平面常宽凸体的构造
Construction of the Planar Bodies with Constant Width
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收稿日期: 2019-12-19
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Received: 2019-12-19
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Firstly, a class of planar curves "lever wheel" and their arm functions are defined, and the parameter representation of the lever wheel is established in this paper. Secondly, it is shown that the lever wheel is an equivalent characterization of the constant width curve. Finally, it is proven that the Reuleaux polygons are a class of lever wheels with piecewise constant arm functions, and Reuleaux polygons with even edges are constructed.
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张德燕, 段博韬.
Zhang Deyan, Duan Botao.
1 引言
设
常宽凸集的概念由欧拉首次提出. 1876年, Reuleaux构造了以正三角形三个顶点为圆心, 边长为半径的外接圆弧组成的非圆的常宽曲线, 人们称之为Reuleaux三角形.该方法被推广在奇数边正多边形上得到Reuleaux正多边形.之后, Meissner将Reuleaux三角形推广至三维空间, 构造出两种不同的三维常宽凸集[1-2]. 1915年, Blaschke与Lebesgue分别证明了平面上等宽度的常宽凸体中Reuleaux三角形面积最小, 这个定理就是著名的Blaschke-Lebesgue定理.对于这个命题, 国内外的数学家们又先后给出了其它巧妙的证明[1,3-5].数学家十分关注Blaschke-Lebesgue定理的高维情形, 并提出了Blaschke-Lebesgue问题, 即高维等宽度的常宽凸体中谁的体积最小.长久以来, 人们猜测Meissner体是三维Blaschke-Lebesgue问题的解, 但至今未被证明.为此, 数学家不断尝试构造新的常宽凸集并研究其几何性质. 2003年, 潘生亮教授在文献[6]中利用Minkowski支撑函数得到了一类新的光滑的常宽凸集. 2007年, Lachand-Robert与Qudet用数学归纳法给出了一种
本文将讨论如何构造平面常宽曲线.为此, 我们首先定义了一类平面曲线, 称为杠杆轮(见正文中定义3.1), 并利用臂函数(见正文中第3节)给出杠杆轮的参数表示.其次, 我们证明了杠杆轮是平面常宽曲线的一种等价刻画.最后, 我们构造了一类臂函数为三角函数形式的常宽曲线, 并表明广义Reuleaux多边形(即由若干段圆弧围成的平面常宽凸体)是臂函数为分段常函数的一类杠杆轮.在此基础上, 构造了具体的广义Reuleaux多边形, 特别是偶数边的广义Reuleaux多边形.
2 基本概念
记
定义2.1 设
为
当
定义2.2 设
一般地, 称
设
3 杠杆轮的定义及参数方程
一般地, 常宽曲线由极值点构成, 即一个常宽曲线与其在任意方向上支撑线的交都为单点集(极值点定义参见文献[9]).因此, 设
(ⅰ)
特别地, 当
(ⅱ)
下面我们将对局部具有性质(ⅰ)和(ⅱ)的曲线进行研究.
定义3.1 设
其中
注3.1 杠杆轮
设
结合定义3.1中的条件(ⅱ), 可得
由(3.2)式, 可得
由
因此,
由
为杠杆轮
引理3.1 对任意的
证 由定义3.1中的条件(ⅰ)与(3.3)式, 可得
由定义3.1中条件(ⅱ)与(3.4)式, 可得
即
因为
记
注3.2 可以看出, 杠杆轮
且由引理3.1中的条件(ⅰ)可得
注3.3 对任意
注3.4 设杠杆轮
定理3.1(杠杆轮的参数方程) 若
且
其中
反过来, 若
为杠杆轮.
证 (1)
结合(3.4)式可得
令
当
结合定义3.1中的条件(ⅱ), 则有
结合引理3.1可知臂函数
(2) 设函数
首先, 证明曲线
即
结合性质(ⅱ)可得
其次, 由步骤(1)的证明过程可以看出(3.6)式成立, 进而(3.5)式也成立, 故定义3.1中的条件(ⅰ)成立.下面证明定义3.1中的条件(ⅱ)也是成立的.
