В евклидовой геометрии воздушный змей представляет собой четырехугольник с симметрией отражения по диагонали . Из-за этой симметрии воздушный змей имеет два равных угла и две пары смежных сторон одинаковой длины. Воздушные змеи также известны как дельтоиды , [1] но слово дельтоид может также относиться к дельтовидной кривой , несвязанному геометрическому объекту, который иногда изучается в связи с четырехугольниками. [2] [3] Воздушный змей также можно назвать дротиком , [ 4] особенно, если он не выпуклый. [5] [6]
Каждый воздушный змей представляет собой ортодиагональный четырехугольник (его диагонали под прямым углом) и, если он выпуклый, тангенциальный четырехугольник (его стороны касаются вписанной окружности). Выпуклые воздушные змеи представляют собой в точности четырехугольники, которые являются как ортодиагональными, так и касательными. В качестве особых случаев они включают в себя правые воздушные змеи с двумя противоположными прямыми углами; ромбики с двумя диагональными осями симметрии; и квадраты , которые также являются частными случаями как правых воздушных змеев, так и ромбов.
Четырехугольник с наибольшим отношением периметра к диаметру представляет собой воздушный змей с углами 60°, 75° и 150°. Воздушные змеи двух форм (одна выпуклая и одна невыпуклая) образуют прототипы одной из форм мозаики Пенроуза . Воздушные змеи также образуют грани нескольких гране-симметричных многогранников и мозаик и изучались в связи с внешним бильярдом — проблемой высшей математики динамических систем .
Воздушный змей представляет собой четырехугольник с симметрией отражения по одной из диагоналей. Другими словами, это четырехугольник, четыре стороны которого можно сгруппировать в две пары смежных сторон одинаковой длины. [1] [7] Воздушный змей можно построить из центров и точек пересечения любых двух пересекающихся кругов . [8] Описываемые здесь воздушные змеи могут быть как выпуклыми , так и вогнутыми , хотя в некоторых источниках под «воздушным змеем» подразумеваются только выпуклые воздушные змеи. Четырехугольник является воздушным змеем тогда и только тогда, когда выполняется любое из следующих условий:
Четырехугольные воздушные змеи названы в честь летающих воздушных змеев , которые часто имеют такую форму [10] [11] и которые, в свою очередь, названы в честь парящей птицы и звука, который она издает. [12] [13] Согласно Олаусу Хенрици , название «воздушный змей» было дано этим формам Джеймсом Джозефом Сильвестром . [14]
Четырехугольники можно классифицировать иерархически , что означает, что некоторые классы четырехугольников включают другие классы, или раздельно , что означает, что каждый четырехугольник принадлежит только одному классу. По иерархической классификации воздушные змеи включают ромбы (четырехугольники с четырьмя равными сторонами) и квадраты . Все равносторонние воздушные змеи — ромбы, а все равноугольные — квадраты. При раздельной классификации ромбы и квадраты не были бы воздушными змеями, поскольку они принадлежат к другому классу четырехугольников; Точно так же правильные воздушные змеи , обсуждаемые ниже, не будут воздушными змеями. Оставшаяся часть этой статьи соответствует иерархической классификации; ромбы, квадраты и правые воздушные змеи считаются воздушными змеями. Избегая необходимости рассматривать особые случаи, эта классификация может упростить некоторые факты о воздушных змеях. [15]
Как и воздушные змеи, параллелограмм также имеет две пары сторон одинаковой длины, но они расположены напротив друг друга, а не рядом. Любой несамопересекающийся четырехугольник, имеющий ось симметрии, должен быть либо воздушным змеем с диагональной осью симметрии; или равнобедренная трапеция с осью симметрии, проходящей через середины двух сторон. К ним относятся в качестве особых случаев ромб и прямоугольник соответственно, а также квадрат, который является частным случаем обоих. [1] Самопересекающиеся четырехугольники включают еще один класс симметричных четырехугольников — антипараллелограммы . [16]
Правильные воздушные змеи имеют два противоположных прямых угла . [15] [16] Правильные воздушные змеи — это в точности те воздушные змеи, которые представляют собой вписанные четырехугольники , а это означает, что через все их вершины проходит круг. [17] Вписанные четырехугольники можно эквивалентно определить как четырехугольники, в которых два противоположных угла являются дополнительными (они в сумме составляют 180 °); если одна пара является дополнительной, то и другая тоже. [9] Следовательно, правильные воздушные змеи - это воздушные змеи с двумя противоположными дополнительными углами для любой из двух противоположных пар углов. Поскольку правые воздушные змеи описывают одну окружность и вписаны в другую окружность, они представляют собой бицентрические четырехугольники (на самом деле трехцентрические, поскольку у них также есть третья окружность, касающаяся снаружи продолжений их сторон ). [16] Если размеры вписанного и описанного кругов фиксированы, правый змей имеет наибольшую площадь среди всех четырехугольников, зажатых между ними. [18]
