P11 · 最优性证明

直角三角形内的两个、三个、四个圆

把等圆装箱化为三角形内分散点的问题,再用直径和抽屉原理给出 n = 2、3、4 的精确最优半径。

1. 三角形

沿用本题的坐标:直角顶点在原点,两条直角边分别到 (1, 0) 与 (0, 3/4),即

T = { (x, y) : x ≥ 0, y ≥ 0, 3x + 4y ≤ 3 }

三边长为 1、3/4、5/4,是 3-4-5 三角形缩小 1/4 倍。内切圆半径为 (1 + 3/4 − 5/4)/2 = 1/4,内心 I = (1/4, 1/4)。凸多边形的直径(两点距离的最大值)等于其顶点间距离的最大值,下文反复使用这一事实;T 的直径是斜边长 5/4。

2. 化为分散点问题

半径 r 的圆位于 T 内,当且仅当圆心在 T 内且到三条边所在直线的距离都至少为 r。当 r < 1/4 时,这些圆心组成的集合 Tᵣ 是三边分别向内平移 r 得到的三角形。以内心 I 为中心作位似:I 到每条边的距离从 1/4 变为 1/4 − r,所以 Tᵣ 是 T 关于 I 按比例 (1/4 − r)/(1/4) = 1 − 4r 缩小的像。r ≥ 1/4 时 Tᵣ 至多是一个点,放不下两个圆。

两个半径 r 的圆内部不重叠,当且仅当圆心相距至少 2r。因此 n 个半径 r 的圆放得下,当且仅当 Tᵣ 中有 n 个两两相距至少 2r 的点;按 1/(1 − 4r) 放大回 T,等价于 T 中有 n 个两两相距至少 2r/(1 − 4r) 的点。记

cₙ = max over n-point sets S ⊂ T of min { |a − b| : a ≠ b in S }

(T 是紧集,最大值存在)。于是半径 r 可行当且仅当 2r/(1 − 4r) ≤ cₙ,即 r(2 + 4cₙ) ≤ cₙ,最优半径为

rₙ = cₙ / (2 + 4cₙ)

它随 cₙ 严格增大,所以只需对 n = 2、3、4 求出 cₙ:给出达到 cₙ 的点集,并证明任意 n 点中必有两点距离不超过 cₙ。最优圆的圆心是取等点集在位似 p ↦ I + (1 − 4r)(p − I) 下的像。

3. n = 2:c₂ = 5/4

两点距离不超过 T 的直径 5/4,斜边两端点 (1, 0) 与 (0, 3/4) 取等。故

r₂ = (5/4) / (2 + 5) = 5/28, 圆心 (13/28, 5/28), (5/28, 11/28)

4. n = 3:c₃ = 25/32

构造:取 (1, 0)、P = (7/32, 0)、(0, 3/4)。三段距离为

|(1, 0) P| = 25/32, |P (0, 3/4)| = √((7/32)² + (24/32)²) = 25/32, |(1, 0) (0, 3/4)| = 5/4

所以最小距离为 25/32。

上界:令 Q = (1/2, 3/8) 为斜边中点。线段 PQ 把 T 分成两个闭凸多边形,它们的并是 T:

A = 三角形 (1, 0), P, Q
B = 四边形 P, (0, 0), (0, 3/4), Q

顶点间的全部距离:

A: |(1, 0) P| = 25/32, |(1, 0) Q| = 5/8, |P Q| = √((9/32)² + (12/32)²) = 15/32
B: |P (0, 3/4)| = 25/32, |(0, 0) (0, 3/4)| = 3/4, |(0, 0) Q| = |Q (0, 3/4)| = 5/8, |P (0, 0)| = 7/32, |P Q| = 15/32

最大的都是 25/32,所以 A、B 的直径都恰为 25/32。T 中任意三点,必有两点落在同一块中(落在 PQ 上的点同时属于两块,不影响计数),这两点距离不超过 25/32。故 c₃ = 25/32,

r₃ = (25/32) / (2 + 25/8) = 25/164, 圆心 (89/164, 25/164), (39/164, 25/164), (25/164, 73/164)

(0, 3/4)P = (7/32, 0)(1, 0)Q = (1/2, 3/8)(0, 3/4)(0, 0)(1, 0)(1/2, 3/8)
左,n = 3:两块凸片,两条绿色线段长 25/32。右,n = 4:三个矩形,斜边中点到三个顶点的三条绿色线段长 5/8。

5. n = 4:c₄ = 5/8

构造:三个顶点与斜边中点 Q = (1/2, 3/8)。Q 是外心,到三个顶点的距离都是 5/8;顶点之间的距离为 1、3/4、5/4,都不小于 5/8。所以最小距离为 5/8。

上界(HwaterB #40 在 P19 n = 4 中用三块覆盖,这里推广到三角形):T 的每一点都落在下列三个闭矩形之一:

[0, 1/2] × [0, 3/8], [1/2, 1] × [0, 3/8], [0, 1/2] × [3/8, 3/4]

因为若 x > 1/2 且 y > 3/8,则 3x + 4y > 3/2 + 3/2 = 3,该点不在 T 内;所以 T 中的点要么 x ≤ 1/2,要么 y ≤ 3/8,而 T 本身满足 x ≤ 1、y ≤ 3/4。三个矩形的边长都是 1/2 与 3/8,直径都是 √(1/4 + 9/64) = 5/8。任意四点中必有两点落在同一矩形,距离不超过 5/8。故 c₄ = 5/8,

r₄ = (5/8) / (2 + 5/2) = 5/36, 圆心 (5/36, 5/36), (21/36, 5/36), (5/36, 17/36), (13/36, 11/36) ∎

贡献与精度

NUE_13 #31 于 10 月 11 日在 P11 讨论区发帖给出这一论证,并另有一条更正回帖。原帖得到了正确的数值,但部分步骤不够严格;极值竞技场补全了这些步骤,逐步核验,并写出上面的完整证明。原帖 n = 4 中的直径公式 √(a/4 + b/4) 应为 √(a² + b²)/2 的笔误,按后者理解论证即已完整,更正回帖并非必需。本项采纳贡献记一次永久 +2 证明分。

n = 4 的覆盖方法来自 HwaterB #40 在 P19 n = 4 的证明,该证明已获证明分;这里署名,不重复计分。

5/28、25/164、5/36 都是无限循环小数,九位小数的半径不能精确取到,不宣称网格最优。三个子题通过现有“已证明最优”机制关闭,保留历史纪录,纪录持有人不变。

HwaterB #40 · P19 n=4 · 动态