KM2. Радиус окружностей, удовлетворяющих условию

Задача

Дана сфера радиуса [latex]1[/latex]. На ней расположены равные окружности [latex]\gamma_0[/latex], [latex]\gamma_1[/latex], [latex]\ldots[/latex], [latex]\gamma_n[/latex] радиуса [latex]r \left(n \ge 3\right)[/latex]. Окружность [latex]\gamma_0[/latex] касается всех окружностей [latex]\gamma_1[/latex], [latex]\ldots[/latex], [latex]\gamma_n[/latex]; кроме того, касаются друг друга окружности [latex]\gamma_1[/latex] и [latex]\gamma_2[/latex]; [latex]\gamma_2[/latex] и [latex]\gamma_3[/latex]; [latex]\ldots[/latex]; [latex]\gamma_n[/latex] и [latex]\gamma_1[/latex].
При каких [latex]n[/latex] это возможно? Вычислить соответствующий радиус [latex]r[/latex].

Входные данные

Количество окружностей [latex]n[/latex].

Выходные данные

Радиус окружностей [latex]r[/latex].

Тесты

Входные данные ([latex]n[/latex]) Выходные данные ([latex]r[/latex])
3 0.816497
4 0.707107
5 0.525731
6 Solution does not exist.

Код программы

Решение задачи

Каждой окружности на сфере можно сопоставить её «центр на сфере» — конец радиуса сферы, проходящего через центр окружности (никогда не лежащий на сфере). Эту точку мы будем называть «центром» окружности в кавычках, подчёркивающих, что это не «обычный» центр (рис. 2, а).

Заметим для точности, что такого определённого «центра» нет у окружностей больших кругов сферы. Но окружности, о которых идёт речь в условии задачи, заведомо не могут иметь радиус [latex]1[/latex], потому что окружности двух больших кругов не могут друг друга касаться, — они всегда пересекают друг друга в двух диаметрально противоположных точках сферы.

Точка касания двух окружностей, расположенных на сфере (см. рис. 2, б), лежит в плоскости [latex]P[/latex], проходящей через центры окружностей и центр сферы. Действительно, обе окружности симметричны относительно плоскости [latex]P[/latex], и если бы они имели общую точку по одну сторону плоскости [latex]P[/latex], то должны были бы иметь и симметричную ей общую точку по другую сторону [latex]P[/latex], а у них всего одна общая точка. Если эти окружности имеют один и тот же радиус [latex]r[/latex], то расстояние между их «центрами» равно [latex]2r[/latex], потому что на окружности большого круга, получающейся в пересечении сферы и плоскости [latex]P[/latex] (рис. 2, в), диаметры наших окружностей (чёрные отрезки) и отрезок, соединяющий их «центры» (красный), стягивают равные дуги.

Пусть [latex]A_0[/latex], [latex]A_1[/latex], [latex]A_2[/latex], [latex]\ldots[/latex], [latex]A_n[/latex] — «центры» окружностей [latex]\gamma_0[/latex], [latex]\gamma_1[/latex], [latex]\ldots[/latex], [latex]\gamma_n[/latex], о которых идёт речь в условии задачи. Тогда [latex]A_0 A_1=A_0 A_2=\ldots=A_0 A_n=A_1 A_2=A_2 A_3=\ldots=A_n A_1=2r[/latex], другими словами, [latex]A_0 A_1 A_2 \ldots A_n[/latex] — правильная [latex]n[/latex]-угольная пирамида с вершиной [latex]A_0[/latex], у которой все боковые грани — равносторонние треугольники со сторонами равными [latex]2r[/latex]. Итак, достаточно построить пирамиду, для которой выполнены эти условия, тогда точки [latex]A_0[/latex], [latex]A_1[/latex], [latex]\ldots[/latex], [latex]A_n[/latex] будут определять окружности радиуса [latex]r[/latex], с «центрами» [latex]A_0[/latex], [latex]A_1[/latex], [latex]\ldots[/latex], [latex]A_n[/latex], которые, очевидно, удовлетворяют условию задачи.

Поскольку сумма плоских углов выпуклого [latex]n[/latex]-гранного угла с вершиной [latex]A_0[/latex] меньше [latex]360^\circ[/latex]:
[latex]n\cdot60^\circ=[/latex]∠[latex]A_1 A_0 A_2+[/latex]∠[latex]A_2 A_0 A_3+\ldots+[/latex]∠[latex]A_n A_0 A_1<360^\circ[/latex], то [latex]n<6[/latex]. Для [latex]n=3[/latex], [latex]4[/latex] и [latex]5[/latex] нетрудно построить нужные пирамиды.

Пусть [latex]O[/latex] — центр сферы. Высота пирамиды [latex]h[/latex] и длина её рёбер [latex]2r[/latex] находятся из следующих соображений: радиус [latex]K A_1[/latex] основания пирамиды — катет [latex]\bigtriangleup A_0 K A_1[/latex] и боковая сторона [latex]\bigtriangleup A_1 K A_2[/latex], где ∠[latex]A_1 K A_2=2 \pi / n[/latex] (рис. 3, а , б),
[latex]\sqrt{4 r^2-h^2 \sin \frac{\pi}{n}}=r[/latex]

Из [latex]\bigtriangleup A_0 O A_1[/latex] имеем [latex]r=\frac{h}{2r}[/latex].

Отсюда [latex]h=2 r^2[/latex], [latex]r=\sqrt{1-\frac{1}{4 \sin^2 \frac{\pi}{n}}}[/latex]

Таким образом,
при [latex]n=3[/latex]: [latex]r=\sqrt{\frac{2}{3}}[/latex] [latex]\left( \sin \frac{\pi}{3}=\frac{\sqrt{3}}{2} \right)[/latex]
при [latex]n=4[/latex]: [latex]r=\sqrt{\frac{1}{2}}[/latex] [latex]\left( \sin \frac{\pi}{4}=\frac{\sqrt{2}}{2} \right)[/latex]
при [latex]n=5[/latex]: [latex]r=\sqrt{\frac{1-\sqrt{5}}{2}}[/latex]
(формулу [latex]\sin \frac{\pi}{5}=\frac{\sqrt{10-2 \sqrt{5}}}{4}[/latex] можно вывести из рисунка 4, с помощью которого строятся правильный десятиугольник и правильный пятиугольник).

Рисунки, использованные в решении

Рисунок 2:

Рисунок 3:

Рисунок 4:

Научно-популярный журнал «Квант», 1970 год, №7, страницы 51-53

Итоги:
Выведенная во время решения формула [latex]r=\sqrt{1-\frac{1}{4 \sin^2 \frac{\pi}{n}}}[/latex] справедлива только при [latex]n=3[/latex], [latex]4[/latex], [latex]5[/latex]. В случае, если задать значения больше этих, то выражение под корнем примет отрицательное значение, а в рамках данной задачи это будет говорить об отсутствии решения. Значения же меньше будут недопустимы, что было указано в условии.
Таким образом, программа выведет сообщение об отсутствии решения, если заданные значения [latex]n[/latex] отличны от вышеупомянутых. Если же условия будут соблюдаться, то задача выведет соответствующее значение радиуса.

Ссылки

One thought on “KM2. Радиус окружностей, удовлетворяющих условию

Добавить комментарий