PFLASTERUNG KONVEXER POLYGONE MIT GLEICHSCHENKLIG RECHTWINKLIGEN DREIECKEN Meinem verehrten Lehrer und Freund, Herrn Prof. Dr. Johannes Böhm, zum 90. Geburtstag gewidmet Eike Hertel Friedrich-Schiller-Universität Jena, Mathematisches Institut, Ernst-Abbe-Platz 1-2, D-07743 Jena, Germany e-mail: [email protected] Abstract We give a complete characterization of all convex n-gons that can be tiled with congruent isosceles right triangles and we determine for given n the set of all numbers k for wich an n-gon exists with such a tiling into k triangles. 1 Einleitung Unter einem konvexen Polygon P verstehen wir die konvexe Hülle P = conv{A1 , ..., An } von n ≥ 3 Punkten Ai der euklidischen Ebene, die nicht alle auf derselben Geraden liegen. Kann von den Punkten Ai keiner weggelassen werden, ohne diese konvexe Hülle zu verändern, so heißen die Punkte Ai Eckpunkte von P, und wir nennen P = P n =: A1 A2 ...An ein n-Eck. Sind die Koordinaten aller Eckpunkte Ai bei geeigneter Lage von P ganzzahlig, so heißt P Gitterpolygon. Der Rand von P n besteht bei geeigneter Nummerierung der Eckpunkte aus den Strecken Ai Ai+1 (i = 1, ..., n − 1) und An A1 , den Seiten von P n . Ein Polygon P heißt (elementargeometrische) Summe der k Polygone Qi bzw. in die Teilpolygone Qi zerlegt, wenn P die Vereinigungsmenge der Qi ist und diese paarweise innendisjunkt sind: P= k ∑ i=1 Qi :⇐⇒ P = k ∪ Qi ∧ int(Qi ∩ Qj ) = ∅ (1 ≤ i < j ≤ k). i=1 Während die Tatsache, dass jedes n-Eck für alle natürlichen Zahlen k ≥ n − 2 in k Dreiecke zerlegt werden kann, zur elementaren Schulgeometrie gehört, ist die Frage nach den 1 2 2 NOTWENDIGE BEDINGUNGEN zulässigen Tripeln (n, k, m), so dass jedes n-Eck in k m-Ecke zerlegt werden kann nur für spezielle edge-to-edge-Zerlegungen1 beantwortet (vgl. [B-S]). Und selbst bei der Beschränkung auf m = 3 (Dreieckszerlegungen von Polygonen) ergeben sich reizvolle Fragestellungen. So wurde in [Yu] die Frage nach der Polygonzerlegung in spitzwinklige Dreiecke behandelt, in [K-S] die in inhaltsgleiche und in [La1] in paarweise ähnliche Dreiecke. In [La2] beantwortet M. Laczkovich die Frage nach den Dreieckstypen D, für die zu einem gegebenen Polygon eine Zerlegung in zu D kongruente Dreiecke existiert. Im folgenden wird gewissermaßen die umgekehrte Fragestellung betrachtet: Gegeben ist ein Dreieckstyp D, und gesucht sind alle Polygone P, die eine Zerlegung in zu D kongruente Dreiecke gestatten. Nachdem in [H-R] der Fall regulärer (gleichseitiger) Dreiecke untersucht wurde, beschränken wir uns in dieser Note auf gleichschenklig rechtwinklige Dreiecke D. Eine solche Zerlegung Pn = (1) k ∑ Di mit Di ∼ = D1 (i = 1, ..., k) i=1 eines n-Ecks P n in k paarweise kongruente gleichschenklig rechtwinklige Dreiecke Di nennen wir hier kurz eine gr-Pflasterung von P n . Wir geben eine vollständige Klassifikation der konvexen Polygone an, die eine solche gr-Pflasterung erlauben. Ferner bestimmen wir die Mengen Zn aller positiven ganzen Zahlen k ∈ N∗ , für die ein n-Eck existiert, das eine grPflasterung in k Dreiecke gestattet, für alle in Frage kommenden natürlichen Zahlen n ≥ 3. 2 Notwendige Bedingungen Für eine erste Charakterisierung gr-pflasterbarer Polygone kann ein Satz aus [La2] benutzt werden: Satz von Laczkovich (Theorem 2, [La2], S. 282) Sei P ein konvexes Polygon, welches in endlich viele beliebige Dreiecke Di zerlegt ist, und sei K der Körper, der von den Kotangens der Winkel der Di erzeugt wird. Wenn P zwei Ecken mit Koordinaten in K hat, dann liegen die Koordinaten aller Ecken der Di und von P im Körper K. Für gleichschenklig rechtwinklige Dreiecke Di mit den Innenwinkelgrößen αi = β i = und γ i = π 2, π 4 also cot αi = cot β i = 1 und cot γ i = 0, wir K = Q zum Körper der rationalen Zahlen, und bei geeigneter Lage von P nach eventueller Dilatation ist immer erreichbar, dass ein Eckpunkt von P die Koordinaten (0, 0) und ein Eckpunkt die Koordinaten (q, 