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第2問

平面上の少なくとも2点からなる有限集合 SS を考え、SS のどの3点も同一直線上にないとする。風車とは、ただ一点 P∈SP\in S を通る直線から始まる過程である。直線は軸 PP を中心に時計回りに回転し、SS に属する他の点に初めて出会うまで回転を続ける。この点 QQ が新しい軸となり、直線は今度は QQ を中心に時計回りに回転し、次に SS の点に出会うまで続く。この過程は永遠に続く。SS の中から点 PP と、PP を通る直線をうまく選べば、得られる風車が SS のすべての点を無限回軸として使うことを示せ。
ステップ 6/6: 結論:すべての頂点が無限回軸になる
ざっくり言うと

P を通るように構成した特別な向きは、P を通る釣り合い直線でしか実現され得ず、その向きは永遠に戻り続ける。

PP
詳しい解説

先に構成した PP を通る通常の釣り合い直線の向きを δP\delta_P とし、その直線から風車を開始する。不変性より、この風車に現れる通常直線はすべて釣り合い直線であり、前段より向き δP\delta_P を持つ釣り合い直線は PP を通るものだけである。したがって向き δP\delta_P が風車の中で再び現れるたびに、その瞬間の軸は PP でなければならない。δP\delta_P はその後 180∘180^\circ 回転するごとに再び現れるので、PP は無限回軸になる。PP は SS の任意の頂点だったので、選んだ任意の点を通る釣り合い直線から風車を開始すれば、同じ議論により SS のすべての頂点が無限回軸として使われることが分かる。