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第4問

ABCABC を正三角形とする。頂点 AA から三角形の内部に向けて、いずれかの辺に達する半直線を引く。半直線が辺に達すると反射の法則に従って跳ね返る、すなわち有向角 θ\theta で到達すれば有向角 180∘−θ180^\circ-\theta で出発する。nn 回の反射の後、半直線は他の二つの頂点のいずれにも達することなく AA に戻る。nn としてありうる値をすべて求めよ。
ステップ 1/7: 反射を展開して三角形分割する
A=(0,0),B=(1,0),C=(0,1)A=(0,0),\quad B=(1,0),\quad C=(0,1)
詳しい解説

跳ね返る辺に関して正三角形を繰り返し反射させると、平面は単位三角形で敷き詰められる。各格子頂点に整数座標 (a,b)(a,b)(a,b≥0a,b\ge0)を、aa を最初の一辺の方向への単位歩数、bb をもう一辺の方向への単位歩数として割り当てると、出発の三角形は A=(0,0)A=(0,0)、B=(1,0)B=(1,0)、C=(0,1)C=(0,1) となる。すべての単位三角形はこのような反射の列によって ABCABC から得られ、ビリヤードの半直線は、AA から、半直線が最終的に到達する点にある AA の像への線分に展開される。