0) oder (0, q) hat mit q ∈ Q. Damit folgt aus dem Satz von Laczkovich, dass ein konvexes Polygon mit einer gr-Pflasterung ähnlich zu einem Gitterpolygon mit gr-Pflasterung ist, und es gilt folgendes 1 je 2 verschiedene Teilpolygone der Zerlegung haben keinen oder genau einen Punkt gemeinsam oder eine ganze Seite 3 Lemma. Gestattet ein konvexes Polygon P eine gr-Pflasterung, so liegen auf jeder Seite von P entweder nur Pflasterdreiecke mit ihrer Hypotenuse oder nur mit einer Kathete an. Da die durch kongruente gleichschenklig rechtwinklige Dreiecke gepflasterten n-Ecke P n √ 2 nur bis auf Ähnlichkeit interessieren, können die Seitenlängen der Dreiecke mit 1, 1 und angenommen werden, so dass ein solches n-Eck P n = (α1 , a1 , ..., αn , an ) durch die gemischte Folge seiner im positiven Umlaufsinn aufeinander folgenden Innenwinkelgrößen αi und zugehörigen Seitenlängen ai bis auf zyklische Umordnung als Typ eineindeutig beschrieben wird. Nach dem Lemma bedeutet unsere Normierung der Pflasterdreiecke für √ die einzelnen Seitenlängen ai = li + mi 2 (li , mi ∈ N) von P n entweder li = 0 oder mi = 0. Ferner können die Innenwinkelgrößen von P n nur die Werte π 4 und π 2 oder 3π 4 annehmen, so dass für die Innenwinkelsumme von P n (n − 2)π = x · π π 3π +y· +z 4 2 4 gelten muss mit ganzen Zahlen x, y, z ≥ 0 und (1.1) n = x + y + z, woraus sich (1.2) 3x + 2y + z = 8 ergibt. Daraus folgt 3 ≤ n ≤ 8, (1.3) denn die Annahme n = x + y + z > 8 führt mit (1.2) auf x + y + z > 3x + 2y + z und somit zu 0 > 2x + y im Widerspruch zur Voraussetzung x, y ≥ 0. Es gibt also nur endlich viele Lösungen der Gleichungen (1.1) und (1.2) in nicht negativen ganzen Zahlen x, y, z die in folgender Tabelle aufgelistet werden: Nr. x y z n 1 0 0 8 8 2 0 1 6 7 3 0 2 4 6 4 0 3 2 5 5 0 4 0 4 6 1 0 5 6 7 1 1 3 5 8 1 2 1 4 9 2 0 2 4 10 2 1 0 3 4 4 VIERECKE 3 Dreiecke Für n = 3 gibt es nur eine Lösung (Nr. 10), und es gilt der folgende Hilfssatz 1. Ein Dreieck D gestattet genau dann eine gr-Pflasterung, wenn D selbst gleichschenklig rechtwinklig ist, und es gilt Z3 = {ε · m2 : m ∈ N∗ ; ε ∈ {1, 2}} = (1, 2, 4, 8, 16, 18, 25, 32, 36, 49, 50, ...). Beweis. a) Zum Beweis der Notwendigkeit der angegebenen Bedingung für die Anzahl k der √ ∑k Teildreiecke Di vom Typ ( π4 , 1, π2 , 1, π4 , 2) in der gr-Pflasterung D = 1 Di des Dreiecks D √ vom Typ ( π4 , a, π2 , a, π4 , b) sei a = l+m 2. Dann folgt für den Flächeninhalt F (D) = k·F (D1 ) bzw. √ F (D) = 21 a2 = 12 l2 + lm 2 + m2 = k · F (D1 ) = k · 1 2 mit l, m, k ∈ N. Dann muss entweder l = 0 oder m = 0 gelten (vgl. obiges Lemma). Im ersten Fall ist a2 = k = 2m2 , im zweiten Fall folgt k = l2 . b) Für den Nachweis, dass diese Bedingungen für k hinreichend sind, genügt die Abb. 1. Im Übrigen beschreibt die Menge Z3 die aus der Zahlentheorie bekannte Folge A028982 der Quadrat- und verdoppelten Quadratzahlen - vgl. die Online-Enzyklopädie der ganzzahligen Folgen [OEIS]. 2 · m2 l2 Abbildung 1: Dreieck 4 Vierecke Für n = 4 besitzen die Gleichungen (1.1) und (1.2) drei Lösungen (Nr. 5,8,9). 1. Fall (Lösung Nr. 5). Das zu pflasternde Viereck V hat y = 4 Innenwinkel der Größe √ V ist also ein Rechteck mit Seitenlängen ai = li + mi 2 (li , mi ∈ N∗ ; i = 1, 2). Dann ∑k gilt für den Flächeninhalt F (V) = 1 F (Di ) π 2, F (V) = a1 · a2 = l1 l2 + 2m1 m2 + √ 1 2(l1 m2 + l2 m1 ) = k, 2 5 woraus l1 m2 + l2 m1 = 0 folgt. √ a) Für l1 = 0 ergibt sich a1 a2 = 2m1 m2 + m1 l2 2 = 12 k, wegen m1 ̸= 0 also auch l2 = 0 und damit k = 4m1 m2 (m1 , m2 ∈ N∗ ). b) Für m2 = 0 ergibt sich analog m1 = 0 und k = 2l1 l2 (l1 , l2 ∈ N∗ ). Unter Berücksichtigung von Abb. 2 ergibt sich folgender Hilfssatz 2.1. Ein Rechteck V gestattet genau dann eine gr-Pflasterung, wenn das Verhältnis seiner Seitenlängen rational ist (V heiße dann rational), und zu jeder geraden Zahl k ∈ Z14 := {2m : m ∈ N∗ } existiert ein Rechteck mit einer gr-Pflasterung in k Teile. k =2·8 k =4·3 k =4·2 b) k =2·3 a) Abbildung 2: Rechteck 2. Fall (Lösung Nr. 8). Das zu pflasternde Viereck V hat x = 1 Innenwinkel der Größe π 4, y = 2 der Größe π 2 und z = 1 Innenwinkel der Größe 3π 4 . Die möglichen Verteilungen dieser Winkel ergeben zwei Vierecktypen: V = ( π4 , a1 , π2 , a2 , π2 , a3 , 3π 4 , a4 ) - V heiße rechtwinkliges Trapez, π 2 V = ( π4 , a1 , π2 , a2 , 3π 4 , a3 , 2 , a4 ) - V heiße rechtwinkliges Sehnenviereck. √ 2.1 Sei V rechtwinkliges Trapez mit den Seitenlängen ai = li + mi 2. Dann gilt für den Flächeninhalt von V 1 1 F (V) = a2 (a1 + a3 ) = k und somit 2 2 ( √ )( √ ) k = l2 + m2 2 l1 + l3 + (m1 + m3 ) 2 ) √ ( = l2 (l1 + l3 ) + 2m2 (m1 + m3 ) + 2 l2 (m1 + m3 ) + m2 (l1 + l3 ) , woraus folgt l2 (m1 + m3 ) + m2 (l1 + l3 ) = 0 mit li , mi ∈ N. a) m2 = 0 bedeutet wegen (dann) l2 > 0, dass m1 + m3 = 0, also auch m1 = m3 = 0, gilt und somit k = l2 (l1 + l3 ). Wegen (∗) a1 = a2 + a3 bzw. l2 = l1 − l3 wird k = (l1 − l3 )(l1 + l3 ) = l12 − l32 (0 < l3 < l1 ; l1 , l3 ∈ N∗ ). Die Menge {3, 5, 7, 8, 9, 11, 12, 13, 15, 16, 17, 19, 20, 21, 23, ...} dieser Zerlegungszahlen k entspricht der bekannten Folge A024352 in [OEIS], sie enthält insbesondere alle ungeraden 2 mit genau 2 gegenüberliegenden rechten Innenwinkeln 6 4 VIERECKE natürlichen Zahlen >1. b) l1 + l3 = 0 hat wegen (dann) m1 , m3 > 0 auch l2 = 0 zur Folge. Unter Berücksichtigung von (∗) ergibt sich k = a2 (a1 + a3 ) = (a1 − a3 )(a1 + a3 ) = a21 − a23 = 2 · (m21 − m23 ) mit 1 ≤ m3 < m1 . a2 a2 a1 a1 a3 a4 a3 a) b) Abbildung 3: Rechtwinkliges Trapez Mit Abb.3 ergibt sich folgender Hilfssatz 2.2. Ein rechtwinkliges Trapez V = ( π4 , a1 , π2 , a2 , π2 , a3 , 3π 4 , a4 ) gestattet genau dann eine gr-Pflasterung, wenn die Längen a1 und a3 der parallelen Seiten in rationalem Verhältnis stehen (V heiße dann rational), und zu jeder natürlichen Zahl { } 2 2 := ε(t − t ) : ε ∈ {1, 2} 0 < t < t (t , t ∈ N) = N \ {0, 1, 2, 4}. k ∈ Z2,1 1 2 1 2 2 1 4 existiert ein rechtwinkliges Trapez mit einer gr-Pflasterung in k Teile. π 2.2 Sei V = ( π4 , a1 , π2 , a2 , 3π 4 , a3 , 2 , a4 ) jetzt ein rechtwinkliges Sehnenviereck mit den √ Seitenlängen ai = li + mi 2. Dann gilt für den Flächeninhalt von V 1 1 F (V) = (a1 a2 + a3 a4 ) = k und somit 2 2 √ k = l1 l2 + l3 l4 + 2(m1 m2 + m3 m4 ) + 2(l1 m2 + l2 m1 + l3 m4 + l4 m3 ), woraus folgt l1 m2 + l2 m1 + l3 m4 + l4 m3 = 0 mit li , mi ∈ N. Der Fall b) l1 = 0 und √ a1 = m1 2 kann durch eine Geradenspiegelung (Umorientierung) von V in den Fall a) überführt werden mit l1 ̸= 0, der hier nur betrachtet werden muss. Dann muss in der Ecke von V mit der Innenwinkelgröße π 4 ein Pflasterdreieck liegen mit Kathetenbeitrag zu a1 und Hypotenusenbeitrag zu a4 , also gilt m4 ̸= 0 und folglich auch l3 = l4 = 0 und somit √ √ a1 = l1 , a2 = l2 , a3 = m3 2, a4 = m4 2 mit l1 , l2 , m3 , m4 ∈ N∗ . Als Menge aller möglichen Zerlegungsanzahlen k ergibt sich damit ∗ Z2,2 4 := {l1 l2 + 2m3 m4 : 2 ≤ m4 ; l2 = 2m4 − l1 ; m3 = l1 − m4 (l1 , l2 , m3 , m4 ∈ N )} Unter Berücksichtigung des in Abb. 4 angedeuteten Konstruktionsprinzips folgt der 7 π Hilfssatz 2.3. Ein rechtwinkliges Sehnenviereck V = ( π4 , a1 , π2 , a2 , 3π 4 , a3 , 2 , a4 ) gestattet genau dann eine gr-Pflasterung, wenn wenigstens ein Paar der Längen von Seiten, die einem der rechten Innenwinkel anliegen, in rationalem Verhältnis stehen (a1 /a2 ∈ Q oder a3 /a4 ∈ Q) - V heiße dann rational, und zu jedem k ∈ Z2,2 existiert ein rationales rechtwinkliges 4 Sehnenviereck mit einer gr-Pflasterung in k Teile. a3 a2 a) a3 a4 a1 b) a2 a1 Abbildung 4: Sehnenviereck Es erscheint bemerkenswert, dass die Menge dieser Zerlegungszahlen Z2,2 4 = {7, 14, 17, 23, 28, 31, 34, 41, 46, 47, 49, 56, 61, 63, 68, 71, 73, 79, 82, 89, ...} mit dem aus der Zahlentheorie bekannten Congruum Problem zusammenhängt: Gesucht sind ganze Zahlen x, y, z, h, so dass h = x2 − y 2 = z 2 − x2 gilt. Die Folge der zulässigen Zahlen z für die Lösung dieser Aufgabe ist die Folge A056203 in [OEIS]. Ihre Glieder bilden die Menge Z2,2 4 . 