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整数碗


Bowl
BowlCircles

将两个半径为 1/2 的实心球体放置在一个半径为 1 的空心球体内部,使得两个较小的球体在大球体的中心相互接触,并与大球体直径的端点处相切。这种排列方式被称为“整数碗”(Soddy 1937),因为可以填充到其中的无限球链中,每个连续的球体与其邻居相切,其弯曲度都是整数。前几个弯曲度是 -1, 2, 5, 6, 9, 11, 14, 15, 18, 21, 23, ... (OEIS A046160)。下表给出了前几个球环的大小和位置。

nkappa_nz_nR_nphi_n
1-100--
221/20--
352/52/5sqrt(3)1/6pi
461/22/30
592/32/9sqrt(7)+/-tan^(-1)(1/2sqrt(3))
6118/(11)6/(11)0
714(11)/(14)2/7sqrt(3)1/6pi
8154/52/(15)sqrt(13)+/-tan^(-1)(2sqrt(3))
9185/64/90
10216/72/(21)sqrt(19)+/-tan^(-1)(3/7sqrt(3))
1123(20)/(23)2/(23)sqrt(21)+/-tan^(-1)(1/9sqrt(3))
12278/9(10)/(27)0, +/-tan^(-1)(1/3sqrt(3))
13309/(10)2/(15)sqrt(7)+/-tan^(-1)(1/5sqrt(3))
1433(10)/(11)2/(33)sqrt(31)+/-tan^(-1)(1/(11)sqrt(3))
1538(35)/(38)6/(19)0
BowlMidplane
BowlMidplaneCircles
Bowl1
Bowl2

球体也可以沿着与两个半径为 2 的球体相切的平面进行堆积(Soddy 1937)。可以使用五个相切球体的方程找到整数序列。令 kappa_3=kappa_4=2 得到

 kappa(kappa_1,kappa_2) 
 =1/2(4+kappa_1+kappa_2+sqrt(3[kappa_2(8-kappa_2)+2kappa_1(kappa_2+4)-3kappa_1^2])).

例如, kappa(3,3)=11, kappa(3,11)=15, kappa(11,15)=27, kappa(15,27)=35, kappa(27,27)=47, 等等,得到序列 -1, 2, 3, 11, 15, 27, 35, 47, 51, 63, 75, 83, ... (OEIS A046159)。下表给出了前几个球环的大小和位置。

nkappa_nR_nphi_n
1-10--
220--
332/30
4112/(11)sqrt(3)1/6pi
5154/(15)0
6272/(27)sqrt(7)+/-tan^(-1)(3sqrt(3))
7356/(35)0
8474/(47)sqrt(3)1/6pi
9512/(51)sqrt(13)+/-tan^(-1)(3/5sqrt(3))
10638/(63)0
11752/(75)sqrt(19)+/-tan^(-1)(5sqrt(3))
12832/(83)sqrt(21)+/-tan^(-1)(5/3sqrt(3))
1399(10)/(99)0
141076/(107)sqrt(3)1/6pi
151114/(111)sqrt(7)+/-tan^(-1)(1/2sqrt(3))
161232/(123)sqrt(31)+/-tan^(-1)(5/7sqrt(3))
17143(12)/(143)0
181472/(147)sqrt(37)+/-tan^(-1)(7sqrt(3))
191552/(155)sqrt(39)+/-tan^(-1)(1/6sqrt(3))
201712/(171)sqrt(43)+/-tan^(-1)(7/5sqrt(3))
Bowl122

B. L. Galebach 和 A. R. Wilks 考虑了类似的将两个弯曲度为 2 的圆放置在弯曲度为 -1 的圆内,然后构建相互相切的圆链的问题。这些圆具有由 -1, 2, 3, 6, 11, 14, 15, 18, 23, 26, 27, 30, 35, 38, ... (OEIS A042944) 给出的整数弯曲度。在这些数字中,与 2、3、6、11 (mod 12) 同余且在此序列中缺失的唯一已知数字是 78, 159, 207, 243, 246, 342, ... (OEIS A042945),据推测,这个序列是有限的。

Hannachi(私人通讯,2006 年 3 月 10 日)在一个弯曲度为 -3 的球体内部找到了一个由三个弯曲度为 6 的球体和一个弯曲度为 7 的球体组成的碗。


另请参阅

阿波罗垫片, 弯曲度, 考克斯特正切圆的斜驶线序列, 六角环, 球体, 相切圆, 相切球体

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参考文献

Borkovec, M.; de Paris, W.; 和 Peikert, R. "Apollonian 球体堆积的分形维数。" 《分形》 2, 521-526, 1994。Hannachi, N. "相切圆。" http://perso.wanadoo.fr/math-a-mater/pack/packing.htmSloane, N. J. A. 序列 A042944, A042945, A046159, 和 A046160,收录于“整数序列在线百科全书”。Soddy, F. "整数碗和六角环。" 《自然》 139, 77-79, 1937。

Wolfram|Alpha 参考内容

整数碗

引用为

Weisstein, Eric W. “整数碗。” 来自 MathWorld——Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/BowlofIntegers.html

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