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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 6/6 步:结论:每个顶点都无穷多次成为枢轴
通俗地说

过 P 构造出的特殊方向只能由过 P 的平衡直线实现,而这个方向会永远不断地再次出现。

PP
详细分析

设 δP\delta_P 为之前构造的过 PP 的常规平衡直线的方向,并从该直线开始风车过程。由不变性,这个风车过程中出现的每条常规直线都是平衡直线,而由上一步,方向为 δP\delta_P 的平衡直线只有过 PP 的这一条;因此每当方向 δP\delta_P 在风车中再次出现时,那一刻的枢轴必定是 PP。由于 δP\delta_P 会在此后每 180∘180^\circ 旋转后再次出现,PP 无穷多次成为枢轴。由于 PP 是 SS 中任意选取的顶点,我们可以从过任意选定点的平衡直线开始风车,同样的论证表明 SS 中每一个顶点都会被用作枢轴无穷多次。