点が頂点に配置されていることが分かる。
後者の場合、隣の正三角形に配置された点も、その正三角形のある辺内になるが、その辺がさらに隣の正三角形との境界辺であれば、その「さらに隣の正三角形」には点は配置できず、境界辺でなければ正三角形はジグザグに連なっていくだけで、「元に戻れるようになっている」という条件を満たせない(下図)。
■
定理3:下図(Pは△ABC上、Qは△AB’C上)で、PQ≧AB、{A,C}≠{P,Q}ならば、PB+QB’≦AB。PB+QB’=ABとなるのは、PQ‖ABあるいはPQ‖BCのときである(「‖」は、一致する場合を含む)。
証明:
場合分けして考える。
a:Qが辺B’C上
b:Qが辺AB’上
c:Qが辺B’C上、辺AB’上以外で、P、Q、B’は同一直線上
d:Qが辺B’C上、辺AB’上以外で、QとAは、直線PB’の同じ側
e:Qが辺B’C上、辺AB’上以外で、QとCは、直線PB’の同じ側
定理1(a、b、c、d、gあるいはjのケース)から、PB≦QC。
Qは辺B’C上なので、B’Q+QC=B’C=AB。
これらから、PB+QB’≦AB(等号はPB=QCのとき)。
定理1で、PB=QCとなるのは、PQ‖BCか、P=C(このときはQ=B’なのでPQ‖AB)のときである。
上記aにおいて、点Aと点Cを入れ替えればよい。
c:Qが辺B’C上、辺AB’上以外で、P、Q、B’は同一直線上
点Hを、B’H=B’Qとなるように、辺AB’上にとる。
△PQHにおいて、∠Q=(∠B’QHの補角)=(∠B’HQの補角)>∠H。
したがって、PH>PQ≧AB。
上記bにより、PB+HB’≦AB。ただし、PH>ABなので、PHとABは平行ではないから、等号は成り立たない。
B’H=B’Qなので、PB+QB’<AB。
d:Qが辺B’C上、辺AB’上以外で、QとAは、直線PB’の同じ側
点Hを、B’H=B’Qとなるように、辺AB’上にとる。
△PQHにおいて、∠Q>(∠B’QHの補角)=(∠B’HQの補角)>∠H。
したがって、PH>PQ≧AB。
上記bにより、PB+HB’≦AB。ただし、PH>ABなので、PHとABは平行ではないから、等号は成り立たない。
B’H=B’Qなので、PB+QB’<AB。
e:Qが辺B’C上、辺AB’上以外で、QとCは、直線PB’の同じ側
上記dにおいて、点Aと点Cを入れ替えればよい。
■
定理3の系1:複数の同じ大きさの正三角形が、辺を接して連なっていて、各正三角形に1点ずつが配置されており、点間の距離が正三角形の辺長以上、接する辺に2点が配置されてないならば、この正三角形列の両端の正三角形の頂点からそこに配置されている点までの距離の和は、正三角形の辺長以下である。
たとえば、下図では、QB+PA≦(正三角形の辺長)。
また、ここで等号が成り立つときは、点間距離の最小値は正三角形の辺長に一致する。
証明:
上図の場合で、説明する。
定理3からQB+RC≦(正三角形の辺長)。
また、定理1からPA≦RC。
これらから、QB+PA≦(正三角形の辺長)。
ここで等号が成り立つときは、PA=RC、したがってPR=(正三角形の辺長)のときであるので、点間距離の最小値はPRとなる。
正三角形の数が増えた場合は、同様な議論で、より少ない正三角形の場合に還元できるので、正三角形の数がいくつでも言える。
■
なお、ここで「等号が成り立つとき」は、「三角形の頂点に配置される」と言いたくなるが、それは反例がある。下図のように、台形または平行四辺形に正三角形を並べ、その共有しない辺上に配置すればよい。
台形でも平行四辺形でもない並べ方だと、「正三角形の頂点に配置される」は言えそうだが、今のところ証明はできていない。たとえば下図の場合なら、言える。
PA=RC、PR=AC、RはCC’上となるが、R≠C、R≠C’だと、R’が困ってしまうので、Rは頂点に配置されねばならない。
しかし、もっと一般的な場合はどうなのか、よく分からない。
定理3の系2:次のような、同じ大きさの正三角形列があるとする。
@ 隣の正三角形とは、頂点あるいは辺で接する
A 隣の正三角形と頂点で接する場合は、反対隣の正三角形とは、その頂点の対辺で接する。
B すべての正三角形に1つずつ点が配置されている。
C 点間の距離は、正三角形の辺長以上である。
D 隣の正三角形を順にたどって、元に戻ることができる。
このとき、点間の距離の最小値は、正三角形の辺長に等しい。
また、頂点で接する正三角形対に配置された2点とこの頂点とは、同一直線上にある。
証明:
頂点で接する正三角形対に注目する。
このような正三角形に配置された点間の距離は、仮定により正三角形の辺長以上である。
さらに、いったんこの頂点に寄り道した場合の道のりは、これを超えることはない。
したがって、これらを合計したものは、(これらの正三角形対の数)×(正三角形の辺長)以上となる。
同じものを、別の見方で計算する。
一方の正三角形から、辺で接する正三角形をたどっていくと、頂点で接する正三角形にたどり着く(元に戻ることもありうるが、その場合は定理2の系1により、点間の最小距離が正三角形の辺長に等しいことは言えてる)。
そこで、たどり着いた頂点で接する正三角形のうち、手前側のものに配置されている点とその頂点との距離と、出発点の正三角形に配置された点とその頂点との距離の和は、系1により、正三角形の辺長以下である。
したがって、このような和をすべて合計したものは、(これらの正三角形対の数)×(正三角形の辺長)以下である。
