Question Number 3519 by Rasheed Soomro last updated on 14/Dec/15
$${n}\:{is}\:{a}\:{number}\:{such}\:{that}\:{regular}\:\:{n}−{gon}\:{is} \\ $$$${possible}\:{with}\:{straightedge}\:{and}\:\:{compass}\:{only}. \\ $$$$\ast{Write}\:{first}\:{thirty}\:{values}\:{of}\:{n}. \\ $$$$\ast{What}\:{are}\:{other}\:{properties}\:{of}\:{such}\:{numbers}\:? \\ $$$$\ast{If}\:{values}\:{of}\:{n}\:{are}\:{arranged}\:{in}\:{order},\:{what}\:{is} \\ $$$${the}\:{formula}\:{for}\:{generating}\:{Nth}\:{number}? \\ $$
Commented by prakash jain last updated on 14/Dec/15
$$\mathrm{A}\:\mathrm{regular}\:{n}−{gon}\:\mathrm{is}\:\mathrm{contructible}\:\mathrm{with}\:\mathrm{ruler} \\ $$$$\mathrm{and}\:\mathrm{compass}\:\mathrm{if}\:\mathrm{and}\:\mathrm{only}\:\mathrm{if}\:\mathrm{sine}\:\mathrm{of}\:\mathrm{internal} \\ $$$$\mathrm{angle}\:{x}\:\mathrm{is}\:\mathrm{a}\:\mathrm{solution}\:\mathrm{of}\:\mathrm{a}\:\mathrm{quadratic}\:\mathrm{with} \\ $$$$\mathrm{integer}\:\mathrm{coefficients}. \\ $$
Commented by prakash jain last updated on 14/Dec/15
$$\mathrm{3}−\mathrm{60}°−\mathrm{ok},\:\mathrm{4}−\mathrm{90}°−\mathrm{ok},\mathrm{5}−\mathrm{108}°−\mathrm{ok},\mathrm{6}−\mathrm{120}°−\mathrm{ok} \\ $$$$\mathrm{8}−\mathrm{135}°−\mathrm{ok},\mathrm{10}−\mathrm{8}×\mathrm{18}°−\mathrm{ok},\mathrm{12}−\mathrm{150}°−\mathrm{ok} \\ $$$$\mathrm{9}−\mathrm{140}°−\mathrm{not}\:\mathrm{ok}−\mathrm{requires}\:\mathrm{drawing}\:\mathrm{of}\:\mathrm{10}° \\ $$$$\mathrm{7}−\frac{\mathrm{5}×\mathrm{180}}{\mathrm{7}}−{to}\:{be}\:{checked} \\ $$$$\mathrm{11}−\frac{\mathrm{9}×\mathrm{180}}{\mathrm{11}}−{to}\:{be}\:{checked} \\ $$$$\mathrm{Each}\:\mathrm{angle}\:\mathrm{can}\:\mathrm{be}\:\mathrm{individual}\:\mathrm{checked}.\:\mathrm{I}\:\mathrm{will} \\ $$$$\mathrm{check}\:\mathrm{if}\:\mathrm{a}\:\mathrm{general}\:\mathrm{formula}\:\mathrm{for}\:{n}\:\mathrm{can}\:\mathrm{be}\:\mathrm{derived}. \\ $$
Commented by prakash jain last updated on 14/Dec/15
$$\mathrm{If}\:\mathrm{let}\:\mathrm{us}\:{p}−\mathrm{gon}\:\mathrm{is}\:\mathrm{contructible}\:\mathrm{than}\:{n}−{gon} \\ $$$$\mathrm{is}\:\mathrm{contructible}\:\mathrm{if}\: \\ $$$$\frac{\mathrm{2}\pi}{{n}}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{{k}} }\frac{\mathrm{2}\pi}{{p}}\:\:\:\mathrm{or}\:{n}=\mathrm{2}^{{k}} {p}\:\:….\left({A}\right) \\ $$$$\mathrm{Since}\:\mathrm{we}\:\mathrm{can}\:\mathrm{contruct}\:{p}−{gon},\:\mathrm{we}\:\mathrm{can}\:\mathrm{draw} \\ $$$$\frac{\left({p}−\mathrm{2}\right)\pi}{{p}}.