任意取定
当
令
4 杠杆轮是常宽曲线的等价刻画
上一节通过观察Reuleaux多边形的特征定义了一类平面曲线:杠杆轮.本节将证明杠杆轮是常宽曲线的一种等价刻画.
引理4.1 下列各条款等价
证 (ⅰ)
(ⅱ)
令
由
令
这与定义2.2矛盾, 故(ⅱ)
(ⅲ)
看出,
同理
因此
同理,
若将
因为
故
(ⅱ)
对
进而
事实上, 若
因此
引理4.2 设曲线
证 设
其中
当
当
当
故
下面证明
令
进而,
定理4.1(常宽曲线的等价刻画)
证 充分性.设
由定义3.1中的条件(ⅱ)可得
故杠杆轮为广义常宽集.进一步, 结合已知条件
必要性.设
由引理4.1中步骤(ⅲ)
即
显然,
同理,
设
解得
若任意给定
又
5 平面常宽凸体的构造
下面我们利用定理3.1和定理4.1构造一类平面常宽曲线.设
其中
结合定理3.1和定理4.1可以证明, 函数
是杠杆轮(或常宽曲线)的臂函数当且仅当齐次线性方程组
成立且非零常数
记
利用(5.1), (5.2)和(5.5)式可以得到
其中
例5.1 当
其中
图 1
例5.2 当
其中
图 2
我们把包含圆与Reuleaux多边形在内的所有可以分割为若干段圆弧的常宽曲线统称为广义Reuleaux多边形.下面我们讨论广义Reuleaux多边形的构造.由定理3.1和定理4.1可知, 对任意宽度为
定理5.1 任意广义
证 首先, 设
设
且对任意
即在
其次, 设
其中右开区间
是半径为
事实上, 构造广义Reuleaux多边形就是构造臂函数为分段常函数的杠杆轮.为此, 我们设
其中右开区间
结合定理3.1和定理5.1可以证明, 若
成立且非零常数
则分段常函数
是广义Reuleaux多边形的臂函数.反之, 若任意广义Reuleaux多边形的臂函数
设分段常函数
是广义Reuleaux多边形
易看出, 当常数
其中非负整数
综上所述, 将区间
例5.3 将区间
设直径长度
图 3
例5.4 将区间
设直径长度
图 4
6 小结
为了构造平面常宽凸体, 我们基于Reuleaux多边形的性质定义了一类平面曲线, 称为杠杆轮, 它是平面常宽曲线的一种等价刻画.我们引入了杠杆轮的臂函数, 用臂函数给出了杠杆轮的参数表示, 从而给出了常宽曲线的一种不同于支撑函数表示的参数方程.特别地, 本文定义的臂函数区别于支撑函数.首先, 臂函数不依赖于原点位置.其次, 可以用臂函数的积分表示曲线参数方程, 不要求臂函数的连续性, 并且比支撑函数更便于构造Reuleaux多边形.
另外, 本文构造了一类臂函数为三角函数形式的常宽曲线, 并且推广了经典的Reuleaux多边形, 得到了广义Reuleaux多边形.
参考文献
Analytic proof of Blaschke's theorem on the curve of constant breadth with minimum area
,
A direct proof of a theorem of Blaschke and Lebesgue
,DOI:10.1007/BF02930861 [本文引用: 1]
切线极坐标的一个应用
,
An application of the polar tangential coordinate
Bodies of constant width in arbitrary dimension
,DOI:10.1002/mana.200510512 [本文引用: 1]
一类常宽"等腰梯形"
,DOI:10.3969/j.issn.0253-2778.2011.10.002 [本文引用: 1]
On the isosceles trapezoids of constant width
DOI:10.3969/j.issn.0253-2778.2011.10.002 [本文引用: 1]
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