假设是中的一个凸图形,其面积为1,并假设是中的一组(可能是无限个)凸图形。对于中的每个凸图形,存在一个常数使得。如果存在一个映射,使得对于中的每个,通过向量平移后的内部包含在内,并且任何中两个不同的和在通过和平移后,的内部不与的内部重叠,那么我们说中的凸形状可以通过平移的方式被填充到内。证明如果中凸形状的总面积最多为,则它们可以仅通过平移的方式被填充到内。
证:
1:缩放不变性
由于,并且的面积为 1,按照缩放公式,图形的面积为。
因此,每个图形的面积是,且,因为题目条件中要求中所有图形的总面积不超过,这也为后续的填充方案提供了面积上的约束。
2:总面积限制
假设中所有凸图形的总面积为,根据题目条件,。
每个图形的面积是(如前所述),因此中每个都符合面积不超过的限制。我们接下来利用这一面积限制来设计平移填充策略。
3:平移映射的构造
我们的目标是构造一个映射,使得每个图形可以平移到内,且不同的平移后不会重叠。
由于是凸的,我们可以选取一个内接正方形来进行构造。设的边长为,则的面积为。
我们将利用内接正方形的性质,帮助我们进行平移填充。
4:缩放与填充正方形
由于每个图形的面积是,且,可以推导出。
通过缩放图形到一个合适的大小,我们确保它的面积不会超过,即每个图形被缩放后面积最大为。
因为是,且,则可以被缩放到一个边长为的正方形内。
进一步,假设我们将内的正方形划分为 8 个小正方形。每个小正方形的边长为,其面积为。每个小正方形的面积足够容纳缩放后的图形,因为的面积为,而每个小正方形的面积是,因此,面积上满足填充条件。
由于图形是凸的,即使它的形状发生了变化,缩放后的仍然能够适应在这些小正方形内。
5:平移策略
将内接正方形分成 8 个小正方形后,对于每个图形,我们将其缩放至适当大小(如前所述,边长最大为),然后将其平移到中一个未被占据的小正方形的中心。
通过这种平移方式,保证了每个图形都能恰当地放入内,并且它们不会重叠。
6:不重叠性证明
为了确保不同的图形和在平移后不重叠,我们可以利用以下策略:
由于每个图形在平移前都被缩放到一个小正方形内,而每个小正方形的面积足够容纳,且每个小正方形只能容纳一个图形,因此,平移后的图形和不会有交集。
因为小正方形之间没有重叠,而且每个被平移到一个独立的小正方形内,最终平移后的图形之间不会相互重叠。
综上,我们成功地构造了平移映射,使得所有图形通过平移后能够放入内,并且它们之间不会重叠。
- 因此,若中凸形状的总面积最多为,则它们可以通过平移的方式被填充到内。