Среди всех четырехугольников фигурой, которая имеет наибольшее отношение периметра к диаметру ( максимальное расстояние между любыми двумя точками), является равнодиагональный змей с углами 60°, 75°, 150°, 75°. Его четыре вершины лежат в трех углах и одной из боковых середин треугольника Рело . [19] [20] Когда длина сторон равнодиагонального воздушного змея меньше или равна его диагоналям, как этот или квадрат, это один из четырехугольников с наибольшим соотношением площади к диаметру . [21]
Воздушный змей с тремя углами 108° и одним углом 36° образует выпуклую оболочку лютни Пифагора , фрактал, состоящий из вложенных друг в друга пентаграмм . [22] Четыре стороны этого воздушного змея лежат на четырех сторонах правильного пятиугольника , а к пятой стороне приклеен золотой треугольник . [16]
Есть только восемь многоугольников, которые могут замостить плоскость так, что при отражении любой плитки через любой из ее краев образуется другая плитка; такое расположение называется краевой тесселяцией . Один из них — замощение прямым воздушным змеем с углами 60°, 90° и 120°. Он создает дельтовидную тригексагональную мозаику (см. § Тайлинги и многогранники). [23] Прототип , сделанный из восьми таких воздушных змеев, покрывает плоскость плиткой только апериодически , что является ключом к заявленному решению проблемы Эйнштейна . [24]
В неевклидовой геометрии воздушный змей может иметь три прямых угла и один непрямой угол, образуя частный случай четырехугольника Ламберта . Четвертый угол острый в гиперболической геометрии и тупой в сферической геометрии . [25]
Каждый воздушный змей представляет собой ортодиагональный четырехугольник , то есть две его диагонали расположены под прямым углом друг к другу. Более того, одна из двух диагоналей (ось симметрии) является биссектрисой другой, а также биссектрисой двух углов, с которыми она пересекается. [1] Из-за симметрии два других угла кайта должны быть равны. [10] [11] Диагональная ось симметрии выпуклого воздушного змея делит его на два конгруэнтных треугольника ; другая диагональ делит его на два равнобедренных треугольника . [1]
Как и в более общем смысле для любого ортодиагонального четырехугольника, площадь воздушного змея можно рассчитать как половину произведения длин диагоналей и : [10]
Каждый выпуклый воздушный змей также является касательным четырехугольником , четырехугольником, в который вписана окружность . То есть существует окружность, касающаяся всех четырех сторон. Кроме того, если выпуклый воздушный змей не является ромбом, снаружи воздушного змея есть круг, касающийся продолжений четырех сторон; следовательно, каждый выпуклый змей, не являющийся ромбом, является экскасательным четырехугольником . Выпуклые воздушные змеи, не являющиеся ромбами, представляют собой в точности четырехугольники, которые являются как тангенциальными, так и экстангенциальными. [16] Для каждого вогнутого змея существуют две окружности, касающиеся двух сторон и продолжения двух других: одна находится внутри змея и касается двух сторон, противоположных вогнутому углу, а другая окружность находится снаружи кайт и касается кайта по двум краям, прилегающим к вогнутому углу. [27]
Для выпуклого воздушного змея с длинами диагоналей и длинами сторон и радиус вписанной окружности равен
Касательный четырехугольник также является воздушным змеем тогда и только тогда, когда выполняется любое из следующих условий: [28]
Если диагонали в касательном четырехугольнике пересекаются в точке , а вписанные в треугольники , , , имеют радиусы , , , и соответственно, то четырехугольник является воздушным змеем тогда и только тогда, когда [28]
Воздушные змеи и равнобедренные трапеции двойственны друг другу, а это означает, что между ними существует соответствие, которое меняет размерность их частей на противоположные, превращая вершины в стороны, а стороны в вершины. Для любого воздушного змея вписанная окружность касается четырех его сторон в четырех вершинах равнобедренной трапеции. Для любой равнобедренной трапеции касательные к описанной окружности в ее четырех вершинах образуют четыре стороны воздушного змея. Это соответствие также можно рассматривать как пример полярного возвратно-поступательного движения , общего метода сопоставления точек с линиями и наоборот с учетом фиксированного круга. Хотя они и не касаются круга, четыре вершины воздушного змея в этом смысле обратны четырем сторонам равнобедренной трапеции. [29] Характеристики воздушных змеев и равнобедренных трапеций, соответствующих друг другу в рамках этой двойственности, сравниваются в таблице ниже. [7]
