ピックの定理:点を数えて面積を求める

クリックするかプリセットを選ぶことで、正方格子の点上に多角形の頂点を配置できます。このページでは、多角形の内部と辺上にある格子点を数えます。そして、その点の数と各頂点の座標という二つの異なる方法から面積を計算し、両者が一致することを示します。図の下にある表には、実際のカウント数と計算過程が表示されます。

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レッスン

理論 — ピックの定理:点を数えて面積を求める

格子多角形とは、すべての頂点が整数座標を持つ正方格子の点上にある単純多角形のことです。ピックの定理によれば、その面積は A = I + B ÷ 2 − 1 で表されます。ここで、I は多角形の完全に内側にある格子点の数、B は頂点を含め辺上にある格子点の数です。ある格子点から別の格子点へ結ぶ辺は gcd(|Δx|, |Δy|) 個の格子の間隔を通過するため、B は各辺におけるこの値の合計となります。h 個の穴を持つ多角形の場合、穴の辺上の点も B に含めた上で、面積は A = I + B ÷ 2 + h − 1 となります。

各記号の意味

I
多角形の完全に内側にある格子点
B
頂点を含め辺上にある格子点。各辺は gcd(|Δx|, |Δy|) をもたらす
A
格子正方形を単位とした面積。常に ½ の倍数となる
h
穴の数。一つ増えるごとに公式に 1 が足される

点を数えるだけで面積がわかる 🖖

四芒星を押してみてください。この多角形には内部に53個、辺上に8個の格子点があり、その面積は 53 + 8 ÷ 2 − 1 = 56 となります。頂点の座標のみを使い、点を数えない靴ひも公式を使っても同じく 56 が得られます。これが1899年にゲオルグ・ピックによって発表されたピックの定理です。自己交差や穴を持たず、すべての頂点が格子点上にある単純多角形の場合、内部の点を I、境界上の点を B とすると、その面積は I + B ÷ 2 − 1 となります。頂点をドラッグすると、二つの数字が連動して変化するのがわかるでしょう。定規も、三角形の引き算も、近似も必要ありません。このような多角形の面積は、二つの整数だけで完全に決まるのです。

空の三角形の面積はすべて二分の一 🖖

細長い三角形を押してください。幅は 13 あり、線のように細く見えます。三つの頂点を除けば、格子点にはまったく触れていません。この三角形の面積は正確に ½ です。他の格子点を内部にも辺上にも含まない格子三角形は、どんなに細長くても必ずこの面積になります。実はこれが定理の基礎となっています。任意の単純な格子多角形はこのような三角形に分割することができ、その数は 2I + B − 2 個となります。穴がある場合は、一つにつき二つ追加されます。四芒星を押し、基本三角形を表示をオンにして数えてみてください。面積 ½ の三角形が112個あり、合計で 56 になることがわかります。

三次元では二つの数だけでは不十分 🖖

リーヴ、r = 5を押してみてください。四つの頂点は格子点上にありますが、高さをどのように変えても、内部や表面に他の格子点は一つも含まれません。その体積は高さを6で割った値になります。高さが 5 のときは 5 ÷ 6 です。表には高さが 1 から 10 までの場合が示されていますが、内部の点はゼロ、境界上の点は四つと数は変わらないのに、十種類の異なる体積が並んでいます。もしこれら二つの数から体積を求める公式が存在したとすれば、同じ入力から十個の異なる答えを出さなければならないことになります。ジョン・リーヴは1957年にこの立体を発見しました。これと同じ形をした三次元版のピックの定理が存在しないのは、まさにこのためなのです。

全プロセスの詳細解説

  1. 点を数えて正方形の面積を求める 5 ステップ

    (2, 2)、(6, 2)、(6, 6)、(2, 6) を頂点に持つ正方形があります。格子点を数えるピックの定理を使ってこの面積を求め、靴ひも公式の結果と照らし合わせてください。さらに、正方形の大きさを二倍にしたときに点の数がどうなるか答えましょう。正方形を押して確認してください。

    この問題をツールで開く

    1. 各辺は格子線に沿って長さ 4 だけ伸びているため、それぞれ gcd(4, 0) = 4 の間隔を持ちます。したがって境界上の点は次のようになります。

    2. 完全に内側にある点は 3×3 のまとまりを形成しています。

    3. ピックの定理:

    4. 比較のための、頂点から求める靴ひも公式:

    5. 二倍に拡大すると 8×8 の正方形になり、内部には 7×7 個の点、辺上には 32 個の点が並びます。

    解答

    点の数を数えて求めた面積は 16、座標から求めた面積も 16 です。二倍にしたときの点の数は、内部が 49、辺上が 32 となり、面積は四倍の 64 になります。境界上の点は二倍にしか増えていないため、面積を四倍にするには内部の点を 9 から 49 へと、より速いペースで増やす必要がありました。二倍に拡大した多角形は、常に 4I + B − 3 個の内部点を持ちます。