home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ ftp.pasteur.org/FAQ/ / ftp-pasteur-org-FAQ.zip / FAQ / puzzles / archive / geometry / part1 next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1996-04-26  |  59.3 KB

  1. Received: from MIT.EDU (SOUTH-STATION-ANNEX.MIT.EDU [18.72.1.2]) by bloom-picayune.MIT.EDU (8.6.13/2.3JIK) with SMTP id OAA00679; Sat, 20 Apr 1996 14:17:01 -0400
  2. Received: from [199.164.164.1] by MIT.EDU with SMTP
  3.     id AA07942; Sat, 20 Apr 96 14:13:01 EDT
  4. Received: by questrel.questrel.com (940816.SGI.8.6.9/940406.SGI)
  5.     for news-answers-request@mit.edu id LAA25270; Sat, 20 Apr 1996 11:13:50 -0700
  6. Newsgroups: rec.puzzles,news.answers,rec.answers
  7. Path: senator-bedfellow.mit.edu!bloom-beacon.mit.edu!spool.mu.edu!howland.reston.ans.net!europa.eng.gtefsd.com!uunet!questrel!chris
  8. From: chris@questrel.questrel.com (Chris Cole)
  9. Subject: rec.puzzles Archive (geometry), part 13 of 35
  10. Message-Id: <puzzles/archive/geometry/part1_745653851@questrel.com>
  11. Followup-To: rec.puzzles
  12. Summary: This is part of an archive of questions
  13.  and answers that may be of interest to
  14.  puzzle enthusiasts.
  15.  Part 1 contains the index to the archive.
  16.  Read the rec.puzzles FAQ for more information.
  17. Sender: chris@questrel.questrel.com (Chris Cole)
  18. Reply-To: archive-comment@questrel.questrel.com
  19. Organization: Questrel, Inc.
  20. References: <puzzles/archive/Instructions_745653851@questrel.com>
  21. Date: Wed, 18 Aug 1993 06:05:22 GMT
  22. Approved: news-answers-request@MIT.Edu
  23. Expires: Thu, 1 Sep 1994 06:04:11 GMT
  24. Lines: 1475
  25. Xref: senator-bedfellow.mit.edu rec.puzzles:24997 news.answers:11517 rec.answers:1917
  26. Apparently-To: news-answers-request@mit.edu
  27.  
  28. Archive-name: puzzles/archive/geometry/part1
  29. Last-modified: 17 Aug 1993
  30. Version: 4
  31.  
  32.  
  33. ==> geometry/K3,3.p <==
  34. Can three houses be connected to three utilities without the pipes crossing?
  35.  
  36.             _______          _______          _______
  37.             | oil |          |water|          | gas |
  38.             |_____|          |_____|          |_____|
  39.  
  40.  
  41.             _______          _______          _______
  42.             |HOUSE|          |HOUSE|          |HOUSE|
  43.             | one |          | two |          |three|
  44.  
  45. ==> geometry/K3,3.s <==
  46. The problem you describe is to draw a bipartite graph of 3 nodes
  47. connected in all ways to 3 nodes, all embedded in the plane.  The graph
  48. is called K3,3.  A famous theorem of Kuratowsky says that all graphs
  49. can be embedded in the plane, EXCEPT those containing a subgraph that
  50. is topologically equivalent to K3,3 or K5 (the complete graph on 5
  51. vertices, i.e., the graph with 5 nodes and 10 edges).  So your problem
  52. is a minimal example of a graph that cannot be embedded in the plane.
  53.  
  54. The proofs that K5 and K3,3 are non-planar are really quite easy, and
  55. only depend on Euler's Theorem that F-E+V=2 for a planar graph.  For
  56. K3,3 V is 6 and E is 9, so F would have to be 5. But each face has at
  57. least 4 edges, so E >= (F*4)/2 = 10, contradiction.  For K5 V is 5 and
  58. E is 10, so F = 7. In this case each face has at least 3 edges, so E >=
  59. (F*3)/2 = 10.5, contradiction.
