求证:形内只有原点这一个格点的格点多边形,和它的相对的格点多边形,面积和为6。(具体说明见问题补充)

作者&投稿:哈苇 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
~ 设多边形A1A2…An的相对多边形为B1B2…Bn,O是原点,那么△A1A2A3的面积和△OB1B2的面积相等,因为A1A2和OB1平行且等长,A2A3和OB2平行且等长,因此∠A1A2A3和∠B1OB2要么相等要么互补,根据三角形的面积公式S=absinα/2可知,这两个三角形面积相等。因此多边形B1B2…Bn的面积为S△A1A2A3+ S△A2A3A4+…+ S△AnA1A2,即多边形B1B2…Bn的面积是多边形A1A2…An三个相邻顶点构成的三角形的面积之和。

接下来讨论几个结论。
(1)若格点凸多边形有且仅有一个内部格点,它的某条边上面有n个格点,那么这n个格点是这条边的等分点。因为这n+1个分段和多边形内部格点构成的n+1个三角形内部均无其它格点,所以面积都是1/2,以各个分段为底,这n+1个三角形的高相等,所以底边长度也必然相等。
(2)格点凸五边形内部必有格点。根据格点坐标的奇偶性,有(奇,奇),(奇,偶),(偶,奇),(偶,偶)四种类型,那么对于凸五边形,至少有两个顶点的坐标类型相同,那么这两个顶点连线的中点必为格点,若这两个顶点不是相邻顶点,则内部有一格点,若两个顶点是相邻顶点,那么这个中点在这两个顶点的连线上,顺次类推,可以得出五边形内必有一格点。例如凸五边形ABCDE,若A点和B点的坐标类型相同,它的中点是格点,不妨设这个中点是F,那么BCDEF也是一个凸五边形,顺次构造,直至构造出边上没有格点的凸五边形,由于边上没有了格点,那么一定有一个格点在内部。这相结论反过来得出另外一个结论:若凸五边形边上没有其它格点,则其内部格点一定在某条对角线上。
(3)格点凸七边形内部必然包含至少两个格点。首先,因为多于五条边,那么它的内部肯定有一个格点。若这个内部格点在某条对角线上,那它必将有另一个格点,因这条对角线将七边形分为两个部分,有一部分是一个等于或多于五条边的多边形,而这个多边形内部必有一个格点;若内部这个格点不在任何对角线上,那么在凸七边形内部还可以构造出一个凸五边形,如凸七边形ABCDEFG内部有一格点O,O点不在任何对角线上,那么六边形ABCDEO和五边形AGFEO肯定有一个是凸多边形,其内部必然还有一个格点。因此,一个凸七边形内部至少有两个格点。
(4)内部有且仅有一个格点的格点凸六边形必是中心对称图形,内部格点是中心对称点。首先可证内部格点是对角顶点连线的交点,如若不然,在其内部必可和其内部唯一格点构造出凸五边形,那么必有另一格点。如六边形ABCDEF,设内部格点是O,若它不在AD上,那么五边形ABCDO和五边形DEFAO必有一个是凸五边形,那么它内部还会有一个格点。同理O点也必在BE和CF上。可以证明AO和DO必然相等,用反证法,若AO>DO,那么D点关于O点的对称点必在AO上,而这个对称点根据数值计算方法,它一点是个格点,那么六边形内就有了两个格点。同理,O必是CF和BE的中点。
(5)若格点凸五边形内部只有一个格点且五个边上没有其它格点,则这个内部格点必是某两条对角线的交点且平分这两条对角线。设五边形ABCDE内部唯一格点O是对角线AC的中点,如果它不是BE的中点,那么它必是BD的中点。证明如下:△ABO和△EBO都是格点三角形,且其内部无其它格点,根据皮克公式,它们的面积都是1/2,以BO为底,则两个三角形同高,所以AE平行于BO,同理可证明AB平行于EO,因此四边形ABOE是平行四边形,BO平行于AE且相等;用同样的方法可以证明AODE是平行四边形,因此OD平行于AE且相等,所以O点必是BD的平分点。

下面讨论内部有且仅有一个格点多边形的可能情况,内部格点均用O表示。
(1)多边形整体是个三角形。
