Свети Климент Охридски” факултет по математика и информатика



Дата31.12.2017
Размер265.06 Kb.
#38389
Софийски университет

Свети Климент Охридски”



ФАКУЛТЕТ ПО МАТЕМАТИКА И ИНФОРМАТИКА


ПРОЕКТ

ПО ДИСЦИПЛИНАТА

Избрани глави от комбинаториката и теорията на графите
Проф. Николай Хаджииванов
ТЕМА: Пластична хирургия и комбинаторна топология

Увод
Математиката е онова, чрез което хората управляват природата и себе си.”
А.Н. Колмогоров
Що е то „Пластична хирургия и комбинаторна топология”?

В последните години се наблюдава тенденция към увеличаване броя на пластичните операции в света като цяло. Всеки човек желае да корегира част от своето лице и тяло.

Поради тази причина в следващия материал ще поднеса на драгия читател малко повече информация за това що е то „пластична хирургия” и има ли приложение на математиката в това „изкуство” за оформяне на човешкото тяло.
Топологията (от гр. топос - място, логос - наука) е математика на деформациите. Тя изследва начините, по които фигурите се деформират, без да променят основните си елементи.
Първите сериозни трудове по топологията откриваме в работите на немските математици А. Мьобиус и Й. Листинг от средата на 19 век. Листинг пръв въвежда термина топология (около 1847). За истински 'баща' на топологията се смята Анри Поанкаре, който според Мьобиус дава на топологията крила, с основополагащите си трудове от края на 19 век. До това време името топология още не е наложено, използуват се analysis situs(лат. анализ на мястото) или geometria situs (лат. геометрия на мястото). Топологията се дели условно на алгебрична и обща.
Пластичната хирургия обединява естетична и реконструктивна хирургия.

Основна цел на естетичната хирургия е подмладяването и разкрасяването, а на реконструктивната - възстановяването на анатомията и функцията на тъканите на лицето и тялото.


Естетична хирургия представлява:

- корекции на лицето (нос, уши, устни, клепачи, белези, лифтинг и други);

- тялото (гърди, пластика на корем, липосукция, белези и други).
Реконструктивна (възстановителна) хирургия се занимава с възстановяване при:

- вродени аномалии (цепнатини на лицето, деформации и липса на лицеви органи и други);

- последствия от мекотъканни и костни травми;

- последствия от туморен процес.

Краниофациална хирургия - създадена от френския хирург Пол Тесие през 60-те години на 20 век. Тя обединява знания на пластични, лицево-челюстни, неврохирурзи, офталмолози, УНГ и цели на един етап да се решат комплексни проблеми, засягащи черепа и лицето.
Интересното тук е, че още древните гърци установяват, че формите в природата отговарят на определена геометрична пропорция. Но едва през Ренесанса Леонардо да Винчи установява, че ключът към красотата е пропорцията 1:1,618. Така например разстоянието от пода до пъпа, после и от пъпа до главата, ако сте съразмерни пропорцията трябва да бъде 1:1,618. Така също в едно красиво лице широчината на устата е 1:1,618 от широчината на носа. Също съотношението в широчината на централния резец (зъб) и страничния резец е 1:1,618. Това съотношение се наблюдава навсякъде в красивото тяло.
Идеята, че математиката може да обясни всяко красиво лице е доразвита от Стивън Маркроард. Той съчетава триъгълници и петоъгълници в пропорция в 1:1,618 и прави маска. Колкото повече едно лице пасва на маската толкова по-красиво е то. Маската важи за женско и за мъжко лице. Маската се използва успешно като шаблон при отстраняване на дефекти във лицата на пациентите.

И винаги помнете - най-привлекателното изражение на лицето е усмивката.


За да стане по-ясно какво се иска да се представи на уважаемия читател на този проек в началото ще въведа и някои основни понятия, без които трудно ще постигна целта си. Като начало ще запозная читателя с това що е изображение, образ, ретракция, триангулация, скок и други понятия от математиката.



