Isaac Newton a 13 koulí (Problém líbání)

Podobné dokumenty
GYMNÁZIUM CHEB SEMINÁRNÍ PRÁCE

Pojmy: stěny, podstavy, vrcholy, podstavné hrany, boční hrany (celkem hran ),

Geometrické vidění světa KMA/GVS ak. rok 2013/2014 letní semestr

Pravidelný dvanáctistěn

Golayův kód 23,12,7 -kód G 23. rozšířený Golayův kód 24,12,8 -kód G 24. ternární Golayův kód 11,6,5 -kód G 11

Poznámka: U pravidelných těles lze sestrojit jejich síť i bez jejich zobrazení v Mongeově

Tělesa Geometrické těleso je prostorový omezený geometrický útvar. Jeho hranicí neboli povrchem je uzavřená plocha. Geometrická tělesa dělíme na

ROČNÍKOVÁ PRÁCE PRAVIDELNÝ DVACETISTĚN

SESTAVENÍ MODELU GEOMETRICKÉHO TĚLESA origami

Několik úloh z geometrie jednoduchých těles

1.1 Základní pojmy prostorové geometrie. Předmětem studia prostorové geometrie je prostor, jehož prvky jsou body. Další

Teoretická informatika Tomáš Foltýnek Barvení grafů Platónská tělesa

Drsná matematika III 9. přednáška Rovinné grafy: Stromy, konvexní mnohoúhelníky v prostoru a Platónská tělesa

U3V Matematika Semestr 1

Geometrické těleso je prostorově omezený geometrický útvar. Jeho hranicí, povrchem, je uzavřená plocha.

Konvexní útvary. Kapitola 4. Opěrné roviny konvexního útvaru v prostoru

Gymnázium Christiana Dopplera, Zborovská 45, Praha 5

7 Konvexní množiny. min c T x. při splnění tzv. podmínek přípustnosti, tj. x = vyhovuje podmínkám: A x = b a x i 0 pro každé i n.

Modelové úlohy přijímacího testu z matematiky

Obrázek 101: Podobné útvary

Mgr. Ladislav Zemánek Maturitní okruhy Matematika Obor reálných čísel

Modelové úlohy přijímacího testu z matematiky

Pátrání po vyšších dimenzích

Antonín Slavík Katedra didaktiky matematiky MFF UK. 50. výročí KDM MFF UK

Ludolfovo číslo přepočítá z diskrétního do Euklidova prostoru - 1

3.2 OBJEMY A POVRCHY TĚLES

Rovinné grafy. In: Bohdan Zelinka (author): Rovinné grafy. (Czech). Praha: Mladá fronta, pp

CZ 1.07/1.1.32/

Žák plní standard v průběhu primy a sekundy, učivo absolutní hodnota v kvartě.

Trojúhelník. Jan Kábrt

Matematické důkazy Struktura matematiky a typy důkazů

Základní pojmy: Objemy a povrchy těles Vzájemná poloha bodů, přímek a rovin Opakování: Obsahy a obvody rovinných útvarů

Maturitní témata z matematiky

Vzdělávací obsah vyučovacího předmětu

STEREOMETRIE 9*. 10*. 11*. 12*. 13*

Platónská tělesa. Hana Amlerová, 2010

Pohyby tuhého tělesa Moment síly vzhledem k ose otáčení Skládání a rozkládání sil Dvojice sil, Těžiště, Rovnovážné polohy tělesa

Test žáka. Zdroj testu: Celoplošná zkouška 2. Školní rok 2012/2013 MATEMATIKA. Jméno: Třída: Škola: Termín provedení testu:

Drsná matematika III 9. přednáška Rovinné grafy: Stromy, konvexní mnohoúhelníky v prostoru a Platónská tělesa

[obr. 1] Rozbor S 3 S 2 S 1. o 1. o 2 [obr. 2]

Matematika NÁRODNÍ SROVNÁVACÍ ZKOUŠKY DUBNA 2017

Výjezdní soustředění matematických talentů Karlov pod Pradědem

Otázky z kapitoly Stereometrie

Vzdělávací obsah vyučovacího předmětu

Matematický KLOKAN kategorie Junior

Maturitní okruhy z matematiky - školní rok 2007/2008

7. Gravitační pole a pohyb těles v něm

MATEMATIKA 5. TŘÍDA. C) Tabulky, grafy, diagramy 1 - Tabulky, doplnění řady čísel podle závislosti 2 - Grafy, jízní řády 3 - Magické čtverce

Geometrie. 1 Metrické vlastnosti. Odchylku boční hrany a podstavy. Odchylku boční stěny a podstavy

Geometrie zakřiveného prostoru aplikace s fyzikální tématikou

STEREOMETRIE. Odchylky přímek. Mgr. Jakub Němec. VY_32_INOVACE_M3r0114

je-li dáno: a) a = 4,6 cm; α = 28 ; b) b = 8,4 cm; β = 64. Při výpočtu nepoužívejte Pythagorovu větu!

