Pure Mathematics
Vol.
11
No.
01
(
2021
), Article ID:
40127
,
12
pages
10.12677/PM.2021.111019
从四面体到N维单形的棱切球心、热尔岗点、奈格尔点及其坐标公式
李兴源
广州一智通供应链管理有限公司,广东 广州
收稿日期:2020年12月21日;录用日期:2021年1月22日;发布日期:2021年1月29日
摘要
四面体存在棱切球的充要条件是该四面体的三组对棱之和相等。对于存在棱切球的四面体,本文给出其棱切球心、热尔岗点、奈格尔点的坐标公式,并将这三者的坐标公式推广至存在棱切超球面的n维单形。
关键词
四面体,棱切球,热尔岗点,奈格尔点,n维单形
Edge-Tangent’s Sphere Center, Gergonne Point, Nagel Point and Their Coordinate Formula from Tetrahedron to N-Simplex
Xingyuan Li
Guangzhou 1ziton Supply Chain Management Co., Ltd., Guangzhou Guangdong
Received: Dec. 21st, 2020; accepted: Jan. 22nd, 2021; published: Jan. 29th, 2021
ABSTRACT
The sufficient and necessary condition for the tetrahedron to have an edge-tangent’s sphere is that the sum of the three groups of opposite sides is equal in the tetrahedron. For a tetrahedron with an edge-tangent’s sphere, the coordinate formula of the edge-tangent’s sphere center, Gergonne Point and Nagel Point is given in this paper, and the coordinate formulas of these three points are extended to n-simplex with an edge-tangent’s hypersphere.
Keywords:Tetrahedron, Edge-Tangent’s Sphere, Gergonne Point, Nagel Point, n-Simplex
Copyright © 2021 by author(s) and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
1. 引言
如图1所示,若四面体ABCD存在棱切球,各棱上的切点分别为
、
、
、
、
、
。本文约定O为坐标原点,A、B、C、D四点的坐标分别为
、
、
、
;设
,
,
,
[1] .
Figure 1. The tangent points on edge-tangent’s sphere of the tetrahedron
图1. 四面体棱切球上的各切点
2. 棱切球心的坐标公式
2.1. 四面体的棱切球心
若四面体ABCD的三组对棱之和相等即存在棱切球,则四面体ABCD的棱切球心坐标为
。其中,
,
,
,
.
证明:设四面体ABCD的棱切球心为P,由棱切球的性质可知
,
,
[2] .
再设平面
、
、
分别过
、
、
且分别垂直于AB、AC、AD,则四面体ABCD的棱切球心P即为
、
、
这三个平面的交点。
由定比分点公式可得
、
、
三点的坐标分别为
、
、
。
则平面
的方程为:
.
整理可得:
. ①
同理平面
、
的方程分别为:
. ②
. ③
联立① ② ③所组成的线性方程组,并运用克拉姆法则解得 [3]:
,
,
.
2.2. N维单形的棱切球心
由文献 [4] 可知,n维单形
存在棱切超球的充要条件是其各棱长满足:
, (
,
).
设
的坐标为
,参照前面的方法可以求出n维单形
的棱切超球球心坐标为
。其中,
,
,
,
,
.
3. 热尔岗(Gergonne)点的坐标公式
对于图1所示的四面体ABCD,设在A、B、C、D四点所对之面上的热尔岗点分别为
、
、
、
。
3.1. 三角形的热尔岗(Gergonne)点
如图2所示,对于图1所示四面体ABCD中的三角形ABC:A、B、C分别与三角形ABC的内切圆在对边上的切点
、
、
的连线
、
、
三线相交的热尔岗点为
。由前面引言可知
,
,
.
则
的坐标为
.
Figure 2. Gergonne points in triangle (Gergonne point)
图2. 三角形的切心(热尔岗点)
证明:由定比分点公式,有
,
,
.
设
,
,
,
则
有以下三种表示:
,
,
.
对上面三式的
、
、
的系数分别进行比较,可得
, ①
, ②
, ③
把上面三式相乘并整理可得
;
再分别把① ② ③中的任意两式相乘并整理可得
,
,
.
解得
,
,
.
因此
.
3.2. 四面体的热尔岗(Gergonne)点
对于图1所示的四面体ABCD,由文献 [5] 可知,
、
、
、
这四条直线在四面体ABCD内交于一点,设该点为G即四面体ABCD的热尔岗(Gergonne)点。
由前面引言可知
,
,
,
,
,
.
