第426問の解答


問題[場合の数、平面図形]

ある円周上に、10個をとり、それらを結んで10角形を作ります。(注)
この10角形対角線(または対角線延長線交点のうち、10角形外側10角形頂点は含みません)にあるものは何個あるでしょうか。

(注)10個の点を結んでできる直線は10角形の辺も含めると45本ありますが、それらのうちどの2本を選んでも平行でなく、またどの3本を選んでも1点では交わらない(ただし、円周上を除く)ものとします。


解答例1

長野 美光さん、Taro さん、tomhさん、CRYING DOLPHINさん、アヒーのおじさんさん、姉小路さん、なかさん、小学名探偵さん、uchinyanさん、M.Hossieさん、kataさん、水田Xさん、他

まず、対角線の本数を数えてみましょう。以下では、一般的に凸n角形として考えます。

参考図1−0

一つの頂点について対角線を引けるのは、自分とその両隣を除く(n-3)個あります。

従って、全部でn(n-3)本引けますが、各対角線について両端の頂点重複して数えていることになります。
よって、実際の本数は、この半分の
 N=1/2×n(n-3)

となります。

従って、対角線2本を選ぶのは、全部で
  N
C2
1/2×N(N-1)1/8×n(n-3)(n2-3n-2)通り
となります。

題意より、どの対角線2本をとっても平行ではないので、必ず交点1個をもちます。
また、3本の対角線1点では交わらないので、これらの頂点は全て異なるので、
  交点数合計1/8×n(n-3)(n2-3n-2)
となります。(本問では、595個

参考図1

さて、対角線の交点n角形のどこにできるかで分類してみましょう。

  1. n角形の内側になる場合第390問参照)

    凸n角形対角線の交点は、多角形4個の頂点を選ぶとそれに対して1個の交点が対応します。
    従って、
     交点数
    nC41/24×n(n-1)(n-2)(n-3)
    と求まります。(本問では、210個
     

  2. n角形の辺上になる場合(いずれかの頂点と一致する)

この場合、対角線交点は、いずれかの頂点と一致します。

頂点を固定し、これが対角線の交点になる場合を考えてみましょう。
この場合、交点はこの頂点を通る(n-3)本の対角線から2本選ぶn-3C2個となります。

従って、
 交点数n-3C2×n1/2n(n-3)(n-4)
となります。(本問では、210個

  1. n角形の外側になる場合(求める本数)

全体の交点数から、1.内側2.辺上交点数を除いて求めます。

交点数1/8×n(n-3)(n2-3n-2)1/24×n(n-1)(n-2)(n-3)−1/2(n-3)(n-4)n
    =1/12×n(n-3)(n-4)(n-5)

となります。(本問では、595210210175個

従って、本問では、n10として、
  外側の交点数1/12×10×7×6×5=175
と求まります。

答:  175個

以上

 


解答例2

mhayashiさん、uchinyanさん、スモークマンさん、他

解答例1では、n角形の内側にある交点数を、頂点4個を選んで求めました。
今度は、頂点4個を選ぶと外側交点2個できることに着目してみます。

参考図2

  1. 頂点4個を選んで外側にできる交点

頂点4個を選ぶと1個凸四角形ができます。
このとき、隣り合わない2個ずつ頂点を結ぶと内側1個交点ができます。
今度は、隣り合う2個ずつ頂点を選ぶと(選び方は2通り)外側に1個ずつ、
合計2個交点ができます。

従って、
 交点数
nC4×1/12×n(n-1)(n-2)(n-3)
となります。(本問では、420個

  1. 2辺で外側にできる交点

を1本選ぶと、自分とその両隣を除く(n-3)本のとで交点外側にできる。

従って、n(n-3)個の交点ができるが、2辺の選び方で重複して数えていることになるので、
 交点数1/2×n(n-3)
となります。(本問では、35個

  1. 1辺と対角線で外側にできる交点

1辺を固定して考えます。

最初の1辺に含まれる2頂点以外の(n-2)個の頂点から2個を選ぶと、もう一方の対角線が選べます。
ただし、このうち2頂点n角形となる場合の(n-3)通りは除く必要がありますので、
 n-2C2−(n-3)=1/2×(n-3)(n-4)
頂点ができます。

従って、1辺n個あるので、
 交点数1/2×(n-3)(n-4)n
となります。 (本問では、210個

従って、
 求める交点数=(1)−(2)−(3)=1/12×n(n-3)(n-4)(n-5)
となります。(本問では、42035210175個

 