Trojúhelníky. a jejich různé středy. Součet vnitřních úhlů trojúhelníku = 180 neboli π radiánů.

MATEMATIKA Charakteristika vyučovacího předmětu 2. stupeň

Státní závěrečná zkouška z oboru Matematika a její použití v přírodních vědách

1.4.6 Stavba matematiky, důkazy

Matematika. 7. ročník. Číslo a proměnná celá čísla. absolutní hodnota čísla. zlomky. racionální čísla

Voronoiův diagram. RNDr. Petra Surynková, Ph.D. Univerzita Karlova v Praze Matematicko-fyzikální fakulta

5.4.1 Mnohostěny. Předpoklady:

3 Geometrie ve škole. krychle a její obrázek, koule a její stín, průměty trojrozměrného útvaru do roviny

Trojúhelník a čtyřúhelník výpočet jejich obsahu, konstrukční úlohy

Modernizace výuky na Fakultě stavební VUT v Brně v rámci bakalářských a magisterských studijních programů CZ / /0292

osobnostní rozvoj cvičení pozornosti,vnímaní a soustředění při řešení příkladů,, řešení problémů

Požadavky na zápočet a zkoušku

Fourierovské metody v teorii difrakce a ve strukturní analýze

FYZIKA I. Gravitační pole. Prof. RNDr. Vilém Mádr, CSc. Prof. Ing. Libor Hlaváč, Ph.D. Doc. Ing. Irena Hlaváčová, Ph.D. Mgr. Art.

MATEMATIKA III. π π π. Program - Dvojný integrál. 1. Vypočtěte dvojrozměrné integrály v obdélníku D: ( ), (, ): 0,1, 0,3, (2 4 ), (, ) : 1,3, 1,1,

Copyright 2013 Martin Kaňka;

Mechanika tuhého tělesa

MNOŽINY BODŮ. Základní informace o materiálu

pro každé i. Proto je takových čísel m právě N ai 1 +. k k p

Digitální učební materiál

Témata ke státní závěrečné zkoušce z matematiky ARITMETIKA

Dualismus vln a částic

Každá kružnice má střed, označuje se S. Všechny body kružnice mají od středu S stejnou vzdálenost, říká se jí poloměr kružnice a označujeme ho r.

TEMATICKÝ PLÁN. září říjen

Předpokládané znalosti žáka 1. stupeň:

Maturitní témata profilová část

ICT podporuje moderní způsoby výuky CZ.1.07/1.5.00/ Matematika planimetrie. Mgr. Tomáš Novotný

Projekt OP VK č. CZ.1.07/1.5.00/ Šablony Mendelova střední škola, Nový Jičín. Rovnoběžníky čtverec, obdélník, kosočtverec, kosodélník

Lasery RTG záření Fyzika pevných látek

CVIČNÝ TEST 5. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Václav Zemek. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 17 IV. Záznamový list 19

NESTANDARDNÍ APLIKAČNÍ ÚLOHY A PROBLÉMY

A STEJNOLEHLOST,, EUKLIDOVYE VĚTY 2.

Semestrální práce z předmětu KMA/MM. Voroneho diagramy

matematika 5 stavební fakulta ČVUT 1. Poměr objemů pravidelného čtyřbokého hranolu a jemu vepsaného rotačního válce je

Úlohy domácího kola kategorie B

Bakalářská matematika I

Úterý 8. ledna. Cabri program na rýsování. Základní rozmístění sad nástrojů na panelu nástrojů

Geometrie pro počítačovou grafiku - PGR020

od zadaného bodu, vzdálenost. Bod je střed, je poloměr kružnice. Délka spojnice dvou bodů kružnice, která prochází středem

Cvičení z Lineární algebry 1

SMART Notebook verze Aug

Pythagorova věta a pythagorejské trojúhelníky-ondřej Zeman Asi 600 př.n.l

AXONOMETRIE. Rozměry ve směru os (souřadnice bodů) jsou násobkem příslušné jednotky.

