主題
Search

三葉雙曲面


Trihyperboloid

考慮由以下三個雙曲面限定的實體,這些雙曲面由不等式指定:

x^2+y^2-z^2<=1
(1)
y^2+z^2-x^2<=1
(2)
z^2+x^2-y^2<=1.
(3)

這項工作將這個實體稱為“三葉雙曲面”。

TrihyperboloidStellaOctangula

三葉雙曲體的基本形狀類似於星狀八面體,其相鄰面之間懸掛著“網”。

三葉雙曲面的表面積由下式給出:

S=24int_0^1int_(sqrt(1-y^2))^1sqrt(2+1/(x^2+y^2-1))dxdy
(4)
=48int_0^(pi/4)int_1^(sectheta)rsqrt(2+1/(r^2-1))drdtheta
(5)
=24sqrt(3)-2pi-24+12sqrt(2)int_0^(pi/4)R[tanh^(-1)(sqrt((csc^2theta+1)/2))]dtheta
(6)
=24sqrt(3)-2pi-24+12sqrt(2)int_(sqrt(3/2))^inftyR[(tanh^(-1)x)/((2x^2-1)sqrt(1/2(1-x^(-2))))]dx
(7)
=18.76939626...
(8)

(OEIS A347903),其中 R[z] 表示 z實部。表面積可以表示為一個複雜的(但可能可以簡化的)閉合形式表示式,基於以下積分的計算:

 int((u-1)lnu)/((1-2(u-1)^2)sqrt((u-1)^2-1))du
(9)

自然對數雙對數三伽瑪函式表示 (E. Weisstein 2021 年 9 月 15-20 日)。

Knill (2017) 向哈佛大學暑期學校的學生提出挑戰,讓他們證明體積等於 ln256=8ln2。這個問題由學生 Runze Li 解決,他用神秘積分給出瞭解決方案:

 I=1/2int_0^1[(z^2+1)(1/2pi-2tan^(-1)z)+z^2-1]dz,
(10)

Villarino 和 Várilly (2021) 給出了更直接的分析,他們表明:

 V=8(3I+I_1+I_2),
(11)

其中 I_1=1/6I_2=1/3 是兩個四面體的體積,這兩個四面體具有共同面 (0,0,1)(0,1,0)(1,0,0),頂點分別為 (0,0,0)(1,1,1),並且

I=int_0^1int_y^1int_(1-x+y)^(sqrt(1+y^2-x^2))dzdxdy
(12)
=(ln2)/3-1/6.
(13)

代入 I_1I_2I_3 的值,然後得到預期結果:

 V=ln256=8ln2=5.54517744...
(14)

(OEIS A257872)。


另請參閱

雙曲面, 單葉雙曲面, 斯坦梅茨立體, 星狀八面體

使用 探索

參考文獻

Knill, O. "Archimedes Revenge Solution." https://people.math.harvard.edu/~knill/teaching/summer2017/exhibits/revenge/.Sloane, N. J. A. Sequences A257872A347903 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."Villarino, M. B. and Várilly, J. C. "Archimedes' Revenge." 2021 年 8 月 6 日. https://arxiv.org/abs/2108.05195. 即將發表於 College Math. J.

引用為

Weisstein, Eric W. "Trihyperboloid." 來自 Web 資源. https://mathworld.tw/Trihyperboloid.html

主題分類