『正多角形の分割』解答


◆東京都 通りすがり さんからの解答。

●正六角形ABCDEF:

ABの中点をA'、BCの中点をB'、、、FAの中点をF'、とし、重心をGとする。

2分割:ADで分割。
3分割:AG,CG,EGで分割。
4分割:AD,B'E'で分割。
2分割:A'D',B'E',C'F'で分割。
8分割:ADで分割して、それぞれを4分割
合同分割にある。)

●正三角形ABC:

ABの中点をC'、BCの中点をA'、CAの中点をB'、とし、重心をGとする。

2分割:AA'で分割。
3分割:AG,BG,CGで分割。
4分割:A'B',B'C',C'A'で分割。
5分割:不可能。
6分割:AA',BB',CC'で分割。

(ただの勘ですが、正三角形のN分割は、
N=2e×3f×k2(k:自然数、e,f=0または1)のときのみ可能ではないでしょうか。)

●5分割不可能の証明:

正三角形を5つに合同分割出来たとして、分割した図を考える。
元の正三角形Tの頂点ををA、B、Cとし、一辺の長さをLとする。
分割した合同な三角形をtとする。

0) 全ての頂点の数は、7つ以下。

A,B,C以外の頂点の数をNとする。
A,B,C以外に頂点があったとき、その頂点に集まるtの角度の和は、
180°(辺と頂点)または、360°(頂点のみ)である。

180°×N+(∠A+∠B+∠C)≦(5つのtの内角の和(=180°×5))

よって、N≦4
(全ての頂点の数)=N+3(A,B,Cの分)≦7

1) 各辺上に頂点が1点以上存在する。

背理法。AB上に頂点がないとする。(AB=L)
T上に長さLの辺はTの内部には取れない(3辺に一致するもののみ)ので、合同な三角形は3つ以上取れず、矛盾。

辺BC上で一番B(C)に近い頂点をA'(A'')とする。
辺CA 〃 B'(B'') 〃 。
辺AB 〃 C'(C'') 〃 。

2) tの1つの角は60°。

背理法。∠A,B,Cがどれも2つ(以上でも同様)の角に分かれるとする。

∠A(B,C)を分ける辺をAP(BQ,CR)とすると、
(1)より、∠BAP,CAP,ABQ,CBQ,ACR,BCRはそれぞれ別の三角形(t)に属する。
三角形が6つ以上になり、矛盾。
よって、∠A,B,Cのどれかをもつtが存在する。

(必要ならA,B,Cを入れ替えて、)∠A=60°としてよい。
この時、△AC'B''はtとなる。

3) tが二等辺三角形なら、tは正三角形。

(2)より明らか。

4) tは正三角形ではない。

背理法。tの一辺の長さをlとする。
l:L=√(tの面積):√(Tの面積)=1:

よって、L=l×n(nは自然数、辺ABはn等分されている)とならず、矛盾。

5)
AC'<C'B''<B''Aまたは、AC'>C'B''>B''Aである。

∠B''<∠A<∠C'のとき前者、
∠B''>∠A>∠C'のとき後者になる。
∠B''=∠Aまたは、∠A=∠C'のときAC'=C'B''=B''Aとなり、(4)に矛盾。
他は、∠A=60°に矛盾する。

(必要なら裏返して、)
l>m>n、l=AC'、m=C'B''、n=B''Aとする。

6) A'=A''、B'=B''、C'=C''である。

背理法。(i)C'≠C''とする。
AC'+C''B<Lである。
C''B=lまたはmまたはnなので、C''B≧n
よって、n+l(≦C''B+AC')<L。 ---(*)

また、B'C=lまたはmまたはnなので、B'C≦l
よって、B''A+B'C(≦n+l)<L。
よって、B'≠B''
しかし、このとき、異なる頂点がA,B,C,A',B',B'',C',C''の8つ出来て、(0)に矛盾。

よって、C=C'

またこのとき、C''B=C'B=n、BA'=lである。
(C''B=mだと、(*)が成り立つ。また、BA'=mだと、∠B>60°となる。)

(ii)B'≠B''とすると、(i)と同様の理由で矛盾。
よって、B'=B''。
このとき、自動的にA'=A''が成り立つ。

(6)の証明より、AC'=BA'=CB'=l、B'A=C'B=A'C=n
また、B'C'=C'A'=A'B'=m

よって、△A'B'C'は正三角形で、これを2等分するのだから、

tの3辺の比は、l:m:n=2::1となる。

しかし、分割の仕方から、
l=AC'=(A'B'C'の一辺の長さ)=mでなければいけないから、矛盾。

よって、正三角形は5つに合同分割出来ない。

(感想)

直感的には簡単そうだったのですが、証明が面倒なものになってしまいました。
もっと一般的な証明がありそうですが、思いつきませんでした。
(あと、簡単に書こうとしたので、表現が適切でないところがあったかもしれません。)


◆出題者のコメント。

早々に解答してくださったにもかかわらず、コメントが遅くなってしまってすみません。
みごとな解答です。
私が用意した解答では3つの内角が20度,60度,100度の三角形を必要条件で排除できなかったため、この解答よりもかなり長いものになっています。
「勘」の部分を証明するにはもっとシンプルな証明が必要でしょうが、この問題についてはとりあえずこれで十分簡潔な解答だと思います。


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