Изложение:
Ретракции на триъгълна и правоъгълна области
Да си представим една триъгълна рамка, върху която е опъната и залепена ципа без дупки в нея. Можем ли да изтеглим тази ципа върху рамката без да я скъсаме? Интуитивно ясно е, че това не е възможно, колкото и еластична да е ципата. Щом е така, не би било безинтересно да изучим колко голямо е разкъсването на ципата при изтеглянето й върху рамката. Точно това ще направим в настоящата статия. Преди всичко трябва да формулираме задачата коректно, а за тази цел е необходимо да дадем строги математически дефиниции на използваните по-горе интуитивни понятия като „изтегляне на залепена върху рамка ципа", „големина на разкъсване" и т.н.. Резултатите от тази статия дават отговор на въпрос, поставен в монография по плас­тична хирургия.
Изображения в равнината. Осцилация и непрекъснатост. Скок.

Ще фиксираме координатна система в равнината R2. Точките в равнината можем да интерпретираме като наредени двойки от реал­ни числа - координатите им. Ако х0 е точка от R2, под δ-околност на х0 разбираме множеството на онези точки x от R2, разстоянието на които до х0 е по-малко от δ, т. е. |х0х| < δ; означаваме я с Oδ0).


Нека А е множество в равнината, на всяка точка x от което е съ­поставена точка f(x) от множество В в равнината. Казваме, че е зададе­но изображение f: A —► B и точката f(x) наричаме образ на х.

По аналогия с функциите (на реален аргумент) изображението f се нарича непрекъснато в точката х0 от А, когато за всяко ε > 0 същест­вува такова δ > 0, че ако x е произволна точка от А, която се съдържа в 0δ0), образът й f(x) се съдържа в Oε(f(x0)). Изображението f е прекъснато в х0, когато поне за едно ε0 > 0 не съществува δ с горното свойство или, с други думи, ако за всяко δ > 0 има точка x от А, която е от 0δ0), но f(x) ¢ Oεo(f(x0)).

За да измерваме по целесъобразен начин „големината на прекъс­ването", ще въведем следното понятие: осцилацията на f в х0 не над­минава е (записваме w(f,x0) ≤ ε), ако може да се намери такова δ > 0, че за всеки две точки x',x" от А, които принадлежат на Оδв), да е изпълнено неравенството |f(x')f(x")| ≤ ε.
Ретракции и псевдоретракции. Теорема на Брауер.

Нека A и B са две множества в R2 и A В, a r: A —► B е изображение. Казваме, че г е ретракция на А върху В, ако r(х) = x за всяко x ℮ В.


Теорема на Брауер за ретракциите на кръг върху контурната му

окръжност

Всяка ретракция на кръга върху контурната му окръжност

е прекъсната поне в една точка.
Теорема на Брауер за неподвижната точка

Нека f : D —► D е изображение на кръга D в себе си, което е непрекъснато във всяка точка. Тогава има поне една точка х0, за която f(x0) = х0. (Точката х0 се

нарича неподвижна точка за изображението f.)
Триангулации. Лема на Шпернер.

Триангулация на триъгълната област Τ’ с контур Τ = ∆АВС оз­начава подразделянето й на краен брой триъгълни области така, че всеки две от тях или нямат никаква обща точка, или имат само една обща точка, която е общ и за двете връх, или общите им точки запъл­ват една отсечка, която е страна и на двете. Една страна на (област от) подразделението се нарича външна, ако е върху страна на Τ и вътреш­на - в противен случай. Всяка външна страна е страна на точно една област от подразделението, а всяка вътрешна - на две.

Ще казваме, че е зададена правилна номерация на триангулацията, ако на всеки връх на (област от) триангулацията е съпоставено някоя от числата 1, 2, 3, като това е направено произволно за вътрешните върхове, но е подчинено на следното гранично условие за външните (тези, които са върху страните на T’): върховете А, В, С са номерирани различно и всеки друг връх върху страна на Τ има за номер някой от номерата на двата й края.


Лема на Шпернер. При всяка правилна номерация на върховете на една триангулация сигурно има такъв триъгълник на триангулацията, трите върха на които са номерирани различно.