  60.  
  61. The difficult part of Kuratowsky is the proof in the other direction!
  62.  
  63. A quick, informal proof by contradiction without assuming Euler's Theorem:
  64. Using a map in which the houses are 1, 2, and 3 and the utilities are
  65. A, B, and C, there must be continuous lines that connect the buildings and
  66. divide the area into three sections bounded by the loops A-1-B-2-A,
  67. A-1-B-3-A, and A-2-B-3-A.  (One of the areas is the infinite plane *around*
  68. whichever loop is the outer edge of the network.)  C must be in one of these
  69. three areas; whichever area it is in, either 1, or 2, or 3, is *not* part of
  70. the loop that rings its area and hence is inaccessible to C.
  71.  
  72. The usual quibble is to solve the puzzle by running one of the pipes
  73. underneath one of houses on its way to another house; the puzzle's
  74. instructions forbid crossing other *pipes*, but not crossing other *houses*.
  75.  
  76. ==> geometry/bear.p <==
  77. If a hunter goes out his front door, goes 50 miles south, then goes 50 
  78. miles west, shoots a bear, goes 50 miles north and ends up in front of
  79. his house.  What color was the bear?
  80.  
  81. ==> geometry/bear.s <==
  82. The hunter's door is in one of two locations.  One is a foot or so from the
  83. North Pole, facing north, such that his position in front of the door is
  84. precisely upon the North Pole.  Since that's a ridiculous place to build a
  85. house and since bears do not roam within fifty miles of the pole, the bear
  86. is either imaginary or imported, and there is no telling what color it is.
  87.  
  88. There is another place (actually a whole set) on earth from which one
  89. can go fifty miles south, fifty miles west, and fifty miles north and
  90. end up where one started.  Consider the parallel of latitude close
  91. enough to the South Pole that its length is 50/n miles, for some
  92. integer n.
  93.  
  94. Take any point on that parallel of latitude and pick the point fifty miles
  95. north of it.  Situate the hunter's front porch there.  The hunter goes fifty
  96. miles south from his porch and is at a point we'll call A.  He travels fifty
  97. miles west, circling the South Pole n times, and is at A again, where he shoots
  98. the bear.  Fifty miles north from A he is back home.  Since bears are not
  99. indigenous to the Antarctic, again the bear is either imaginary or imported
  100. and there is no telling what color it might be.
  101.  
  102. ==> geometry/bisector.p <==
  103. Prove if two angle bisectors of a triangle are equal, then the triangle is
  104. isosceles (more specifically, the sides opposite to the two angles
  105. being bisected are equal).
  106.  
  107. ==> geometry/bisector.s <==
  108. PROVE: <ABC = <BCA (i.e. triangle ABC is an isosceles triangle)
  109.  
  110.                        A
  111.                       / \
  112.                      /   \
  113.                     D     E            XP normal to AB
  114.                    / \   / \           XQ normal to AC
  115.                 P /----X----\ Q
  116.                  /   /   \   \
  117.                 /  /       \  \
  118.                / /           \ \
  119.               B/_______________\C
  120.  
  121.  
  122. PROOF :
  123.   Let XP and XQ be normals to AC and AB.
  124.   Since the three angle bisectors are concurrent, AX bisects angle A
  125.   also and therefore XP = XQ.
  126.  
  127.   Let's assume XD > XE.
  128.   Then ang(PDX) < ang(QEX)
  129.   Now considering triangles BXD and CXE,
  130.     the last condition requires that
  131.        ang(DBX) > ang(ECX)
  132. OR     ang(XBC) > ang(XCB)
  133. OR        XC    >  XB
  134.  
  135.    Thus our assumption leads to :
  136.         XC + XD >  XE + XB
  137. OR         CD  > BE
  138.   which is a contradiction.
  139.  
  140.  
  141.   Similarly, one can show that XD < XE leads to a contradiction too.
  142.  
  143. Hence  XD = XE  => CX = BX
  144. From which it is easy to prove that the triangle is isosceles.
  145.  
