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第3問

平面上の点 OO と AA を固定し、平面の各点を有限個の色のいずれかで塗る。点 XX に対し、C(X)C(X) を中心 OO、半径 OX+∠AOXOXOX+\frac{\angle AOX}{OX} の円とする。ただし ∠AOX\angle AOX はラジアンで [0,2π)\left[0,2\pi\right) の範囲で測る。OAOA 上にない点 XX で、XX の色が円 C(X)C(X) の円周上にも現れるものが存在することを示せ。
ステップ 5/6: 入れ子の無限集合で反復する
ざっくり言うと

各段階で有限個の色を一つずつ消費するが、無限部分列が次の段階に十分な余地を残す。

xjk1+1, jk−jk1∈Cjk1+1,C(xjk1+1, jk−jk1)=Cjk+1x_{j_{k_1}+1,\,j_k-j_{k_1}}\in\mathcal C_{j_{k_1}+1},\quad C(x_{j_{k_1}+1,\,j_k-j_{k_1}})=\mathcal C_{j_k+1}
詳しい解説

得られた無限集合の最初の添字を選び、対応する行を見る。その行の無限個の選択された点はすでに c1c_1 を禁じた円上にあるので、鳩の巣原理により新しい色 c2c_2 の無限部分列が得られる。同じ構成を繰り返すと c1,c2,…c_1,c_2,\ldots が得られ、各新色はそれ以前の色がすべて禁じられた円上に現れるため互いに異なる。