3. Fall (Lösung Nr. 9). Das zu pflasternde Viereck V hat x = 2 Innenwinkel der Größe π 4 und z = 2 der Größe 3π 4 . Die möglichen Verteilungen dieser Winkel ergeben zwei Viereck- typen: π 3π V = ( π4 , a1 , 3π 4 , a2 , 4 , a3 , 4 , a4 ) - V heiße 3π V = ( π4 , a1 , π4 , a2 , 3π 4 , a3 , 4 , a4 ) - V heiße 3.1. Sei V π 4 -Parallelogramm π 4 -Parallelogramm, gleichschenkliges π4 -Trapez. √ mit den Seitenlängen ai = li +mi 2 (li , mi ∈ N; i = 1, ..., 4). Dann gilt für den Flächeninhalt von V √ F (V) = a1 · h = a1 · a2 sin π4 = a1 a2 22 = 12 k, woraus folgt √ √ √ k = (l1 + m1 2)(l2 + m2 2) 2 √ = (l1 l2 + 2m1 m2 ) 2 + 2(l1 m2 + l2 m1 ), und es muss l1 l2 + 2m1 m2 = 0 gelten. In Analogie zu Fall 2.2 (vgl. Abb. 5) ergibt sich k = 2l1 m2 und somit folgender V mit den Seitenlängen a1 , a2 gestattet genau √ dann eine gr-Pflasterung, wenn es eine positive rationale Zahl r gibt mit a2 /a1 = r · 2 Hilfssatz 3.1. Ein π 4 -Parallelogramm 8 4 VIERECKE ∗ (V heiße dann rational), und zu jeder geraden Zahl k ∈ Z3,1 4 := {2m : m ∈ N } existiert ein π 4 -Parallelogramm mit einer gr-Pflasterung in k Teile. a1 a1 a2 b) a) a2 Abbildung 5: 3.2. Sei V ein gleichschenkliges π 4 -Parallelogramm π 4 -Trapez √ mit den Seitenlängen ai = li + mi 2 (li , mi ∈ N; i = 1, ..., 4). Dann gilt für den Flächeninhalt von V √ F (V) = 21 (a1 + a3 ) · h = 12 (a1 + a3 ) 22 a2 = 12 k und somit √ √ ( √ ) 2 k = (l2 + m2 2) (l1 + l3 ) + (m1 + m3 ) 2 2 √ ( ) 2 = m2 (l1 + l3 ) + l2 (m1 + m3 ) + 2m2 (m1 + m3 ) + l2 (l1 + l3 ) , 2 woraus folgt 2m2 (m1 + m3 ) + l2 (l1 + l3 ) = 0. a) m1 + m3 = 0 hat zur Folge l1 , l3 > 0, also l2 = 0 und m2 > 0. In diesem Fall folgt mit l1 = 2m2 + l3 (vgl. Abb. 6) für die möglichen Zerlegungszahlen k = m2 (l1 + l3 ) = m2 (2m2 + 2l3 ) bzw. 3.2a) Z4 := {2m : m ≥ 2; m ∈ N}. b) m2 = 0 hat zur Folge l2 > 0, l1 = l3 = 0, m1 , m3 > 0 und somit k = l2 (m1 + m3 ), woraus mit der in diesem Fall gültigen Beziehung m1 = l2 + m3 folgt 3.2b) k ∈ Z4 so dass 3.2b) Z4 := {m21 − m23 : 1 ≤ m3 < m1 ; m1 , m3 ∈ N}, insbesondere alle ungeraden natürlichen Zahlen 2m3 + 1 ≥ 3 enthält. Unter Berücksichtigung von Abb. 6 ergibt sich der folgende Hilfssatz 3.2. Ein gleichschenkliges π 4 -Trapez 3π V = ( π4 , a1 , π4 , a2 , 3π 4 , a3 , 4 , a4 ) gestattet genau dann eine gr-Pflasterung, wenn die Längen a1 , a3 seiner parallelen Seiten in rationalem Verhältnis stehen (V heiße dann rational), und zu jeder Zahl 3,2a) k ∈ Z3,2 4 := Z4 3,2b) ∪ Z4 = {m ∈ N :, m ≥ 3} existiert ein (rationales) gleichschenkliges π 4 -Trapez mit einer gr-Pflasterung in k Teile. 9 a3 a3 a) b) a2 a4 √ a1 = m1 2 a1 = l 1 Abbildung 6: Gleichschenkliges π 4 -Trapez Die Ergebnisse für die gr-Pflasterungen von Vierecken können zusammengefasst werden in folgendem Satz 1. Ein konvexes Viereck V erlaubt genau dann eine gr-Pflasterung, wenn V entweder ein rationales Rechteck ist oder ein rationales rechtwinkliges Trapez, ein rationales rechtwinkliges Sehnenviereck, ein rationales schenkliges π 4 -Trapez. π 4 -Parallelogramm oder ein rationales gleich- Zu jeder natürlichen Zahl k ∈ Z4 := {m ∈ N : m ≥ 2} existiert ein konvexes Viereck mit einer gr-Pflasterung in k Teile. 5 Fünfecke Für n = 5 besitzen die Gleichungen (1.1) und (1.2) zwei Lösungen (Nr. 4 und Nr. 7). 1. Fall (Lösung Nr. 4). Das zu pflasternde Fünfeck P 5 hat y = 3 rechte Innenwinkel und z = 2 Innenwinkel der Größe 3π 4 . Die möglichen Verteilungen dieser Winkel ergeben zwei Fünfecktypen: 3π P 5 = ( π2 , a1 , π2 , a2 , π2 , a3 , 3π 4 , a4 , 4 , a5 ) - P 5 heiße abgestumpftes Rechteck, π 3π P 5 = ( π2 , a1 , π2 , a2 , 3π 4 , a3 , 2 , a4 , 4 , a5 ) - P 5 heiße Hausfünfeck. √ 1.1. Sei P 5 ein abgestumpftes Rechteck mit den Seitenlängen ai = li + mi 2 (li , mi ∈ N; i = 1, ..., 5). Dann gilt für den Flächeninhalt von P 5 F (P 5 ) = a1 a5 + 21 s(a1 +a3 ), √ wenn s := 2 2 a4 die Kathetenlänge der vom