复旦大学 2023年强基第10题

强基计划真题

📝 题目

在 $5 \times 5$ 的正方形表格中,取每个小正方形的中心,则有多少个以这些中心为顶点的正三角形?

💡 答案解析

解析:先证明一个更强的结论:平面上不存在以整点为顶点的正三角形.这是因为,假设存在以整点为顶点的正三角形 $A B C$ ,不妨设 $\displaystyle A=0, B=r e^{i \theta}, C=r e^{i\left(\theta+\frac{\pi}{3}\right)}$ ,则 $\displaystyle \left\{\begin{array}{l}x_{C}=r \cos \left(\theta+\frac{\pi}{3}\right)=r\left(\frac{1}{2} \cos \theta-\frac{\sqrt{3}}{2} \sin \theta\right)=\frac{1}{2} x_{B}-\frac{\sqrt{3}}{2} y_{B} \\ y_{C}=r \sin \left(\theta+\frac{\pi}{3}\right)=r\left(\frac{1}{2} \sin \theta+\frac{\sqrt{3}}{2} \cos \theta\right)=\frac{\sqrt{3}}{2} x_{B}+\frac{1}{2} y_{B}\end{array}\right.$ .由于 $x_{B}, y_{B}$ 均为整数且不全为 0, 则 $x_{C}, y_{C}$不可能均为整数,矛盾!因此原题中不存在以这些中心为顶点的正三角形。 11、解析:这是一个特称命题,无法写成假言命题的形式,故不可取否命题。

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:将小正方形中心视为整点
将5×5正方形表格的每个小正方形中心视为整点,建立坐标系,使这些中心坐标为整数对。
提示:注意中心点坐标范围:x=1,2,3,4,5;y=1,2,3,4,5。
步骤 2/5
目标:证明不存在以整点为顶点的正三角形
假设存在以整点为顶点的正三角形ABC,设A=0,B=re^{iθ},C=re^{i(θ+π/3)},则C的坐标由B的坐标通过旋转得到。
公式:C = (1/2 x_B - √3/2 y_B, √3/2 x_B + 1/2 y_B)
提示:利用复数旋转公式。
步骤 3/5
目标:推导C坐标表达式
由旋转公式得:x_C = (1/2)x_B - (√3/2)y_B,y_C = (√3/2)x_B + (1/2)y_B。
公式:x_C = (1/2)x_B - (√3/2)y_B, y_C = (√3/2)x_B + (1/2)y_B
提示:注意B的坐标x_B, y_B为整数且不全为0。
步骤 4/5
目标:得出矛盾
由于x_B, y_B为整数且不全为0,则x_C, y_C中必含无理数√3,不可能均为整数,矛盾。故不存在以整点为顶点的正三角形。
提示:√3是无理数,整数运算后仍含无理数。
步骤 5/5
目标:应用结论到原题
原题中所有中心点均为整点,由上述结论,不存在以这些点为顶点的正三角形,因此个数为0。
提示:直接应用已证结论。

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