こんにちは。
今回は、「整数問題」についての話題その6です。。。
「格子点問題」についての話題です。
では、さっそく、考えてみましょう。
問題
3本の直線
$$2x+3y=6n~~(nは自然数)$$
$$x=0$$
$$y=0$$
で囲まれる三角形の周および内部にあるすべての格子点の総数を求めよ。
なお、格子点とは$x$ 座標および $y$ 座標が整数である点のことである。
題意の領域 $D$ は
$$x\geqq0 \cdots(ア)$$
$$y\geqq0 \cdots(イ)$$
$$2x+3y\leqq6n \cdots(ウ)$$
で表される。
ここで、$y=t ~~(0\leqq t \leqq 2n)$ における切り口を考えるとき、
$t$ が偶奇によって状態が変わるので、
- $t=2\ell$ のとき、領域$D$内の$y=2\ell$ 上の格子点の個数を考える。
(ウ)より、
$$2x+3\cdot 2\ell \leqq 6n$$
であるから、(ア)とあわせて、
$$\therefore 0\leqq x \leqq 3n - 3\ell \cdots(エ)$$
ここで、$0 \leqq 2\ell \leqq 2n$ より、$0\leqq \ell \leqq n$ の範囲に整数 $x$ は、
$$\therefore 3n-3\ell +1~~個 \cdots(オ)$$
ある。
- $t=2m-1$ のとき、領域$D$内の$y=2m-1$ 上の格子点の個数を考える。
(ウ)より、
$$2x+3\cdot (2m-1) \leqq 6n$$
であるから、(ア)とあわせて、
$$\therefore 0\leqq x \leqq 3n - 3m +\frac{3}{2} \cdots(カ)$$
ここで、$0 \leqq 2m-1 \leqq 2n$ より、$1\leqq m \leqq n$ の範囲に整数 $x$ は、
$$\therefore 3n-3m +2~~個 \cdots(キ)$$
ある。
よって、以上 i), ii) より、求める格子点の個数は、
$$\sum_{\ell=0}^{n}(3n-3\ell +1)+\sum_{m=1}^n(3n-3m+2)$$
$$=\sum_{\ell=0}^{n}\{(3n+1)-3\ell\}+\sum_{m=1}^n\{(3n+2)-3m\}$$
$$=(3n+1)(n+1)-3\cdot\frac{n(n+1)}{2}$$
$$+(3n+2)n-3\cdot\frac{n(n+1)}{2}$$
$$=3n^2+4n+1-(3n^2+3n)+3n^2+2n$$
$$=3n^2+3n+1 個。 //$$
いかがでしたか。
理解は出来ましたか?
では、また次回にお会いしましょう。