Доказателство. Ако Δ е област на триангулацията, с к(∆) ще оз­начим броя на онези страни на Δ, които имат номера 1 и 2 (накратко, страни [1,2]). Ще означим с N сбора на всичките к(∆). Всяка вътрешна страна [1,2] на триангулацията има принос 1 към точно две от съби-раемите. Следователно приносът към N на всички вътрешни страни [1,2] е четно число. Всяка външна страна [1,2] на триангулацията има принос 1 към точно едно от събираемите. Следователно N има същата четност като броя на външните страни [1,2]. Този брой, както лесно се съобразява, е нечетен. Наистина, всяка външна страна [1,2] лежи (поради граничните условия) върху страната [1,2] на Т, така че можем да заключим, че броят на външните страни [1,2] е нечетно число. По такъв начин доказахме, че и N е нечетно число. Щом е така, поне едно от събираемите k(Δ0) е нечетно число. Това означава, че броят на страните [1,2] на Δ0 е нечетен. Тогава е сигурно, че, освен 1 и 2, 3 е също номер на връх на Δ0. Доказателството на лемата е завършено.

Псевдоретракции на триъгълна област

Теорема 1. Ако ψ е псевдоретракция на триъгълната област Τ’ с контур Τ = ∆АВС, тогава има такава точка х0 в областта, скокът на ψ в която е поне d, където


  1. 2R sinα. sinβ. sinγ , ако α, β, γ ≤ 120°

d= √sin2α + sin2β - 2sinα.sinβ.cox(60°+γ)

2R sinα. sinβ. sinγ , ако γ >120°.

sinα + sinβ

Съществува ретракция на областта, която няма скокове, по-големи от d.


Tеорема.

Ако X℮[ВС], Υ℮[СА], Ζ℮[АВ], тогава поне две от тези точки са на разстояние не по-малко от d. Числото d е минималният диаметър на триъгълник XYZ, вписан в триъгълника ABC. Има единствен три­ъгълник А0В0С0 с диаметър d, вписан в триъгълника ABC.




Кръгови ретракции
Нека D е кръг, a S е контурната му окръжност. Изо­бражението r : D —► S се нарича ретракция, ако r(х) = x за всяка точка x℮S. Ще докажем, че за всяка ретракция съществува такава точка в кръга, произволно близко до която могат да се намерят двойки точки, разстоянието между образите на които не е малко. С други думи във въпросната точка ретракцията прави скок. Да се намери големината на този скок - това е целта на настоящата статия.
Триъгълници, вписани в окръжност.

Нека S е окръжност с радиус ρ и х, у, z са три точки върху S. Ще означим с m(х, у, z) и d(x, у, z) съответно минималната и максималната страна на ∆xyz. Страната на вписания равностранен триъгълник е ρ.√3.


Триангулации. Нека D е кръг с контурна окръжност S и a, b, c са три точки върху нея. Кръгът D може да се раздели на краен брой области по следния начин (черт. 1):

1) всяка област (нарича се клетка) е „триъгълна”, но може една от страните й да е дъга от S;

2) две клетки или нямат обща точка, или имат единствена обща точка - връх и на двете, или множеството от общите им точки е страна и на двете;

3) точките а, b, с са върхове на клетки.

Такова подразделяне на клетки се нарича триангулация на (D, a, b, c). Страните и върховете на клетките се наричат страни и върхове на триангулацията. Всяка право­линейна страна на триангулацията е страна на точно две клетки, а дъ­говите страни са страни на само една клетка. Ако р, q, r са върховете на една клетка, то размер на клетката по дефиниция е числото d(p, q, r), равно на най-голямото от разстоянията |pq|, |qr|, |rp|.


ПЛАСТИЧНА ХИРУРГИЯ И КОМБИНАТОРНА ТОПОЛОГИЯ
Предложен е математически модел на един проблем на пластичната хирургия и неговото решение с помощта на основна теорема от комбинаторната топология.
Нека Τ е триъгълник, а T’ е затворената област с контур T. Изобра­жението r: Т’→Т е ретракция, ако r(х)=x за всяко x℮T, и е псевдоретракция, ако x и r(х) са върху една и съща страна на Τ за всяко x℮Т.

Нека х0℮Τ’ и Oδ(x0) е δ-околност на х0 в T’. Осцилацията на r в Oδ(x0) щe означим със wδ(r,х0). Числото j(r,x0) = inf{wδ(r,х0)|δ >0} ще наречем скок на r в х0. Разкъсване на Τ при псевдоретракцията r наричаме числото d(r) = sup{j(r,x)|x℮T’}.


