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海尔布朗三角形问题


海尔布朗三角形问题是在单位面积的圆盘(正方形、等边三角形等)中放置 n>=3 个点,以最大化由这 n 个点确定的 (n; 3)=n(n-1)(n-2)/6 个三角形中最小的三角形的面积 Delta(n)。对于 n=3 个点,只有一个三角形,因此海尔布朗问题退化为在正方形中由点构造的最大三角形。对于 n=4,每个配置有四个可能的三角形,因此问题是找到使这四个三角形中最小的三角形最大化的点配置。

HeilbronnSquares

对于单位正方形,最小三角形面积的前几个最大值是

H_3=1/2
(1)
=0.5
(2)
H_4=1/2
(3)
=0.5
(4)
H_5=1/9sqrt(3)
(5)
=0.1924...
(6)
H_6=1/8
(7)
=0.125.
(8)

对于较大的 n 值,最优性证明仍然是开放的,但最知名的结果是

H_7>=(1-14x+12x^2+152x^3)_2
(9)
=0.083859...
(10)
H_8>=((sqrt(13)-1))/(36)
(11)
=0.072376...
(12)
H_9>=((9sqrt(65)-55))/(320)
(13)
=0.054876...
(14)
H_(10)>=(-9+268x-1764x^2+3456x^3)_1
(15)
=0.046537...
(16)
H_(11)>=1/(27)
(17)
=0.037037...
(18)
H_(12)>=(-1+28x+80x^2+64x^3)_1
(19)
=0.032599...
(20)
H_(13)>=0.026697431807596567
(21)
H_(14)>=(1-60x+768x^2+320x^3)_2
(22)
=0.024304...
(23)
H_(15)>=(29)/(1395)
(24)
=0.020789...
(25)
H_(16)>=7/(341)
(26)
=0.020528...,
(27)

上述配置展示了导致最大最小三角形的情况(Friedman 2006;Comellas 和 Yebra 2002;D. Cantrell 和 M. Beyleveld,私人通讯,2006 年 8 月 16 日)。这里,符号 (P(x))_n 表示多项式根。可以看出,解决方案具有很大的对称性,大量最大最小三角形共享相同的面积。

HeilbronnDisks

对于单位面积的圆盘,海尔布朗配置直到 7 都是围绕圆周的点对称排列。圆的最佳已知海尔布朗常数是

H_3=(3sqrt(3))/(4pi)
(28)
=0.413497...
(29)
H_4=1/pi
(30)
=0.318310...
(31)
H_5=(sqrt(5/3(5-sqrt(5))))/(4pi)
(32)
=0.209182...
(33)
H_6=(sqrt(3))/(4pi)
(34)
=0.137832...
(35)
H_7>=((-343+294x^2-35x^4+x^6)_4)/(4pi)
(36)
=0.093700...
(37)
H_8>=((-7+14x^2-7x^4+x^6)_4)/(4pi)
(38)
=0.069055...
(39)
H_9>=0.05531071895608711
(40)
H_(10)>=((-27+81x^2-18x^4+x^6)_4)/(4pi)
(41)
=0.047869...
(42)
H_(11)>=0.03494193340280051
(43)
H_(12)>=0.03339560352492413
(44)
H_(13)>=0.02726586326658908
(45)
H_(14)>=0.02414611295141071
(46)
H_(15)>=0.02229427231706078
(47)
H_(16)>=((-9+103x+452x^2+476x^3+3776x^4+976x^5)_3)/pi
(48)
=0.021051...
(49)

(Friedman 2007;D. Cantrell 私人通讯,2007 年 6 月 18 日)。

HeilbronnTriangles

使用单位面积等边三角形代替会得到以下常数

H_3=1
(50)
H_4=1/3
(51)
=0.3333...
(52)
H_5=3-2sqrt(2)
(53)
=0.1715...
(54)
H_6=1/8
(55)
=0.137832...
(56)
H_7>=7/(72)
(57)
=0.097222...
(58)
H_8>=0.06778914101959856
(59)
=0.067789...
(60)
H_9>=(43)/(784)
(61)
=0.054847...
(62)
H_(10)>=0.04337673349889024
(63)
H_(11)>=0.03609267801015405
(64)
H_(12)>=0.03100478174352528
(65)
H_(13)>=0.02456425934867466
(66)
H_(14)>=0.02377577301721215
(67)
H_(15)>=0.02109025290939601
(68)
H_(16)>=0.01797627598723551
(69)

