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第1問

平面上の点からなる有限集合 SS が、SS 内の任意の異なる2点 AA, BB に対して AC=BCAC=BC を満たす点 CC が SS 内に存在するとき、バランスが取れている と呼ぶことにする。また、SS 内の任意の異なる3点 AA, BB, CC に対して PA=PB=PCPA=PB=PC を満たす点 PP が SS 内に存在しないとき、SS は 中心を持たない と呼ぶことにする。 (a) すべての整数 n≥3n\ge3 に対して、nn 個の点からなるバランスが取れた集合が存在することを示せ。 (b) nn 個の点からなるバランスが取れていて中心を持たない集合が存在するような整数 n≥3n\ge3 をすべて求めよ。
ステップ 1/5: あらゆる奇数の大きさのバランスが取れた集合
ざっくり言うと

正三角形はそれ自体がバランスの取れた集合であるから、いくつかをある共通の頂点で貼り合わせてもバランスは保たれるはずである。

V={O,A1,B1,…,Ak,Bk},△OAiBi equilateralV=\{O,A_1,B_1,\dots,A_k,B_k\},\quad \triangle OA_iB_i \text{ equilateral}
詳しい解説

中心 OO、半径 rr の円を一つ固定する。i=1,…,ki=1,\dots,k に対して、円周上に点 Ai,BiA_i,B_i を、△OAiBi\triangle OA_iB_i が正三角形となるように選び、V={O,A1,B1,…,Ak,Bk}V=\{O,A_1,B_1,\dots,A_k,B_k\} とおく。これは 2k+12k+1 個の点からなる集合である。OO 以外のすべての点は OO から距離 rr にあるので、そのような2点 Ai,AjA_i,A_j に対しては C=OC=O ととればよい。組 (O,Ai)(O,A_i) に対しては、△OAiBi\triangle OA_iB_i が正三角形であることから第三の頂点 BiB_i が BiO=BiAiB_iO=B_iA_i を満たす。よって VV はバランスが取れており、∣V∣=2k+1|V|=2k+1 は k=1,2,…k=1,2,\dots に応じてすべての奇数 ≥3\ge 3 を動く。