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  • 1981年第22届IMO预选题(Short List)

    在太空中有n个半径相等的球形星球,如果一个星球表面的某个区域不能被其他任何一个星球所看见,我们就称这个区域是“隐秘的”。证明:所有这些隐秘的区域的面积之和等于一个星球的表面积。

    更新注:忘记太空是三维的了 ,我证明的是平面情况下的··,可以用类比的方法由平面推广到三维,但是三维的情况比较复杂,我就不再证明了。木白材给出了一个非常简单巧妙的证法,那种方法非常简单,一句话就可以。

    以下为原证明(平面情况下)

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    证明:

    可将这些球形星球看作点,隐秘的区域可用角度来表示,所以本题要证明的可等价为隐秘区域角度之和等于360°。用符号*代表隐秘区域。

    上图为n=3时,易知A的*=180°-∠BAC,同理可知····,所以总的角度=540-180=360。此外,如果某一点在两点之间,则该点没有隐秘区域。

    下面证明平面上的n个点,一定能找到m(m<=n)个点,使得除了这m个点的其他点,都在这m个构成的凸多边形内。

    在N个点中任选一点A,令B点是距离A点最远的点。连接AB,令l垂直于AB且过B,则所有点必然在 l 的同侧。以l 为旋转轴绕点B顺(逆)时针旋转直至碰到一个点,将该点命名为n1,再以直线n1-B为旋转轴绕n1顺(逆)时针旋转直至碰到一个点,将该点命名为n2。再以直线n2-n1为旋转轴绕n2顺(逆)时针旋转直至碰到一个点,将该点命名为n3。按照此方式,直至碰到的点为B。则B、n1······nn构成的图形是凸多边形,且除了B、n1······nn的其他点,都在这个凸多边形内(可用反证法证明,不赘述了)。

    再证明三角形内部的一点,该点没有隐秘区域。

    B对D贡献了180°的光明区。令A对D贡献的光明区除去与B对D光明区重叠的部分为M,M为∠GDE对应的部分,易知∠GDE=∠ADB。令C对D贡献的光明区除去与B对D光明区重叠的部分为K,则K为∠HDF对应的部分,∠HDF=∠CDB。由于∠CDA小于180°,所以∠HDF+∠GDE>180°。所以D没有隐秘区,得证。

    由于凸多边形可以看作由n个三角形组合而成的,所以凸多边形内部的点都没有隐秘区。所以本问题转化为证明凸多边形的各点的隐秘区角度之和为360°。

    下面用归纳法证明。假设n-1个点的凸多边形的隐秘区角度和为360°。将新加上的第n个点命名为Z。则一定可以找到一条过Z的直线Q,其他的点都在该线的一侧。令Q绕Z顺、逆时针旋转碰到的第一个点分别为W、R,则WZ、RZ必然是新凸多边形的两条边,其他所有点都在∠WZR内部,所以除去Z其他所有点对Z产生的隐秘区与W、R点对Z产生的隐秘区相同。同样,对于除去WZR的其他任一点P,Z都在∠WPR内(可用反证法证明),所以WZR对P产生的隐秘区与WR对P产生的隐秘区相同。所以在加上Z点后,只有WZR三点的隐秘区发生变化。

    易知加上Z后,W的隐秘区减小角度为∠RWZ,R的隐秘区减小角度为∠WRZ。Z的隐秘区角度为180°-∠WZR。所以得到的新的n个点的凸多边形的隐秘区角度=360-∠RWZ-∠WRZ+180°-∠WZR=360°。证毕。

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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/lau1997/p/15681378.html
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