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切线球体


任意四个互相切线的球体确定六个切点。如果确定 t_i 的两个球体与确定 t_j 的两个球体不同,则一对切点 (t_i,t_j) 被称为是相对的。因此,这六个切点被分为三对相对的对,对应于将四个球体分成两对的三种方式。这三对相对的切点是重合的(Altshiller-Court 1979,第 231 页;Eppstein 2001)。

Hexlet

切线球体的一个特例是索迪六球环,它由六个球体链组成,这些球体链外部切于两个互相切线的球体,并且内部切于一个外接球。链中圆的挠率服从以下关系

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

一个 1798 年的 算额问题 要求分布 30 个半径为 r 的相同球体,使得它们切于一个半径为 R 的中心球体,并切于其他四个小球体。这可以通过将球体放置在边长为 a二十面十二面体(右图)的顶点上来完成(左图),其中半径 rR 由下式给出

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

(Rothman 1998)。

一般来说,五个互相切线的球体的挠率通过下式相关

 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,根号下的表达式由下式给出

 {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 是以相应四个球体的中心为顶点的四面体体积。因此,kappa_5 的方程可以简化地写为

 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,由任何一个球体与其他四个球体的四个接触点连接形成的四面体(当所有五个球体都互相接触时)具有相对的边,其乘积是常数

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

并且这些四面体的体积是

 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 进一步将此结果扩展到 n+2 个互相切线的 n超球体,其曲率满足

 (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)

对于(至少)n=2 和 3,根式等于

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

其中 V单纯形容积,该单纯形的顶点是 n+1 个独立的超球体的中心。被开方数也可能变为负数,从而产生一个虚数 kappa_(n+1)。对于 n=3,这对应于一个球体接触三个大的保龄球和一个小的 BB 弹,所有球体都互相切线,这是不可能的。


另请参阅

阿波罗垫片, 整数碗, 六球环, 索迪圆, 球体, 切线圆, 四面体, 和田盆地

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参考文献

Altshiller-Court, N. 现代纯粹立体几何。 纽约:切尔西,1979 年。Eppstein, D. "切线球体和三角形中心。" 美国数学月刊 108, 63-66, 2001 年。Gosset, T. "六球环。" 自然 139, 251-252, 1937 年。Rothman, T. "日本寺庙几何。" 科学美国人 278, 85-91, 1998 年 5 月。Soddy, F. "精确之吻。" 自然 137, 1021, 1936 年。Soddy, F. "整数碗和六球环。" 自然 139, 77-79, 1937a 年。Soddy, F. 自然 139, 252, 1937b 年。

在 Wolfram|Alpha 上引用

切线球体

请引用本文为

Weisstein, Eric W. "切线球体。" 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/TangentSpheres.html

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