1354C2 The smallest side of the square containing 2*n regular polygon, n odd
Difference between en5 and en6, changed 340 character(s)
Note: This is **NOT** an official proof of the derived solution, as it is incoherent. It's rather a personal note for my illogical brain. It contains a derivation to the solution and the solution of [Educational Codeforces Round 87](https://codeforces.com/contest/1354) [C2](https://codeforces.com/contest/1354/problem/C2) at the bottom.↵

![ ](/predownloaded/e8/fb/e8fb1504a3d34d4b24bf2facb52b0876a3d0bec5.png)↵

Source: https://math.stackexchange.com/a/458593/496530↵

From the above observation, 4 points of the polygon must be on the 4 sides of the minimal square. Each of 2 pairs, whose 2 points are on the opposite sides of the square, has the center of the polygon as its midpoint.↵

Below figures illustrate the minimal square when $n=5$. Half square on the left, full square on the right.↵

![ ](/predownloaded/d0/f3/d0f3cbaeeef6af09d930e48f6741d52f5b886ebe.png)↵
![ ](/predownloaded/20/71/2071ed6da1fec265488ac3125cb99b409526514d.png)↵

Recall:↵
$n$ is odd. Let $d$ be the length of the longest diagonal.↵

Consider the point of interest to be $P$. Let's say $P$ is $k$ sides away from R, and $n-k$ sides away from M measured along the polygon circumference, where $k\in [0;n]$. Consider the left figure, $WU$ is the perpendicular bisector of $MP$, $WV$ is the perpendicular bisector of $RP$. Select $U$ where $\measuredangle{MPU}=45^{\circ}$. Select $V$ where $\measuredangle{RPV}=45^{\circ}$.↵

When $k=\lfloor\frac{n}{2}\rfloor+1$, $VU$ is the side of the minimal square containing the polygon.↵

Let $d=RM$ be the diagonal of the polygon.↵

But, $|VU|=d*\sin(\measuredangle{RMU})$, $|VU|$ should be smaller with smaller $\measuredangle{RMU}$ by using $k+1,k+2,..,n$. Why do these fail?↵

Because, when $k>\lfloor\frac{n}{2}\rfloor+1$, from the way the square was built, some points are outside of the square.↵

We can visualize these failed cases by considering 1 of them in the figure below where $n=9$, $k=6$ i.e. $k>\lfloor\frac{n}{2}\rfloor+1$:↵

![ ](/predownloaded/8b/2b/8b2b1f691e9f2578923356b58d15f65debedd140.png)↵

We can show that the point immediately below the chosen point ($K$) is out of the square by proving $\measuredangle{EKJ}>45^{\circ}$.↵

**Proof:**↵

Recall that $K$ is $k$ sides away from $E$ along the polygon circumference. In failed cases, $k>\lfloor\frac{n}{2}\rfloor+1$.↵

$\measuredangle{SKE}=90^{\circ}-\frac{1}{2}.\frac{180^{\circ}.k}{n}$↵

$\measuredangle{EKJ}=(180^{\circ}-\frac{180^{\circ}}{n}).\frac{1}{2}-\angle{SKE}=\frac{90^{\circ}}{n}.(k-1)$↵

From $k>\lfloor\frac{n}{2}\rfloor+1$, since $n$ is odd and $k$ is integer, therefore $k-1>\frac{n}{2}$, so:↵

$\measuredangle{EKJ}>\frac{90^{\circ}}{n}.\frac{n}{2}=45^{\circ} \blacksquare$↵

Therefore $J$ (hence $F$) will be outside of the _bounding_ square.↵

Now for the satisfied $k$:↵

$k=\lfloor\frac{n}{2}\rfloor+1\implies\measuredangle{EKJ}=\frac{90^{\circ}}{n}.\lfloor\frac{n}{2}\rfloor<\frac{90^{\circ}}{n}.\frac{n}{2}=45^{\circ}$↵

This guarantees $J$ (hence $F$ and other points in between) will be inside of the bounding square.↵

End of reasoning.↵

### Begin of derivation:↵

![ ](/predownloaded/4d/bf/4dbff1d73ca38e52549851214829e01bde200134.png)↵

Let:↵

- $r$ be the radius of the circumscribed circle of the polygon↵

- $s$ be the length of the polygon side↵

- $\beta$ be the angle formed by a radius and a polygon side↵

- $\theta$ be the exterior angle of the polygon↵

- $m$ be the number of sides of the polygon↵

- $v$, $u$ be the length of the upper and lower segment of the side of the minimal square, separated by the chosen vertex ($k$ polygon sides away from the top intersection of polygon & minimal square, in second figure: $v=PV$, $u=PU$)↵

