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第6题

设 n≥3n\ge3 为正整数。平面上有 n 个单位圆 C1,C2,…,CnC_1,C_2,\ldots,C_n,其圆心分别为 O1,O2,…,OnO_1,O_2,\ldots,O_n。若没有直线与超过两个圆相交,证明 ∑1≤i<j≤n1OiOj≤(n−1)π4\sum_{1\le i<j\le n}\frac1{O_iO_j}\le\frac{(n-1)\pi}{4}。
第 2/3 步:求和不相交的弧
通俗地说

一条切线不可能属于两组弧,否则同一直线会与三个圆相交。

αi=∑j≠i2θij\alpha_i=\sum_{j\ne i}2\theta_{ij}
详细分析

固定 ii 时,不同 jj 对应的弧两两不相交:若同一点处的切线同时与 CjC_j 和 CkC_k 相交,它就会与三个圆相交。令 αi\alpha_i 为这些弧并集的总角长度。每个 jj 贡献两段长度为 θij\theta_{ij} 的弧,因此 αi=∑j≠i2θij\alpha_i=\sum_{j\ne i}2\theta_{ij}。再令 βi\beta_i 为 CiC_i 上切线是所有闭圆盘并集的支撑线的点集的角长度。当支撑线的方向转过一整圈时,接触点恰好扫过这些支撑弧,所以 ∑iβi=2π\sum_i\beta_i=2\pi。支撑弧与上述成对弧不相交。因此 ∑i(αi+βi)≤2nπ\sum_i(\alpha_i+\beta_i)\le2n\pi,从而 ∑iαi≤2(n−1)π\sum_i\alpha_i\le2(n-1)\pi。