多边形分平面

两个相同的正边形能将一个平面最多划分为多少个区域?
两个相同的正四边形(正方形)能将一个平面划分的最大区域数是多少?
在上图中,我们看到可以用两个正方形将平面分成
个区域(包括两个正方形外面的部分),但这是最大值吗? 如果不是,我们如何增加被划分的区域的数量?
想要了解最大化区域数量的策略,请继续阅读. 或者,跳到今日挑战,你将面临同样的问题,不过多边形的边数将增加.
我们希望建立一个通用的方法来解决这一难题,所以让我们先从头开始,研究一下如何用两个三角形划分这个平面. 在下图中,我们同样可以通过两个相同的正三角形创建个区域.
看起来,如果我们旋转其中一个三角形,或许我们可以创建更多的区域. 假设我们从两个三角形重合放置开始,其中一个三角形叠放在另一个三角形的上面. 如果我们把其中一个稍微旋转一点,一个顶点和一些区域就会露出来.
根据正三角形的对称性,如果旋转使一个顶点和某个区域在三角形的一个角显露出来,那么在所有三个角上也会出现同样的情况. 因此,每个三角形的每个角都有一个区域,以及它们共有的内部和外部,总共会有
个区域.
为什么这可能是区域的最大数量? 直观上看,除去由两个三角形组成的内部和外部区域(每个区域只能有一个),一个区域必须包括至少一个三角形中的至少一个顶点. 因此,通过最小化每个区域中三角形顶点的数量,我们可以最大化区域的数量. 在上面的图中,每个非内部非外部区域只包含一个顶点,所以我们找到了可能形成的最多区域.
让我们回到正方形的情况,尝试相同的方法. 我们把两个正方形重叠放置,旋转其中一个,让另一个正方形的一个角露出来.
同理,根据正方形的对称性,一个角露出来意味着四个角都露出来. 每个正方形的每个角都有一个区域,以及它们共享的内部和外部,所以总共有
个区域.
如果我们以同样的方式处理五边形,那我们能得到个区域.
如果你不能准确地画出多边形,你还能按照这个方法来确定区域的最大数量吗? 除非你能画一个有
条边的正多边形,这就是今日挑战.
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