Definice 3. Kruhová inverze určená kružnicí ω(s, r) (viz Obr. 6) je zobrazení, které každému bodu X S přiřadí bod X tímto způsobem:

Matematika a její aplikace Matematika 1. období 3. ročník

Tento výukový materiál byl vytvořen v rámci projektu MatemaTech Matematickou cestou k technice.

Základní škola Blansko, Erbenova 13 IČO

Transkript:

Isaac Newton a 13 koulí (Problém líbání) Jan Kábrt

Koule je nejpravidelnější a v jistém smyslu nejjednodušší tvar v našem trojrozměrném světě. V 17. století byl ohledně koulí řešen tzv. problém líbání. Je snadné jej formulovat a nazřít. A je snadné podlehnout při jeho nazření předsudkům.

O čem bude řeč 1. Problém líbání 2. Newton a Gregory 3. Prezentace problému na českém webu 4. Prezentace na webech v angličtině 5. Problém líbání a pravidelná tělesa 6. Kolik je tedy volného místa? 7. Souvislost s hmotným světem 8. Problém líbání v prostorech vyšší dimenze

1. Problém líbání Jaký největší počet koulí může obklopit centrální kouli tak, aby se jí dotýkaly? Všechny koule budiž shodné. Tradiční terminologie: Obklopující koule líbají centrální kouli.

Snadné úvahy pro začátek Šest obklopujících koulí v jedné vrstvě může být pouze v případě, že se dotýkají centrální koule na její hlavní kružnici.

Jde o problém líbání pro dvojrozměrný prostor.

Ve 3-d uvažujme čtyři vrstvy koulí, které mají na obrázku vodorovný směr. 1. Kolik koulí se vejde do druhé 2. nebo třetí vrstvy? (Šest by bylo mnoho. Dotyk je na menší než 3. hlavní kružnici.) 4. ((14 líbajících se nevejde.))

Do druhé a třetí vrstvy se vejde po pěti koulích. Oranžová kružnice s dotyky má od šedé hlavní kružnice úhlovou vzdálenost (deklinaci) více než 31o 43. My chceme umístit koule s dotyky na deklinaci 30.

Líbajících koulí tedy může být nejméně 12. 30o Úhel 31o 43 3 (přesně potkáme. 31o 43 3 ) ještě

Dnes známá skutečnost Obklopujících koulí může být 12, nikoli 13. Mohou být umístěny do středů stěn pravidelného dvanáctistěnu tedy do vrcholů pravidelného dvacetistěnu.

2. Newton a Gregory Dne 4. května 1694 diskutovali Isaac Newton a David Gregory o kosmických tělesech a jiných vědeckých problémech. O 16 let mladší Gregory se choval k Newtonovi jako k váženějšímu a erudovanějšímu vědci. O Newtonových úvahách si dělal poznámky.

Cambridge 4. 5. 1694 diskuse nebo Newtonova přednáška Gregory prý občas nestíhal a Newton mu bral poznámky z ruky a psal a maloval do nich osobně. Při řeči o hvězdných velikostech se dostali k problému líbajících se koulí.

Isaac Newton (1659 1708) k líbajícím se koulím prohlásil, že koulí je třináct včetně koule centrální. Obr.: http://www.theguardian.com/science/2008/may/01/peopleinscience.physics

David Gregory (1659 1708) s Newtonem nesouhlasil. Vyslovil domněnku, že koulí může být třináct kolem centrální koule. Obr.: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:david_gregory_mathematician.jpg

3. Prezentace problému na českém webu Mnohé české texty k problému líbajících se koulí obsahují (často i doslovně shodná) vyjádření určitého typu, která mohou svádět k představám, jež neodpovídají realitě. Týká se to i textů označených jako diplomová či ročníková práce.

Předsudky v některých pracích Počet dvanácti obklopujících koulí je podle mnohých českých textů jasný. Obklopující koule jsou ve vrcholech dvacetistěnu, dokonce se tak sami fyzicky řadí a ten dvaceti- či dvanáctistěn vytvoří. (Míčky stažené prožnou fólií.)

Volného místa mezi dvanácti koulemi je podle takových autorů velmi málo, nebo se o něm příliš nezmiňují.

Přitom je text často doprovázen (většinou stejným) obrázkem bez centrální koule, na němž je volné místo zveličeno:

4. Prezentace problému na webech v angličtině Na anglických webech lze najít mnohé texty, které Gregoryho (nesprávnou) domněnku považují za docela logickou. Lze najít i teoretické určení volného místa pro 14,9 obklopující koule.

Volné místo mezi dvanácti Odvození místa pro další 2,9 koule ale započítává i prostor, který je mezi dotýkajícími se koulemi nutně prázdný.