Очевидно е, че r е непрекъсната в х0 точно тогава, когато скокът й в тази точка е 0. Ясно е, че за всяко положителнo ε и за всяко положително δ в Oδ(x0) могат да се намерят такива точки xδ и yδ, че разстоянието d{r(xδ),r(yδ)} между r(xδ) и r(yδ) да е по-голямо от j{r, x0) — ε, но има такова положително δ0, че за всеки две точки x и y от Oδ0(x0) е в сила неравенството d{r(x), r(y)} < j{r,x0) + ε.
Да си представим триъгълна еластична ципа Т’, опъната и закрепена неподвижно по контура си за триъгълна рамка T. Ако се опитаме да изтеглим тази ципа върху рамката, непременно ще я разкъсаме. Това е така, защото математическият модел на подобно изтегляне е ретракция, а всяка ретракция на триъгълна област върху контура й притежава поне една точка на прекъсване съгласно една знаменита Tео­рема на Брауер. Дори и ципата да е закрепена само във върховете на триъгълната рамка, стига контурът й да се хлъзга по страните на рамката без да напуска никоя страна, прекъсване пак ще има, защото математическият модел на изтегляне от та­къв тип е псевдоретракция, а твърдението на Брауер е вярно и за псевдоретракции.
Скокът в някоя точка характеризира „степента на разкъсването” на ципата в нея.
Пример

Нека ∆XYZ e вписан в ∆АВС=Τ, a D е вътрешна точка на областта с контур ∆XYZ. Ако х℮Τ’ и х е вътрешна за
По такъв начин е дефинирана ретракция r: T’→Τ. Тя е непрекъсната във всички точки-на Τ’ с изключение на точките, които лежат върху отсечките [DА), (DB), (DC). В точките на тези отсечки ретракцията е прекъсната. Ако x℮[DB), тогава j(r,x) ≤ |ΧΖ|, като равенство има само при x=D. Аналогични неравенства са верни и вър­ху отсечките (DC) и (DA): при x℮(DC) имаме j{r,x) < |XY|, а при x℮(DA) - j(r,x) < |YZ|. Така се убеждаваме, че j(r,x) ≤ diam ∆XYZ, като равенството се достига само при x=D. Поради това d(r) = max(|XY|, |YZ|, |ZX|) = diam ∆XYZ.
Минимално разкъсване при ретракция от такъв вид има за онази, за която ΔΧΥΖ има минимален диаметър. Оказва се, че такъв триъгълник има, защото е вярна следната
Теорема 1. Нека Τ = ∆АВС е триъгълник с ъгли α, β, γ, като γ е най-голе­мият измежду тях, и радиус R на описаната окръжност. Измежду вписаните в Τ триъгълници при γ≤ 120° най-малък диаметър има само един и той е равнос­транен със страна

δ0= 2R. sinα. sinβ. sinγ

sin2α + sin2β — 2 sinα. sinβ. cos(60° + cosγ), а при γ>120° - той е равнобедрен с диаметър: δ1= 2R. sinα. sinβ. sinγ ,

sinα + sinβ

равен на бедрата му, които са перпендикулярни на СА и СВ.

Нека отбележим, че δ10 при γ≠120° и δι=δο при γ=120°.


След примера и Теорема 1 вече е уместно да формулираме и основния резултат:
Теорема 2. Нека Τ = ∆АВС е триъгълник с ъгли α, β, γ, от които най-голе­мият е γ, и радиус R на описаната окръжност. Да положим d = δ0 при γ≤120° и d = δι при γ > 120°. Ако r: Τ’ → Τ е псевдоретракция на затворената триъгълна област Τ’ върху контура й Т, тогава разкъсването d(r) на Τ’ относно r е поне d. При това съществува ретракция на Τ’ върху Τ с разкъсване d.

Минимален равностранен триъгълник, вписан в даден триъгълник

В този пункт ще започнем подготовката за доказване на Теорема 1.


Лема 1. Страните [YZ] и [ZX] на равностранния триъгълник ΧΥΖ със стра­на δ са основи на равнобедрените триъгълници ΥΖΚ и XZL, като Κ и X са от различни страни на правата ΥΖ, а L и Υ - на правата ΧΖ. Ако 2α и 2β съот­ветно са ъглите при върховете Κ и L на тези два триъгълника, то:

|KL|= δ. sin2α + sin2β - 2sinα. sinβ. cos(60° + γ) ,

2 sinα. sinβ където γ = 180° - (α + β).
Доказателство. Имаме |KZ|= δ/2sinα; |LZ|= δ/2sinβ;