(Friedman 2007;D. Cantrell,私人通讯,2007 年 6 月 18 日)。

海尔布朗猜想

 Delta(n)<c/(n^2),
(70)

但 Komlós et al. (1981, 1982) 通过证明以下内容反驳了这一点

 Delta(n)>(lnn)/(n^2)
(71)

特别是存在常数 c 使得

 (clnn)/(n^2)<=H_n<=C/(n^(8/7-epsilon))
(72)

对于任何 epsilon>0 和所有足够大的 n。Roth (1951) 然后证明了

 Delta(n)<<1/(n(lnlnn)^(1/2)),
(73)

Schmidt (1971/1972) 将其改进为

 Delta(n)<<1/(n(lnn)^(1/2)),
(74)

Roth 进一步改进为

 Delta(n)<<1/(n^mu-epsilon),
(75)

最初为 mu=2-2/sqrt(5)>1.1055 (Roth 1972ab),后来为 mu=(17-sqrt(65))/8>1.1172 (Roth 1976;Guy 1994,p. 243)。David Cantrell 发现了一个启发式上限,由以下公式给出

 Delta(n)<(3logn-2+3)/(3n^2-14n+18).
(76)

另请参见

圆盘点选取, 圆盘三角形选取, 正方形点选取, 正方形三角形选取, 三角形点选取, 三角形三角形选取

使用 Wolfram|Alpha 探索

参考文献

Comellas, F. 和 Yebra, J. L. A. "海尔布朗数的新下界。" 电子杂志. 组合. 9, 2002. http://www.combinatorics.org/Volume_9/PDF/v9i1r6.pdf.Finch, S. R. 数学常数。 英国剑桥:剑桥大学出版社,2003 年。Friedman, E. "海尔布朗问题。" http://www.stetson.edu/~efriedma/heilbronn/.Friedman, E. "圆的海尔布朗问题。" http://www.stetson.edu/~efriedma/heilcirc/.Friedman, E. "正方形的海尔布朗问题。" http://www.stetson.edu/~efriedma/heilbronn/.Friedman, E. "三角形的海尔布朗问题。" http://www.stetson.edu/~efriedma/heiltri/.Goldberg, M. "最大化正方形中 N 个点构成的最小三角形。" 数学杂志. 45, 135-144, 1972.Guy, R. K. 数论中的未解决问题,第二版。 纽约:施普林格出版社,pp. 243-244, 1994.Jiang, T.; Li, M.; 和 Vitányi, P. "海尔布朗型三角形的平均面积。" 随机结构与算法 20, 206-219, 2002.Komlós, J.; Pintz, J.; 和 Szemerédi, E. "关于海尔布朗三角形问题。" 伦敦数学学会杂志 24, 385-396, 1981.Komlós, J.; Pintz, J.; 和 Szemerédi, E. "海尔布朗三角形问题的下界。" 伦敦数学学会杂志 25, 13-24, 1982.Roth, K. F. "关于海尔布朗的一个问题。" 伦敦数学学会杂志 26, 198-204, 1951.Roth, K. F. "关于海尔布朗的一个问题。II。" 伦敦数学学会会刊 25, 193-212, 1972a.Roth, K. F. "关于海尔布朗的一个问题。III。" 伦敦数学学会会刊 25, 543-549, 1972b.Roth, K. F. "海尔布朗三角形问题的进展。" 数学进展 22, 364-385, 1976.Schmidt, W. "关于海尔布朗的一个问题。" 伦敦数学学会杂志 4, 545-550, 1971/1972.

在 Wolfram|Alpha 中被引用

海尔布朗三角形问题

请引用为

Weisstein, Eric W. "海尔布朗三角形问题。" 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/HeilbronnTriangleProblem.html

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