第390問の解答


問題[場合の数]

問題図

左図のように、凸型の5角形の対角線を全て引くと、5角形の内部は11個の小多角形に分割されます。

では、凸型10角形の対角線を引けるだけ引くと、10角形の内部は何個の小多角形に分割されるでしょうか。
(ただし、どの3本の対角線も1点では交わらないものとします。)


解答例1

あ〜く@旧Nさん、AЯOTさん、CRYING DOLPHINさん、長野美光さん、小学名探偵さん、萬田銀次郎@昼休みさん、他

一般的な凸n角形の場合で考えることにとします。

参考図1

まず、凸n角形の対角線、および交点の個数を数えてみましょう。

各対角線は、n個の頂点から2個を選んで、線分を引くことによって決まるので、
nC2本となりますが、このうち凸n角形の辺と一致するn本は除く必要があるので、
 対角線数=nC2−n=n(n−1)/2−n=n(n−3)/2本  ・・・ (1)
と求まります。

また、各交点はn個の頂点から4個の頂点を選らんでできる凸4角形の対角線の交点として決まるので、
 交点数=nC4=n(n−1)(n−2)(n−3)/24個 ・・・ (1)
と求まります。

さて、凸n角形で対角線を引く前には、分割数は1であり、
対角線を1本引くたびに、交点の数+1だけ分割数が増えることから、
 凸n角形の分割数
=対角線数+交点数+1
=n(n−3)/2+n(n−1)(n−2)(n−3)/24+1
=(n−1)(n−2)(n2−3n+12)/24
と求まります。

とくに本問では、n=10として、
凸n角形の分割数
=(10−1)(10−2)(102−3×10+12)/24
=246個
と求まります。

答: 246個

以上


(参考)算チャレVer2 第74問
こちらは円周上にとったn点を結んだときの分割数なので、本問よりn個多い結果となります。
 


解答例2

ミキティさん、なかさん、トトロ@Nさん、ゴンともさん、小西孝一さん、ハラギャーテイさん、他

凸n角形の分割数をFnとします。

参考図2

n=1から6までの凸n角形を描いて数えると、
 分割数=0、0、1、4、11、25
となります。

これらから、階差数列を3次まで求めると、
 1、2、3
と1次式になると予想されます。

この予想をもとに、n=7から10まで計算すると、
 分割数=50、91、154、246
となります。


(参考)数列大辞典にも掲載

 


(その他の解法)