Ако γ=120°, тогава Z е върху отсечката [KL] и следователно

|KL|= δ/2 . (1/sinα + 1/sinβ). Това равенство в случая съвпада с желаното.
Нека γ≠120°. Ъгълът при върха Ζ на триъгълника KLZ е равен на 60°+γ или е допълнението на този ъгъл до 360°. Сега, като приложим косинусовата теорема, за ∆KLZ получаваме желаното равенство. Лема 1 е доказана.□
Лема 2. Нека Τ=АВС е триъгълник с ъгли α, β, γ, най-големият от които е γ, и радиус R на описаната окръжност. В триъгълника Τ може да се впише равностранен триъгълник със страна δ0.
Доказателство. Нека XYZ е равностранен триъгълник със страна, равна на δ0, и К, L са точките от формулировката на Лема 1. С Μ и N ще означим средите на [ΥΖ] и [ΧΖ]. Върху правата през Ζ, успоредна на KL, ще разгледаме двата противоположни лъча р и q с начало Ζ, първият, от които пресича лъча МК. Тъй като <(YZ,p)<90° и α < 90°, върху лъча р има единствена точка А', за която <ΖΑ’Y = α. Аналогично се дефинира В' - единствената точка върху оста q, за която → и q. Точката К' е средата на хордата [A'Z] на окръжността к, a L' е средата на хордата [Β'Ζ] на окръжността l. Поради това |KL| = |K'L'| = |A’B’l /2.

От Лема 1 следва, че: |KL| = δ0 sin2α+ sin2β - 2 sinα. sinβ. cos(60° + γ)

2 sinα. sinβ
В това равенство ще заместим δ0 с израза му от формулировката на Теорема 1 и така ще получим |KL|= Rsinγ. Следователно |А'В'| = 2R sinγ = |AB|.

Ще означим с С’ пресечната точка на правите Α’Y и В’X. Триъгълниците ABC и A'B'C’ са еднакви, понеже |АВ| = |А'B’|, <А =<А’, <В =<В'. Лема 2 е доказана.□


Лема 3. Нека Τ = АВС е триъгълник с ъгли α, β, γ и радиус R на описана­та окръжност. Има единствен равностранен триъгълник с минимална страна, вписан в Т. Този триъгълник има страна δ0.
Доказателство. Нека равностранният триъгълник със страна δ е вписан в T и

К, L са точките от Лема 1. От Лема 1 следва, че |KL| = δ/δ0 . Rsinγ = δ/δ0 |AB|/2.

Върхът A лежи върху тази дъга от окръжността k с център К, от всяка точка на която [ZY] се вижда под ъгъл α, а В - върху онази дъга от окръжността l c център L, от всяка

точка на която [ZX] се вижда под ъгъл α. С Ρ и Q ще означим ортогоналните

проекции съответно на Κ и L върху правата АВ. Очевидно |KL| ≥|PQ| = |AB|/2.

От двете съотношения за |KL| следва че δ≥ δ0. При това, равенството е налице точно тогава, когато КL||АВ, т.е. ∆ΧΥΖ е еднакъв с построения в Лема 2. Лема 3 е доказана.□



Триъгълник с минимален диаметър, вписан в даден триъгълник

В този пункт ще завършим доказателството на Теорема 1.


Лема 4. Функцията d(X,Y,Z) = mах(|ХУ|, |YZ|, |ZX|), дефинирана при X℮[ВС], Υ℮[СА], Ζ℮[АВ], има най-малка стойност d0. Измежду триъгълници­те, вписани в Τ = ∆АВС, има такъв, чийто диаметър е d0 и следователно е най-малък.
Доказателство. Функцията d(X, У, Z) е непрекъсната в паралелепипеда [ВС] х [СА] x [АВ] и следователно има най-малка стойност d0.
Нека (Χ00, Z0) е тройка, за която d(Χ00, Z0) = d0. Ще докажем, че тези три точки са върхове на триъгълник. Очевидно е, че този триъгълник ще е с най-малък диаметър измежду всички вписани в T триъгълници.
Преди всичко ще докажем, че трите точки са различни. Да допуснем противното и нека например Χ00. Тогава Χ00=С и d0 = |CZ0

За точката Z0 ℮[АВ] има две възможности: тя е вътрешна за страната или съвпада с някой от краищата й. Ще отхвърлим последователно и двете.