Rechteck mit den Seitenlängen a1 , a2 abgeschnit- tenen dreieckigen Ecke ist, und es wird √ √ F (P 5 ) = (l1 + m1 2)(l5 + m5 2) + √ 2 4 (l4 √ √ √ + m4 2)(l1 + m1 2 + l3 + m3 2), woraus mit F (P 5 ) = 21 k für die Anzahl k der normierten Pflasterdreiecke folgt ) √ ( k = 2l1 l5 +4m1 m5 +l4 (m1 +m3 )+(l1 +l3 )m4 + 2 2l1 m5 +2l5 m1 + 21 l4 (l1 +l3 )+m4 (m1 +m3 ) . Wegen li , mi ∈ N muss 2l1 m5 + 2l5 m1 + 21 l4 (l1 + l3 ) + m4 (m1 + m3 ) = 0 gelten, und es werden zwei Fälle unterschieden: 10 5 FÜNFECKE a) m1 + m3 = 0 hat zur Folge l1 , l3 > 0, also auch l4 = m5 = 0 un m4 , l5 > 0. Dann wird k = 2l1 l5 + (l1 + l3 )m4 und wegen a2 = a5 + s = l5 + m4 = l2 und a1 = a3 + s bzw. l1 = l3 + m4 folgt k = 2l1 (l2 − m4 ) + (l1 + l1 − m4 )m4 und somit k = 2l1 l2 − m24 (1 ≤ m4 < l1 , l2 ). b) m4 = 0 hat zur Folge l4 > 0, also l1 = l3 = 0, m1 , m3 > 0, l5 = 0, m5 > 0. Damit wird k = 4m1 m5 + l4 (m1 + m3 ), √ √ √ und wegen a2 = a5 + s = m5 2 + 22 a4 = (m5 + 12 l4 ) 2, also m2 = m5 + 12 l4 , muss l4 = 2l eine gerade Zahl sein, und es wird k = 4m1 (m2 − l) + 2lm1 + 2lm3 = 4m1 m2 − 2lm1 + 2lm3 = 4m1 m2 − 2l(m1 − m3 ) = 4m1 m2 − 2l2 (1 ≤ l < m1 , m2 ). Unter Berücksichtigung von Abb. 7 ergibt sich der folgende 3π Hilfssatz 4.1. Ein abgestumpftes Rechteck P 5 = ( π2 , a1 , π2 , a2 , π2 , a3 , 3π 4 , a4 , 4 , a5 ) ge- stattet genau dann eine gr-Pflasterung, wenn wenigstens drei der Längen a1 , ..., a4 der Seiten, die den rechten Innenwinkeln anliegenden, in rationalem Verhältnis stehen (P 5 heiße dann rational), und zu jeder Zahl } { 2 k ∈ Z1.1 5 := ε(2t2 t3 − t1 ) : 1 ≤ t1 < t2 , t3 ; ε ∈ {1, 2} (t1 , t2 , t3 ∈ N) existiert ein rationales abgestumpftes Rechteck mit einer gr-Pflasterung in k Teile. Die Frage nach einer expliziten Bestimmung der Menge Z1.1 5 bzw. ob die „Ausnahmemenge“ N \ Z1.1 5 = {0, 1, ..., 6, 8, 9, 10, 12, 13, 16, 18, 21, 24, 25, 33, 37, 42, 45, 48, 57, 85, 93, 105, 133, 165, 177, ??} endlich ist, muss hier unbeantwortet bleiben. a2 s s a) a2 a5 b) √ a1 = m1 2 a1 = l 1 Abbildung 7: Abgestumpftes Rechteck √ 1.2. Sei P 5 jetzt ein Hausfünfeck mit den Seitenlängen ai = li + mi 2 (li , mi ∈ N; i = 1, ..., 5). Dann gilt für den Flächeninhalt von P 5 mit s := √ 2 2 a4 und t := √ 2 2 a3 11 (vgl. Abb. 8 c)) F (P 5 ) = 1 2 (s + a5 + a5 )s + 12 (s + a5 + a2 )t, woraus für die Anzahl k der Pflasterdreiecke folgt k = (s + a5 )(s + t) + a5 s + a2 t l42 bzw. mit s + t = a1 2m24 2k = l3 l4 +(2m3 m4 + + + 2l3 m5 + 2l5 m3 + 4l4 m5 + 4l5 m4 + 2l2 m3 + 2l3 m2 + ) √ + 2 l3 m4 + l4 m3 + 2l4 m4 + l3 l5 + 2m3 m5 + 2l4 l5 + 4m4 m5 + l2 l3 + 2m2 m3 . Es muss also gelten l3 m4 + l4 m3 + 2l4 m4 + l3 l5 + 2m3 m5 + 2l4 l5 + 4m4 m5 + l2 l3 + 2m2 m3 = 0. a) l3 = 0 hat zur Folge m3 , m4 , l2 , l5 > 0 und l3 = l4 = m2 = m5 = 0 und damit wird 2k = 2m3 m4 + 2m24 + 2l5 m3 + 4l5 m4 + 2l2 m3 . Mit a2 + t = a5 + s bzw. l2 + m3 = l5 + m4 ergibt sich daraus k = (m3 + m4 )2 + 2l5 (m3 + m4 ) − 2m23 mit o.B.d.A. m3 ≤ m4 (l5 , m3 , m4 ∈ N∗ ). b) m4 = 0 hat zur Folge l4 , l3 , m5 , m2 > 0 und m3 = l5 = l2 = 0 und damit 2k = l3 l4 + l42 + 2l3 m5 + 4l4 m5 + 2l3 m2 . Analog zu a) ergibt sich k = 21 (l3 + l4 )2 + 2m5 (l3 + l4 ) − l32 mit l3 + l4 geradzahlig und o.B.d.A. l3 ≤ l4 (l3 , l4 , m5 ∈ N∗ ). Insgesamt gilt mit Berücksichtigung von Abb. 8 folgender π 3π Hilfssatz 4.2. Ein Hausfünfeck P 5 = ( π2 , a1 , π2 , a2 , 3π 4 , a3 , 2 , a4 , 4 , a5 ) gestattet genau dann eine gr-Pflasterung, wenn die Seitenlängen a1 , a2 , a5 in rationalem Verhältnis stehen (P 5 heiße dann rational), und zu jedem ) } { ( ∗ 1 2 2 (t + t ) − t + 2t (t + t ) ∈ N : ε ∈ {1, 2}; t ≤ t (t , t , t ∈ N ) k ∈ Z1.2 := ε 1 2 3 1 2 1 2 1 2 3 5 1 2 existiert ein rationales Hausfünfeck mit einer gr-Pflasterung in k Teile. Die Frage nach einer expliziten Bestimmung der Menge Z1.2 5 = {5, 6, 9, 10, −, 12, ..., 34, −, 36, ..., 50, −, 52, ..., 178, ??} bzw. nach der Endlichkeit der Ausnahmemenge N\Z1.2 5 = {0, 1, 2, 3, 4, 7, 8, 11, 35, 51, ??