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

逆運用前面對2個多邊形的證明：

既然矩形符合皮克定理，直角三角形符合皮克定理。又前面證明到若P，T符合皮克公式，則 ${\displaystyle P}$ 加上 ${\displaystyle T}$ 的 ${\displaystyle PT}$ 亦符合皮克公式。那麼由於矩形可以分解成1個任意三角形和至多三個直角三角形。

於是顯然有，只有當這個任意三角形也符合皮克定理的時候，才會使得在直角三角形符合的同時，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 ${\displaystyle P}$ 的歐拉示性數。
• 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

• 《格點和面積》 閔嗣鶴著

外部連結

• 以皮克定理證明歐拉公式 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）（英）
• 談求面積的 Pick 公式，蔡聰明 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• http://www.cut-the-knot.org/ctk/Pick.shtml （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）