皮克定理

給定頂點座標均是整點（或正方形格子點）的簡單多邊形，皮克定理說明了其面積${\displaystyle A}$和內部格點數目${\displaystyle i}$、邊上格點數目${\displaystyle b}$的關係：${\displaystyle A=i+{\frac {b}{2}}-1}$。

${\displaystyle b=14,i=39,A=45}$

證明

因為所有簡單多邊形都可切割為一個三角形和另一個簡單多邊形。考慮一個簡單多邊形${\displaystyle P}$，及跟${\displaystyle P}$有一條共同邊的三角形${\displaystyle T}$。若${\displaystyle P}$符合皮克公式，則只要證明${\displaystyle P}$加上${\displaystyle T}$的${\displaystyle PT}$亦符合皮克公式（I），與及三角形符合皮克公式（II），就可根據數學歸納法，對於所有簡單多邊形皮克公式都是成立的。

多邊形

設${\displaystyle P}$和${\displaystyle T}$的共同邊上有${\displaystyle c}$個格點。

• ${\displaystyle P}$的面積： ${\displaystyle i_{P}+{\frac {b_{P}}{2}}-1}$
• ${\displaystyle T}$的面積： ${\displaystyle i_{T}+{\frac {b_{T}}{2}}-1}$
• ${\displaystyle PT}$的面積：

${\displaystyle (i_{T}+i_{P}+c-2)+{\frac {b_{T}-c+b_{P}-c+2}{2}}-1}$

${\displaystyle =i_{PT}+{\frac {b_{PT}}{2}}-1}$

三角形

證明分三部分：證明以下的圖形符合皮克定理：

1. 所有平行於軸線的矩形；
2. 以上述矩形的兩條鄰邊和對角線組成的直角三角形；
3. 所有三角形（因為它們都可內接於矩形內，將矩形分割成原三角形和至多3個第二點提到的直角三角形）。

矩形

設矩形${\displaystyle R}$長邊短邊各有${\displaystyle m}$,${\displaystyle n}$個格點：

• ${\displaystyle A_{R}=(m-1)(n-1)}$
• ${\displaystyle i_{R}=(m-2)(n-2)}$
• ${\displaystyle b_{R}=2(m+n)-4}$

${\displaystyle i_{R}+{\frac {b_{R}}{2}}-1}$

${\displaystyle =(m-2)(n-2)+(m+n)-2-1}$

${\displaystyle =mn-(m+n)+1}$

${\displaystyle =(m-1)(n-1)}$

直角三角形

易見兩條鄰邊和對角線組成的兩個直角三角形全等，且${\displaystyle i}$,${\displaystyle b}$相等。設其斜邊上有${\displaystyle c}$個格點。

• ${\displaystyle b=m+n+c-3}$
• ${\displaystyle i={\frac {(m-2)(n-2)-c+2}{2}}}$

${\displaystyle i+{\frac {b}{2}}-1}$

${\displaystyle ={\frac {(m-2)(n-2)-c+2}{2}}+{\frac {m+n+c-3}{2}}-1}$

${\displaystyle ={\frac {(m-2)(n-2)}{2}}+{\frac {m+n-3}{2}}}$

${\displaystyle ={\frac {(m-1)(n-1)}{2}}}$

一般三角形

逆运用前面对2个多边形的证明： 既然矩形符合皮克定理，直角三角形符合皮克定理。又前面证明到若P，T符合皮克公式，则 P加上T的PT亦符合皮克公式。 那么由于矩形可以分解成1个任意三角形和至多三个直角三角形。 于是显然有，只有当这个任意三角形也符合皮克定理的时候，才会使得在直角三角形符合的同时，矩形也符合。

推廣

• 取格點的組成圖形的面積為一單位。在平行四邊形格點，皮克定理依然成立。套用於任意三角形格點，皮克定理則是${\displaystyle A=2*i+b-2}$。
• 對於非簡單的多邊形${\displaystyle P}$，皮克定理${\displaystyle A=i+{\frac {b}{2}}-\chi (P)}$，其中${\displaystyle \chi (P)}$表示${\displaystyle P}$的歐拉特徵數。
• 高維推廣：Ehrhart多項式；一維：植樹問題。
• 皮克定理和歐拉公式（${\displaystyle V-E+F=2}$）等價。

定理提出者

Georg Alexander Pick，1859年生於維也納，1943年死於特萊西恩施塔特集中營。

相關書籍

• 《格點和積》 閔嗣鶴著

外部連結

• 以皮克定理證明歐拉公式 页面存档备份，存于（英）
• 談求面積的 Pick 公式，蔡聰明 页面存档备份，存于
• http://www.cut-the-knot.org/ctk/Pick.shtml 页面存档备份，存于