Jump to content

круги Малфатти

Это хорошая статья. Нажмите здесь для получения дополнительной информации.

круги Малфатти

В геометрии круги Малфатти это три круга внутри данного треугольника, причем каждый круг касается двух других и двух сторон треугольника. Они названы в честь Джан Франческо Мальфатти , который провел ранние исследования проблемы построения этих кругов, ошибочно полагая, что они будут иметь наибольшую возможную общую площадь из любых трех непересекающихся кругов внутри треугольника.

Проблема Малфатти использовалась как для обозначения проблемы построения кругов Малфатти, так и для проблемы поиска трех кругов, максимизирующих площадь, внутри треугольника.Простая конструкция кругов Малфатти была дана Штейнером (1826) , и с тех пор эту проблему изучали многие математики. Сам Малфатти предоставил формулу для радиусов трех кругов, и их также можно использовать для определения двух центров треугольника , точек Аджимы-Малфатти треугольника.

Проблема максимизации общей площади трех кругов в треугольнике никогда не решается с помощью кругов Малфатти. Вместо этого оптимальное решение всегда можно найти с помощью жадного алгоритма , который находит самый большой круг внутри данного треугольника, самый большой круг внутри трех связанных подмножеств треугольника за пределами первого круга и самый большой круг среди пяти связанных подмножеств треугольника. треугольник за пределами первых двух кругов. Хотя эта процедура была впервые сформулирована в 1930 году, ее правильность не была доказана до 1994 года.

Проблема Малфатти

[ редактировать ]
Нерешенная задача по математике :
Всегда ли жадный алгоритм находит в любом треугольнике упаковки с максимальной площадью, состоящие из более чем трех кругов?
В равностороннем треугольнике площадь кругов Малфатти (слева) примерно на 1% меньше, чем площадь трех кругов, увеличивающих площадь (справа).

Джан Франческо Мальфатти ( 1803 ) поставил задачу вырезать три цилиндрические колонны из треугольной призмы мрамора, максимально увеличив общий объём колонн. Он предположил, что решение этой проблемы дают три касательные окружности внутри треугольного сечения клина. То есть, говоря более абстрактно, он предположил, что три круга Малфатти имеют максимальную общую площадь среди любых трех непересекающихся кругов внутри данного треугольника. [1] Работа Мальфатти была популяризирована для более широкой читательской аудитории на французском языке Жозефом Диасом Жергонном в первом томе его «Анналов» ( 1811 г. ) с дальнейшим обсуждением во втором и десятом. Однако Жергонн сформулировал только проблему касания окружности, а не задачу максимизации площади.

Круги Малфатти, занимающие ~1/2 максимально возможной площади в равнобедренном треугольнике с острой вершиной.
Три круга, сложенные с помощью жадного алгоритма, максимизируют свою площадь в одном треугольнике.
В равнобедренном треугольнике с острой вершиной круги Малфатти (вверху) занимают примерно половину площади трех кругов, сложенных с помощью жадного алгоритма (внизу).

Предположение Малфатти об эквивалентности этих двух проблем неверно. Лоб и Ричмонд ( 1930 ), которые вернулись к оригинальному итальянскому тексту, заметили, что для некоторых треугольников большей площади можно достичь с помощью жадного алгоритма , который вписывает в треугольник один круг максимального радиуса, вписывает второй круг в один из три оставшихся угла треугольника, тот, который имеет наименьший угол, и вписывает третий круг в самую большую из пяти оставшихся частей. Разница площадей равностороннего треугольника невелика, чуть более 1%, [2] но, как Говард Ивс ( 1946 указал ), для равнобедренного треугольника с очень острой вершиной оптимальные круги (наложенные друг на друга над основанием треугольника) имеют почти вдвое большую площадь, чем круги Малфатти. [3]

На самом деле, круги Малфатти никогда не бывают оптимальными. С помощью численных вычислений в 1960-х годах было обнаружено, а позже строго доказано, что процедура Лоба – Ричмонда всегда дает три круга наибольшей площади и что они всегда больше, чем круги Малфатти. [4] Мелиссен (1997) предположил в более общем смысле, что для любого целого числа n жадный алгоритм находит набор из n кругов, максимизирующий площадь, внутри данного треугольника; известно, что гипотеза верна для n ≤ 3 . [5]

Задача построения трех окружностей, касающихся друг друга внутри треугольника, была поставлена ​​японским математиком XVIII века Адзимой Наонобу до работы Малфатти и включена в неопубликованный сборник работ Адзимы, составленный через год после смерти Адзимы его учеником Кусакой. Макото. [5] [6] Еще раньше та же проблема рассматривалась в рукописи 1384 года Джилио ди Чекко да Монтепульчано, ныне хранящейся в библиотеке Сиены Муниципальной , Италия . [7] Якоб Бернулли ( 1744 ) изучил частный случай проблемы для конкретного равнобедренного треугольника .