\:\mathrm{Hence}\:\mathrm{we}\:\mathrm{can}\:\mathrm{draw}\:\frac{\mathrm{2}\pi}{{p}}. \\ $$$$\mathrm{since}\:\mathrm{we}\:\mathrm{can}\:\mathrm{bisect}\:\mathrm{an}\:\mathrm{angle}\:\mathrm{we}\:\mathrm{can}\:\mathrm{draw} \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{{k}} }\centerdot\frac{\mathrm{2}\pi}{{p}}\Rightarrow\mathrm{we}\:\mathrm{can}\:\mathrm{draw}\:\frac{\mathrm{2}\pi}{{n}}\Rightarrow\mathrm{we}\:\mathrm{can}\:\mathrm{draw}\:\pi−\frac{\mathrm{2}\pi}{{n}} \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{we}\:\mathrm{can}\:\mathrm{contruct}\:\mathrm{2}^{{k}} \centerdot{p}\:{polygon}. \\ $$$${given}\:{that}\:{we}\:{can}\:{contruct}\: \\ $$$$\mathrm{3}\:\Rightarrow\mathrm{6},\mathrm{12},\mathrm{24},\mathrm{48},…\:\mathrm{can}\:\mathrm{be}\:\mathrm{constructed} \\ $$$$\mathrm{4}\Rightarrow\mathrm{4},\mathrm{8},\mathrm{16},\mathrm{32},\mathrm{64},…\:\mathrm{can}\:\mathrm{be}\:\mathrm{constructed} \\ $$$$\mathrm{5}\Rightarrow\mathrm{5},\mathrm{10},\mathrm{20},…\:\mathrm{can}\:\mathrm{be}\:\mathrm{contructed}. \\ $$
Commented by prakash jain last updated on 14/Dec/15
$$\mathrm{Also}\:\mathrm{we}\:\mathrm{can}\:\mathrm{state}\:\mathrm{that}\:\mathrm{if}\:\mathrm{a}\:\mathrm{polygon}\:{p} \\ $$$${cannot}\:\mathrm{be}\:\mathrm{drawn}\:\mathrm{than}\:\mathrm{than}\:{n}\:\mathrm{gon}\:\mathrm{such} \\ $$$$\mathrm{that}\:{n}={kp}\:\mathrm{cannot}\:\mathrm{be}\:\mathrm{drawn}. \\ $$$$\mathrm{Assume}\:{n}−{gon}\:{can}\:{be}\:{drawn} \\ $$$$\frac{\mathrm{2}\pi}{{n}}\:\mathrm{can}\:\mathrm{be}\:\mathrm{drawn}\Rightarrow\frac{\mathrm{2}\pi}{{kp}}\:\mathrm{can}\:\mathrm{be}\:\mathrm{drawn} \\ $$$$\Rightarrow{k}\left(\frac{\mathrm{2}\pi}{{kp}}\right)\:\mathrm{can}\:\mathrm{be}\:\mathrm{drawn}\:{by}\:{drawnin}\:\frac{\mathrm{2}\pi}{{kp}}\: \\ $$$${mulitple}\:{times}\Rightarrow\frac{\mathrm{2}\pi}{{p}}\:\mathrm{can}\:\mathrm{be}\:\mathrm{drawn}\Rightarrow \\ $$$$\pi−\frac{\mathrm{2}\pi}{{p}}\:=\:\frac{\left({p}−\mathrm{2}\right)\pi}{{p}}\:\mathrm{can}\:\mathrm{be}\:\mathrm{drawn}\:\mathrm{contradicts} \\ $$$$\mathrm{that}\:{p}−{gon}\:\mathrm{cannot}\:\mathrm{be}\:\mathrm{drawn}. \\ $$$$\mathrm{Hence}\:\mathrm{if}\:{p}−{gon}\:\mathrm{cannot}\:\mathrm{be}\:\mathrm{drawn}\:\mathrm{than}\:\mathrm{any} \\ $$$${n}−{gon}\:\mathrm{such}\:\mathrm{that}\:{n}={kp}\:\mathrm{cannot}\:\mathrm{be}\:\mathrm{drawn}. \\ $$$$\mathrm{Note}\:\mathrm{that}\:\mathrm{it}\:\mathrm{does}\:\mathrm{not}\:\mathrm{mean}\:\mathrm{if}\:{p}\:\mathrm{can}\:\mathrm{be} \\ $$$$\mathrm{drawn}\:{kp}\:\mathrm{can}\:\mathrm{be}\:\mathrm{drawn}.\:\mathrm{It}\:\mathrm{is}\:\mathrm{only}\:\mathrm{for} \\ $$$$\mathrm{exclusion}. \\ $$