  146. --  Manish S Prabhu (mprabhu@magnus.acs.ohio-state.edu)
  147.  
  148. ==> geometry/calendar.p <==
  149. Build a calendar from two sets of cubes.  On the first set, spell the
  150. months with a letter on each face of three cubes.  Use lowercase
  151. three-letter English abbreviations for the names of all twelve months
  152. (e.g., "jan", "feb", "mar").  On the second set, number the days with a
  153. digit on each face of two cubes (e.g., "01", "02", etc.).
  154.  
  155. ==> geometry/calendar.s <==
  156.     First note that there are *nineteen* different letters in the
  157. month abbreviations (abcdef gjlmno prstuv y) so to get them all on the
  158. eighteen faces of 3 cubes, you know right away you're going to have to
  159. resort to trickery.
  160.  
  161.     So I wrote them all down and looked at which ones could be
  162. reversed to make another letter in the set.  The only pair that jumped
  163. out at me was the d/p pair.  Now I knew that it was at least feasible,
  164. as long as it wasn't necessary to duplicate any letters.
  165.  
  166.     Then I scanned the abbreviations to find ones that had a lot of
  167. common letters.  The jan-jun-jul series looked like a good place to
  168. start:
  169.     j    a    n
  170.         u    l
  171.                 was a good beginning but I realized
  172. right away that I had no room for duplicate letters and the second cube
  173. had both a and u so aug was going to be impossible.  In fact I almost
  174. posted that answer.  Then I realized that if Martin Gardner wrote about
  175. it, it must have a solution.  :-)  So I went back to the letter list.
  176.  
  177.     I don't put tails on my u's so it didn't strike me the first
  178. time through that n and u could be combined.
  179.       Cube 1  Cube 2  Cube 3
  180.     j    a    n/u
  181.         n/u    l
  182.                 would let me get away with putting the g
  183. on the first cube to get aug, so I did.
  184.     j    a    n/u
  185.     g    n/u    l    (1)
  186.  
  187.     Now came the fun part.  The a was placed so I had to work around
  188. it for the other months that had an a in them (mar, apr, may).
  189.     m    a    r
  190.     d/p        y    (2)
  191.  
  192.     Now the d/p was placed so I had to work around that for sep and dec.
  193. This one was easy since they shared an e as well.
  194.     d/p    e    s
  195.             c    (3)
  196.  
  197.     Now the e was placed so feb had to be worked in.
  198.     f    e    b    (4)
  199.  
  200.     The two months left (oct, nov) were far more complex.  Not only
  201. did they have two "set" letters (c, n/u), there were two possible n/u's
  202. to be set with.  That's why I left them for last.
  203.     o    t    c
  204.         n/u    v    (5)
  205.  
  206.     So now I had five pieces to fit together, so that no set would
  207. have more than six letters in it.  Trial and error provided:
  208.  
  209.     j    a    n/u            a    b    e
  210.     g    n/u    l    or,        c    d/p    g
  211.     r    s    m    alphabetically:    f    l    j
  212.     y    c    d/p            n/u    m    o
  213.     e    v    t            s    n/u    r
  214.     o    f    b            v    t    y
  215.  
  216.  
  217.   Without some gimmick the days cannot be done.  Because of the dates 11 and
  218. 22, there must be a 1 and a 2 on each cube. Thus there are 8 remaining spaces
  219. for the 8 remaining numbers, and because of 30, we put 3 and 0 on different
  220. cubes. I don't think the way you allocate the others matter. Now 6 numbers on
  221. each cube can produce at most 36 distinct pairs, and we need 31 distinct pairs
  222. to represent all possible dates. But since 3 each of {4,5,6,7,8,9} are on each
  223. cube, there are at least 9 representable numbers which can't be dates.
  224. Therefore there are at most 27 distinct numbers which are dates on the two
  225. cubes, and it can't be done. In particular, not all of {04,05,06,07,08,09} can
  226. be represented.
  227.  