Нека Z0 ℮ (АВ). Тогава очевидно Z0 съвпада с петата С1 на височината през C, защото в противен случай за произволна точка Z1℮(C1, Z0) е вярно неравенството |CZ1|< |CZ0|, така че d(X0,Y0, Z1) = |CZ1|< d0, което е невъзможно.
И така, Z0 = С1. Ще означим с D ортогоналната проекция на Z0 върху правата АС, а с Е - ортогоналната проекция на Z0 върху правата СВ. Върху (CD) и (СЕ) съответно ще изберем точки Y1 и Χ1 толкова близо до С, че |Χ1Y1| < d0. Очевидно |Y1Z0| < d0 и lZ0X1| < d0. Тогава d(Χ1, Y10) < d0, което е противоречие.
И така, при Х0 = Y0 е сигурно, че Z0℮(АВ). Без ограничение на общността можем да приемем, че Z0 = А и следователно d0= |АС|. Ако α е остър, ще вземем Z1℮(AC1). Ясно е, че |CZ1|< |АС| и следователно d(X0, Y0, Z1) = |CZ1|< d0, което е противоречие. Поради това α не е остър. Петата Α1 на височината през А е върху отсечката (ВС). Ще вземем точките Χ1℮(Α1C) и Y1℮(ΑC) толкова близко до C, че |X1Y1| < d0. Тъй като |Х1А| < |АС| и |Y1A| < |АС|, то d(X1, Y1, Z0) < dQ, което е противоречие.
Доказахме, че точките Χ0, Y00 са различни. Остава да докажем, че те не са върху една права.

Ако допуснем противното, без ограничение на общността можем да приемем, че Χ0=B, Y0=A,Ζ0 ℮ (АВ). Поне един от ъглите α и β е остър. Без ограничение на общността можем да считаме, че такъв е първият от тях. Ще вземем Y1 ℮ (AD) (АС), където D е ортогоналната проекция на Ζ0 върху АС. Имаме |Z01Y1| < |АZ0| < |AB|, |BY1| < |AB|. Следователно d(X0,Y0, Z0) < |AB|=d0, което е противоречие. Лема 4 е доказана. □


Лема 5. Във всеки триъгълник с минимален диаметър, вписан в триъгълника ABC, двете най-големи страни са равни.
Доказателство. Нека [X0Y0] е най-голямата страна на триъгълника X0Y0Z0 с минимален диаметър d0 измежду вписаните в T = ∆ABC. Трябва да докажем, че поне една от другите му две страни е равна също на d0. Да допуснем противното.

Ако X0 и Y0 са върху една и съща страна на T, тогава поне едната от тези две точки съвпада с С. Без ограничение на общността можем да приемам, че Y0 = С. Имаме |X0Y0| > |X0Z0| и |X0Y0| > |Z0X0|. Върху отсечката [СX0] ще вземем точка X1 толкова близо до Х0, че |X1Y0| > |Y0Z0| и |X1Y0| > |Z0X1|. По такъв начин сме сигурни, че d(X1,Y0, Z0) =|X1Y0| < |X0Y0| = d (X0,Y0, Z0), а това е противоречие.


И така, X0 и Y0 са върху различни страни на T. Тогава С не съвпада с никоя от тези две точки. Върху (СX0) и (СY0) ще вземем съответно точки X1 и Y1, така че X1Y1 || X0Y0 и при това да са толкова близко съответно до X0 и Y0, че |X1Y1| > | CX1|,|X1Y1| > |CY1|.

Тогава d(X1,Y1, Z0) = |X1Y1| < |Х0Y0| = d(X0, Y0), което е противоречие. Лема 5 е доказана. □


Лема 6. Върховете на всеки триъгълник с минимален диаметър, вписан в Τ=∆АВС, са вътрешни точки за страните на Т.
Доказателство. Нека ∆X0Y0Z0 е с минимален диаметър d0 измежду триъгъл­ниците, вписани в T. От Лема 5 знаем, че двете му най-големи страни са равни. Тогава ъгълът между тях е най-много 60°. Да допуснем противното на това, което искаме да докажем, и нека например Y0=С. Тъй като ∆X0Y0Z0 е остроъгьлен, то 0X0Y0 е остър и поради това върху (X0Y0) можем да вземем точка X1 толко­ва близо до X0, че |Z0X1| < |Z0X0|. Разбира се, и |Y0X1| < |Y0X0|. Триъгълникът X1Y0Z0 също е вписан в T. Ако |Y0Z0| = d0, този триъгълник също има диаметър d0, но най-голямата му страна [Y0Z0] е по-голяма от останалите две, а това проти­воречи на Лема 5. Ако |Y0Z0| < d0, тогава ∆X1Y0Z0 има диаметър, помапък от d0, което е невъзможно.

