在平面直角坐标系 $xOy$ 中,纵横坐标都是整数的点称为整点,顶点均为整点的多边形称为整点多边形,下列说法正确的是 \((\qquad)\)
A: 存在整点正 $2016$ 边形
B: 不存在整点正 $2017$ 边形
C: 存在整点正 $2013$ 边形
D: 不存在整点正 $5$ 边形
【难度】
【出处】
2017年清华大学THUSSAT附加学科测试数学部分(二测)
【标注】
  • 知识点
    >
    数论初步
    >
    有理数与无理数
  • 知识点
    >
    复数
    >
    复数与三角
    >
    单位根及其应用
【答案】
BD
【解析】
过整点多边形的某个顶点作水平直线,将整点多边形在该顶点处的内角 $\theta$ 分为 $2$ 个角 $\alpha,\beta$(其中一个角可以为 $0$),则当 $\alpha$ 与 $\beta$ 不为直角时,它们的正切必然为有理数.因此任何整点多边形的任意内角,或者为直角,或者其正切为有理数.因此
判定定理一若整点正 $n$ 边形($n\geqslant 5$)存在,则必然有 $\tan\dfrac{2\pi}n$ 为有理数,进而有 $\tan\dfrac{2k\pi}n$ 为有理数,其中 $k\in\mathbb N^{\ast}$.
由于\[\tan\dfrac{672\pi}{2016}=\tan\dfrac{671\pi}{2013}=\tan\dfrac{\pi}3=\sqrt 3\]为无理数,因此不存在整点正 $2016$ 边形,也不存在整点正 $2013$ 边形,选项 AC 错误;
由于\[\tan\dfrac{2\pi}5=\sqrt{5-2\sqrt 5}\]为无理数,因此不存在整点正 $5$ 边形,选项 D 正确.
接下来考虑选项 B.
事实上,利用余弦定理易得任何整点多边形的内角余弦为有理数,从而可以得到更强的判断条件:
判定定理二若整点正 $n$ 边形($n\geqslant 5$)存在,则必然有 $\sin\dfrac{2\pi}n,\cos\dfrac{2\pi}n$ 均为有理数,进而有 $\tan \dfrac{k\pi}n$ 均为有理数,其中 $k\in\mathbb N^{\ast}$.
这就意味着 $-1$ 的 $n$ 次单位根在 $n$ 次分圆域 ${\mathbb Q}(\zeta_n)$ 中,于是该分圆域对有理数域的扩张的次数\[[{\mathbb Q}(\zeta_n):{\mathbb Q}]=2,\]于是 $\phi(n)=2$,$n=3,4,6$.显然 $n=3,6$ 不符合题意,因此只有 $n=4$.
综上所述,整点多边形只有一种,为整点正方形.
题目 答案 解析 备注
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