}muss auch hier unbeantwortet bleiben. a3 = l3 √ a4 a4 = l4 √ a2 = m2 2 c) a3 a3 = m3 2 a4 a) t b) s a2 √ a1 = m1 2 a1 a1 = l 1 Abbildung 8: Hausfünfeck 12 5 FÜNFECKE 2. Fall (Lösung Nr. 7). Das zu pflasternde Fünfeck P 5 hat x = 1 Innenwinkel der Größe π 4, y = 1 rechten Innenwinkel und z = 3 Innenwinkel der Größe 3π 4 . Die möglichen Vertei- lungen dieser Winkel ergeben wieder zwei Fünfecktypen: 3π 3π P 5 = ( π4 , a1 , π2 , a2 , 3π 4 , a3 , 4 , a4 , 4 , a5 ) - P 5 heiße abgestumpftes rechtwinkliges Trapez, π 3π 3π P 5 = ( π4 , a1 , 3π 4 , a2 , 2 , a3 , 4 , a4 , 4 , a5 ) - P 5 heiße abgestumpftes Parallelogramm. √ 2.1. Sei P 5 ein abgestumpftes rechteckiges Trapez mit den Seitenlängen ai = li + mi 2 (li , mi ∈ N; i = 1, ..., 5). Dann gilt für den Flächeninhalt von P 5 F (P 5 ) = 14 a25 + √ 2 2 a4 a5 + √ √ 2 2 2 a2 ( 2 a5 + a2 ),woraus für die Anzahl k der Pflasterdrei- ecke folgt k = 21 l52 + m25 + 2l4 m5 + 2l5 m4 + 12 l3 l5 + m3 m5 + l2 m3 + l3 m2 + ) √ ( + 2 l5 m5 + l4 l5 + 2m4 m5 + 12 l3 m5 + 12 l5 m3 + 12 l2 l3 + m2 m3 . Es muss also gelten l5 m5 + l4 l5 + 2m4 m5 + 21 l3 m5 + 12 l5 m3 + 12 l2 l3 + m2 m3 = 0, und es werden wieder zwei Fälle unterschieden. a) l5 = 0 hat zur Folge l2 , l4 , m3 , m5 > 0 und l3 = m2 = m4 = 0, und damit wird k = (m3 + m5 )2 + 2l4 m5 − 2m23 mit 1 ≤ m3 < m5 und 1 ≤ l4 . b) m5 = 0 hat zur Folge l3 , l5 , m2 , m4 > 0 und l2 = l4 = m3 = 0, und damit wird k = 21 (l3 + l5 )2 + 2m4 l5 − l32 mit 1 ≤ l3 < l5 − 1 und 1 ≤ m4 . Unter Berücksichtigung von Abb. 9 ergibt sich insgesamt folgender 3π 3π Hilfssatz 4.3. Ein abgestumpftes rechtwinkliges Trapez P 5 = ( π4 , a1 , π2 , a2 , 3π 4 , a 3 , 4 , a4 , 4 , a5 ) gestattet genau dann eine gr-Pflasterung, wenn die dem rechten Winkel anliegenden Seiten und die beiden parallelen Seiten in rationalem Verhältnis stehen (P 5 heiße dann rational), und zu jedem {ε( ) } k ∈ Z2.1 (t1 +t2 )2 −2t1 +2t2 t3 ∈ N : ε ∈ {1, 2}; 1 ≤ t1 < t2 −(2−ε) (t1 , t2 , t3 ∈ N∗ ) . 5 := 2 existiert ein rationales abgestumpftes Trapez mit einer gr-Pflasterung in k Teile. a4 = l 4 a) √ a4 = m4 2 b) √ a1 = m1 2 a1 = l 1 Abbildung 9: Abgestumpftes rechtwinkliges Trapez 13 Ist die Ausnahmemenge N\Z2.1 5 = {0, 1, ..., 10, 12, 14, 16, 17, 18, 21, 24, 28, 34, 42, 48, 105, 165, ??} endlich ? π 3π 3π 2.2. Sei P 5 = ( π4 , a1 , 3π 4 , a2 , 2 , a3 , 4 , a4 , 4 , a5 ) jetzt ein abgestumpftes Parallelogramm √ mit den Seitenlängen ai = li + mi 2 (li , mi ∈ N; i = 1, ..., 5). Dann gilt für den Flächenin- halt von P 5 mit s := √ 2 2 a2 , √ t := 2 2 a3 F (P 5 ) = a1 s + 12 (a1 + a4 )t = √ k = 2a1 a2 + √ 2 2 (a1 √ 2 2 a1 a2 √ + 2 4 (a1 + a4 )a3 , also + a4 )a3 = 2l1 m2 + 2l2 m1 + l3 m1 + l3 m4 + l1 m3 + l4 m3 + ) √ ( + 2 l1 l2 + 2m1 m2 + 21 l3 (l1 + l4 ) + m3 (m1 + m4 ) . Es muss demnach gelten l1 l2 + 2m1 m2 + 21 l3 (l1 + l4 ) + m3 (m1 + m4 ) = 0, und es werden wieder zwei Fälle unterschieden: a) l3 = 0 hat zur Folge m3 , l1 , l4 , m2 > 0 und m1 = m4 = l2 = 0. Damit wird √ k = 2l1 m2 + l1 m3 + m3 l4 und wegen a1 = a4 + 2a3 bzw. jetzt l4 = l1 − 2m3 k = 2l1 m2 + 2l1 m3 − 2m23 mit 1 ≤ m2 , m3 und 2m3 < l1 . b) l3 > 0 hat zur Folge m1 , m4 , l2 > 0 und l1 = l4 = m2 = m3 = 0. Damit wird √ k = 2l2 m1 + l3 m1 + l3 m4 und wegen a1 = a4 + 2a3 bzw. jetzt m4 = m1 − l3 k = 2l2 m1 + 2l3 m1 − l32 mit 1 ≤ l2 , l3 und l3 < m1 . b) a) √ a1 = m1 2 a1 = l 1 Abbildung 10: Abgestumpftes Parallelogramm Insgesamt gilt mit Berücksichtigung von Abb. 10 folgender Hilfssatz 4.4. Ein abgestumpftes Parallelogramm P 5 , welches (nach eventueller Umoriπ 3π 3π entierung bzw. Geradenspiegelung) die Darstellung P 5 = ( π4 , a1 , 3π 4 , a2 , 2 , a3 , 4 , a4 , 4 , a 5 ) hat, gestattet genau dann eine gr-Pflasterung, wenn zwei positive rationale Zahlen r1 , r2 √ existieren mit r1 · r2 > 1 und a1 /a2 = r1 2 und a2 /a3 = r2 (P 5 heiße dann rational), und zu jedem ∗ 2 k ∈ Z2.2 5 := {2t3 (t1 + t2 ) − εt1 ∈ N : ε ∈ {1, 2}; 1 ≤ t1 .t2 ; εt1 < t3 (t1 , t2 , t3 ∈ N )} existiert ein rationales abgestumpftes Parallelogramm mit einer gr-Pflasterung in k Teile. Ist die Ausnahmemenge N \ Z2.2 5 = {0, ..., 6, 8, 9, 12, 13, 21, 24, 25, 33, 37, 45, 57, 85, 93, 105, 133, 165, 177, ??