Решение. Рис. 1. Многоугольник и его каёмка
Назовём каёмкой разбиения квадраты и треугольники, имеющие хотя бы одну общую точку с границей многоугольника M. Обозначим через M1 многоугольник, полученный из M отбрасыванием каёмки. Сделаем несколько наблюдений о каёмке.
1) Рассмотрим какой-нибудь угол многоугольника M. Поскольку он покрывается одним или несколькими углами правильных треугольников и квадратов, то он может быть равен 60°, 90°, 120°, 150°. Отсюда каждый внешний угол многоугольника не меньше 30°. Но сумма внешних углов выпуклого многоугольника равна 360°. Поэтому у многоугольника M не более 12 углов, причём их может быть 12 только в случае, если все углы M равны 150°.
2) Рассмотрим квадрат или треугольник каёмки, примыкающий к углу, сторона которого лежит на стороне многоугольника. Если это квадрат (см. рис. 2), то несложно видеть, что все оставшиеся фигуры разбиения, которые примыкают к этой стороне, — тоже квадраты, потому что образующиеся углы 90° можно замостить только квадратом (см. рис. 3).
Рис. 2
Рис. 3
Если это треугольник (см. рис. 4), то несложно видеть, что все оставшиеся фигуры разбиения, которые примыкают к этой стороне, — тоже треугольники, потому что образующиеся углы 120° можно замостить только двумя треугольниками (см. рис. 5).
Рис. 4
Рис. 5
Таким образом, к каждой стороне многоугольника M примыкают либо только квадраты, ли6 только треугольники.
3) Из предыдущего пункта следует, что стороны M1 будут параллельны соответствующим сторонам M (стороны AB и CD на рисунках). Если у M нет углов по 60° или 90°, то длины сторон M1 будут либо равны соответствующим длинам сторон M (в случае квадратов), либо на 1 меньше (в случае треугольников). При этом длина стороны может стать равной 0. То есть M1 выпуклый многоугольник, у которого сторон не больше, чем у M.
Назовём характеристикой многоугольника M набор чисел (a1, a2, ..., a12), построенный следующим образом. Еcли -угольник, то это длины сторон M, перечисленные в порядке обхода против часовой стрелки. Если у M меньше 12 сторон, то не все его углы равны 150°. Мысленно добавим несколько сторон нулевой длины: если есть угол 120°, то добавим в соответствующую вершину сторону нулевой длины, если есть угол 90°, то добавим в соответствующую вершину две последовательные стороны нулевой длины, если есть угол 60° — три последовательные стороны нулевой длины. Несложно проверить, что в итоге получится 12 сторон, некоторые из которых равны 0. Стороны a1, a3, ..., a11 будем называть нечётными, а стороны a2, a4, ..., a12 — чётными.
Многоугольнику M1 можно поставить в соответствие набор, построенный по тем же правилам, так, чтобы нумерации сторон в M и M1 соответствовали друг другу. Посмотрим, как могут быть связаны характеристики M и M1.
Рис. 6
1) Пусть длины сторон M отличны от нуля. Тогда все углы M равны 150°. Заметим, что существует два варианта расположить квадрат и треугольник, примыкающие к углу 150° (см. рис. 6).
При выборе одного из вариантов остальная каёмка восстанавливается однозначно. Действительно, сначала восстанавливается часть каёмки, примыкающая к сторонам угла, затем разбиения двух соседних углов и т. д.
Рис. 7. Два варианта каёмки
Итого получается два варианта каёмки: равносторонние треугольники расположены вдоль всех нечётных сторон, а квадраты — вдоль всех чётных; или наоборот. В первом варианте характеристикой M1 будет набор
а во втором — набор
2) Пусть по крайней мере одна нечётная сторона M равна нулю, а все чётные стороны отличны от нуля. Рассмотрим i такое, что Тогда угол при соответствующей вершине в многоугольнике M будет равен 120° (поскольку и не равны 0), то есть его единственным образом можно разбить на два равносторонних треугольника. Далее каёмка восстанавливается однозначно. Действительно, достаточно возле всех сторон с нечётными номерами и ненулевой длиной разместить равносторонние треугольники, а возле сторон с чётными номерами и ненулевой длиной квадраты. Получаем, что характеристика будет равна
3) Пусть по крайней мере одна чётная сторона M равна нулю, а все нечётные стороны отличны от нуля. Аналогично получаем, что характеристика будет равна
4) Пусть по крайней мере одна чётная и одна нечётная стороны M равны нулю. Поскольку все ненулевые стороны M1 параллельны соответствующим сторонам M и имеют такую же или меньшую длину, то по крайней мере одна чётная и одна нечётная стороны M1 равны нулю.
Отметим, что если по крайней мере одна чётная и одна нечётная стороны M равны нулю, то существует не более одного способа разбить M нужным образом. Действительно, тогда у M найдётся угол, меньший 150°, разбиение которого восстанавливается однозначно. Далее каёмка восстанавливается не более чем одним способом. У многоугольника, полученного отбрасыванием каёмки, каёмка снова восстанавливается не более чем одним способом и т. д.
Обозначим
Одно из чисел x или y отлично от нуля, иначе M можно разбить не более чем одним способом. Выделим у многоугольника M каёмку, уменьшающую либо чётные, либо нечётные стороны M (если одно из чисел x или y равно 0, то каёмку можно выбрать единственным способом). Уберём каёмку, останется многоугольник M1. Выделим какую-нибудь каёмку многоугольника M1, уберём её и обозначим оставшийся многоугольник через M2. Будем продолжать так до тех пор, пока хотя бы одна чётная и хотя бы одна нечётная стороны не станут равны нулю. В этот момент характеристика многоугольника будет равна
Оставшийся многоугольник не зависит от того, какие именно каёмки были выбраны на предыдущих шагах, поскольку характеристика задаёт не более чем один многоугольник. Поэтому если нельзя разбить на правильные треугольники и квадраты, то и для M не существует соответствующего разбиения. Следовательно, можно разбить единственным образом, то есть количество разбиений M равно количеству способов уменьшить оба числа x и y до 0, то есть
По условию задачи где простое число. Докажем, что это может быть только в случае и Заметим, что поскольку иначе не может делиться на p. Также x и y отличны от нуля, так как иначе Тогда
Нетрудно видеть, что равенство достигается только при либо наоборот. В обоих случаях одно из чисел a1, a2, ..., a12 равно что и требовалось доказать.