Противоречието, до което достигнахме, показва, че не е възможно някой от вър­ховете на триъгълника X0Y0Z0 да бъде връх на T. Лема 6 е доказана. □


Лема 7. Нека T0 има минимален диаметър измежду всички вписани в Τ = ∆АВС триъгълници и γ е най-големият ъгъл на Т. Ако T0 не е равностранен, тогава γ > 120° и единимт от върховете на T0 лежи върху ъглополовлщата през върха С на триъгълника Τ, α страните на T0 през този връх са перпендикулярни съответно на СА и СВ и са равни на δ1.
Доказателство. От Лема 5 знаем, че двете най-големи страни на триъгълника T0 = ∆PQR са равни; можем да считаме, че тези две страни са [RP] и [RQ]. Тогава ъгълът между тях е не по-голям от 60°. Той е дори по-малък от 60°, тъй като триъгълникът T0 по предположение не е равностранен: |PQ| < |RP| =|RQ|.

От Лема 6 знаем, че всеки от върховете P,Q,R e вътрешна точка на страна на Т. Ще докажем, че правата RP е перпендикулярна на страната на Т, върху която е Р. Да допуснем, че това не е вярно и нека Μ е ортогоналната проекция на R върху правата, на която лежи въпросната страна на Т. Върху тази страна ще вземем точка P1 между Ρ и Μ толкова близо до Р, че да бъде валидно неравенството |RP1| > lP1Q|. От P1℮(MP) следва, че |RP1| < |RP| = |RQ|. Триъгълникът RP1Q има диаметър |QR|, но най-голямата му страна е единствена. Полученото противоречи на Лема 5.

И така, RP е перпендикулярна на страната на T, на която лежи Р. Аналогично, RQ е перпендикулярна на страната на Т, на която е Q. Тъй като |RP| = |RQ|, то R е върху ъглополовящата на Τ през върха, противоположен на страната, върху която е R. Тогава ъгълът на Τ при този връх е равен на 180° -

Нека Ρ℮(СВ), Q℮(СА). За ъглополовящата CR имаме: |CR|= 2ab/(a+b).(cos γ/2) и от правоъгълния ∆PBQ получаваме |RP|=|CR|sinγ/2= ab/(a+b).(sin γ/2)=δ1.

Тъй като
< 60°, имаме |PQ| < |RP| = |RQ|. Следователно diam ∆PQR=δ1. Лема 7 е доказана. □
Доказателство на Теорема 1. Нека Т0 е триъгълник с минимален диаметър, вписан в Τ (вж. Лема 4).

Ако γ≤120°, тогава от Лема 7 следва, че Т0 е равностранен, а от Лема 3 следва, че Т0 е единственият равностранен триъгълник с минимална страна, вписан в Т. При това страната му е равна на δ0.

Ако γ>120°, тогава или Т0 е равностранен и съгласно Лема 3 има страна δ0, или Т0 е равнобедреният триъгълник с диаметър δ1 от Лема 7. Тъй като δ1 < δ0, равностранният триъгълник не може да има минимален диаметър. Така остава, че Т0 е равнобедрен с диаметър δ1. Теорема 1 е доказана. □
Разкъсване на триъгълна област при псевдоретракция върху конту­ра й

В този пункт ще докажем Теорема 2.