则G的坐标为
.
证明:由于
;
同理
,
,
.
因为点G为
、
、
、
这四条直线的交点,设
,
,
,
.
则
有以下四种表示:
,
,
,
.
对上面四式的
、
、
、
的系数分别进行比较,可得
,
,
,
.
对上面四式联立可得
.
解得
,
,
,
.
因此
.
3.3. N维单形的热尔岗(Gergonne)点
若n维单形
存在棱切超球,且各棱长满足:
, (
,
).
设
、
、
、
各点在其所对之面上的热尔岗点分别为
、
、
、
。则诸直线
、
、
、
在n维单形
内交于一点,设该点为G即n维单形
的热尔岗点,其坐标为
.
证明:前面已经证明了当
时命题成立。假设当
时命题同样成立
,现使用数学归纳法证明当
时命题依然成立。由归纳假设可得
,
.
若点G为
、
、
、
这
条直线的交点,设
.
则
.
对上式中的i分别取0到
之间的各个整数值,并对
的系数分别进行比较,可得
,
.
对上式中的i、j取遍各种符合条件的取值并联立可得
.
解得
.
因此
.
故
时命题均成立。
4. 奈格尔(Nagel)点的坐标公式
由文献 [6] 可知,若四面体ABCD存在内棱切球,则四面体ABCD在各棱的临棱区均存在侧棱切球。如图3所示,对于同时存在内棱切球和6个侧棱切球的四面体ABCD,其6个侧棱切球在各棱上的切点分别为
、
、
、
、
、
。
Figure 3. The tangent points of six chamfered edge- tangent’s sphere on each edge of the tetrahedron
图3. 四面体6个侧棱切球在各棱上的切点
4.1. 三角形的奈格尔(Nagel)点
对于图3所示的四面体ABCD,根据侧棱切球的性质可知:直线
、
、
的交点
为三角形BCD的奈格尔点;直线
、
、
的交点
为三角形ACD的奈格尔点;直线
、
、
的交点
为三角形ABD的奈格尔点;直线
、
、
的交点
为三角形ABC的奈格尔点。根据三角形等距共轭点的性质,设
,
,
,
.
则
、
、
、
的坐标分别为
,
,
,
[7] .
4.2. 四面体的奈格尔(Nagel)点
对于图3所示的四面体ABCD,
、
、
、
这四条直线在四面体ABCD内交于一点,设该点为N即四面体ABCD的奈格尔(Nagel)点。又
,
,
,
,
,
.
则N的坐标为
.
证明从略,可参考前面四面体热尔岗点坐标的计算方法。
4.3. N维单形的奈格尔(Nagel)点
若n维单形
存在棱切超球,且各棱长满足:
, (
,
).
设
、
、
、
各点在其所对之面上的奈格尔点分别为
、
、
、
。则诸直线
、
、
、
在n维单形
内交于一点,设该点为N即n维单形
的热尔岗点,其坐标为
.
证明从略,同理可参考前面对n使用数学归纳法进行证明。
文章引用
李兴源. 从四面体到N维单形的棱切球心、热尔岗点、奈格尔点及其坐标公式
Edge-Tangent’s Sphere Center, Gergonne Point, Nagel Point and Their Coordinate Formula from Tetrahedron to N-Simplex[J]. 理论数学, 2021, 11(01): 131-142. https://doi.org/10.12677/PM.2021.111019
参考文献
- 1. 贺斌. 四面体存在棱切球的一个充要条件[J]. 中学数学月刊, 1998(3): 46.
- 2. 翁玉中. 关于多面体的棱切球的存在性[J]. 中学数学月刊, 1997(8): 14-16.
- 3. 赵艳. 克拉姆法则证明的新方法与几何解释[J]. 数学教学研究, 2012, 31(3): 53-54.
- 4. 林祖成. n维单形的棱切超球[J]. 数学实践与认识, 1995(4): 90-93.
- 5. 曾建国. 四面体的约尔刚(Gergonne)点[J]. 数学通讯, 2009, 12(2): 31-32.
- 6. 曾建国. 四面体的侧棱切球与奈格尔(Nagel)点[J]. 中学数学教学, 2010(4): 58-60.
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