Рассмотрите тетраэдр с заданными длинами трёх рёбер, выходящих из одной вершины: какие дополнительные данные необходимы для однозначного задания тетраэдра и как это доказать

18 Ноя в 17:35
2 +1
0
Ответы
1
Нужны ещё три независимые скалярные величины (т.е. всего 6 независимых параметров для тетраэдра). Эквивалентные удобные варианты дополнительных данных и доказательство:
1) Три длины рёбер противоположной вершине (т. е. стороны треугольника ABCABCABC): AB,BC,CAAB,BC,CAAB,BC,CA.
Доказательство: пусть OA=a, OB=b, OC=cOA=a,\;OB=b,\;OC=cOA=a,OB=b,OC=c и векторы u1,u2,u3u_1,u_2,u_3u1 ,u2 ,u3 направлены от OOO к A,B,CA,B,CA,B,C соответственно, ∣u1∣=a, ∣u2∣=b, ∣u3∣=c|u_1|=a,\;|u_2|=b,\;|u_3|=cu1 =a,u2 =b,u3 =c. Тогда по теореме косинусов
AB2=a2+b2−2(u1⋅u2),BC2=b2+c2−2(u2⋅u3),CA2=c2+a2−2(u3⋅u1). AB^2=a^2+b^2-2(u_1\cdot u_2),\quad BC^2=b^2+c^2-2(u_2\cdot u_3),\quad CA^2=c^2+a^2-2(u_3\cdot u_1).
AB2=a2+b22(u1 u2 ),BC2=b2+c22(u2 u3 ),CA2=c2+a22(u3 u1 ).
Отсюда выражаются скалярные произведения ui⋅uju_i\cdot u_jui uj . Они задают матрицу Грама
G=(a2u1⋅u2u1⋅u3u1⋅u2b2u2⋅u3u1⋅u3u2⋅u3c2). G=\begin{pmatrix}a^2 & u_1\cdot u_2 & u_1\cdot u_3\\ u_1\cdot u_2 & b^2 & u_2\cdot u_3\\ u_1\cdot u_3 & u_2\cdot u_3 & c^2\end{pmatrix}.
G= a2u1 u2 u1 u3 u1 u2 b2u2 u3 u1 u3 u2 u3 c2 .
Матрица Грама однозначно (с точностью до ортогонального преобразования — т.е. перемещения и поворота/зеркального отражения) определяет систему векторов u1,u2,u3u_1,u_2,u_3u1 ,u2 ,u3 , а значит и тетраэдр. Необходимое условие — GGG положительно определена (соответствующие неравенства/Кайли—Менгера).
2) Три угла между рёбрами в вершине OOO: ∠AOB=α, ∠BOC=β, ∠COA=γ\angle AOB=\alpha,\;\angle BOC=\beta,\;\angle COA=\gammaAOB=α,BOC=β,COA=γ.
Доказательство: зная a,b,ca,b,ca,b,c и углы, получаем скалярные произведения
u1⋅u2=abcos⁡α,u2⋅u3=bccos⁡β,u3⋅u1=cacos⁡γ, u_1\cdot u_2=ab\cos\alpha,\quad u_2\cdot u_3=bc\cos\beta,\quad u_3\cdot u_1=ca\cos\gamma,
u1 u2 =abcosα,u2 u3 =bccosβ,u3 u1 =cacosγ,
далее как в пункте 1 — матрица Грама и однозначность до ортогонального преобразования.
3) Любой другой набор из трёх независимых скалярных условий, дающий те же три скалярных произведения (например: два противоположных ребра и один угол между двух из заданных рёбер), тоже однозначно задаёт тетраэдр при выполнении совместимости (положительная определённость GGG, неравенства треугольника и т. п.).
Краткое замечание о совместимости: выбранные дополнительные параметры должны удовлетворять геометрическим ограничениям (например, неотрицательности детерминанта Кайли—Менгера или положительной определённости матрицы Грама), иначе тетраэдр не существует.
18 Ноя в 18:40
Не можешь разобраться в этой теме?
Обратись за помощью к экспертам
Гарантированные бесплатные доработки в течение 1 года
Быстрое выполнение от 2 часов
Проверка работы на плагиат
Поможем написать учебную работу
Прямой эфир