解答例3

辻。さん、DrKさん、小学名探偵さん、nemuさん、みかんさん、エルクさん、N.Nishiさん、 他

ここでは、10角形に限定し考えることにします。
1頂点
を固定し、そこから時計回り頂点A0A1、・・・、A9とします。

参考図3

A0と結んで対角線となる頂点は、A2、・・・、A87個になります。
それぞれの場合に分けて、これより右側に対角線が何本引けるかを数えていきます。

  • A2の場合
    A3A5A3A6、・・・、A3A9 ・・・ 5本
    A4A6A4A7A4A8A4A9 ・・・ 4本
    A5A7
    A5A8A4A9 ・・・ 3本
    A6A8
    A6A9 ・・・ 2本
    A7A9
     ・・・ 1本
     交点数=
    5+4+3+2+1=15個

  • A3の場合
    A4A6A4A7A4A8A4A9 ・・・ 4本
    A5A7
    A5A8A4A9 ・・・ 3本
    A6A8
    A6A9 ・・・ 2本
    A7A9
     ・・・ 1本
     交点数=
    4+3+2+1=10個

  • A4の場合
    A5A7A5A8A4A9 ・・・ 3本
    A6A8
    A6A9 ・・・ 2本
    A7A9
     ・・・ 1本
     交点数=
    3+2+1=6個

  • A5の場合
    A6A8
    A6A9 ・・・ 2本
    A7A9
     ・・・ 1本
     交点数=
    2+1=3個

  • A6の場合
    A7A9
     ・・・ 1本
     交点数=
    1個

  • A7A8場合 ・・・ 右側に対角線は引けない

よって、
 合計=15+10+6+3+1=35個
となります。

頂点10個あるので、交点数は全部で35×2=350個となりますが、
2つの対角線について交点重複して数えているので、
 実際の交点数=350×1/2=175個
となります。


解答例4

Toru Fukatsuさん、uchinyanさん、ほげさん、 他

解答例3では力業で数えましたが、もう少しスマートに数えられないでしょうか。
下図のように、一つの頂点Aを固定して、残りの頂点から3個選んでBCDと、ABCD交点が1個外側にできます。

参考図4−0

残りの頂点(n-1)個ありますが、ABおよびCD多角形対角線となるためには、
BA右隣であってはならず、またDC右隣であってはいけません。

従って、アバウトに考えると残りの頂点(n-3)個から3個選ぶとしてもよさそうです。 ・・・ (1)
すると、この場合の数はn-3C3通りあるので、あとは解答例3と同様にして、
 交点数n-3C3×n×1/2=1/12×n(n-3)(n-4)(n-5)
と求まります。

(1)のところをもう少し厳密にするには、下記のように考えるといいでしょう。

参考図4

すなわち、Aとその両隣の点を除く(n-3)個の頂点から3個選んで、順にBCDとします。(この選び方は、n-3C3通り)
このときD右隣の頂点D'とすると、DA左隣の頂点ではないので、D'Aよりは左側にある頂点となります。
こうすると、ABおよびCD'の間には別の頂点が存在するので、それぞれn角形対角線となります。

今度は、ABCD'n角形対角線としましょう。
ABの間には別の頂点が存在するので、BA右隣の頂点ではありません。
また、CDの間には別の頂点が存在しますから、DD'左隣の頂点とすると、D'Cよりは右側にある頂点となります。
従って、BCDは、A両隣の点を除く3つの頂点となります。

上記の対応は1対1となるので、
 AB
CD'n角形対角線となる場合の数
Aとその両隣の点を除く(n-3)個の頂点から3個選ぶ選び方
n-3C3通り
となります。

以下、同様。


((1)の別解)

AB距離BAより何番目頂点かを数えたもの)BC距離CD距離DA距離とします。

参考図5


 n(ただし、≧2、y≧1、z≧2、w≧1) ・・・ (2)
を満たす整数となります。

逆に(2)を満たすに対して、Aから順にB、C、Dを決めていけば、
ABCDn角形対角線となり、ABCD交点n角形外側にできます。

従って、(2)を満たす整数解の個数を数えればいいことになります。
ここでは、(2)の替わりにX=x-1、Y=y-1、Z=z-1、W=w-1と置き換えて
 Wn-6(ただし、X≧0、Y≧0、Z≧0、W≧0) ・・・ (3)
を考えてみましょう。

この個数は、上記左図のように、(n-6)+3=(n-3)個のから3個選んで、それぞれに仕切を置く場合の数として求めることができます。仕切仕切の間にある碁石の個数(n-3)となり、碁石個数0以上となるからです。

従って、この場合の数は、n-3C3通りとなります。