  228.   The gimmick solution would be to represent the numbers in a stylised format
  229. (like say, on a digital clock or on a computer screen) such that the 6 can be
  230. turned upside down to be a 9. Then you can have 012 on both cubes, and three
  231. each of {3,4,5,6,7,8} on the other faces. Done.
  232.   
  233.   Example: 012468 012357
  234.  
  235. ==> geometry/circles.and.triangles.p <==
  236. Find the radius of the inscribed and circumscribed circles for a triangle.
  237.  
  238. ==> geometry/circles.and.triangles.s <==
  239. Let a, b, and c be the sides of the triangle.  Let s be the
  240. semiperimeter, i.e. s = (a + b + c) / 2.  Let A be the area
  241. of the triangle, and let x be the radius of the incircle.
  242.  
  243. Divide the triangle into three smaller triangles by drawing
  244. a line segment from each vertex to the incenter.  The areas
  245. of the smaller triangles are ax/2, bx/2, and cx/2.  Thus,
  246. A = ax/2 + bx/2 + cx/2, or A = sx. 
  247.  
  248. We use Heron's formula, which is A = sqrt(s(s-a)(s-b)(s-c)).
  249. This gives us x = sqrt((s-a)(s-b)(s-c)/s).
  250.  
  251. The radius of the circumscribed circle is given by R = abc/4A.
  252.  
  253. ==> geometry/coloring/cheese.cube.p <==
  254. A cube of cheese is divided into 27 subcubes.  A mouse starts at one
  255. corner and eats each subcube, one at a time.  Can it finish in the middle?
  256.  
  257. ==> geometry/coloring/cheese.cube.s <==
  258. Give the subcubes a checkerboard-like coloring so that no two adjacent
  259. subcubes have the same color.  If the corner subcubes are black, the
  260. cube will have 14 black subcubes and 13 white ones.  The mouse always
  261. alternates colors and so must end in a black subcube.  But the center
  262. subcube is white, so the mouse can't end there.
  263.  
  264. ==> geometry/coloring/triominoes.p <==
  265. There is a chess board (of course with 64 squares). You are given 21
  266. "triominoes" of size 3-by-1 (the size of an individual square on a
  267. chess board is 1-by-1). Which square on the chess board can you cut out
  268. so that the 21 triominoes exactly cover the remaining 63 squares? Or is
  269. it impossible?
  270.  
  271. ==> geometry/coloring/triominoes.s <==
  272. ||||||||
  273. ||||||||
  274. ||||||||
  275. ---***+*
  276. ---...+*
  277. ---*+O+*
  278. ---*+...
  279. ---*+***
  280.  
  281. There is only one way to remove a square, aside from rotations and
  282. reflections.  To see that there is at most one way, do this:  Label
  283. all the squares of the chessboard with A, B or C in sequence by rows
  284. starting from the top:
  285.  
  286.         ABCABCAB
  287.         CABCABCA
  288.         BCABCABC
  289.         ABCABCAB
  290.         CABCABCA
  291.         BCABCABC
  292.         ABCABCAB
  293.         CABCABCA
  294.  
  295. Every triomino must cover one A, one B and one C.  There is one extra
  296. A square, so an A must be removed.  Now label the board again by
  297. rows starting from the bottom:
  298.  
  299.         CABCABCA
  300.         ABCABCAB
  301.         BCABCABC
  302.         CABCABCA
  303.         ABCABCAB
  304.         BCABCABC
  305.         CABCABCA
  306.         ABCABCAB
  307.  
  308. The square removed must still be an A.  The only squares that got
  309. marked with A both times are these:
  310.  
  311.         ........
  312.         ........
  313.         ..A..A..
  314.         ........
  315.         ........
  316.         ..A..A..
  317.         ........
  318.         ........
  319.  
  320. ==> geometry/construction/4.triangles.6.lines.p <==
  321. Can you construct 4 equilateral triangles with 6 toothpicks?
  322.  
  323. ==> geometry/construction/4.triangles.6.lines.s <==
  324. Use the toothpicks as the edges of a tetrahedron.
  325.  
