المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

الرياضيات
عدد المواضيع في هذا القسم 9764 موضوعاً
تاريخ الرياضيات
الرياضيات المتقطعة
الجبر
الهندسة
المعادلات التفاضلية و التكاملية
التحليل
علماء الرياضيات

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر
كزانيا
2024-07-08
محلول النشا (1%)
2024-07-08
محلول كلورامين-T (0.01 M)
2024-07-08
تحضير بارا-برومو اسيتانلايد Preparation of p-Bromoacetanilide
2024-07-08
تحضير الاستانلايد ومعوضاته Preparation of Acetanilide and its substituents
2024-07-08
تحضير كلورامين-T
2024-07-08

الأفعال التي تنصب مفعولين
23-12-2014
صيغ المبالغة
18-02-2015
الجملة الإنشائية وأقسامها
26-03-2015
اولاد الامام الحسين (عليه السلام)
3-04-2015
معاني صيغ الزيادة
17-02-2015
انواع التمور في العراق
27-5-2016

Reuleaux Tetrahedron  
  
1775   01:59 مساءً   date: 25-8-2018
Author : Encyclopedia Geometrica. "3D Reuleaux
Book or Source : Encyclopedia Geometrica. "3D Reuleaux
Page and Part : ...


Read More
Date: 1-8-2019 2307
Date: 17-9-2018 1850
Date: 10-10-2019 1298

Reuleaux Tetrahedron

 

 

ReuleauxTetrahedronPOV ReuleauxTetrahedronWire

The Reuleaux tetrahedron, sometimes also called the spherical tetrahedron, is the three-dimensional solid common to four spheres of equal radius placed so that the center of each sphere lies on the surface of the other three. The centers of the spheres are therefore located at the vertices of a regular tetrahedron, and the solid consists of an "inflated" tetrahedron with four curved edges.

Note that the name, coined here for the first time, is based on the fact that the geometric shape is the three-dimensional analog of the Reuleaux triangle, not the fact that it has constant width. In fact, the Reuleaux tetrahedron is not a solid of constant width. However, Meißner (1911) showed how to modify the Reuleaux tetrahedron to form a surface of constant width by replacing three of its edge arcs by curved patches formed as the surfaces of rotation of a circular arc. Depending on which three edge arcs are replaced (three that have a common vertex or three that form a triangle), one of two noncongruent shapes can be produced that are sometimes called Meissner tetrahedra (Lachand-Robert and Oudet 2007).

To analyze the Reuleaux tetrahedron, fix a tetrahedron of unit edge length with its vertices at the points (0,0,-sqrt(6)/4)(sqrt(3)/3,0,sqrt(6)/12)(-sqrt(3)/6,1/2,sqrt(6)/12), and (-sqrt(3)/6,-1/2,sqrt(6)/12). Simultaneously solving the equations of three of four spheres for x and y as a function of z then gives

x = 1/2sqrt(2)z+1/8sqrt(6)sqrt(5-4sqrt(6)z(1+sqrt(6)z))

(1)

y = 1/2sqrt(6)z+1/8sqrt(2)sqrt(5-4sqrt(6)z(1+sqrt(6)z)).

(2)

Half an arc is traced out as z passes from sqrt(6)/12 to (6-sqrt(6))/12, and

ds = sqrt(((dx)/(dz))^2+((dy)/(dz))^2+1)dz

(3)

= 3sqrt(2/(5-4sqrt(6)z(1+sqrt(6)z)))dz,

(4)

so the arc length of the curves connecting the vertices is given by

s = intds

(5)

= 6sqrt(2)int_(sqrt(6)/12)^(sqrt(6)(sqrt(6)-1)/12)[5-4sqrt(6)z(1+sqrt(6)z)]^(-1/2)dz.

(6)

Making a change of coordinates,

s = sqrt(3)int_2^(sqrt(6))(6-u^2)^(-1/2)du

(7)

= sqrt(3)cot^(-1)(sqrt(2))

(8)

= 1.06604....

(9)

Using the Gauss-Bonnet formula gives surface area as

S = 8pi-18cos^(-1)(1/3)

(10)

= 2.975471...

(11)

(OEIS A202473; Harbourne).

The volume is significantly trickier to calculate analytically. Set up spherical coordinates from the centroid of the tetrahedron, so that the distance from the bottom vertex to the radius vector is 1, i.e.,

 r^2cos^2thetasin^2phi+r^2sin^2thetasin^2phi+(rcosphi+1/4sqrt(6))^2=1,

(12)

which simplifies to

 3/8+r^2+1/2sqrt(6)rcosphi=1,

(13)

giving

 r(theta,phi)=1/4[sqrt(3cos(2phi)+13)-sqrt(6)cosphi].

(14)

By symmetry, the volume of the Reuleaux tetrahedron is given by

 V=24int_0^(pi/3)int_0^(phi(theta))int_0^(r(theta,phi))r^2sinphidrdphidtheta.

