一道有趣的構造題

2021-09-16 14:00:09 字數 2601 閱讀 8910

題意

以下是三道證明題,均在平面上進行討論。

以下( x0

,y0)

−(x1

,y1)

(x_0,y_0)-(x_1,y_1)

(x0​,y

0​)−

(x1​

,y1​

)表示一條從(x0

,y0)

(x_0,y_0)

(x0​,y

0​)到(x1

,y1)

(x_1,y_1)

(x1​,y

1​)的直線。

其中,一條直線與乙個點集合相交表示這條直線上存在乙個點,這個點也在該點集合中。

我們稱(x,y)是有理數點當且僅當x,y均為有理數

實數點,整數點同理。

證明:存在一種劃分方式,可以將平面上所有實數點劃分成n個非空集合。

使得對於任意一條有兩個實數點的直線,它會與這n個集合的每個集合相交。

其中,n為任意正整數。

我們令第i(0⩽

i

(0\leqslant i (0

⩽i個集合中的點為

\ \equiv i\ (mod\ n)\}

這實際上就是畫圓嗎。

注意到,如果不考慮其他實數點的劃分,而只考慮這些實數點的劃分,滿足要求,那麼其他實數點隨意劃分即可

然後你會發現這樣的劃分方式會滿足,因為對於直線(x0

,y0)

−(x1

,y1)

(x_0,y_0)-(x_1,y_1)

(x0​,y

0​)−

(x1​

,y1​

),有無數個半徑為自然數的圓包含它們兩個點,而這條直線又會與裡面的每個圓相交,於是與所有點集合相交,完。

證明:有理點

第i個集合中的點為

\這就是點出正方形上的所有有理點。

注意到,如果不考慮其他有理點的劃分,而只考慮這些有理點的劃分,滿足要求,那麼其他有理隨意劃分即可

對於直線(x0

,y0)

−(x1

,y1)

(x_0,y_0)-(x_1,y_1)

(x0​,y

0​)−

(x1​

,y1​

),有無數個長度為偶數的正方形包含它們兩個點,而這條直線又會與裡面的每個正方形相交,且相交點為有理點,證畢。

相交點是有理點是因為有理數運算的封閉性,讀者可以自己想一想

證明:整數點

好戲來了。

對於( x,

y)

(x,y)

(x,y

),它的所述集合是max

(x,y

)mod

nmax(x,y)\ mod\ n

max(x,

y)mo

dn注意到,如果正整數i(i>1)成立,那麼i-1也會成立。換言之,用數學歸納法,1~i都會成立。質數有無限多個,所以只要證明n為質數時存在劃分方式即可。

對於一條有兩個整數點的直線,我們可以將其表示成(x,

y,p,

q)

(x,y,p,q)

(x,y,p

,q)x,y

,p,q

x,y,p,q

x,y,p,

q均是整數,且(p,

q)=1

(p,q)=1

(p,q)=

1因為(p,

q)=1

(p,q)=1

(p,q)=

1,所以p,q中必然有乙個不是n的倍數

對於這條直線上的每個整數點,我們可以表示成集合

\我們分情況討論:

(1)p=q

p=qp=

q,則p=1,q=1,那麼這樣的一條直線橫縱座標中的最大者確定了,且這個最大者不停加上任意整數,便歷了所有mod n可能的餘數,於是肯定會與所有點集合相交。

(2)p≠

qp =\not q

p≠​

q,由於對稱性,假設p≢

0(mo

dn

)p \equiv \not 0\ (mod\ n)

p≢​0(

modn

)(不滿足將下文』x』換成』y』,『y』換成』x』)。則對於不等式x+p

k>y+

qk

x+pk>y+qk

x+pk

>y+

qk的整數解肯定有無限多個,且它們都滿足小等某個整數或大等某個整數。

因此,x+p

k,其中

k滿足x

+p

k>y+

qk

x+pk,其中k滿足x+pk>y+qk

x+pk,其

中k滿足

x+pk

>y+

qk會便歷n的完全剩餘系(畢竟p與n互質)。

證完。完結撒花

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