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スレッドNo.2895

円上の三角形

半径1の円周上に三点A,B,Cがある。
(1)このとき△ABCが鋭角三角形であるとき
L=AB^2+BC^2+CA^2
はどんな値の範囲であるか?

(2)△ABCの各角A,B,Cが度数法での整数角を
動くとき、L=AB^2+BC^2+CA^2の値が整数値
となるときのLと角度A,B,Cの組合せを求めよ。
(△ABCは直角三角形ではないものとする。)

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(1) L=8(1+cosAcosBcosC) となり、計算は省略して 8<L≦9
(2) 単位の°は省略してA≦B≦Cとして
(A,B,C,L)=(6,66,108,7),(15,60,105,7),(30,30,120,5),(36,42,102,7),(60,60,60,9)
で合っているでしょうか。

引用して返信編集・削除(未編集)

すべて一致しています。
(1)を判断できるLの変形もお見事です。
(2)のL=7での組み合わせは、こんなものもあるのだと計算させてやっと見つかるもので
論理的に求めるのは無理と思われます。
L=6が存在できないのが不思議で面白いです。

引用して返信編集・削除(未編集)

何となく「角度をもう少し細かくしたらどうなる?」と思ったので0.5°刻みで計算してみると、
(A,B,C,L) = (22.5,45,112.5,6)
というのが出てきました。どうも「1周が360°」というのが粗かったようです。
さらに(1/120)°刻みかつLの方も整数/120まで許しても、他には一つも出てきませんでした。
今回の件では、1周720°が良かったようです。

(追記)
1周240°でも大丈夫ですね。もし1周が240°だったら
(A,B,C,L)=(4,44,72,7),(10,40,70,7),(15,30,75,6),(20,20,80,5),(24,28,68,7),(40,40,40,9)
となっていました。

引用して返信編集・削除(編集済: 2025年12月17日 12:58)

なるほど!
度数法は相対的基準ですよね。
何も360に拘らなくいても変換可能ですから、一周を240とする基準なら6のL値を与える角度は各整数値で示せることになる。
いや~恐れ入りました。

らすかるさん頭柔らか~
腑に落ちました。

引用して返信編集・削除(未編集)

さらに調べました。
A,B,Cを分母7の分数にすると
(A,B,C,L)=(180/7,360/7,720/7,7)
というのが見つかりますので、より一般的にして
A,B,Cが有理数度(≠90°)で合計180°のときにLが有理数になる組合せ、すなわち
A:B:Cが整数比でA+B+C=πのときにcosAcosBcosCが有理数になるような組合せ
をある程度調べました。A:B:C=p:q:r(p,q,rは自然数でp≦q≦r≦1000)で見つかったのは以下の7つです。
A:B:C = 1:1:1 → cosAcosBcosC = 1/8 → (60,60,60), L=9
A:B:C = 1:1:4 → cosAcosBcosC = -3/8 → (30,30,120), L=5
A:B:C = 1:2:4 → cosAcosBcosC = -1/8 → (180/7,360/7,720/7), L=7
A:B:C = 1:2:5 → cosAcosBcosC = -1/4 → (45/2,90/2,225/2), L=6
A:B:C = 1:4:7 → cosAcosBcosC = -1/8 → (15,60,105), L=7
A:B:C = 6:7:17 → cosAcosBcosC = -1/8 → (36,42,102), L=7
A:B:C = 1:11:18 → cosAcosBcosC = -1/8 → (6,66,108), L=7
(C,B,Aの昇順) ※cosAcosBcosCの有理数判定は厳密ではありません
つまり整数度と(45/2,90/2,225/2)と(180/7,360/7,720/7)の他には見つかりませんでした。
もしかしたら
・A:B:Cが整数比でA+B+C=π(A,B,C≠π/2)のときにcosAcosBcosCが有理数になる組合せは7つしかない
・そしてその場合Lは必ず整数
というのが成り立つ可能性がありますが、証明は難しそうですね。
角度は1周1680°が良かったのかも知れません。

引用して返信編集・削除(編集済: 2025年12月19日 16:59)

(45/2,90/2,225/2)でL=6 と
(180/7,360/7,720/7)でL=7
確かに条件を満たしてくれます。
gp > 4*(sin(22.5*Pi/180)^2+sin(45*Pi/180)^2+sin(112.5*Pi/180)^2)
%73 = 6.0000000000000000000000000000000000000

gp > 4*(sin(180/7*Pi/180)^2+sin(360/7*Pi/180)^2+sin(720/7*Pi/180)^2)
%81 = 7.0000000000000000000000000000000000000

を形状を実際に描いて眺めましたがL=6は何とか中心角に直して(45°,90°,225°)
作図すれば納得できることは可能でしたが
下のL=7を与える有理数角は思いつきも出来そうにありません。(計算機を使っても探すのは無理です。)

自分も有理数角ではと思いある程度調査はしていたんですが、とてもじゃないが全有理数を
相手に途方に暮れるばかりでした。

しかしL=7の場合の角度は微妙なバランスをとって多様なパターンを発生できることは驚きです。
新しい知見を示されることに感謝です。

引用して返信編集・削除(編集済: 2025年12月18日 18:14)

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