5. Problém líbání a symetrická tělesa Mezi nejznámější souměrná tělesa patří pravidelné mnohostěny pět platónských těles. ( Pravidelnost je zde pojata nejpřísněji.) Obr.: http://bg.convdocs.org/docs/index-105888.html?page=4

Dualita platónských těles (stěny vrcholy) Obr.: http://bg.convdocs.org/docs/index-105888.html?page=4

Dualita spočívá v záměně stěn a vrcholů. Lze ji snadno nahlédnout při umisťování jednoho z duálních těles do druhého. (Vrcholy vnitřního jsou ve středech stěn vnějšího.) Také lze uvažovat otočení hran o pravý úhel kolem spojnice středu hrany se středem tělesa.

Dvanáctistěn, dvacetistěn a zlaté obdélníky Obr.: http://mathworld.wolfram.com/dodecahedron.html, http://www.orchidpalms.com/polyhedra/icosa/phi.htm, http://www.goldennumber.net/geometry/

Zlatý obdélník

Archimédovská (polopravidelná) tělesa Obr.: http://robertlovespi.files.wordpress.com/2012/10/archimedean-solids.jpg

Symetrická rozmístění dvanácti obklopujících koulí Rozmístění podle dvanáctistěnu resp. dvacetistěnu není jedinou symetrickou možností. Jde o čtyři vrstvy s počty 1 5 5 1 a s otočením pětičetných o 36 stupňů.

Symetrická rozmístění dvanácti obklopujících koulí Druhou možností je 3 6 3 resp. 4 4 4 to je shodné rozmístění. (Dokázal Kepler.) Třetí variantou je 1 5 5 1 bez otočení pětičetných vrstev o desetinu plného úhlu.

Obr.: http://blog.zacharyabel.com/2011/10/kissing-spheres/

6. Kolik je tedy volného místa? Vyjděme z pravidelného rozmístění koulí, to je ve středech stěn pravidelného dvanáctistěnu. Spojnice středu centrální koule se středy obklopujících koulí spolu svírají úhly, to je přibližně 31o 43 3. Lze určit mezery mezi obklopujícími koulemi. Je to 2(2 sin 1) násobek poloměru.

31o 43 3 31o 43 3

Mezera něco přes 5,1 % průměru

Netřeba větším než proto, že uvažujeme zvětšení pro zjištění volného místa. Nechceme větší koule vzdalovat od středu centrální koule. Dále však využijeme skutečnost, že při průřezu sférou místo roviny se zvětšují plochy vrchlíků výrazněji než přímé vzdálenosti bodů na sféře.

Dnes je známo, že Newtonova domněnka 13 včetně byla správná. Šlo o domněnku, byť sám Newton napsal asi r. 1717 známý výrok hypotheses not fingo. Volné místo mezi obklopujícími koulemi a nesnadnost důkazu jeho nevyužitelnosti příliš neopravňuje k výrokům o zřejmosti řešení a již vůbec ne o samořazení koulí do dvanáctistěnu resp. dvacetistěnu.

Důkaz Newtonovy domněnky provedli až roku 1953 Kurt Schütte a Bartel Leendert van der Waerden. Obr.: http://www.uni-marburg.de/fb12/historie/historie-bilder/bilder-prof/schuette/view, http://serge.mehl.free.fr/chrono/waerden.html

Rok 1953 není pro matematiku zrovna prehistorie. Dříve byly vyřešeny například tyto matematické problémy: 1806 základní věta algebry J.-R. Argand (1768 1822) 1873 transcendence e Ch. Hermite (1822 1901) 1882 transcendence p C. L. F. Lindeman (1852 1939) 1938 nalezení dokonalého čtverce skupina v Cambridge Naopak později bylo např. dokázáno: 1963 bezespornost hypotézy kontinua i její negace v ZF teorii množin P. Cohen (1934 2007) 1994 velká Fermatova věta A. J. Wiles (nar. 1953) 2002 Keplerova hypotéza pomocí počítače

7. Souvislost s hmotným světem Atomy v krystalové mřížce. Kosmologie. Obr.: http://www.astronomynotes.com/cosmolgy/s5.htm

8. Problém líbání v prostorech vyšší dimenze Dimenze Dolní mez Horní mez 1 2 2 6 3 12 4 24 5 40 44 6 72 78 7 126 134 8 240 9 306 364 10 500 554 24 196 560 Zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/kissing_number_problem

Líbání ve vyšších dimenzích (Závislost se zdá býti exponenciální, základ se těžko odhaduje.) Zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/kissing_number_problem