星期五, 6月 24, 2005

一樣數學兩種表述

有的人喜歡算命的原因,是喜歡那種確定的感覺,明白的告訴你什麼可以,跟什麼絕對不行。我想這樣的人可能對數學的排斥感會比其他人低一點,因為數學也是一門這樣的學問。

女友在教今晚的家教時發現了一個有趣的題目:

任何一個凸十邊形最多只能有三個銳角

銳角就是小於90^{\circ}(直角)的角度,凸多邊形就是沒有"凹下去"的多邊形,這樣講好像跟沒講一樣,用圖來說明比較清楚:

  這是一個凹十邊形    這是一個凸十邊形。

在告知我這個問題之後,我們兩人分別想出自己的證明方式。女友的思路向來比較嚴謹跟縝密,要求什麼就假設什麼,她先假設隨便一個十邊形有 x 個角度 <90^{\circ},則這些角度一定會 \leq (90-\varepsilon)^{\circ}, 其中 \varepsilon 是一個大於0的任意數。因為十邊形的內角和是 1440^{\circ}(一個 n 邊形的內角和為 (n-2)\times 180^{\circ}),所以一個正十邊形的內角是 144^{\circ},如一個十邊形有 x 個銳角,則剩下的 10-x 的內角就必須要"分攤"這 x 個銳角不到 144^{\circ} 的部分,所以會有下面的不等式:

\dfrac{[144-(90-\varepsilon)]x}{10-x}+144<180

最後推得 x<\dfrac{360}{90+\varepsilon}\less\dfrac{360}{90}\less 4,因為 x 是整數,所以 x 最多只能到3。

而我天生反骨,我就偏要看看如果有四個內角 <90^{\circ} 會怎樣。若是這樣,那這四個銳角的內角和就 <360^{\circ},因為十邊形的內角和是 1440^{\circ},所以其他六個內角的內角和會大於 6\times 180^{\circ},則其中必定有一個角的角度一定大於 180^{\circ},這樣就跟凸十邊形矛盾了。所以銳角個數不可能大於3個。

順著看也行,反著看也行,鍾鼎山林,各有所好。

後記:後來發現這是一個普遍性的現象,也就是說,

任一個凸 n 邊形最多只能有三個銳角

也是利用同樣的證法,假設有四個內角 <90^{\circ},四個銳角的內角和就 <360^{\circ},一個 n 邊形的內角和為 (n-2)\times 180^{\circ},由此推得剩下的 n-4 內角的內角和會大於 (n-4)\times 180^{\circ},則其中必定有一個角的角度一定大於 180^{\circ},這樣就跟凸 n 邊形矛盾了。所以銳角個數不可能大於3個。

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