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第3問

正整数 nn と kk、および平面上の nn 個の点からなる集合 SS を考える。ただし S のどの3点も一直線上にないものとする。SS の各点 P∈SP\in S に対し、PP から等距離にある SS の点が少なくとも kk 個あると仮定する。k<12+2nk<\frac12+\sqrt{2n} を証明せよ。
ステップ 2/5: 反対の不等式を仮定する
ざっくり言うと

仮定した上限は各中心に多すぎる証人を生じさせる。

k≥12+2n ⟹ k(k−1)≥2n−14>2(n−1)k\ge\frac12+\sqrt{2n}\ \Longrightarrow\ k(k-1)\ge2n-\frac14>2(n-1)
詳しい解説

背理法として k≥12+2nk\ge\frac12+\sqrt{2n} と仮定する。(k−12)2≥2n(k-\frac12)^2\ge2n を展開すると k2−k≥2n−14k^2-k\ge2n-\frac14 であり、n≥1n\ge1 よりこれは 2(n−1)2(n-1) より真に大きい。