こうして、まったく同じものの一方は「(これらの正三角形対の数)×(正三角形の辺長)以上」、もう一方は「(これらの正三角形対の数)×(正三角形の辺長)以下」となる。このことは、これらが「(これらの正三角形対の数)×(正三角形の辺長)」に一致することを示している。
そのためには、頂点で接する正三角形対に配置された点間の距離は、正三角形の辺長以下でなければならない。
この距離は、仮定により正三角形の辺長以上であるから、これが正三角形の辺長に一致することが言えた。
このとき、「いったん頂点に寄り道した道のり」と「まっすぐ行った距離」とが等しいのであるから、これらの点と頂点は、同一直線上になければならない。
■
* この系を利用すると、定理2のbは、次のようにも証明できる。
この系により、上図のPVQは同一直線上。それは、PあるいはQがVに一致するときに限る。そのとき、QあるいはPは、正六角形の隣の頂点になる。
他の頂点についてもすべて同様。
■
定理4:1辺がs、他の辺がnsで、1頂角が60°の平行四辺形には、高々2(n+1)点が配置できる。ただし、配置する点の相互の距離は、s以上とする。
また、配置する点の相互の距離をsより大とすると、高々2n点が配置できる。
証明:
この平行四辺形は、辺長がsの正三角形列に分割でき、正三角形列となる。
このとき、正三角形の個数は、2nである。
まず、可能性を示す。
配置する点の相互の距離をs以上とした場合、これらの正三角形の全頂点に点を配置することによって、2(n+1)点が配置できる。
また、配置する点の相互の距離をsより大とした場合、たとえば長辺上に60°の頂角からs(2n+1)/(2n−1)ずつ離して配置すれば、2n点が配置できる(下図は、n=4の例)。
つぎに、それより多くの点が配置できないことを示す。
配置する点の相互の距離をs以上とした場合、この正三角形列の1端の正三角形は3頂点を含み、他の正三角形は1頂点のみを含むものとする(下図は、n=4の例)。
このとき、3頂点を含む正三角形には高々3点しか配置できず、他の正三角形には高々1点しか配置できない。したがって、合計3+(2n−1)=2n+2=2(n+1)点しか配置できない。
配置する点の相互の距離をsより大とした場合、各正三角形には、高々1点ずつしか配置できない。したがって、正三角形の個数(=2n)を超えて配置することはできない。
■
定理4の系1:上底がns、下底が(n+1)s、脚がsの等脚台形には、高々2n+3点が配置できる。ただし、配置する点の相互の距離は、s以上とする。
また、配置する点の相互の距離をsより大とすると、高々2n+1点が配置できる。
証明:
この等脚台形は、辺長がsの正三角形列に分割でき、正三角形列となる。
このとき、正三角形の個数は、2n+1であり、定理4の平行四辺形に、辺長がsの正三角形を追加したものである。
まず、可能性を示す。
配置する点の相互の距離をs以上とした場合、これらの正三角形の全頂点に点を配置することによって、2n+3点が配置できる。
また、配置する点の相互の距離をsより大とした場合、下図に示すQ点を、微調整してQ’に移動させることにより、P点が配置でき、定理4よりも1点多く配置できる。すなわち、2n+1点が配置可能である。
つぎに、それより多くの点が配置できないことを示す。
配置する点の相互の距離をs以上とした場合、この正三角形列の1端の正三角形は3頂点を含み、他の正三角形は1頂点のみを含むものとする(下図は、n=4の例)。
このとき、3頂点を含む正三角形には高々3点しか配置できず、他の正三角形には高々1点しか配置できない。したがって、合計3+2n=2n+3点しか配置できない。
配置する点の相互の距離をsより大とした場合、各正三角形には、高々1点ずつしか配置できない。したがって、正三角形の個数(=2n+1)を超えて配置することはできない。
■
定理4およびその系は、1つの正三角形に、順次同じ大きさの正三角形を追加してできた図形についてのものと考えることができる。そこで、あらためて、このような図形を「正三角形列」と呼ぶことにする。言うまでも無いが、これらの正三角形は、正三角形格子の正三角形である。2つの正三角形が共有点を持つときは、どちらの正三角形にとっても頂点である点を共有する。
たとえば、下図のものは、平行四辺形でも台形でもないが、定理4やその系と同様な性質を持つ。
配置する点の相互の距離を正三角形の辺長以上とした場合、下記のことが言える。
正三角形列は、順次追加する正三角形が、それまでの正三角形と、必ずちょうど2頂点を共有するようにできるならば、(正三角形の数+2)個の点が配置でき、そのときは正三角形の全頂点を占める。
順次追加する正三角形が、それまでの正三角形と、3頂点を共有するのが高々1回にできるならば、正三角形の頂点の総数(重複は1つと数える)が、点を配置できる最大値となり、そのときの配置は、全頂点となる。
しかし、3頂点を共有する正三角形が必ず2つ以上できてしまう場合は、今のところ、どのように配置できるかを言えない。ただ、正三角形の頂点の総数を超えて配置できる例は見つかってないし、正三角形の全頂点を占める配置以外の配置も見つかっていない。最大値が必ず正三角形の頂点の総数に一致し、そのときの配置は正三角形の全頂点になることが言えれば、【問1】は、直ちに解ける。
3頂点を共有する正三角形が1つだけにできる場合は、正三角形の全頂点に配置した場合が最大値となることが言える。上記の定理2は、その例である。