- $k=\lfloor\frac{n}{2}\rfloor$ which is symmetrical to $k=\lfloor\frac{n}{2}\rfloor+1$ in the polygon↵

$\theta=\frac{360^{\circ}}{m}=\frac{360^{\circ}}{2n}$↵

$r.\cos{\beta}=\frac{s}{2}{\implies}r=\frac{s}{2\cos{\beta}}=\frac{s}{2\cos{(\frac{\pi}{2}-\frac{\theta}{2})}}=\frac{s}{2\sin{(\frac{\theta}{2})}}$↵

$v=r.\sin{(\frac{1}{2}.\frac{{\pi}k}{n})}.\sqrt{2}=r.\sin{(\frac{\pi}{2n}.\lfloor\frac{n}{2}\rfloor)}.\sqrt{2}$↵

$u=r.\sin{(\frac{1}{2}.\frac{\pi(n-k)}{n})}.\sqrt{2}$↵

$ans=v+u$↵

For [Educational Codeforces Round 87](https://codeforces.com/contest/1354) [C2](https://codeforces.com/contest/1354/problem/C2):↵

```c++↵
double r = 1.0/(2.0*sin(PI/(2*n)));↵
double v = r*sin(PI/(2*n)*(n/2))*sqrt(2);↵
double u = r*sin(PI/(2*n)*(n-n/2))*sqrt(2);↵
double ans = v + u;↵
```↵

We can further simplify $v+u$:↵

$v=r\sqrt{2}\sin{(\frac{\pi}{2n}.\frac{n-1}{2})}$↵

$u=r\sqrt{2}\sin{(\frac{\pi}{2n}.(n-\frac{n-1}{2}))}$↵

$ans=v+u=r\sqrt{2}[\sin{(\frac{\pi}{4}-\frac{\pi}{4n})}+\sin{(\frac{\pi}{4}+\frac{\pi}{4n})}]=\frac{\sqrt{2}}{2\sin{\frac{\theta}{2}}}.2\sin{\frac{\pi}{4}}\cos{\frac{-\pi}{4n}}$↵

$\implies ans=\frac{s.\cos{\frac{\pi}{4n}}}{\sin{\frac{\pi}{2n}}}$↵

As a solution to [1354C2](https://codeforces.com/contest/1354/problem/C2):↵

```c++↵
double ans = cos(PI/(4*n))/(sin(PI/(2*n)));↵
```


All figures above (except the 1st figure) were drawn in [GeoGebra Geometry](https://www.geogebra.org/geometry). Additionally, [GeoGebra](https://www.geogebra.org/) is a a free dynamic mathematics software containing several apps:↵

- Graphing calculator↵

- Geometry↵

- 3D Calculator↵

- CAS Calculator↵

- Scientific Calculator↵

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  Rev. Lang. By When Δ Comment
en9 English nhantran0 2020-05-21 17:45:16 190 Tiny change: 'c{2\pi}{n}.\lfloor\fr' -> 'c{2\pi}{n}\lfloor\fr'
en8 English nhantran0 2020-05-20 14:21:03 73
en7 English nhantran0 2020-05-19 02:27:21 97 Tiny change: Remove redundant 'Let $d$ be'
en6 English nhantran0 2020-05-19 02:20:09 340 Added GeoGebra information
en5 English nhantran0 2020-05-18 21:33:41 14 Tiny change: 'mference. Recall that in failed c' -> 'mference. In failed c'
en4 English nhantran0 2020-05-18 21:25:35 1960 Tiny change: '\n$\theta=360^{\circ}/{m}$\n\n$r.\' -> '\n$\theta=\frac{360^{\circ}}{2n}$\n\n$r.\' (published)
en3 English nhantran0 2020-05-18 19:29:58 3095 Tiny change: 'frac{s}{2}$$\implies$$r=\frac{1}' -> 'frac{s}{2}{\implies}r=\frac{1}'
en2 English nhantran0 2020-05-18 14:19:45 409 Tiny change: ' proof for ' -> ' proof for:\n1. '
en1 English nhantran0 2020-05-18 09:06:27 170 Initial revision (saved to drafts)