Проблема равнорассечения касается разделения многоугольников на треугольники, имеющие равные площади . В этом контексте спектр многоугольника - это набор чисел, такой, что многоугольник имеет равное деление на треугольники равной площади. Из-за своей симметрии спектр воздушного змея содержит все четные целые числа. Некоторые специальные воздушные змеи также содержат в своем спектре нечетные числа. [30] [31]
Любой треугольник можно разделить на три правых змея, встречающихся в центре вписанного в него круга. В более общем смысле, метод, основанный на упаковке кругов , можно использовать для разделения любого многоугольника со сторонами на воздушные змеи, соединяющиеся от края до края. [32]
Все воздушные змеи замостили плоскость путем многократного точечного отражения вокруг середин своих краев, как и все четырехугольники в целом. [33] Воздушные змеи и дротики с углами 72°, 72°, 72°, 144° и 36°, 72°, 36°, 216° соответственно образуют прототипы одной из версий мозаики Пенроуза , апериодической мозаики плоскость, открытая физиком-математиком Роджером Пенроузом . [5] Если у воздушного змея углы на вершине и на одной стороне в сумме составляют некоторое положительное целое число , то масштабированные копии этого воздушного змея можно использовать для мозаики плоскости в виде фрактальной розетки, в которой последовательно большие кольца воздушных змеев окружают центральная точка. [34] Эти розетки можно использовать для изучения явления неупругого коллапса, при котором система движущихся частиц, встречающихся в неупругих столкновениях, объединяется в одной точке. [35]
Воздушный змей с углами 60°, 90°, 120°, 90° также может замостить плоскость за счет многократного отражения от ее краев; результирующая мозаика, дельтовидная тригексагональная мозаика , накладывает мозаику плоскости правильными шестиугольниками и равнобедренными треугольниками. [16] Дельтоидный икоситетраэдр , дельтоидный шестиконтаэдр и трапецоэдр представляют собой многогранники с конгруэнтными гранями в форме воздушного змея , [36] которые альтернативно можно рассматривать как мозаику сферы конгруэнтными сферическими змеями. [37] Существует бесконечно много гране-симметричных замощений гиперболической плоскости воздушными змеями. [38] Эти многогранники (эквивалентно сферическим мозаикам), квадратные и дельтовидные тригексагональные мозаики евклидовой плоскости, а также некоторые мозаики гиперболической плоскости показаны в таблице ниже, помечены конфигурацией грани (количество соседей каждой из четыре вершины каждого тайла). Некоторые многогранники и мозаики появляются дважды, под двумя разными конфигурациями граней.
Трапецоэдры — еще одно семейство многогранников, имеющих конгруэнтные грани в форме воздушного змея . В этих многогранниках края одной из двух сторон змея встречаются в двух «полюсных» вершинах, а края другой длины образуют экваториальный зигзагообразный путь вокруг многогранника. Они представляют собой двойственные многогранники однородных антипризм . [36] Часто встречающимся примером является пятиугольный трапецоэдр , используемый для изготовления десятигранных игральных костей . [16]
Математик Ричард Шварц изучал внешний бильярд на воздушных змеях. Внешний бильярд — это динамическая система , в которой из точки вне данного компактного выпуклого множества на плоскости проводят касательную к выпуклому множеству, идут от начальной точки по этой прямой до другой точки, равно удаленной от точки касания. , а затем повторяет тот же процесс. С 1950-х годов было открыто, может ли какая-либо система, определенная таким образом, создавать пути, уходящие на сколь угодно далеко от их начальной точки, и в статье 2007 года Шварц решил эту проблему, найдя неограниченные бильярдные траектории для воздушного змея с углами 72 °, 72 °. , 72°, 144°, такие же, как и в мозаике Пенроуза. [39] Позже он написал монографию , анализирующую внешний бильярд на предмет форм воздушных змеев в более общем плане. Для этой задачи любое аффинное преобразование воздушного змея сохраняет на нем динамические свойства внешнего биллиарда, и можно преобразовать любой воздушный змей в форму, в которой три вершины находятся в точках и , с четвертой в с в открытом единичном интервале . Поведение внешнего биллиарда на любом воздушном змее сильно зависит от параметра и, в частности, от того, является ли он рациональным . В случае воздушного змея Пенроуза , иррациональное число, где – золотое сечение . [40]
{{citation}}
: CS1 maint: location missing publisher (link)