主題
Search

切線球體


任意四個互相切線的球體確定六個切點。如果確定 t_i 的兩個球體與確定 t_j 的兩個球體不同,則一對切點 (t_i,t_j) 被稱為是相對的。因此,這六個切點被分為三對相對的對,對應於將四個球體分成兩對的三種方式。這三對相對的切點是重合的(Altshiller-Court 1979,第 231 頁;Eppstein 2001)。

Hexlet

切線球體的一個特例是索迪六球環,它由六個球體鏈組成,這些球體鏈外部切於兩個互相切線的球體,並且內部切於一個外接球。鏈中圓的撓率服從以下關係

 1/(r_1)+1/(r_4)=1/(r_2)+1/(r_5)=1/(r_3)+1/(r_6).
(1)
IcosidodecahedronSpheres
Archimedean04

一個 1798 年的 算額問題 要求分佈 30 個半徑為 r 的相同球體,使得它們切於一個半徑為 R 的中心球體,並切於其他四個小球體。這可以透過將球體放置在邊長為 a二十面十二面體(右圖)的頂點上來完成(左圖),其中半徑 rR 由下式給出

r=1/2a
(2)
R=1/2sqrt(5)a
(3)

(Rothman 1998)。

一般來說,五個互相切線的球體的撓率透過下式相關

 3(kappa_1^2+kappa_2^2+kappa_3^2+kappa_4^2+kappa_5^2)=(kappa_1+kappa_2+kappa_3+kappa_4+kappa_5)^2.
(4)

求解 kappa_5 得到

 kappa_5^+/-=1/2{kappa_1+kappa_2+kappa_3+kappa_4+/-[6(kappa_1kappa_2+kappa_1kappa_3+kappa_1kappa_4+kappa_2kappa_3+kappa_2kappa_4+kappa_3kappa_4)-3(kappa_1^2+kappa_2^2+kappa_3^2+kappa_4^2)]^(1/2)}.
(5)

(Soddy 1937a)。Gosset(1937)指出,根號下的表示式由下式給出

 {6(kappa_1kappa_2+kappa_1kappa_3+kappa_1kappa_4+kappa_2kappa_3+kappa_2kappa_4+kappa_3kappa_4) 
 -3(kappa_1^2+kappa_2^2+kappa_3^2+kappa_4^2)}^(1/2)=3sqrt(3)Vkappa_1kappa_2kappa_3kappa_4,
(6)

其中 V 是以相應四個球體的中心為頂點的四面體體積。因此,kappa_5 的方程可以簡化地寫為

 kappa_5=1/2sigma_2+sqrt(3)epsilon,
(7)

其中

sigma=kappa_1+kappa_2+kappa_3+kappa_4
(8)
epsilon=3/2Vkappa_1kappa_2kappa_3kappa_4.
(9)

(Soddy 1937b)。

此外,由任何一個球體與其他四個球體的四個接觸點連線形成的四面體(當所有五個球體都互相接觸時)具有相對的邊,其乘積是常數

 4sqrt((kappa_1+kappa_5)(kappa_2+kappa_5)(kappa_3+kappa_5)(kappa_4+kappa_5))
(10)

並且這些四面體的體積是

 V=2/(sqrt(3))(kappa_5)/((kappa_1+kappa_5)(kappa_2+kappa_5)(kappa_3+kappa_5)(kappa_4+kappa_5))
(11)

(Soddy 1937b)。Gosper 進一步將此結果擴充套件到 n+2 個互相切線的 n超球體,其曲率滿足

 (sum_(i=0)^(n+1)kappa_i)^2-nsum_(i=0)^(n+1)kappa_i^2=0.
(12)

求解 kappa_(n+1) 得到

 kappa_(n+1)=(sqrt(n)sqrt((sum_(i=0)^(n)kappa_i)^2-(n-1)sum_(i=0)^(n)kappa_i^2)+sum_(i=0)^(n)kappa_i)/(n-1).
(13)

對於(至少)n=2 和 3,根式等於

 f(n)Vkappa_0kappa_1...kappa_n,
(14)

其中 V單純形容積,該單純形的頂點是 n+1 個獨立的超球體的中心。被開方數也可能變為負數,從而產生一個虛數 kappa_(n+1)。對於 n=3,這對應於一個球體接觸三個大的保齡球和一個小的 BB 彈,所有球體都互相切線,這是不可能的。


另請參閱

阿波羅墊片, 整數碗, 六球環, 索迪圓, 球體, 切線圓, 四面體, 和田盆地

使用 探索

參考文獻

Altshiller-Court, N. 現代純粹立體幾何。 紐約:切爾西,1979 年。Eppstein, D. "切線球體和三角形中心。" 美國數學月刊 108, 63-66, 2001 年。Gosset, T. "六球環。" 自然 139, 251-252, 1937 年。Rothman, T. "日本寺廟幾何。" 科學美國人 278, 85-91, 1998 年 5 月。Soddy, F. "精確之吻。" 自然 137, 1021, 1936 年。Soddy, F. "整數碗和六球環。" 自然 139, 77-79, 1937a 年。Soddy, F. 自然 139, 252, 1937b 年。

在 上引用

切線球體

請引用本文為

Weisstein, Eric W. "切線球體。" 來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/TangentSpheres.html

主題分類