(注:这里讨论的是在正六边形中装单位圆的问题,和本题的换算关系为倒数。至于为什么用正六边形中装单位圆呢,是因为解这个似乎更方便一些。) 以下证明由DeepSeek-v4-pro给出(我润色了一些表达): 设正六边形边长为 s,圆半径为 1。 1. 圆心可行区域 若一个半径为 1 的圆完全在正六边形内,则圆心到正六边形每条边的距离至少为 1。 因此,所有可能的圆心必须落在原正六边形向内平移 1 后得到的正六边形H′中。 原正六边形的边心距为sqrt(3)s/2,向内平移1后,H′的边心距为sqrt(3)s/2-1。 正六边形的边长等于边心距的2/sqrt(3)倍,所以H′边长a等于(2/sqrt(3))*((sqrt(3)/2)*s - 1) = s - 2/sqrt(3)。故 s = a + 2/sqrt(3)。 2.关键引理 边长为a的正六边形中,任意三点必有两点的距离 <= sqrt(3)a。 证明:该正六边形包含于其外接圆盘(半径 a)。设三点为 P1, P2, P3,重心为 G,圆心为 O。由 sum_{i=1}^3 |Pi - O|^2 = sum_{i=1}^3 |Pi - G|^2 + 3|G - O|^2 得 sum_{i=1}^3 |Pi - G|^2 <= sum_{i=1}^3 |Pi - O|^2 <= 3a^2。 而三点两两距离平方和 |P1-P2|^2 + |P2-P3|^2 + |P3-P1|^2 = 3 * sum_{i=1}^3 |Pi - G|^2 <= 9a^2。 若三点两两距离都 > sqrt(3)a,则平方和 > 3(sqrt(3)a)^2 = 9a^2,矛盾。 故必有两点的距离 <= sqrt(3)*a。 3.下界 因为三个半径为1的圆不重叠,圆心两两距离至少为 2。由引理知在 H' 中必有两个圆心距离 <= sqrt(3)*a,所以必须有 sqrt(3)*a >= 2,即 a >= 2/sqrt(3)。 于是 s = a + 2/sqrt(3) >= 4/sqrt(3)。 4.最优构造 取s=4/sqrt(3),则a=s-2/(sqrt(3))=2/sqrt(3)。将三个圆心放在 H' 的三个交替顶点上,H' 相邻顶点距离为 a,交替顶点构成等边三角形,边长为 sqrt(3)a = sqrt(3)(2/sqrt(3)) = 2,所以三个圆两两相切。同时每个圆心到外六边形的某两条相邻边的距离恰好为1,因此圆也与外六边形相切。因此,边长为4/sqrt(3)的正六边形刚好能容纳3个半径为1的圆,且不能再小。 所以最小边长为4/sqrt(3),换算成本站则为sqrt(3)/4,约等于0.433012701,刚好是这里的起步构型。 事实上,Friedman的构型页中把n=3的构型标为Trivial,即平凡。因此这个证明不是首次,这个思想也并非首次提出。Friedman构型页:https://erich-friedman.github.io/packing/cirinhex/
P82 · 等圆装入正多边形 · 讨论