} endlich ? 14 5 FÜNFECKE Zusammenfassend gilt folgender Satz 2. Ein konvexes Fünfeck P 5 gestattet genau dann eine gr-Pflasterung, wenn P 5 entweder ein rationales abgestumpftes Rechteck ist oder ein rationales Hausfünfeck, ein rationales abgestumpftes rechtwinkliges Trapez oder ein rationales abgestumpftes Parallelogramm. Zu genau jeder natürlichen Zahl k ∈ Z5 := N \ {0, 1, 2, 3, 4, 8} existiert mindestens ein konvexes Fünfeck mit einer gr-Pflasterung in k Teile. 1.2 b) k = 5 1.2 a) k = 6 1.1 a) k = 7 1.2 a) k = 10 + 8m 1.1 a) k = 11 + 8m 1.2 b) k = 9 + 8m 1.2 a) k = 14 + 8m 1.2 b) k = 12 + 8m 1.1 a) k = 15 + 8m 1.2 b) k = 13 + 8m 1.2 a) k = 16 + 8m Abbildung 11: Bestimmung von Z5 15 6 Sechsecke Für n = 6 besitzen die Gleichungen (1.1) und (1.2) zwei Lösungen (Nr. 3 und Nr. 6). 1. Fall (Lösung Nr. 3). Das zu pflasternde Sechseck P 6 hat y = 2 rechte Innenwinkel und z = 4 Innenwinkel der Größe 3π 4 . Ein solches Sechseck nennen wir zweirechtwinkliges Sechseck (mit 4 Innenwinkeln der Größe 3π 4 ). Die möglichen Verteilungen dieser Winkel er- geben drei Sechsecktypen: 3π 3π 3π P 6 = ( π2 , a1 , π2 , a2 , 3π 4 , a3 , 4 , a4 , 4 , a5 , 4 , a6 ) - Typ I, π 3π 3π 3π P 6 = ( π2 , a1 , 3π 4 , a2 , 2 , a3 , 4 , a4 , 4 , a5 , 4 , a6 ) - Typ II, 3π π 3π 3π P 6 = ( π2 , a1 , 3π 4 , a2 , 4 , a3 , 2 , a4 , 4 , a5 , 4 , a6 ) - Typ III, Typ III a) Typ III b) Typ II Typ III a) 8+6m 6 9+6m Typ I b) Typ II 11+6m 12+6m 10+6m Typ III a) 13+6m Abbildung 12: Zweirechtwinklige Sechsecke, Bestimmung von Z6 = Z16 Mit den obigen Methoden ergibt sich der folgende Hilfssatz 5.1 Ein zweirechtwinkiliges Sechseck gestattet genau dann eine gr-Pflasterung, wenn die Längen der Seiten, die einem rechten Winkel anliegen, und die Längen der zueinander parallelen Seiten in rationalem Verhältnis stehen (P 6 heiße dann rational), und zu jeder natürlichen Zahl k ∈ Z16 := N \ {0, 1, 2, 3, 4, 5, 7} existiert ein zweirechtwinkliges Sechseck mit einer gr-Pflasterung aus k Teilen. 2. Fall (Lösung Nr. 6). Das zu pflasternde Sechseck P 6 hat x = 1 Innenwinkel der Größe π 4 und z = 5 Innenwinkel der Größe 3π 4 . Ein solches Sechseck nennen wir 5 Innenwinkeln der Größe 3π 4 ).Davon gibt es bis auf die Orientierung π 3π 3π 3π 3π nur einen Typ P 6 = ( 4 , a1 , 3π 4 , a2 , 4 , a3 , 4 , a4 , 4 , a5 , 4 , a6 ), und es π 4 -Sechseck (mit (Geradenspiegelung) gilt folgender 16 7 SIEBENECKE Hilfssatz 5.2. Ein π 4 -Sechseck 3π 3π 3π 3π P 6 = ( π4 , a1 , 3π 4 , a2 , 4 , a3 , 4 , a4 , 4 , a5 , 4 , a6 ) gestattet genau dann eine gr-Pflasterung, wenn die Seitenlängen a1 , a3 , a5 und a2 , a6 jeweils untereinander in rationalem Verhältnis stehen (P 6 heiße dann rational). Die Frage nach einer vollständigen Charakterisierung der Menge Z26 = {19, 25, ...?} aller π 4 -Sechseck Zahlen k, für die ein existiert mit einer gr-Pflasterung in k Teile bleibt hier unbeantwortet - sie liefert keinen Beitrag zur Bestimmung der Menge Z6 wegen k ≥ 19 für k ∈ Z26 . k = 19 Abbildung 13: π 4 -Sechseck Insgesamt gilt für Sechsecke der folgende Satz 3. Ein konvexes Sechseck P 6 gestattet genau dann eine gr-Pflasterung, wenn P 6 entweder ein rationales zweirechtwinkliges Sechseck ist oder ein rationales π 4 -Sechseck. Zu genau jeder natürlichen Zahl k ∈ Z6 = Z16 = N \ {0, 1, 2, 3, 4, 5, 7} existiert mindestens ein konvexes Sechseck mit einer gr-Pflasterung in k Teile. 