5点以上の最短連絡網

ここでは5点以上の最短連絡網を考えます.

まず5点A,B,C,D.Eについて調べましょう.5角形ABCDEが凸の場合に限定して 調べます.
実際に連絡網を作りましょう.
この作り方は,6点,7点の場合にも利用する方法ですので,丁寧に説明します.


辺AB,DEを1辺とする正三角形を外側に,辺BCを1辺とする正三角形を内側につくりその外接円をそれぞれ作る

まず,辺AB,DEを1辺とする正三角形を5角形の外側に,辺BCを1辺とする正三角形を 5角形の内側につくり,その外接円をそれぞれ作り順にC,C,Cとします(上図).
次に円C上に点Pを取り,PBと円Cとの交点をQ,さらにPC上にPR=PQを満たすように 点R,さらに∠QRCの2等分線と円Cとの交点をSとします.最後にQA,SD, SEを結んだのが次の図です.作り方より
∠AQB=∠BQR=∠QRC=∠CRS=∠ESD=120°
が成り立ちます.


上に点Pをとり,PBとCとの交点がQ,PQ=PR,∠QRSの2等分線と 円Cとの交点をSとします.このとき,∠AQB=∠BQR=∠CRS=∠DSE=120° ですから,∠RSE=120°なら完成です.そこで,Pを動かして見つけましょう.下の 数字の上のresultは連絡網の長さ,下のResultは最大辺を除いた周の長さです.



したがって,点Pを円C上を動かし,∠RSEが120°になれば完成です(Pをドラッグしてみましょう .Sの上に書いてある数字が∠RSEの大きさです). ∠RSE=120°のとき点Q,R,Sがフェルマ連結点になります.
もし,Pを動かしても∠RSEが120°にならなければ,このような最短連絡 網が存在しないことになります.(条件を満たす図形が存在すると仮定する. このとき,BQとCRの交点をPとすれば,∠BPC=60°.したがってPは 必ず円C上にある.よって,PをCの円周上を動かしても,∠RSEが120°にならなければ 存在しない)

5点A,B,C,D,Eもドラッグすると動くので,いろいろな場合を調べて見ることを勧めます.



次に,6点の場合を考えましょう.これはなかなか面白いです.
まず,正6角形から考えましょう.最初に考える図形は右の図です.
これは最短連絡網になるでしょうか.計算してみましょう.
正6角形の1辺の長さを1とすると,点Pは正三角形AOFの重心です.
2AP=1/sin60°=2/sqrt(3)
(連絡網の長さ)=9・AP=3sqrt(3)=5.1・・>5
したがって,これは最短連絡網ではありません.
次に5角形の場合求めた方法で連絡網を作ってみましょう.この場合 フェルマ連結点が4個になります.実際に作ったのが次の図です.
次の図で,点Xをドラッグして動かせばからわかるように, 正6角形ではフェルマ連結点が4個ある最短連絡網は存在しません.実際Xを動かして∠APQを 120°に近づけようとすると,連絡網はどんどん単純連絡網に近づいていきます.


Xを動かして,∠APQ=120°になればよいのですがなりません.120°に近づけようとすると,AFを除いた 連絡網は外周に近づきます



正6角形となる6点では,最短連絡網は単純連絡網(周から一番長い辺を除いた連絡網) となります.しかし一般の凸となる6点では事情が異なります. 次が単純でない最短連絡網が存在する例です.




図は連絡網が存在する6点の例です.Xを動かし,∠APQ=120°としてみましょう.A,B,C,D,E,F をドラッグして,いろいろな6点で考えてみましょう



次は7点の場合です.7点になると作るのがなかなか難しくなりますが,単純でない 連絡網が存在する場合もあります.


7点の場合は,単純でない最短連絡網が存在するのは限定されます.点Eが 隠れています.見たければ右ドラッグし図形を左にずらしてください



7点の場合,7点から連絡網を作ると結構面倒です.しかし,例を作るだけなら,連絡網から先に作り ましょう.次の図のように少しずつ大きい正三角形を4つ並べてから作れば,7点の例が簡単に作れます.



7点の場合,連絡網を先に(太線を先に)作ってから7頂点を作れば簡単に作れます



上の図より,凸である8点の最短連絡網は必ず単純連絡網であることがわかります.
実際,単純でない連絡網が存在すると仮定します.2つの頂点と,6個のフェルマ連結点より なる8角形を考えましょう.この8角形のフェルマ連結点における内角は120°です.
一方,8角形の内角の和は180°×6=1080°,したがって残りの角の和が360°となり, 存在しないことがわかります.

以上で最短連絡網の話は終わりです.凸である8点以上の点の場合は,最短連絡網が 単純な場合となるので,4点,5点,6点,7点の場合最短連絡網が単純でない場合の 条件がとても興味のある問題です.ちなみに正多角形の場合は正5角形まででした.



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