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中心と頂点 1 つから残りを回して決める〜複素数と正多角形

正 角形は、中心のまわりに ずつ回すと自分に重なります。だから中心と頂点 1 つが分かれば、残りの頂点は回転で決まる。

中心を 、1 つの頂点を とすると、 番目の頂点は次の形になります。

で中心を原点へ寄せ、回して、 を足して戻す。中心が原点でない回転の式を、 回ぶん当てた形です。

例:正方形

中心が 、頂点の 1 つが とします。 だから回す角は ずつ。かける数は です。

に をかけ足していきます。

4 つの頂点を足して で割ると 。中心に戻りました。

例:正三角形

中心が原点、頂点の 1 つが のとき。 なので ずつ回します。

にかけて 。もう一度かけると になります。

3 頂点は 、、。足すと で、重心が中心の原点に一致しています。

例:正六角形

中心が原点、頂点の 1 つが で なら、回す角は 。

。
。
。
。
。
。

1 つ飛ばしに 、、 を拾うと、さきほどの正三角形。 等分の点から 等分が拾える関係が、頂点の一覧にそのまま現れています。

中心が 、頂点の 1 つが である正方形の、残りの頂点に含まれないものはどれですか。

__RESULT__

に をかけていくと 、、 です。 を足して 、、 になります。 は中心から下へ離れた点で、この正方形の頂点にはなりません。

2 頂点から正三角形の残り 1 つ

正三角形の 2 頂点 、 が分かっているとき、残りは を中心に を 度回した点。

回す向きが 2 つあるので、答えも 2 つ。 で回すと、辺 をはさんで反対側の点になります。

、 で計算します。。

逆回りなら 。どちらも からの距離が 、 からの距離が で、辺の長さがそろっています。

、 を 2 頂点とする正三角形の、3 つ目の頂点はどれですか。

__RESULT__

を 度回します。 となり、 を足してそのまま。実部が 、虚部が の 2 点になります。

中心と 1 つの頂点、または辺の 2 頂点。どちらから始めても、同じ角ずつ回した点を並べれば正多角形がそろいます。

正 $n$ 角形は中心のまわりに $\dfrac{2\pi}{n}$ 回すと自分に重なるので、中心 $\alpha$ と頂点 $z_0$ から $z_k = \alpha + (z_0 - \alpha)\left(\cos\dfrac{2k\pi}{n} + i\sin\dfrac{2k\pi}{n}\right)$ で残りが決まります。中心 $1+i$、頂点 $4+i$ の正方形なら $3$ に $i$ をかけ足して $1+4i$、$-2+i$、$1-2i$。正三角形と正六角形も同じ手順で並び、$6$ 等分の点を 1 つ飛ばしに拾うと $3$ 等分になる。辺の 2 頂点から 3 つ目を決める型は、回す向きのぶん答えが 2 つ。