  326. ==> geometry/construction/5.lines.with.4.points.p <==
  327. Arrange 10 points so that they form 5 rows of 4 each.
  328.  
  329. ==> geometry/construction/5.lines.with.4.points.s <==
  330. Draw a 5 pointed star, put a point where any two lines meet.
  331.  
  332. ==> geometry/construction/square.with.compass.p <==
  333. Construct a square with only a compass and a straight edge.
  334.  
  335. ==> geometry/construction/square.with.compass.s <==
  336. Draw a circle (C1 at P1).  Now draw a diameter D1 (intersects at P2 and
  337. P3).  Set the compass larger than before.  From each of points P2 and
  338. P3 draw another larger circle (C2 and C3).  Where these two circles
  339. cross, draw a line (D2).  This line should go through the center of
  340. circle C1 at a right angle to the original diameter line.  This line
  341. should cross circle C1 at P4 and P5.  Points P2, P4, P3, P5 form a
  342. square.
  343.  
  344. For extra credit:
  345.  
  346. Reset the compass to its original size.  From P2 and P4 draw a circle
  347. (C4 and C5).  These circles intersect at P6 and P1.  Connect P6, P2,
  348. P1, P4 for a square of the same size as the original compass setting.
  349.  
  350. ==> geometry/corner.p <==
  351. A hallway of width A turns through 90 degrees into a hallway of width
  352. B. A ladder is to be passed around the corner. If the movement is
  353. within the horizontal plane, what is the maximum length of the ladder?
  354.  
  355. ==> geometry/corner.s <==
  356. ------\---------
  357. B   /  \.......|..B/sin(theta)
  358.    theta\      |
  359. ---|-----X     |
  360.      |\    |
  361.      | \...|..A/cos(theta)
  362.      |  \  |
  363.      |   \ |
  364.      | A  \|
  365.  
  366.  
  367. Theta is the angle off horizontal.
  368.  
  369. Minimize length = A/cos(theta) + B/sin(theta)
  370.  
  371.     d(length)/d(theta)
  372.        = A*sin(theta)/cos(theta)^2 - B*cos(theta)/sin(theta)^2 (?)
  373.        = 0
  374.     A*sin(theta)/cos(theta)^2 = B*cos(theta)/sin(theta)^2
  375.  
  376.     B/A = sin(theta)^3/cos(theta()^3 = tan(theta)^3
  377.  
  378.     theta = inverse_tan(cube_root(B/A))
  379.  
  380. If you use the trigonometric formulas  cos^2 x = 1/(1 + tan^2 x)
  381. and  sin x = tan x cos x, and plug through the algebra, I believe
  382. that the formula for the length reduces to
  383.  
  384. (A^(2/3) + B^(2/3))^(3/2)
  385.  
  386. At any rate this is symmetric in A and B as one would expect, and
  387. has the right values at A=B and as either A-->0 or B-->0.
  388.  
  389. ==> geometry/cover.earth.p <==
  390. A thin membrane covers the surface of the (spherical) earth.  One
  391. square meter is added to the area of this membrane to form a larger
  392. sphere.  How much is added to the radius and volume of this membrane?
  393.  
  394. ==> geometry/cover.earth.s <==
  395. We know that V = (4/3)*pi*r^3 and A = 4*pi*r^2.
  396. We need to find out how much V increases if A increases by 1 m^2.
  397.  
  398.   dV / dr = 4 * pi * r^2
  399.   dA / dr = 8 * pi * r
  400.   dV / dA = (dV / dr) / (dA / dr)
  401.       = (4 * pi * r^2) / (8 * pi * r)
  402.       = r/2
  403.           = 3,250,000 m
  404.  
  405. If the area of the cover is increased by 1 square meter,
  406. then the volume it contains is increased by about 3.25 million cubic meters.
  407.  
  408. We seem to be getting a lot of mileage out of such a small square of cotton.
  409. However, the new cover would not be very high above the surface of the
  410. planet -- about 6 nanometers (calculate dr/dA).
