MathLabs

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 3/5: 正 nn 角形はバランスが取れており、中心を持たないのはまさに中心が存在しないとき
ざっくり言うと

正多角形において、任意の辺または対角線の垂直二等分線は、nn が奇数のとき常に別の頂点を通る。

2k≡i+j(modn)⇒AiAk=AjAk2k\equiv i+j \pmod n \Rightarrow A_iA_k=A_jA_k
詳しい解説

nn が奇数のとき、正 nn 角形の頂点を A1,…,AnA_1,\dots,A_n とラベル付けする。任意の i≠ji\ne j に対して、gcd⁡(2,n)=1\gcd(2,n)=1 であることから 2k≡i+j(modn)2k\equiv i+j\pmod n を満たす k∈{1,…,n}k\in\{1,\dots,n\} がただ一つ存在し、このとき k−i≡j−k(modn)k-i\equiv j-k\pmod n により AkA_k は AiAjA_iA_j の垂直二等分線上にある、すなわち AiAk=AjAkA_iA_k=A_jA_k となる。よって正 nn 角形はバランスが取れている。さらに中心を持たない:もしある PP が三つの異なる頂点 A,B,CA,B,C に対して PA=PB=PCPA=PB=PC を満たすなら、PP は多角形の外心でなければならないが、それは頂点 A1,…,AnA_1,\dots,A_n のいずれでもない。