(15)

The integral over r can be done immediately,

 V=1/8int_0^(pi/3)int_0^(phi(theta))[sqrt(3cos(2phi)+13)-sqrt(6)cosphi]^3sinphidphidtheta.

(16)

Now parameterize the top right edge as a function of the azimuthal coordinate theta as

x = (costheta)/(sqrt(3)costheta+3sintheta)

(17)

y = (sintheta)/(sqrt(3)costheta+3sintheta)

(18)

z = 1/(12)sqrt(6).

(19)

The polar angle phi can then be solved for as a function of theta as

phi(theta) = cos^(-1)(z/(sqrt(x^2+y^2+z^2)))

(20)

= tan^(-1)((2sqrt(2))/(costheta+sqrt(3)sintheta)).

(21)

The integral over phi can be done by making the change of coordinates

 u=(2sqrt(2))/(costheta+sqrt(3)sintheta),

(22)

giving

 V=int_0^(pi/3)1/(32)[256-45sqrt(6)+42sqrt(6)cos(2tan^(-1)u)-(58sqrt(13+3cos(2tan^(-1)u)))/(sqrt(1+u^2))+6sqrt(13+3cos(2tan^(-1)u))cos(3tan^(-1)u)+3sqrt(6)cos(4tan^(-1)u)]dtheta.

(23)

Making the change of variables

 u=(2sqrt(2(1+3t^2)))/(1+3t)

(24)

then gives the volume as

 V=int_0^1[(8sqrt(3))/(1+3t^2)-(16sqrt(2)(3t+1)(4t^2+t+1)^(3/2))/((3t^2+1)(11t^2+2t+3)^2)-(sqrt(2)(249t^2+54t+65))/((11t^2+2t+3)^2)]dt.

(25)

This integral can be done analytically using computer algebra, but the analytic form returned by symbolic algebra programs is a complicated expression involving logarithms and inverse tangent functions.

However, a much simpler approach using the surface area combined with some straightforward geometry gives the fully simplified form almost immediately as

V = 8/3pi-(27)/4cos^(-1)(1/3)+1/4sqrt(2)

(26)

= 0.42215773...

(27)

(OEIS A102888; Harbourne).


REFERENCES:

Encyclopedia Geometrica. "3D Reuleaux." http://www.fastgeometry.com/Reuleaux/ConstantBreadth3DShapes.htm.

Harbourne, B. "Volume and Surface Area of the Spherical Tetrahedron (AKA Reuleaux Tetrahedron) by Geometrical Methods." http://www.math.unl.edu/~bharbourne1/ST/sphericaltetrahedron.html.

Lachand-Robert, T. and Oudet, É. "Bodies of Constant Width in Arbitrary Dimension." Math. Nachr. 280, 740-750, 2007.

Meissner, F. "Über Punktmengen konstanter Breite." Vierteljahresschr. naturforsch. Ges. Zürich 56, 42-50, 1911.

Sloane, N. J. A. Sequences A102888 and A202473 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."




الجبر أحد الفروع الرئيسية في الرياضيات، حيث إن التمكن من الرياضيات يعتمد على الفهم السليم للجبر. ويستخدم المهندسون والعلماء الجبر يومياً، وتعول المشاريع التجارية والصناعية على الجبر لحل الكثير من المعضلات التي تتعرض لها. ونظراً لأهمية الجبر في الحياة العصرية فإنه يدرّس في المدارس والجامعات في جميع أنحاء العالم. ويُعجب الكثير من الدارسين للجبر بقدرته وفائدته الكبيرتين، إذ باستخدام الجبر يمكن للمرء أن يحل كثيرًا من المسائل التي يتعذر حلها باستخدام الحساب فقط.وجاء اسمه من كتاب عالم الرياضيات والفلك والرحالة محمد بن موسى الخورازمي.


يعتبر علم المثلثات Trigonometry علماً عربياً ، فرياضيو العرب فضلوا علم المثلثات عن علم الفلك كأنهما علمين متداخلين ، ونظموه تنظيماً فيه لكثير من الدقة ، وقد كان اليونان يستعملون وتر CORDE ضعف القوسي قياس الزوايا ، فاستعاض رياضيو العرب عن الوتر بالجيب SINUS فأنت هذه الاستعاضة إلى تسهيل كثير من الاعمال الرياضية.

تعتبر المعادلات التفاضلية خير وسيلة لوصف معظم المـسائل الهندسـية والرياضـية والعلمية على حد سواء، إذ يتضح ذلك جليا في وصف عمليات انتقال الحرارة، جريان الموائـع، الحركة الموجية، الدوائر الإلكترونية فضلاً عن استخدامها في مسائل الهياكل الإنشائية والوصف الرياضي للتفاعلات الكيميائية.
ففي في الرياضيات, يطلق اسم المعادلات التفاضلية على المعادلات التي تحوي مشتقات و تفاضلات لبعض الدوال الرياضية و تظهر فيها بشكل متغيرات المعادلة . و يكون الهدف من حل هذه المعادلات هو إيجاد هذه الدوال الرياضية التي تحقق مشتقات هذه المعادلات.