7 Siebenecke Für n = 7 besitzen die Gleichungen (1.1) und (1.2) nur eine Lösung (Nr. 2). Das zu pflasternde Siebeneck P 7 hat y = 1 Innenwinkel der Größe nenwinkel der Größe 3π 4 . π 2 und z = 6 In- Ein solches Siebeneck nennen wir rechtwinkliges Siebeneck (mit 6 3π 4 ): 3π 3π 3π 3π 3π π ( 2 , a1 , 3π 4 , a2 , 4 , a3 , 4 , a 4 , 4 , a5 , 4 , a6 , 4 , a7 ) Innenwinkeln der Größe P7 = Wir betrachten hier ohne Beschränkung der Allgemeinheit nur den Fall, dass die senkrechte Projektion der Seite A5 A6 des gr-gepflastertendes Siebenecks 3π 3π 3π 3π 3π P 7 = A1 A2 ...A7 = ( π2 , a1 , 3π 4 , a2 , 4 , a3 , 4 , a 4 , 4 , a5 , 4 , a6 , 4 , a7 ) auf die dazu parallele Seite A1 A2 fällt (vgl. Abb. 14). Dann gilt für den Flächeninhalt von 17 P 7 mit r := √ 2 2 a6 , s := √ 2 2 a4 , t := √ 2 2 a2 √ und den Seitenlängen ai = li + mi 2 (li , mi ∈ N) F (P 7 ) = 12 (2a7 + r)r + a5 (a7 + r) + 21 s2 + a3 s + st − t2 . a4 a5 A6 a3 s A5 t a2 A7 a6 A4 a) A3 A1 r a1 b) a7 A2 Abbildung 14: Rechtwinklige Siebenecke Damit wird F (P 7 ) = l6 m7 + 14 l62 + l7 m6 12 m26 + l5 l7 + l5 m6 + 2m5 m7 + l6 m5 + 41 l42 + 21 m24 + √ + l3 m4 + l4 m3 + 21 l2 m4 + m2 m4 − 14 l22 − 12 m22 + 2 · c mit c := 12 l6 l7 + 12 l6 m6 + m6 m7 + l5 m7 + 12 l5 l6 + l7 m5 + m5 m6 + 21 l4 m4 + + 21 l3 l4 + m3 m4 + 21 l2 m4 + 12 l4 m2 − l2 m2 = 0. Nach unserem Lemma muss l2 m2 = 0 gelten, also müssen auch alle übrigen Summanden in c verschwinden. Es lassen sich zwei Fälle unterscheiden: a) l2 = 0 hat zur Folge l2 = l4 = l6 = m3 = m5 = m7 = 0 und m2 , m4 , m6 , l3 , l5 , l7 > 0. Damit wird k = 2F (P 7 ) = 2l7 m6 + m26 + 2l5 l7 + 2l5 m6 + m24 + 2l3 m4 + 2m2 m4 − m22 . b) l2 ̸= 0 (m2 = 0) hat zur Folge l3 = l5 = l7 = m2 = m4 = m6 = 0 und m3 , m5 , m7 , l2 , l4 , l6 > 0. Damit wird k = 2F (P 7 ) = 2l6 m7 + 21 l62 + 4m5 m7 + 2l6 m5 + 12 l42 + 2l4 m3 + l2 l4 − 1 2 2 l2 . Die anderen Fälle (Projektion von A5 A6 fällt auf A2 A3 bzw. auf A1 A2 und A2 A3 ) füh- 18 7 SIEBENECKE ren analog auf ähnlich komplizierte „Formeln"für k. Eine systematische Konstruktion aller möglichen gr-pflasterbaren Siebenecke für kleine Werte von k führt aber auf die Menge Z7 (vgl. Abb. 15 und 16). 15 17 18 21 22 25 23 24 26 28 27 31 29 30 32 Abbildung 15: Bestimmung von Z7 (k ≤ 32) Damit gilt folgender Satz 4. Ein konvexes Siebeneck P 7 gestattet genau dann eine gr-Pflasterung, wenn P 7 sechs Innenwinkel der Größe 3π 4 hat und die Seiten, die den verbleibenden rechten Win- kel einschließen in rationalem Verhältnis stehen ebenso wie die Längen der drei parallelen Seitenpaare ( aa15 , aa17 , aa26 , aa73 ∈ Q). Für genau jede natürliche Zahl k aus Z7 := N \ {0, 1, 2, ..., 14, 16, 19, 20} existiert mindestens ein solches rationales rechtwinkliges Siebeneck mit einer gr-Pflasterung in k Teildreiecke. 19 33 + 12m 37 + 12m 41 + 12m 34 + 12m 38 + 12m 35 + 12m 39 + 12m 42 + 12m 36 + 12m 40 + 12m 43 + 12m 44 56 + 12m Abbildung 16: Bestimmung von Z7 (k > 32) 20 8 ACHTECKE 8 Achtecke Für n = 8 besitzen die Gleichungen (1.1) und (1.2) nur eine Lösung (Nr. 1). Ein gr3π 3π 3π 3π 3π 3π 3π pflasterbares Achteck P 8 = ( 3π 4 , a1 , 4 , a2 , 4 , a3 , 4 , a4 , 4 , a5 , 4 , a6 , 4 , a7 , 4 , a8 ) ist halb- regulär mit kongruenten Innenwinkeln der Größe 3π 4 . Aus unserem Lemma ergibt sich, dass die 4 Paare paralleler Seiten von P 8 jeweils rationales Längenverhältnis haben müssen ( aa51 , aa26 , aa37 , aa48 ∈ Q) - P 8 heiße dann rational. Eine systematische Konstruktion der möglichen gr-pflasterbaren Achtecke für kleine Teileanzahlen k (vgl. Abb. 17, 18, 19) liefert damit den folgenden Satz 5. Ein konvexes Achteck P 8 gestattet genau dann eine gr-Pflasterung in k Teildreiecke, wenn P 8 rational halbregulär ist und k ∈ Z8 := N \ {0, 1, ..., 13, 15, 16, 17, 18, 19, 21, 23, 24, 27, 29, 31, 39} gilt. 30 20 26 32 14 22 25 28 33 Abbildung 17: Bestimmung von Z8 (k ≤ 33) 34 + 14 34 32 + 14m 33 + 14m Abbildung 18: Bestimmung von Z8 (k ≥ 32) (a) 48 + 14m 21 35 49 + 14m 36 + 14m 39 38 + 14m 37 + 14m 53 39 + 14 67 + 14m 56 42 40 + 14m 41 + 14m 42 + 14 56 + 14 70 + 14m 43 + 14m 44 + 14m 45 + 14m Abbildung 19: Bestimmung von Z8 (k ≥ 32) (b) 22 LITERATUR Literatur [B-S] Blind, R.; Shephard, G.C.: Finite edge-to-edge tilings by convex polygons. 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