領域の内外で、点Pが単純多角形の内部であるか外部であるかを判定するとき、
「点Pを原点として多角形の頂点を順に眺めたときの偏角の和が2πであれば
内部、0であれば外部である」という定理は存在するのですか?
意味はわかるのですが、証明が出来ません。
回答お願いします。
領域の内外で、点Pが単純多角形の内部であるか外部であるかを判定するとき、
「点Pを原点として多角形の頂点を順に眺めたときの偏角の和が2πであれば
内部、0であれば外部である」という定理は存在するのですか?
意味はわかるのですが、証明が出来ません。
回答お願いします。
どういう公式から出てくるのかは分かりませんが、
n角形の内部の点Pから眺めると、偏角の和が2πとなるのは、
以下のようにして示すことが出来ると思います。
点Pからn角形の頂点へ線を引くと、三角形がn個できる。
これらの全ての三角形の内角の和は、180°nとなる。

また、点Pとは関係なく、n個の頂点を結んで、三角形に分割すると、
(n-2)個の三角形ができるから、これらの三角形の内角の和は
180°(n-2)となる。

上から下を引くと、点Pにおける偏角の和が求まるから、
180°n-180°(n-2)=180°(n-n+2)
=180°×2=360°=2π ………(答)
※しかし、残念ながら、外部の点Qからの偏角の和が0となるのは
わからない。誰かアドバイスを?
村嶋さんからアドバイスが届きました。
分かりやすい証明ありがとうございました。
なるほど納得!でした。
でも、多角形の外部に点が存在するときの証明に関しては、学校の先輩方
にも聞いてみたのですがやっぱり「???」
といった感じでした。
どうしたものでしょうかねぇ…。

図のように多角形ABCDEFがあったとします。
多角形の辺上を点Pが一方通行で動いていて、
点Oの位置にはあなたがいて、あなたは点Pの動きを目で
追っていると想像してください。
点Pは、多角形の内部を左に見ながら辺上を一周します。
(「内部を左に見ながら」は数学をやる上での決まりです。)
点Oが内部にあるとき(左側の図)は、偏角の和は、
∠AOB+∠BOC+∠COD+∠DOE+∠EOF+∠FOA=2π
になります。
角は左回りをプラスと考えるのが決まりです。ですから、
2πであって、-2πにはなりません。
一方、点Oが外部にあるとき(右側の図)は、偏角の和は、
やはり
∠AOB+∠BOC+∠COD+∠DOE+∠EOF+∠FOA
なんですが、右回りの角はマイナスと考えるのが決まりで
あることに注意して下さい。
ついつい角はすべてプラスだと思ってしまうというのなら、
∠AOB+∠BOC+∠COD+(-∠DOE)+(-∠EOF)+∠FOA
とした方がいいかもしれませんね。
いずれにしても、この和は0(ゼロ)になります。
(ちゃんと証明しようとするなら、この多角形が
∠FODの中にスッポリ入ることに注意して、証明を書くと
いいでしょう。)
くだくだ証明を書かなくても上のことは明らかです。
だって、左図では点Pを見ているあなたは首を一回転しなく
てはいけませんが、右図では首を左に向けて右に向けて元の
位置に戻ってくるじゃありませんか。
この定理を一般化したものを「偏角の原理」と呼び、複素関数論
に出てきます。