整数边直角凹六边形的等周缺口与构造
在六边形 中,
设 的长 均为正整数。记六边形 的周长为 ,面积为 。
求证:;
若 ,求 的最小值;
求证:对任意整数 ,存在六边形 ,使得 。
这是解答题,请在纸上写出完整过程。写完后对照解答给自己评分。
先独立尝试,再展开工具说明与想法来源。
坐标面积、平方恒等式和一元单调性为初等工具;分奇偶不是形式分类,而是保证反求边长时除以2仍为整数。
想法从哪来:先按直角折线搭坐标,别从普通等周公式直接猜最优形状。 周长与面积写成边长式后,先试配出“横向总长减纵向总长”的平方,剩下的正项记录凹口损失。加上整数边长时,再尝试把总和 换成 ,利用每条边至少为1获得更强的缺口估计。 存在性构造应反向设计面积为平方。偶数目标可试 ,令剩下的表达式凑成平方;奇数目标试 ,此时面积 是线性的。把 先记为整数 ,由周长和面积两式解出 ,再选 的奇偶使它们为正整数。
五个直角和一个凹角把六边形确定为一个直角折角形。建立坐标后,另外两边长度以及 都能用 表示。第一问化为一个严格平方和;第二问利用整数性建立 比普通等周不等式更强的缺口;第三问分别按 的奇偶给出可直接验算的整数构造。
不妨建立坐标
于是
并且
记
(1) 由 (1),
因 ,故
从而
(2) 此时 ,所以
利用 均为正整数,有恒等式
若 ,由 (2) 得
函数
在 时严格递增,因为
故
若 ,正整数条件只允许 ,此时
取
则 ,(3) 中等号成立。因此最小值为
(3) 下面对每个 构造正整数 。由 (1),只需验证
当 时,取
此时 ,故 (4) 成立。
当 为偶数时,写成
取
则
且
故 。
最后设 为奇数,其中 ; 已由 处理。 若 为奇数,取
这些数均为正整数,并且
若 为偶数,则 ,取
同样各数均为正整数,且
两种情形都满足 。因此对每个整数 ,所需六边形都存在。
坐标模型按顺序产生五个 内角和一个位于 的 内角,且 任意正的 都给出不自交六边形。第二问等号构造的周长和面积分别为 。 第三问的三类公式都给出正整数边长,并分别使 成为明确的完全平方数,故没有把 无理等式当成近似等式。
直角凹多边形应先坐标化,把周长和面积压缩为少数边长的代数式。 带整数边长的等周缺口可通过“减去 后配平方”利用离散性;存在性问题则可反向要求 面积成为完全平方数,并按参数奇偶设计因式分解恒等式。
前两问需将周长面积差分解并保留整数余量,最后还须按n奇偶及子奇偶构造正整数边,使面积恰成平方且周长比例指定。
已记下,谢谢!