  411.  
  412. ==> geometry/cycle.polynomial.p <==
  413. What are the cycle polynomials for the Platonic solids?
  414.  
  415. ==> geometry/cycle.polynomial.s <==
  416. For future reference, here are the cycle polynomials for the five platonic
  417. solids (and I threw in the tesseract for good measure).  Most combinatoric
  418. coloring problems are simple plug-ins to these polynomials.  For details,
  419. see any book on combinatorics that presents Polya counting theory.
  420.  
  421. tetrahedron: (x1^4+3x2^2+8x1*x3)/12
  422. cube: (x1^6+6x2^3+3x1^2*x2^2+8x3^2+6x1^2*x4)/24
  423. octahedron: (x1^8+9x2^4+8x1^2*x3^2+6x4^2)/24
  424. dodecahedron: (x1^12+15x2^6+20x3^4+24x1^2*x5^2)/60
  425. icosahedron: (x1^20+15x2^10+20x1^2*x3^6+24x5^4)/60
  426. tesseract: (32x6^4+x2^12+48x8^3+x1^24+24x1^2*x2^11+12x2^2*x4^5+32x3^8+12x4^6
  427.     +18x1^4*x2^10+12x1^4*x4^5)/192
  428.  
  429.  
  430.  
  431.  
  432. ==> geometry/dissections/disk.p <==
  433. Can a disk be cut into similar pieces without point symmetry about the
  434. midpoint?  Can it be done with a finite number of pieces?
  435.  
  436. ==> geometry/dissections/disk.s <==
  437. Yes.  Draw a circle inside the circumference of the disk, sharing a
  438. common point on the right.  Now draw another circle inside the second,
  439. sharing a point at the left.  Now draw another inside the third,
  440. sharing a point at the right.  Continue in this way, coloring in every
  441. other region thus generated.  Now, all the colored regions touch, so
  442. count this as one piece and the uncolored regions as a second piece.
  443. So the circle has been divided into two similar pieces and there is no
  444. point symmetry about the midpoint.  Maybe it is cheating to call these
  445. single pieces, though.
  446.  
  447. ==> geometry/dissections/hexagon.p <==
  448. Divide the hexagon into:
  449. 1) 3 identical rhombuses.
  450. 2) 6 identical kites(?).
  451. 3) 4 identical trapezoids (trapeziums in Britain).
  452. 4) 8 identical shapes (any shape).
  453. 5) 12 identical shapes (any shape).
  454.  
  455. ==> geometry/dissections/hexagon.s <==
  456. What is considered 'identical' for these questions?  If mirror-image shapes
  457. are allowed, these are all pretty trivial.  If not, the problems are rather
  458. more difficult...
  459.  
  460.     1. Connect the center to every second vertex.
  461.     2. Connect the center to the midpoint of each side.
  462.     3. This is the hard one.  If you allow mirror images, it's trivial:
  463.        bisect the hexagon from vertex to vertex, then bisect with a 
  464.        perpendicular to that, from midpoint of side to midpoint of side.
  465.     4. This one's neat.  Let the side length of the hexagon be 2 (WLOG).
  466.        We can easily partition the hexagon into equilateral triangles 
  467.        with side 2 (6 of them), which can in turn be quartered into 
  468.        equilateral triangles with side 1.  Thus, our original hexagon
  469.        is partitioned into 24 unit equilateral triangles.  Take the
  470.        trapezoid formed by 3 of these little triangles.  Place one such
  471.        trapezoid on the inside of each face of the original hexagon, so
  472.        that the long side of the trapezoid coincides with the side of the
  473.        hexagon.  This uses 6 trapezoids, and leaves a unit hexagon in the
  474.        center as yet uncovered.  Cover this little hexagon with two of
  475.        the trapezoids.  Voila.  An 8-identical-trapezoid partition.
