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正多角形の頂点でつくる三角形 - 直角になるのはどんなときか

正十二角形の頂点から 3 点を選ぶと、三角形が 220 個できます。そのうち直角三角形が 60 個、鈍角三角形が 120 個、鋭角三角形が 40 個。

形の内訳は、頂点どうしの間隔だけで決まります。角度を測らずに、間隔を数えるだけで分類できる。

弧の大きさが角を決める

正多角形の頂点は、すべて 1 つの円周上に並んでいます。だから円周角の定理が使えます[1]

円周角は、それが見込む弧に対する中心角の半分になる。弧が大きいほど、向かい合う角も大きくなります。

3 点を選ぶと、円周は 3 つの弧に分かれます。それぞれの弧が、向かい合う頂点の角に対応する。

間隔で書き表す

角形の頂点を円周に沿って番号で追い、選んだ 3 点の間隔を とします。

3 つの弧で円周を 1 周するので、次が成り立ちます。

正十二角形なら 。この 3 つ組を見れば、角度を計算しなくても形が分かります。

半円にあたるのは間隔 です。正十二角形なら 6。

半円より小さい弧

向かい合う角は鋭角になる。間隔が 6 より小さい

半円より大きい弧

向かい合う角は鈍角になる。間隔が 6 より大きい

間隔がちょうど 6 なら、向かい合う角は直角。3 つの間隔のうち最大のものを見れば、三角形の種類が決まります。

直角三角形

間隔がちょうど半円になるのは、2 点が直径の両端にあるときです。このとき残る 1 点から見た角が直角になる[2]

タレスの定理と呼ばれる関係です。逆に、直角三角形の斜辺は必ず外接円の直径になります[3]

例:正十二角形の直角三角形

直径は、向かい合う頂点を結んだ線です。12 個の頂点が 6 組の向かい合う対をつくるので、直径は 6 本。

直径を 1 本選ぶと、残る頂点は 個。そのどれを選んでも直角三角形になります。

60 個です。一般に が偶数のとき、直角三角形は 個。

が奇数なら、向かい合う頂点の組がありません。直径がとれないので、直角三角形は 0 個です。

例:正十角形と正九角形

正十角形なら直径が 5 本、残る点が 8 個で 個。

正九角形は頂点が奇数個なので、直角三角形は 1 つもできません。

正多角形三角形の総数直角三角形
正九角形840
正十角形12040
正十二角形22060

鈍角三角形

鈍角になるのは、3 つの間隔のうち 1 つが半円より大きいときです。正十二角形なら、間隔が 7 以上のものがある場合。

このとき残る 2 つの間隔の和は 5 以下になります。つまり 3 点が、5 区間ぶんの狭い範囲に収まっている。

数え方はこうです。3 点のうち、その狭い範囲でいちばん手前にある点を基準にします。

基準の頂点を 12 通りから選び、そこから時計回りに 1 から 5 区間先の 5 個の頂点から 2 個を選ぶ。

120 個です。どの鈍角三角形も基準の頂点が 1 つに決まるので、二重に数えません。

鋭角三角形は引いて出す

鋭角三角形を直接数えるのは面倒です。全体から引きます。

40 個。3 つの間隔がすべて 5 以下になる場合にあたります。

全体を組合せで出す

直角を直径から数える

鈍角を狭い範囲に収まる形で数え、残りを鋭角とする

例:正十角形で分類する

総数は 個。直径が 5 本なので直角は 個。

鈍角は、間隔が 6 以上のものがある場合。残る 2 つの間隔の和は 4 以下です。

基準の頂点を 10 通り、そこから 1 から 4 区間先の 4 個から 2 個を選んで 通り。 個。

鋭角は 個です。

例:正九角形で分類する

総数は 個。直角は 0 個。

半円にあたる間隔は なので、鈍角になるのは間隔が 5 以上のとき。残る 2 つの和は 4 以下です。

個が鈍角。鋭角は 個になります。

奇数角形では直角がないぶん、鋭角と鈍角だけに分かれる。

二等辺三角形

2 つの辺が等しいのは、2 つの弧が等しいときです。間隔でいえば、 のうち 2 つが同じ値になる。

数え方は、等しい 2 辺が集まる頂点を先に決める形になります。その頂点を頂角と呼びます。

頂角の頂点を 通りから選び、そこから左右に同じ間隔 だけ離れた 2 点をとる。 は 1 から まで。

ただし正三角形は、どの頂点も頂角になるので 3 回数えています。あとで補正します。

正三角形を 3 回数えてしまうのは、3 つの頂点すべてが頂角の条件を満たすからです。

ふつうの二等辺三角形なら頂角は 1 つだけ。正三角形だけが 3 回現れるので、2 回ぶんを引く。

例:正十二角形の二等辺三角形

なので、

正三角形は、 が 3 で割り切れるので 個あります。それぞれ 3 回数えているので、 を引く。

52 個です。このうち 4 個が正三角形、48 個がそれ以外の二等辺三角形になります。

例:正十角形と正九角形の二等辺三角形

正十角形は なので は 3 で割り切れないので正三角形はなく、補正なしの 40 個。

正九角形は 。正三角形が 3 個あるので 個です。

正多角形二等辺(正三角形を含む)正三角形
正九角形303
正十角形400
正十二角形524

例:直角二等辺三角形

正十二角形で、直角かつ二等辺になる三角形を数えます。

間隔が の形です。直径を 1 本選ぶと、その垂直二等分線上の頂点は 1 つに決まる。

直径が 6 本なので、直角二等辺三角形は 12 個。直径の両側にそれぞれ 1 つずつ頂点があるため、 個になります。

分類の全体像

正十二角形の 220 個を、角の種類と辺の種類の両方で見ます。

角で分けると、鋭角 40、直角 60、鈍角 120。
辺で分けると、正三角形 4、二等辺 48、不等辺 168。
直角かつ二等辺は 12。
どの角も 60 度でない三角形が、大多数を占める。

角と辺は別の切り口です。どちらで分類を求められているかを、問題文で確かめます。

検算のしかた

分類した個数を全部足して、総数に戻るかを見ます。 で合いました。

小さい正多角形でも試せます。正六角形なら総数 個。直角は 個、鈍角は 個、鋭角は 個。

鋭角の 2 個は、頂点を 1 つおきに選んだ正三角形です。手で描いて確かめられます。

正十六角形の頂点から 3 点を選んでできる直角三角形は何個ですか。

  • 112 個
  • 128 個
  • 560 個
__RESULT__

直径は 本、残る頂点は 個なので 個です。128 は直径の両端も数え直した値、560 は三角形の総数 にあたります。

角度ではなく間隔を数える。この置きかえができれば、どの正多角形でも同じ手順で分類が終わります。

参考文献

Inscribed angle - Wikipedia
Thales's theorem - Wikipedia
Satz des Thales - Wikipedia
正十二角形の頂点から作れる三角形は 220 個。うち直角が 60 個、鈍角が 120 個、鋭角が 40 個です。角度を測る必要はありません。頂点どうしの間隔を 3 つ並べ、いちばん大きい値が半円より大きいかどうかを見るだけ。直角は直径から、鈍角は 3 点が狭い範囲に収まる形から数え、鋭角は引いて出します。二等辺三角形で正三角形の重複を直す理由、奇数角形に直角三角形がない理由も扱いました。