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1981年第22屆IMO預選題(Short List)

在太空中有n個半徑相等的球形星球,如果一個星球表面的某個區域不能被其他任何一個星球所看見,我們就稱這個區域是“隱祕的”。證明:所有這些隱祕的區域的面積之和等於一個星球的表面積。

證明:

可將這些球形星球看作點,隱祕的區域可用角度來表示,所以本題要證明的可等價為隱祕區域角度之和等於360°。用符號*代表隱祕區域。

上圖為n=3時,易知A的*=180°-∠BAC,同理可知····,所以總的角度=540-180=360。此外,如果某一點在兩點之間,則該點沒有隱祕區域。

下面證明平面上的n個點,一定能找到m(m<=n)個點,使得除了這m個點的其他點,都在這m個構成的凸多邊形內。

在N個點中任選一點A,令B點是距離A點最遠的點。連線AB,令l

垂直於AB且過B,則所有點必然在 l 的同側。以l 為旋轉軸繞點B順(逆)時針旋轉直至碰到一個點,將該點命名為n1,再以直線n1-B為旋轉軸繞n1順(逆)時針旋轉直至碰到一個點,將該點命名為n2。再以直線n2-n1為旋轉軸繞n2順(逆)時針旋轉直至碰到一個點,將該點命名為n3。按照此方式,直至碰到的點為B。則B、n1······nn構成的圖形是凸多邊形,且除了B、n1······nn的其他點,都在這個凸多邊形內(可用反證法證明,不贅述了)。

再證明三角形內部的一點,該點沒有隱祕區域。

B對D貢獻了180°的光明區。令A對D貢獻的光明區除去與B對D光明區重疊的部分為M,M為∠GDE對應的部分,易知∠GDE=∠ADB。令C對D貢獻的光明區除去與B對D光明區重疊的部分為K,則K為∠HDF對應的部分,∠HDF=∠CDB。由於∠CDA小於180°,所以∠HDF+∠GDE>180°。所以D沒有隱祕區,得證。

由於凸多邊形可以看作由n個三角形組合而成的,所以凸多邊形內部的點都沒有隱祕區。所以本問題轉化為證明凸多邊形的各點的隱祕區角度之和為360°。

下面用歸納法證明。假設n-1個點的凸多邊形的隱祕區角度和為360°。將新加上的第n個點命名為Z。則一定可以找到一條過Z的直線Q,其他的點都在該線的一側。令Q繞Z順、逆時針旋轉碰到的第一個點分別為W、R,則WZ、RZ必然是新凸多邊形的兩條邊,其他所有點都在∠WZR內部,所以除去Z其他所有點對Z產生的隱祕區與W、R點對Z產生的隱祕區相同。同樣,對於除去WZR的其他任一點P,Z都在∠WPR內(可用反證法證明),所以WZR對P產生的隱祕區與WR對P產生的隱祕區相同。所以在加上Z點後,只有WZR三點的隱祕區發生變化。

易知加上Z後,W的隱祕區減小角度為∠RWZ,R的隱祕區減小角度為∠WRZ。Z的隱祕區角度為180°-∠WZR。所以得到的新的n個點的凸多邊形的隱祕區角度=360-∠RWZ-∠WRZ+180°-∠WZR=360°。證畢。