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第2题

设 SS 是平面上至少含两个点的有限集合,且 SS 中任何三点都不共线。所谓风车,是从过某一点 P∈SP\in S 的一条直线开始的过程:直线绕枢轴 PP 顺时针旋转,直到第一次与 SS 中另一个点相遇为止。这个点 QQ 接替成为新的枢轴,直线又绕 QQ 顺时针旋转,直到下一次与 SS 中的点相遇。这个过程无限地进行下去。证明可以选取 SS 中的一点 PP 以及过 PP 的一条直线,使得由此得到的风车让 SS 中每一个点都无穷多次成为枢轴。
第 2/6 步:为每个顶点构造一条平衡直线
通俗地说

绕固定顶点将直线旋转180°,其右侧点数每次恰好变化一个,因此途中必然经过平衡的数值。

0→k→n−1−k0\to k\to n-1-k
详细分析

固定顶点 PP,从过 PP 的任意常规直线出发,设其右侧有 kk 个点。当直线绕枢轴 PP 旋转 180∘180^\circ 时,其余 n−1n-1 个顶点 QQ 各自恰好换边一次,且恰好发生在直线方向经过 PQPQ 的方向时(因无三点共线,这些方向互不相同)。经过整个半圈旋转后,右侧点数从 kk 变为 n−1−kn-1-k,每次换边恰好变化 11。因此在途中某个常规方向处,右侧点数恰为 ⌊n−12⌋\left\lfloor\frac{n-1}{2}\right\rfloor,此时的直线正是过 PP 所需的常规平衡直线。