В трёхмерном пространстве дан правильный тетраэдр; исследуйте геометрические места центров сфер, касающихся трёх граней и ограничивающих себе шар — найдите параметризацию таких центров и радиусов
Пусть заданы три грани правильного тетраэдра, смежные в вершине AAA. Тогда их плоскости проходят через AAA и образуют симметричный триэдральный угол; множество центров сфер, касающихся этих трёх плоскостей, есть прямая — ось этого угла (внутренний/наружный биссектор), т.е. прямая, проходящая через вершину AAA и центроид (или центр противоположной грани). Обозначим единичный вектор вдоль этой оси через u\mathbf{u}u. Для точки центра сферы X=A+tuX=A+t\mathbf{u}X=A+tu расстояние до каждой из трёх плоскостей равно некоторой пропорции от ttt: r=d(X,Πi)=t⋅c(i=1,2,3),
r=d(X,\Pi_i)=t\cdot c\qquad(i=1,2,3), r=d(X,Πi)=t⋅c(i=1,2,3),
где постоянная c=∣ni⋅u∣c=|n_i\cdot\mathbf{u}|c=∣ni⋅u∣ одинакова для всех трёх граней. Для правильного тетраэдра при длине ребра aaa легко вычислить геометрически (или в координатах), что отношение параметров основания и высоты даёт h/R=2h/R=\sqrt{2}h/R=2, и тогда c=11+4(h/R)2=11+8=13.
c=\frac{1}{\sqrt{1+4(h/R)^2}}=\frac{1}{\sqrt{1+8}}=\frac{1}{3}. c=1+4(h/R)21=1+81=31. Итак, параметризация всех таких сфер (для данного трёхгранного угла у вершины AAA): центр: X(t)=A+tu,радиус: r(t)=t3,
\text{центр: }X(t)=A+t\mathbf{u},\qquad \text{радиус: }r(t)=\frac{t}{3}, центр: X(t)=A+tu,радиус: r(t)=3t,
где t∈Rt\in\mathbb{R}t∈R (для внутренних центров триэдра t>0t>0t>0; при необходимости радиус берётся по модулю r=∣t∣/3r=|t|/3r=∣t∣/3). Аналогично для каждой из четырёх вершин тетраэдра получается своя такая прямая.
Обозначим единичный вектор вдоль этой оси через u\mathbf{u}u. Для точки центра сферы X=A+tuX=A+t\mathbf{u}X=A+tu расстояние до каждой из трёх плоскостей равно некоторой пропорции от ttt:
r=d(X,Πi)=t⋅c(i=1,2,3), r=d(X,\Pi_i)=t\cdot c\qquad(i=1,2,3),
r=d(X,Πi )=t⋅c(i=1,2,3), где постоянная c=∣ni⋅u∣c=|n_i\cdot\mathbf{u}|c=∣ni ⋅u∣ одинакова для всех трёх граней.
Для правильного тетраэдра при длине ребра aaa легко вычислить геометрически (или в координатах), что отношение параметров основания и высоты даёт h/R=2h/R=\sqrt{2}h/R=2 , и тогда
c=11+4(h/R)2=11+8=13. c=\frac{1}{\sqrt{1+4(h/R)^2}}=\frac{1}{\sqrt{1+8}}=\frac{1}{3}.
c=1+4(h/R)2 1 =1+8 1 =31 .
Итак, параметризация всех таких сфер (для данного трёхгранного угла у вершины AAA):
центр: X(t)=A+tu,радиус: r(t)=t3, \text{центр: }X(t)=A+t\mathbf{u},\qquad \text{радиус: }r(t)=\frac{t}{3},
центр: X(t)=A+tu,радиус: r(t)=3t , где t∈Rt\in\mathbb{R}t∈R (для внутренних центров триэдра t>0t>0t>0; при необходимости радиус берётся по модулю r=∣t∣/3r=|t|/3r=∣t∣/3). Аналогично для каждой из четырёх вершин тетраэдра получается своя такая прямая.