Доказателство на Теорема 2. На всяка точка x℮Τ ще съпоставим номер λ(х) по следния начин: λ(x) = 1, ако r(х) ℮ [АВ); λ(х) = 2, ако r(х)℮[ВС) и λ(x) = 3, ако r(x)℮ [СА). От това, че r е псевдоретракция, следва r(А) = А и следователно λ(А) = 1. Аналогично получаваме λ(Β) = 2 и λ(C) = 3. Ясно е също, че ако x е върху някоя страна на Т, тогава λ(x) е номерът на някой от краищата на тази страна. Наистина, ако x℮[АВ], тогава x℮[АВ) или x=В. В първия случай λ(x) = 1 = λ(A), а във втория - λ(х) = λ(В).
За всяко n ще вземем такава триангулация θn на триъгълната област T’, всеки

триъгълник на която има диаметър, по-малък от 1/n. Върховете на триангулацията са номерирани автоматично с помощта на току-що въведената номерация на точките от Т’. Тази номерация на върховете на триангулацията θn удовлетворява гранични­те условия на Лемата на Шпернер, както проверихме по-горе.

Поради това можем да приложим тази лема и по такъв начин ще достигнем до заключението, че има триъгълник [xn yn zn] на триангулацията, всички върхове на който са номерирани различно; можем да приемем, че λ(xn) = 1, λ(yn) =2, λzn) =3. От дефиницията на номерацията знаем, че r(xn)℮[AB), r(yn)℮[BC), r(zn)℮[СА).

От Лема 4 и Теоре­ма 1 следва, че d(r(xn), r(yn), r(zn))>d0. Без ограничение на общността можем да считаме, че d(r(xn), r(yn))≥ d0.

Нека x0 е точка на сгъстяване на редицата {xn}n. Тогава x0℮T’ и тъй ка­то d(xn,yn) < 1/n, сигурно е, че за всяко положително δ има такова n, че хn и уn принадлежат на Oδ(x0). Това показва, че wδ(r,x0)≥ d за всяко положително δ. Сле­дователно j(r,x0)≥d и поради това d(r)≥d.
За да завършим доказателството на теоремата, остава само да покажем, че съ­ществува ретракция r на T’ върху контура й T, за която d(r) = d0. Такава ретракция ще получим като в примера изберем ∆XYZ така, че диаметърът му да е минимален измежду диаметрите на вписаните в Τ триъгълници. Теорема 2 е доказана. □

Заключение:

Математиката представлява съвкупността от знания, изучаващи понятия като количество, структура, пространство и промяна. Тя също би могла да се дефинира като наука, която се занимава с горепосочените понятия, с пространствените форми и количествените отношения.


Има някои вътрешни за математиката дисциплини, които служат за обосноваване на получените от нея резултати, за намиране и изучаване на общи за различните математически дисциплини закономерности и за подпомагането им. Такива са, например теорията на множествата, математическата логика, алгебрата, топологията и функционалният анализ.
От написаното дотук може да сме сигурни, че твърдението „всичко е математика” изцяло може да се изкаже и по отношение на пластичната хирургия. Видяхме, че чрез математиката и по-точно чрез топологията и чрез прилагането й пластичните хирурзи могат да направят и невъзможни неща за красяването на лицето и тялото ни.


Използвана литература:
Николай Хаджииванов. Минимален равностранен триъгълник, впи­сан в даден триъгълник. Математика, 1999, бр. 6, стр. 8 - 10.
Николай Хаджииванов. Теорема на Вайерщрас. Математика, 1999, бр. 6, стр. 14 - 18.
Николай Хаджииванов. Триъгълник с минимален диаметър, вписан в даден триъгълник. Математика, 2000, бр. 1, стр. 2.
Николай Хаджииванов. Лема за правоъгълника. Математика, 1999, бр. 3, стр. 29-30.
Николай Хаджииванов. Ретракции на триъгълна и правоъгълна области. Математика, 2 (2000), 2-12
Николай Хаджииванов. Кръгови ретракции. Математика, 3 (2000), 2-4.
Каталог: files -> files
files -> Р е п у б л и к а б ъ л г а р и я
files -> Дебелината на армираната изравнителна циментова замазка /позиция 3/ е 4 см
files -> „Европейско законодателство и практики в помощ на добри управленски решения, която се състоя на 24 септември 2009 г в София
files -> В сила oт 16. 03. 2011 Разяснение на нап здравни Вноски при Неплатен Отпуск ззо
files -> В сила oт 23. 05. 2008 Указание нои прилагане на ксо и нпос ксо
files -> 1. По пътя към паметник „1300 години България
files -> Георги Димитров – Kreston BulMar
files -> В сила oт 13. 05. 2005 Писмо мтсп обезщетение Неизползван Отпуск кт


Сподели с приятели:




©obuch.info 2024
отнасят до администрацията

    Начална страница