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第1题

我们称平面上一个由点组成的有限集合 SS 是平衡的,如果对于 SS 中任意两个不同的点 AA 和 BB,都存在 SS 中的一点 CC 使得 AC=BCAC=BC。我们称 SS 是无中心的,如果对于 SS 中任意三个不同的点 AA、BB、CC,SS 中都不存在满足 PA=PB=PCPA=PB=PC 的点 PP。 (a) 证明:对所有整数 n≥3n\ge3,都存在一个由 nn 个点组成的平衡集合。 (b) 求所有整数 n≥3n\ge3,使得存在一个由 nn 个点组成的平衡且无中心的集合。
第 1/5 步:每一种奇数规模的平衡集合
通俗地说

等边三角形本身就是平衡的,因此在一个共同顶点处拼接若干个这样的三角形,应当仍保持平衡。

V={O,A1,B1,…,Ak,Bk},△OAiBi equilateralV=\{O,A_1,B_1,\dots,A_k,B_k\},\quad \triangle OA_iB_i \text{ equilateral}
详细分析

固定一个圆心为 OO、半径为 rr 的圆。对 i=1,…,ki=1,\dots,k,在圆上选取点 Ai,BiA_i,B_i 使得 △OAiBi\triangle OA_iB_i 为等边三角形,并令 V={O,A1,B1,…,Ak,Bk}V=\{O,A_1,B_1,\dots,A_k,B_k\},这是一个由 2k+12k+1 个点组成的集合。除 OO 外的每个点到 OO 的距离都是 rr,所以对这样的两点 Ai,AjA_i,A_j,我们可以取 C=OC=O。对于点对 (O,Ai)(O,A_i),第三个顶点 BiB_i 满足 BiO=BiAiB_iO=B_iA_i,因为 △OAiBi\triangle OA_iB_i 是等边三角形。因此 VV 是平衡的,且当 k=1,2,…k=1,2,\dots 时 ∣V∣=2k+1|V|=2k+1 取遍所有 ≥3\ge 3 的奇数。