Рассмотрите тетраэдр с заданными длинами трёх рёбер, выходящих из одной вершины: какие дополнительные данные необходимы для однозначного задания тетраэдра и как это доказать
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|=c∣u1∣=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+b2−2(u1⋅u2),BC2=b2+c2−2(u2⋅u3),CA2=c2+a2−2(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⋅u2u1⋅u3u1⋅u2b2u2⋅u3u1⋅u3u2⋅u3c2.
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=\gamma∠AOB=α,∠BOC=β,∠COA=γ. Доказательство: зная a,b,ca,b,ca,b,c и углы, получаем скалярные произведения u1⋅u2=abcosα,u2⋅u3=bccosβ,u3⋅u1=cacosγ,
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.
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|=c∣u1 ∣=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+b2−2(u1 ⋅u2 ),BC2=b2+c2−2(u2 ⋅u3 ),CA2=c2+a2−2(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=\gamma∠AOB=α,∠BOC=β,∠COA=γ.
Доказательство: зная a,b,ca,b,ca,b,c и углы, получаем скалярные произведения
u1⋅u2=abcosα,u2⋅u3=bccosβ,u3⋅u1=cacosγ, 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.