Z^2上の格子平行四辺形が頂点以外に格子点を含まないならば,その面積は1である.格子三角形が頂点以外に格子点を含まないならば,その面積は1/2である.一般にZ^2上の格子多角形の面積は有理数である.
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【1】ピックの公式
ピックの公式(1899年)とは,任意の格子多角形の面積が以下の式で表されるというものである.
A=I+B/2−1
A:格子多角形の面積
I:内部の点の個数
B:境界線上の点の個数
すなわち,格子点平面の折れ線で囲まれた面積は(凸であれ凹であれ)格子点の数で表せるという「格子の幾何学」の美しい公式である.ピックは,ミンコフスキーの格子点定理「平面(n次元空間)上の任意の単位格子において,1つの格子点を中心として1辺の長さが2の正方形(面積4の平行四辺形,面積2^nの中心対称な凸体)を任意の向きにおいてみると,内部あるいは境界上にもうひとつの格子点が必ず存在する.」を用いて,彼の興味深い定理を証明した.
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【2】アコーピャン・田上の定理
Z^2上の格子多角形を4倍に拡大した格子多角形の内部の格子点の個数は必ず奇数である.
(証)Aは16倍,Bは4倍,したがって,ピックの公式によりIは奇数となる.
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【3】格子多面体の体積
ところで,ピックの定理を一般化して,3次元格子上に頂点をもつ多面体の体積公式を作ることができるだろうか? 実は,3次元の任意の格子多面体に対しては内部や境界面上の点の個数から体積を求める式はないことが証明されている(リーブ,1957).
平面上の格子三角形で,その内部および境界に頂点以外の格子点を含まないとき,その格子三角形(基本三角形)の面積は1/2である.これは平面上の項三角形の顕著な特質であり,これを用いてピックの定理を証明することができる.しかし,空間の四面体ではまったく状況が異なる.
体積=内部の格子点数+面上の格子点数/2−辺上の格子点数/4−1
が任意の格子多面体に対して成り立つならば話は簡単なのだが,そうは問屋が卸さないのである.3次元の任意の格子多面体に対しては内部や境界面上の点の個数から体積を求める式はないという例(リーブの四面体)をあげよう.
[1]体積=内部の格子点数+面上の格子点数/2−辺上の格子点数/4−1
が成立しない反例をあげると,4点(0,0,0),(1,0,0),(0,1,0),(1,1,z)を頂点とする三角錐(体積z/6)では,
内部の格子点数=0
面上の格子点数=4
辺上の格子点数=4
より
内部の格子点数+面上の格子点数/2−辺上の格子点数/4−1=0
この四面体では,
内部の格子点数=0
面上の格子点数=4
辺上の格子点数=4
を変化させることなしに,zとともに体積をいくらでも大きくすることができる.
リーブの四面体はリーブがR^3において,ピックの定理が成り立たないことを示すために用いたものであるが,リーブの四面体の離散体積は
L(t)=(z/6)t^3+t^2+(2−z/6)t+1
で与えられる.
[2]4点(0,0,0),(1,0,0),(0,1,0),(0,0,1)を頂点とする基本三角錐の体積は1/6,4点(0,0,0),(1,1,0),(1,0,1),(0,1,1)を頂点とする基本三角錐の体積は1/3,4点(0,0,0),(1,1,0),(1,0,1),(0,1,n)を頂点とする基本三角錐の体積は(n+1)/6.体積がいくらでも大きいような基本四面体が存在するのである.
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【4】リーブの公式
凸格子点多面体に限ると,すべての凸格子点多面体に対して成り立つ公式は存在するのだが,それでも非常に複雑なものになるという.→コラム「ピックの公式の拡張」参照
R^3の点で,座標が(整数/n,整数/n,整数/n)となるような点の全体をLnで表すと,任意の整数nについて,
2n(n^2−1)V=2(In−nI)+(Bn−nB)
V:格子多面体の体積
I:内部の点の個数 In:内部のLn点の個数
B:境界線上の点の個数 Bn:境界線上のLn点の個数
[1]立方体[0,1]^3
I=0,B=8,I2=1,B2=v+e+f=26→2・2(2^2−1)V=2(1−2・0)+(26−2・8)=12→V=1
[2]4点(0,0,0),(1,1,0),(1,0,1),(0,1,2)を頂点とする四面体
I=0,B=4,I2=2,B2=10→2・2(2^2−1)V=2(2−2・0)+(10−2・4)=6→V=1/2
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