Со времени работы Малфатти был проведен значительный объем работы над методами построения трех касательных окружностей Малфатти; Ричард К. Гай пишет, что литература по этой проблеме «обширна, широко разбросана и не всегда осознает себя». [8] Примечательно, что Якоб Штайнер ( 1826 ) представил простую геометрическую конструкцию, основанную на биткасательных ; другие авторы с тех пор утверждали, что в презентации Штайнера не было доказательства, которое позже было предоставлено Эндрю Хартом ( 1856 г. ), но Гай указывает на доказательство, разбросанное по двум собственным статьям Штайнера того времени. К решениям, основанным на алгебраических формулировках задачи, относятся решения К. Л. Лемуса ( 1819 г. ), Э. К. Каталана ( 1846 г. ), К. Адамса ( 1846 , 1849 г. ), Ж. Деруссо ( 1895 г. ) и Андреаса Пампуха ( 1904 г. ). Алгебраические решения не различают внутренние и внешние касания кругов и данного треугольника; если проблема обобщается и допускает касания любого типа, то у данного треугольника будет 32 различных решения, и, наоборот, тройка взаимно касающихся кругов будет решением для восьми разных треугольников. [8] Боттема (2001) приписывает перечисление этих решений Пампучу (1904) , но Каджори (1893) отмечает, что этот подсчет количества решений уже был дан в замечании Штайнера (1826) . Проблема и ее обобщения были предметом многих других математических публикаций XIX века. [9] и с тех пор его история и математика являются предметом постоянных исследований. [10] Это также часто встречающаяся тема в книгах по геометрии. [11]

Гатто (2000) и Маццотти (1998) рассказывают об эпизоде ​​в неаполитанской математике XIX века, связанном с кругами Малфатти. В 1839 году Винченцо Флаути , синтетический геометр , поставил задачу, предполагающую решение трёх геометрических задач, одной из которых было построение кругов Малфатти; его намерением при этом было показать превосходство синтетических методов над аналитическими. Несмотря на решение, предложенное Фортунато Падулой, студентом конкурирующей школы аналитической геометрии , Флаути вручил премию своему ученику Николе Труди, чьи решения Флаути знал, когда поставил перед собой задачу. Совсем недавно проблема построения окружностей Малфатти использовалась в качестве тестовой задачи для систем компьютерной алгебры . [12]

Конструкция Штайнера

[ редактировать ]
Конструкция Штайнера кругов Малфатти с использованием биткасательных.

Хотя большая часть ранних работ по кругам Малфатти использовала аналитическую геометрию , Штейнер (1826) предложил следующую простую синтетическую конструкцию.

Окружность, касающаяся двух сторон треугольника, как и окружности Малфатти, должна быть сосредоточена на одной из биссектрис треугольника (зеленого цвета на рисунке). Эти биссектрисы делят треугольник на три меньших треугольника, и построение Штайнером кругов Малфатти начинается с рисования другой тройки кругов (показаны пунктиром на рисунке), вписанных в каждый из этих трех меньших треугольников. В общем случае эти окружности не пересекаются, поэтому каждая пара двух окружностей имеет четыре бикасательных (линии, касающиеся обеих). своими окружностями проходят две такие бикасательные Между : одна — биссектриса угла, а вторая показана на рисунке красной пунктирной линией. Обозначьте три стороны данного треугольника как a , b и c , а три бикасательные, которые не являются биссектрисами угла, обозначьте как x , y и z , где x — бикасательная к двум окружностям, которые не касаются стороны a . y — касательная к двум окружностям, не касающимся стороны b , а z — касательная к двум окружностям, не соприкасающимся со стороной b. в . Тогда три окружности Малфатти являются вписанными окружностями в три касательных четырехугольника abyx , aczx и bczy . [13] В случае симметрии два пунктирных круга могут соприкасаться в точке биссектрисы, в результате чего там совпадают две бикасательные, но при этом создаются соответствующие четырехугольники для кругов Малфатти.

