Вначале докажем, что среднюю линию можно провести через любую точку из этих 600. Действительно, проведем прямую через любые 2 точки (допустим О и X), выберем на ней положительное направление вдоль вектора , точку О будем считать началом координат. Т.е. мы получили ось ОХ, которая разбивает всю плоскость на верхнюю и нижнюю полуплоскости. Если в каждой полуплоскости лежит по 299 точек, то это и есть средняя линия. Если в верхней полуплоскости n точек, а в нижней m и, допустим, m<n, то повернем прямую ОХ вокруг точки О против часовой стрелки до тех пор, пока она первый раз не пройдет через другую точку ( допустим Y). В результате такого поворота, количество точек в каждой полуплоскости либо останется неизменным, либо уменьшится на 1, либо увеличится на 1. Это так, потому что никакие 3 точки не лежат на одной прямой. Причем, если в одной полуплоскости число точек увеличилось на 1, то во второй - уменьшилось на 1, т.к. общее количество точек 598 (не считая тех двух, через которые проходит прямая) остается неизменным. Это значит, что после такого поворота разность между количеством точек в верхней и нижней полуплоскости либо не изменилась, либо уменьшилась/увеличилась на 2.
Так мы продолжаем поворачивать прямую вокруг точки О, проводя ее через следующие точки, до тех пор, пока она не повернется на 180 градусов и вернется в первоначальное положение. Теперь она проходит через те же точки О и Х, только теперь положительное направление оси смотрит в противоположную от Х сторону. В этой ситуации в верхней полуплоскости будет находиться, наоборот, m точек, а в нижней - n. Т.е. число точек в верхней полуплоскости уменьшалось с n до m с шагом не более 1, а в нижней полуплоскости увеличивалось с m до n тоже с шагом не более 1. Соответственно начальная разность n-m между количеством точек в верхней полуплоскости и нижней стала теперь m-n. Заметим, что т.к. m+n=598 - четное число, то n-m - тоже четное и, т.к. разность количеств точек в полуплоскостях изменялась с шагами -2,0,2 с величины n-m до m-n, то в какой-то момент она была равна 0. Это значит, что было положение, когда количество точек в обеих полуплоскостях было одинаковым, т.е. - это и была средняя линия проходящая через точку О. Итак, количество средних линий не меньше, чем количество непересекающихся пар точек, т.е. не меньше 300 (т.к. через каждую точку проходит средняя линия, и одна прямая проходит ровно через 2 точки).
Если точки расположены в вершинах правильного 600-угольника, то понятно, что средние линии - это прямые, соединяющие диаметрально противоположные точки. Их как раз 300 штук.
и множество натуральных чисел ℕ. Замечу, что при любом k дробь вида является несократимой, то есть если выписывать такие дроби, начиная с k = 1 и увеличивая каждый раз переменную k на 1, ни одна из них не повторится (так как знаменатель постоянно увеличивается).
Покажем, что между этими двумя множествами можно установить взаимно однозначное соответствие. Для этого всем дробям вида , где , поставим в соответствие число . С одной стороны, согласно построению каждой такой дроби будет соответствовать натуральное , притом единственное. С другой стороны, для каждого натурального можно указать единственную (смотри замечание в предыдущем абзаце) дробь вида , и все они будут принадлежать множеству A, поскольку пробегает все натуральные значения. Итак, построенное соответствие действительно взаимно однозначное. А раз множество ℕ счетное, то и множество A также счетное.
Так мы продолжаем поворачивать прямую вокруг точки О, проводя ее через следующие точки, до тех пор, пока она не повернется на 180 градусов и вернется в первоначальное положение. Теперь она проходит через те же точки О и Х, только теперь положительное направление оси смотрит в противоположную от Х сторону. В этой ситуации в верхней полуплоскости будет находиться, наоборот, m точек, а в нижней - n. Т.е. число точек в верхней полуплоскости уменьшалось с n до m с шагом не более 1, а в нижней полуплоскости увеличивалось с m до n тоже с шагом не более 1. Соответственно начальная разность n-m между количеством точек в верхней полуплоскости и нижней стала теперь m-n. Заметим, что т.к. m+n=598 - четное число, то n-m - тоже четное и, т.к. разность количеств точек в полуплоскостях изменялась с шагами -2,0,2 с величины n-m до m-n, то в какой-то момент она была равна 0. Это значит, что было положение, когда количество точек в обеих полуплоскостях было одинаковым, т.е. - это и была средняя линия проходящая через точку О. Итак, количество средних линий не меньше, чем количество непересекающихся пар точек, т.е. не меньше 300 (т.к. через каждую точку проходит средняя линия, и одна прямая проходит ровно через 2 точки).
Если точки расположены в вершинах правильного 600-угольника, то понятно, что средние линии - это прямые, соединяющие диаметрально противоположные точки. Их как раз 300 штук.
Рассмотрим множество A, заданное в условии:
и множество натуральных чисел ℕ. Замечу, что при любом k дробь вида
является несократимой, то есть если выписывать такие дроби, начиная с k = 1 и увеличивая каждый раз переменную k на 1, ни одна из них не повторится (так как знаменатель постоянно увеличивается).
Покажем, что между этими двумя множествами можно установить взаимно однозначное соответствие. Для этого всем дробям вида
, где 
, поставим в соответствие число 
. С одной стороны, согласно построению каждой такой дроби будет соответствовать натуральное 
, притом единственное. С другой стороны, для каждого натурального 
можно указать единственную (смотри замечание в предыдущем абзаце) дробь вида 
, и все они будут принадлежать множеству A, поскольку 
пробегает все натуральные значения. Итак, построенное соответствие действительно взаимно однозначное. А раз множество ℕ счетное, то и множество A также счетное.