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三叶双曲面


Trihyperboloid

考虑由以下三个双曲面限定的实体,这些双曲面由不等式指定:

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

这项工作将这个实体称为“三叶双曲面”。

TrihyperboloidStellaOctangula

三叶双曲体的基本形状类似于星状八面体,其相邻面之间悬挂着“网”。

三叶双曲面的表面积由下式给出:

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实部。表面积可以表示为一个复杂的(但可能可以简化的)闭合形式表达式,基于以下积分的计算:

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

自然对数双对数三伽玛函数表示 (E. Weisstein 2021 年 9 月 15-20 日)。

Knill (2017) 向哈佛大学暑期学校的学生提出挑战,让他们证明体积等于 ln256=8ln2。这个问题由学生 Runze Li 解决,他用神秘积分给出了解决方案:

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

Villarino 和 Várilly (2021) 给出了更直接的分析,他们表明:

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

其中 I_1=1/6I_2=1/3 是两个四面体的体积,这两个四面体具有共同面 (0,0,1)(0,1,0)(1,0,0),顶点分别为 (0,0,0)(1,1,1),并且

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,然后得到预期结果:

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

(OEIS A257872)。


另请参阅

双曲面, 单叶双曲面, 斯坦梅茨立体, 星状八面体

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参考文献

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. 即将发表于 College Math. J.

引用为

Weisstein, Eric W. "Trihyperboloid." 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源. https://mathworld.net.cn/Trihyperboloid.html

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