Commented by Rasheed Soomro last updated on 14/Dec/15
$$\boldsymbol{\mathcal{LOT}}\:\:\:\:{of}\:\:\:\boldsymbol{\mathcal{TH}}\alpha\boldsymbol{\mathcal{NKS}}\:! \\ $$
Answered by prakash jain last updated on 14/Dec/15
$$\mathrm{Continuing}\:\mathrm{from}\:\mathrm{comments}\:\mathrm{we}\:\mathrm{now} \\ $$$$\mathrm{need}\:\mathrm{to}\:\mathrm{find}. \\ $$$$\mathrm{a}.\:\mathrm{which}\:\mathrm{prime}\:\mathrm{numbers}\:\mathrm{polygons}\: \\ $$$$\:\:\:\:\mathrm{cannot}\:\mathrm{be}\:\mathrm{drawn} \\ $$$$\mathrm{b}.\:\mathrm{properties}\:\mathrm{of}\:\mathrm{prime}\:\mathrm{number}\:\mathrm{polygons}\:\mathrm{which}\:\mathrm{can}\:\mathrm{be} \\ $$$$\:\:\:\:\:\mathrm{drawn} \\ $$$$\mathrm{c}.\:\mathrm{properties}\:\mathrm{of}\:\mathrm{composite}\:\mathrm{number}\:\mathrm{which}\:\mathrm{can} \\ $$$$\:\:\:\:\:\mathrm{be}\:\mathrm{drawn}. \\ $$$$\mathrm{Continue} \\ $$
Commented by prakash jain last updated on 15/Dec/15
$$\mathrm{Adding}\:\mathrm{answer}\:\left(\mathrm{without}\:\mathrm{proof}\right)\:\mathrm{for}\:\mathrm{completness}. \\ $$$$\mathrm{Prime}\:\mathrm{number}\:\mathrm{polygon}\:\mathrm{can}\:\mathrm{be}\:\mathrm{constructed} \\ $$$$\mathrm{iff}\:{p}\:\mathrm{is}\:\mathrm{of}\:\mathrm{the}\:\mathrm{form}\:\mathrm{2}^{\mathrm{2}^{{n}} } −\mathrm{1}. \\ $$$$\mathrm{Composite}\:\mathrm{number}\:{n}\:\mathrm{polygon}\:\mathrm{can}\:\mathrm{be}\:\mathrm{constructed} \\ $$$$\mathrm{if}\:{n}\:\mathrm{takes}\:\mathrm{the}\:\mathrm{form}\:=\mathrm{2}^{{k}} {p}_{\mathrm{1}} \centerdot{p}_{\mathrm{2}} \centerdot.. \\ $$$$\mathrm{where}\:{p}_{{i}} \:\mathrm{is}\:\mathrm{of}\:\mathrm{the}\:\mathrm{form}\:\mathrm{2}^{\mathrm{2}^{{n}} } −\mathrm{1}. \\ $$$$\mathrm{Note}\:\mathrm{that}\:\mathrm{composite}\:\mathrm{numbers}\:\mathrm{factor}\:\mathrm{can} \\ $$$$\mathrm{include}\:\mathrm{each}\:{p}_{{i}} \:\mathrm{only}\:\mathrm{once}. \\ $$$$\mathrm{3}=\mathrm{2}^{\mathrm{2}^{\mathrm{1}} } −\mathrm{1}\Rightarrow\mathrm{construtible}. \\ $$$$\mathrm{7}\:\mathrm{not}\:\mathrm{constructible} \\ $$$$\mathrm{9}=\mathrm{3}×\mathrm{3}\:\mathrm{not}\:\mathrm{constructible}. \\ $$