(a)它的任何一条边上不可能再包含4个格点。若△ABC的边BC上有另外4个格点,那么这4个格点将BC分为5等分,这5等分和A点构成5个三角形,这5个三角形同高,所以面积应该相等,而这5个三角形至少有一个三角形完全不包含O点,而至少有一个三角形其内部或边上包含O点,根据皮克公式,它们的面积不可能相等,因此结论成立。
(b)不可能有两条边上都有2个格点。假设△ABC的边AB上有两个格点I,J,AI=IJ=JB,BC上有两个格点K,L,BK=KL=LC,那么五边形IJKLO和五边形AIOLC至少有一个是凸五边形,那么其内部必有另一个格点。
(c)若某条边上另有3个格点,那么另外两条边上有且仅有1个格点。若△ABC的边BC上有3个格点I、J、K,BI=IJ=JK=KC,显然S△ABI=S△AIJ=S△AJK=S△AKC,那么内部格点O必在AJ上,否则这四个三角形面积不可能相等,而要使这四个三角形面积全部相等,则AB和AC上必须有且仅有1个格点。设AB上的格点为L,AC上的格点为M,也可以证明内部格点O是AJ和LM的交点,因为LJ和JM是△ABC 的中位线,所以四边形ALJM是平行四边形,那么△ALM和△JLM的面积相等,因此O点不可能在△ALM内部或是△JLM内部,只能在LM上,否则根据皮克公式会造成面积不等。若多边形A1A2…An是这样一个多边形,那么其相对多边形的面积构成S△A1A2A3, S△A2A3A4,…, S△AnA1A2中只有3个三角形有面积,其中2个三角形面积为1/2(对应上面的分析分别是△LBI和△KCM),1个为1(对应上面的分析是△MAL),原多边形面积为4,因而总和为6。
(d)若某条边上有2个格点,那么另外两条边,一条上有1个格点,一条上无格点。若△ABC的边BC上有2个格点I、J,BI=IJ=JC,那么内部格点O只能在AI或AJ上,如若在△AIJ内部,为使面积相等,则△ABI的AB边上必须有2个格点,这和(b)的结论矛盾。若O点在AI上,那么AC上有1格点,AB上无格点;若O点在AJ上,那么AB上有1格点,AC上无格点。设O点在AI上,AC上的格点为M,可以证明O点在△ABM内部,因为△ABM和△MBC面积相等,而根据皮克公式,只有O点在△ABM内部时它们的面积才相等。若多边形A1A2…An是这样一个多边形,那么其相对多边形的面积构成S△A1A2A3, S△A2A3A4,…, S△AnA1A2中有3个三角形有面积,其中一个三角形面积为1(对应上面的分析是△ABI),一个为1/2(对应上面的分析是△JCM),一个为3/2(对应上面的分析是△MAB),原多边形面积为3,因而总和为6。
(e)不可能两条边上各只有1个格点而另一条边上无格点。若△ABC的边AB上有格点L,BC上有格点I,连接AI,那么△ABI和若△BIC的面积应该相等,而根据皮克公式,无论内部格点O在何处,这两个三角形的面积均不可能相等。
(f)不可能三条边上都恰好只有1个格点。若△ABC的边AB上有格点L,BC上有格点I,CA上有格点M,那么O必是△ABC的重心,因为若要使△ABI与△AIC的面积相等,则O必在AI上,同理它也在BM和CL上。考查△BOI和△MOI,根据皮克公式,它们的面积都应该是1/2,但根据三角形重心的性质,BO的长度是MO的2倍,△BOI的面积应该是△MOI的两部,矛盾,故不可能。
(g)若多边形A1A2…An是只有一条边上有一个格点而其它两条边上无格点的三角形,那么其相对多边形的面积构成S△A1A2A3, S△A2A3A4,…, S△AnA1A2中有3个三角形有面积,其中2个是原三角形面积的一半,另外1个就是原三角形,因此其面积是原多边形的2倍,原多边形的面积是2,故和为6。
(h)若多边形A1A2…An是三条边上均无格点的三角形,那么其相对多边形的面积构成S△A1A2A3, S△A2A3A1, S△A3A1A2均是原三角形,因而面积是原多边形的3倍,原多边形面积为3/2,故和为6。
(2)多边形整体是个四边形。
