Задача
В пространстве расположены 3 плоскости и шар. Сколькими различными способами можно поместить в пространстве второй шар так, чтобы он касался трёх данных плоскостей и первого шара? (В этой задаче речь фактически идёт о касании сфер, т.е. не предполагается, что шары могут касаться только внешним образом — прим. ред.)
Решение
Ответ:от 0 до 16 (в зависимости от расположения данных плоскостей и шара).
ПустьOиR— центр и радиус данной сферыS. Предположим, что сфераS1с центромO1касается данной сферы и трёх данных плоскостей. Сопоставим сфереS1сферуS1' с центромO1и радиусомO1O. СфераS1' проходит через данную точкуOи касается трёх плоскостей, удалённых от данных плоскостей на расстояниеR. Для каждой плоскости есть ровно две плоскости, удалённых от неё на расстояниеR. Поэтому сфераS1' проходит через данную точкуOи касается тройки плоскостей, причём есть 23= 8 различных таких троек.
Легко проверить, что существует не более двух сфер, проходящих через данную точку и касающихся трёх данных плоскостей. В случае, когда три данные плоскости пересекаются в одной точке, это доказывается следующим образом. Впишем сферу в тот трёхгранный угол, который образован данными плоскостями и содержит данную точку. Проведём прямую, соединяющую данную точку и точку пересечения данных плоскостей. Искомые сферы соответствуют точкам пересечения этой прямой с данной сферой, а таких точек не более двух. Отдельно рассматривается случай, когда данная точка лежит на одной из данных плоскостей. Кроме того, нужно рассмотреть два более простых случая: 1) есть две параллельные плоскости и их пересекает третья плоскость; 2) прямые пересечения плоскостей параллельны. (Легко видеть, что если все три плоскости параллельны или пересекаются по одной прямой, то сфера не может касаться трёх таких плоскостей.)
В итоге мы получаем, что существует не более 16 сферS1'. По сфереS1' сфераS1восстанавливается не однозначно. Чтобы её восстановить, нужно взять точкуO', в которой прямаяOO1пересекает сферуS; сфераS1— это сфера с центромO1и радиусомO1O'. Точек пересечения сферы с прямой, проходящей через её центр, две, поэтому мы получаем две сферы. Но лишь одна из них может касаться трёх данных плоскостей (вторая сфера касается других плоскостей). Поэтому существует не более 16 сфер, касающихся данной сферы и трёх данных плоскостей.
Покажем теперь, что при различных расположениях данных плоскостей и данной сферы количество сфер, касающихся их, может быть любым целым числом от 0 до 16. Будем считать, что данные плоскости пересекаются по трём параллельным прямым, причём расстояния между этими прямыми попарно различны. Сферы, касающиеся трёх данных плоскостей, заметают четыре цилиндра, соответствующих вписанной и трём вневписанным окружностям треугольника, который образуется при пересечении данных плоскостей плоскостью, ортогональной всем трём данным плоскостям. Эти цилиндры не имеют общих точек, в том числе и точек касания.
Рассмотрим цилиндр и точку вне его. Рассмотрим семейство сферSRс центром в выбранной точке. Нас интересуют сферы, вписанные в цилиндр и касающиеся сферыSR. Если радиусRсферыSRмал, то таких сфер нет. Будем увеличивать радиусRдо тех пор, пока сфераSRне коснётся цилиндра. В этом случае количество искомых сфер равно 1. Будем снова увеличивать радиусR. Когда сфераSRпересечёт цилиндр, количество искомых сфер станет равно 2. Затем сфераSRбудет пересекать цилиндр и ещё касаться его в одной точке. В этом случае количество искомых сфер равно 3. Если же радиусRувеличить ещё больше, то количество искомых сфер будет равно 4.
Эти замечания показывают, что если мы выберем точку вне данных четырёх цилиндров и рассмотрим семейство сферSRс центром в выбранной точке, то при постепенном увеличении радиусаRмы получим конфигурации, для которых число искомых сфер последовательно изменяется от 0 до 16. Нужно лишь позаботиться о том, чтобы не появлялись одновременно две точки касания сферыSRс цилиндрами.
Ответ
Ответ задачи отсутствует
Чтобы оставлять комментарии, войдите или зарегистрируйтесь