Три бикасательных x , y и z пересекают стороны треугольника в точке касания с третьей вписанной окружностью, а также могут быть найдены как отражения биссектрис угла через линии, соединяющие пары центров этих вписанных окружностей. [8]

Формула радиуса

[ редактировать ]

Радиус каждого из трех кругов Малфатти можно определить по формуле, включающей три длины сторон a , b и c треугольника , внутренний радиус r и полупериметр. и три расстояния d , e и f от центра треугольника до вершин, противоположных сторонам a , b и c соответственно. Формулы для трех радиусов: [14]

Сопутствующие формулы можно использовать для поиска примеров треугольников, длины сторон, внутренние радиусы и радиусы Малфатти которых являются рациональными числами или целыми числами. Например, треугольник с длинами сторон 28392, 21000 и 25872 имеет внутр. радиус 6930 и радиусы Малфатти 3969, 4900 и 4356. Другой пример: треугольник с длинами сторон 152460, 165000 и 190740 имеет внутр. радиус 47520 и радиусы Малфатти 2722. 5, 30976 и 32400. [15]

Очки Аджима-Малфатти

[ редактировать ]
Первая точка Аджима – Малфатти

Дан треугольник ABC и три окружности Малфатти, и пусть D , E и F — точки, в которых две окружности касаются друг друга, противоположные вершины A , B и C соответственно. Затем три линии AD , BE и CF встречаются в одном центре треугольника, известном как первая точка Аджимы – Малфатти после вклада Аджимы и Малфатти в проблему круга. Вторая точка Аджима-Малфатти является точкой встречи трех линий, соединяющих касания окружностей Малфатти с центрами вписанных окружностей треугольника. [16] [17] Другие центры треугольников, также связанные с кругами Малфатти, включают точку Ифф-Малфатти, образованную так же, как и первая точка Малфатти, из трех взаимно касающихся окружностей, которые все касаются линий, проходящих через стороны данного треугольника, но частично лежат вне треугольника, [18] и радикальный центр трех кругов Малфатти (точка, где встречаются три бикасательные, использованные при их построении). [19]

См. также

[ редактировать ]

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ Огилви (1990) .
  2. ^ Уэллс (1991) .
  3. ^ См. также Огилви (1990) .
  4. ^ Гольдберг (1967) ; Габай и Либан (1968) ; Залгаллер (1994) ; Залгаллер и Лось (1994) ; Ломбарди (2022) .
  5. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Андреатта, Бездек и Бороньски (2010) .
  6. ^ Фукагава и Ротман (2008) .
  7. ^ Сими и Тоти Ригателли (1993) .
  8. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Гай (2007) .
  9. ^ Паукер (1831) ; Зорнов (1833 г.) ; Плюкер ( 1834а , 1834б ); Теркем (1847 г.) ; Квидде (1850) ; Канун Нового года (1850) ; Шеффлер (1851 г.) ; Шеллбах (1853 г.) ; Кэли ( 1849 , 1854 , 1857 , 1875–1876 ); Клебш (1857) ; Талбот (1867) ; Витштейн (1871 г.) ; Аффольтер (1873) ; Мертенс (1873) ; Бейкер (1874 г.) ; Шретер (1874) ; Саймонс (1874 г.) ; Миллер (1875 г.) ; Зейтц (1875 г.) ; Годт (1877) ; Лебон (1889) ; Беллакки (1895) ; Веделл (1897) .
  10. ^ Хагге (1908) ; Лебер (1914) ; Даниэльссон (1926) ; Роджерс (1928) ; Скардапане (1931) ; Испытания (1932) ; Евс (1946) ; Найто (1975) ; Фиокка (1980) ; Хитотумату (1995) ; Такэсима и Анаи (1996) ; Гатто (2000) ; Боттема (2001) ; Андреатта, Бездек и Боронски (2010) ; Хорват (2014) .
  11. ^ Кейси (1882) ; Руше и де Комберус (1891) ; Кулидж (1916) ; Бейкер (1925) ; Дорри (1965) ; Огилви (1990) ; Уэллс (1991) ; Мартин (1998) ; Андрееску, Мушкаров и Стоянов (2006) .
  12. ^ Хитотумату (1995) ; Такэсима и Анаи (1996) .
  13. ^ Мартин (1998) , упражнение 5.20, с. 96.
  14. ^ Согласно Стевановичу (2003) , эти формулы были открыты Малфатти и опубликованы им посмертно в 1811 году. Однако публикация 1811 года, «Résolues» , Annales de Mathématiques Pures et Appliquées , 1 : 347–348, 1811 , представляет собой неподписанное письмо (вероятно, от редактора журнала Жозефа Диеса Жергонна ), в котором эта формула приводится как эквивалентная результатам Малфатти (1803) .
  15. ^ Миллер (1875) .
  16. ^ Вайсштейн, Эрик В. , «Точки Аджимы-Малфатти» , MathWorld .
  17. ^ К. Кимберлинг, Энциклопедия центров треугольников, заархивировано 19 апреля 2012 г. в Wayback Machine , X (179) и X (180).
  18. ^ Энциклопедия центров треугольников, X (400).
  19. ^ Стеванович (2003) .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: b7c1d97ee125321a051abb1526bddc2e__1704076740
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/b7/2e/b7c1d97ee125321a051abb1526bddc2e.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Malfatti circles - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)