阿波罗尼奥斯问题

✍ dations ◷ 2025-08-13 03:13:22 #平面几何,共形几何

阿波罗尼奥斯问题是一道有名的几何题:“平面上给定三个圆周,如何用尺规作图构造出和这三个已知圆都相切的圆(图1 )?”

佩尔盖(英语:Perga)的阿波罗尼奥斯(Apollonius of Perga,约前262年-约前190年)在其著名作品《论切触》(希腊语:Ἐπαφαί,英译名 Tangencies )里提出并解决了这个问题;虽然作品现已遗失,但这个数学结果已被记载在一份四世纪时亚历山大的帕普斯所写的报告里。

三个给定的圆,一般而言会有八个不同的圆和它们都相切(图2),而在这八个解里,每一个都以不同的方式内切或外切于给定的三个圆。在十六世纪,范罗门用相交的双曲线解决了这个问题,但他的解法并不符合只使用直规的要求。弗朗索瓦·韦达利用问题的极端情况找到这样一种解法:三个圆中的任何一个都可以缩成零半径(一个点),或扩大成半径无限(一条直线)。此方法也被认为是阿波罗尼奥斯所用方法的一个颇为可信的重现。另外,值得一提的是,范罗门的方法后来被艾萨克·牛顿简化了,而且他证明了阿波罗尼奥斯问题等价于另一个问题:寻找一个点,其与三个给定点的距离之差是已知的。此想法在导航和定位系统中有一些应用,比如LORAN(远距离无线电导航系统)。

再后来的数学家引入了代数的方法,即把几何问题变换为代数方程组。这些方法又可以利用阿波罗尼奥斯问题所固有的对称性以得到简化,比如作为解的那些圆周(解圆)一般都成对出现:一个解圆和某已知圆外切的话,相应一定有另一个解圆是内切的(图2)。热尔岗纳(法语:Joseph Diez Gergonne)利用这种对称性提供了一个优美的尺规解法;也有一些数学家使用圆反演等几何变换来简化已知圆的配置。以上这些发展为一些代数方法提供了几何的框架(见李球面几何(英语:Lie sphere geometry)),以及根据已知圆的33种不同的配置来对解圆分类的方法。

阿波罗尼奥斯问题还进一步激发了很多工作。这个问题的三维推广--构造与四个已知球面相切的球面--或者更高维的推广,都有人研究。另外,三个已知圆两两相切的这种配置也引起了关注,例如笛卡儿就给出过已知圆和解圆的半径关系式,即笛卡尔定理(英语:Descartes' theorem)。在这种配置下,如果把问题的解不断地迭代,还能得到所谓“阿波罗尼奥斯垫片(英语:Apollonian gasket)”;这是最早被印刷出来的分形图形,在解析数论中也有它的芳踪(见福特圆(英语:Ford circle)和哈代-李特尔伍德圆法)。

相关

  • 麦芽糊精麦芽糊精(英语:Maltodextrin)是一种食物添加剂,属多糖的一种。以淀粉原料经酵素转化而成。麦芽糊精有乳化、增稠和填充作用,可改善生产食品的产品外观。
  • 毒品战争毒品战争,是美国主要政治术语,常用于表示美国联邦政府对于毒品的防制而做出的行动,即军事支援(英语:military aid)、军事干预、减少非法药品交易(英语:Illegal drug trade)。这一举措
  • Sbsub2/subOsub3/sub三氧化二锑(化学式:Sb2O3)是一种无机化合物。天然产物称锑华,俗称锑白。三氧化二锑是白色立方晶系晶体,分子组成为Sb4O6,具有四面体构型,键长为(Sb-O)220pm±10pm。在570℃转变为正交
  • 布瓦吉吉穆罕默德·布瓦吉吉(阿拉伯语:محمد البوعزيزي‎,拉丁转写:Mohamed Bouazizi,1984年3月29日-2011年1月4日),突尼斯贫民,靠摆地摊为生。2010年12月17日,他在摆摊时受到警察
  • 艾伦丘陵陨石84001艾伦丘陵陨石84001(英语:Allan Hills 84001,常被缩写为ALH 84001),又被音译为艾伦·希尔斯84001,是由美国的南极陨石搜寻计划(英语:ANSMET)(Antarctic Search for Meteorites,ANSMET)小
  • 唐努乌拉山脉唐努乌拉山脉(俄语:Танну-Ола;图瓦语:Таңды-Уула)是俄罗斯的山脉,位于与蒙古国接壤的边境,由图瓦共和国负责管辖,属于南西伯利亚山脉的一部分,最高点海拔高度2,930
  • 布氏姜片虫布氏姜片虫(学名:Fasciolopsis buski),简称姜片虫,是一种外观极像薄切姜片的中、大型寄生虫。为完成一代生活,这种虫必须在环境适当的淡水螺体内发育,再以常见的水生植物作第二轮的
  • 里斯本与本菲卡体育俱乐部里斯本与本菲卡体育(Sport Lisboa e Benfica,简称本菲卡)是一家位于葡萄牙首都里斯本的以足球为主的综合体育俱乐部。成立于1904年2月28日,前身为1904年“里斯本体育”(Sport Lis
  • 深圳市第四人民医院中山大学附属第八医院,原称深圳市第四人民医院,是一间中国广东省深圳市福田区的公立医院,又称福田区人民医院,俗称福田医院、福田人民医院,前身为福田公社卫生院。位于华富路以西
  • 韩国城韩国街(韩语:코리아타운)是指在朝鲜半岛之外,有大量韩侨集中生活的地区。