(a)它的任何一条边上不可能再包含3个格点。若四边形ABCD的CD边上有三个格点I,J,K,为防止面积不等的矛盾,O点在不能在△ACD的内部或在AC上,同理,O点也不能在△BCD内部或BD上,而△ACD的面积只能是2,因为它是4个面积为1/2的三角形面积之和,同样△BCD的面积也是2,那么以CD为底,△ACD与△BCD等高,即AB平行于CD。考查△AIJ和△OJK,根据皮克公式,它们的面积都应该是1/2,但以JK为底,这两个三角形不可能等高,因为O点在AB线的下方。故不可能有一条边上有3个格点。
(b)若某条边上有2个格点,则这条边的对边上没有格点。这个证明不难,很容易和内部格点O构造出凸五边形。
(c)不可能有两条边上有2个格点。否则也很容易和内部格点O构造出凸五边形。
(d)不可能某条边上有2个格点且其它三条边上各有1个格点。很容易和内部格点O构造出凸五边形,证略。
(e)不可能两条对边上各只有1个格点而另一对边上无格点。四边形ABCD,设AB上有格点M,CD上有格点N,BC、AD上无格点,为防止出现的和O点构造出凸五边形,O必在MN上,考查△ACN和△AND,它们的面积应当相等,为防止不等,O点在能在△ACD内,同样它不能在△BCD内,同理可得O点不能在△ABC和△ABD内,而这是不可能的,因为O点在四边形内部。
(f)不可能三条边上只有1格点而第四条边上无格点。四边形ABCD,设AB上有格点M,BC上有格点N,CD上有格点P, 可证得AD有且只有1个格点,为防止出现的和O点构造出凸五边形,O必在MP上,若要使△DBN与△DNC面积相等,O点必在BD上,同理O点也在AC上,可知△ABC与△DBC面积相等,以BC为底,它们等高,所以AD平行于BC;△OND和△ONP面积都是1/2,因而也可得DC平行于ON,同样可得AB平行于ON,因此AB平行于CD,因此四边行ABCD是一个平行四边形,为使四边形AMPD与四边形BMPC面积相等,则AD上必然有且仅有1个格点。
(g)若某条边上有2个格点,且其两条邻边上各有1个格点,则这个四边形是梯形,有2个格点的边与其对边平行。证明参照前面三角形分析的方法。
(h)若两个相邻边上各有1个格点,其它边无格点,那么这里有一个边上没有其它格点的凸五边形,这个图形的性质参照前述,如ABCD的AB边上有格点M,AD边上有格点N,那么BCDNM是一个边上没有其它格点的凸五边形。
综上所述,四边形可能的情况有四种:①四条边上均无其它格点;②某条边上有2个格点,其相邻边各有1个格点;③某条边上有2个格点,其一条相邻边有1个格点,另两条边无格点;④四条边上均有1个格点。最终结论验证略。
(3)多边形整体是个五边形。
(a)若它的某一条边上有一个格点,那么这个格点与五边形的内部格点、这条边的对面顶点共线。五边形ADCDE有内部唯一格点O,若AE上有一格点H,那么C、O、H共线。如若不然,五边形ABCOH与五边形HOCDE必有一个是凸五边形,那么其内部必有另外一个格点。这个结论也说明了任何一条边上不可能再有2个格点。
(b)若某一条边上有格点,那么和它不相邻的两条边上无格点。否则也很容易和内部格点O构造出凸五边形。
(c)不可能有三条边上有格点。因为三条边,那么必有两条边不相邻,根据(b)中的结论,不可能。
综上,五边可能的情况有三种:①五条边上均无其它格点;②只有一条边上有1个格点,其它边上无格点;③两条相邻的边上各有1个格点,其它边无格点。最终结论验证略。
(4)多边形整体是个六边形。
(a)它的任何一条边上不可能再包含其它格点。凸六边形ABCDEF,若FA上有一格点H,连接EH,那么ABCDEH也是一个凸六边形,F、H都和C点对称,不可能。
(b)相邻的三个顶点组成的三角形不包含内部格点。因为除去这个三角形,多边形剩下的是个五边形,内部格点必在这个五边形内。
这个的最终结论验证很简单。


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