MathLabs

Bài 4

Cho ABCABC là tam giác đều. Từ đỉnh AA ta vẽ một tia hướng vào trong tam giác sao cho tia đó chạm một cạnh của tam giác. Khi tia chạm một cạnh, nó nảy ra theo định luật phản xạ, tức là nếu tới với góc định hướng θ\theta thì đi ra với góc định hướng 180∘−θ180^\circ-\theta. Sau nn lần nảy, tia quay trở lại AA mà không bao giờ rơi vào một trong hai đỉnh còn lại. Tìm tất cả các giá trị có thể của nn.
Bước 2 trên 7: Ảnh của A và các hướng tránh đỉnh
V={(a,b):a≡b(mod3)},U={(a,b):gcd⁡(a,b)=1}V=\{(a,b): a\equiv b\pmod3\},\qquad U=\{(a,b): \gcd(a,b)=1\}
Phân tích chi tiết

Phản xạ một đỉnh (a,b)(a,b) qua một cạnh của tam giác đơn vị giữ nguyên a−b mod 3a-b\bmod3, và hai đỉnh bất kỳ có cùng số dư đều có thể nối với nhau bằng các phản xạ như vậy, nên tập VV các ảnh của AA chính là các điểm lưới với a≡b(mod3)a\equiv b\pmod3. Một tia từ AA hướng tới (a,b)(a,b) đi qua một điểm lưới khác trước (a,b)(a,b) đúng khi gcd⁡(a,b)=d>1\gcd(a,b)=d>1, vì khi đó (a/d,b/d)(a/d,b/d) nằm trên đoạn A(a,b)A(a,b); nên tia chạm đỉnh đầu tiên tại (a,b)∈U(a,b)\in U đúng khi gcd⁡(a,b)=1\gcd(a,b)=1. Tia quay về AA mà không chạm đỉnh gốc nào khác trước đó chính xác ứng với các hướng tới V∩UV\cap U.