■正方形充填問題(その2)

 (その1)ではリュカの問題を取り上げましたが,今回のコラムではモーザーの問題を紹介します.

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【1】モーザーの問題

[Q1]縦,横それぞれ1/k,1/(k+1)の長方形を単位正方形の中に詰め込むことができるか?

 幾何学的に考慮すれば,級数Σ1/n(n+1)は縦、横それぞれ1/k,1/(k+1)の長方形を単位正方形の中に詰め込む問題になります.

 級数Σ1/n(n+1)は,優雅な公式Σ1/n^2=π^2/6に表面的にはよく類似していますが,

 Σ1/n(n+1)=Σ(1/n−1/(n+1))

=(1−1/2)+(1/2−1/3)+(1/3−1/4)+・・・

=1

となり,両者の間には大きな格調の差があるという有名な例になっています.

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[Q2]1辺の長さが1/2,1/3,1/4,・・・の正方形を1辺の長さが√(π^2/6−1)の正方形の中に詰め込むことができるか?

 オイラーのゼータ関数ζ(2)=Σ1/n^2=π^2/6を幾何学的に考慮すれば,1辺の長さが1/2,1/3,1/4,・・・の正方形を1辺の長さが√(π^2/6−1)の正方形の中に詰め込む問題になります.

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[Q3]1辺の長さが1/3,1/5,1/7,・・・の正方形を1辺の長さが√(π^2/8−1)の正方形の中に詰め込むことができるか?

 オイラーのゼータ関数Σ1/(2n+1)^2=π^2/8を幾何学的に考慮すれば,1辺の長さが1,1/3,1/5,1/7,・・・の正方形を1辺の長さが√(π^2/8−1)の正方形の中に詰め込む問題になります.

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 Q1に関しては辺長501/500の正方形に詰め込めることが証明されています.また,Q3に関しては面積

  (1/3+1/5)(1/3+1/9)=32/135

の長方形に詰め込めることが示されています.

 

 以上の同趣向の3つの問題はいまだに解かれていません.もし肯定的に解かれるならばそれ以上の改良はできないことは明らかです.しかしながら,以下の2つの問題は正確な結果が得られています.

[A4]1辺の長さが1/2,1/3,1/4,・・・のすべての正方形を1辺の長さが5/6の正方形の中に詰め込むことができる.

[A5]半径が1,1/2,1/3,1/4,・・・のすべての円を半径3/2の円の中に詰め込むことができる.

 ところで,Q2は1辺の長さが1,1/2,1/3,1/4,・・・の正方形を1辺の長さがπ/√6の正方形の中に詰め込む問題,Q3は1辺の長さが1,1/3,1/5,1/7,・・・の正方形を1辺の長さがπ/√8の正方形の中に詰め込む問題と等価になるのでしょうか?

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