  476.     5. Easy.  Do the rhombus partition in #1.  Quarter each rhombus by
  477.        connecting midpoints of opposite sides.  This produces 12 small
  478.        rhombi, each of which is equivalent to two adjacent small triangles
  479.        as in #4.
  480.  
  481. Except for #3, all of these partitions can be achieved by breaking up the
  482. hexagon into unit equilateral triangles, and then building these into the
  483. shapes desired.  For #3, though, this would require (since there are 24 small
  484. triangles) trapezoids formed from 6 triangles each.  The only trapezoid that
  485. can be built from 6 identical triangles is a parallelogram; I assume that the
  486. poster wouldn't have asked for a trapezoid if you could do it with a special
  487. case of trapezoid.  At any rate, that parallelogram doesn't work.
  488.  
  489. ==> geometry/dissections/largest.circle.p <==
  490. What is the largest circle that can be assembled from two semicircles cut from
  491. a rectangle with edges a and b?
  492.  
  493. ==> geometry/dissections/largest.circle.s <==
  494. There are two methods:
  495.  
  496. Method M1:
  497. The  diameters of the semicircles have to be on the longer sides,
  498. starting at an endpoint of the rectangle.  The two semicircles touch
  499. each other in the middle M of the rectangle.
  500.  
  501.             a
  502.        D._______________________.C
  503.     |            |
  504.     |            |
  505.       b    |        . M        |
  506.     |            |
  507.     |            |
  508.     |_______.___.___________|
  509.     A       R   X        B
  510.  
  511. R should be the center of the semicircle, and because of RA = RM,
  512. it holds that:
  513.         r^2 = (a/2 - r)^2 + (b/2)^2
  514.  
  515. Solving for r gives:
  516.  
  517.         r = min[b,(a^2+b^2)/(4a)], where a >= b.
  518.  
  519. Method M2:
  520. We'll cut on the line y = c x, where c will turn out to be slightly
  521. less than d, the slope of the diagonal.  We describe the semicircle
  522. lying above the line y = c x, having this line as the straight part of
  523. the semi-circle.  The center P of the semicircle will be taken on the
  524. line y = d - x, and will be tangent to the left and top of the
  525. rectangle.  Clearly the lower down P is on this line, the better.  The
  526. naive solution is not optimal because the upper place where the
  527. semicircle meets the diagonal is interior to the rectangle.  So we try
  528. to determine c in such a way that this latter point actually lies
  529. slightly down from the top, on the right side of the rectangle.  This
  530. involves solving the quartic:
  531. 4r^4 - (4a+16b)r^3 + (16b^2+a^2+8ab)r^2 - (6b^3+4ab^2+2ba^2)r + b^4+(ab)^2 = 0,
  532. where r < b, the details of which will be left to the reader.
  533.  
  534. The other semicircle is the reflection of the first through the origin.
  535.  
  536. After a few calculations, we find that the value of r given
  537. by M2 is greater than the one given by M1 only if 1 < a/b < 2.472434.
  538.  
  539. ==> geometry/dissections/square.70.p <==
  540. Since 1^2 + 2^2 + 3^2 + ... + 24^2 = 70^2, can a 70x70 square be dissected into
  541. 24 squares of size 1x1, 2x2, 3x3, etc.?
  542.  
  543. ==> geometry/dissections/square.70.s <==
  544. Martin Gardner asked this in his Mathematical Games column in the
  545. September 1966 issue of Scientific American.  William Cutler was the first
  546. of 24 readers who reduced the uncovered area to 49, using all but the 7x7
  547. square.  All the patterns were the same except for interchanging the
  548. squares of orders 17 and 18 and rearranging the squares of orders 1, ...,
  549. 6, 8, 9, and 10.  Nobody proved that the solution is minimal.
  550.  
  551. +----------------+-------------+----------------------+---------------------+
  552. |                |             |                      |                     |
  553. |                |             |                      |                     |
  554. |                |      11     |                      |                     |
  555. |                |             |                      |                     |
  556. |       16       |             |                      |                     |
  557. |                +-----+--+----+         22           |         21          |
  558. |                |     | 2|    |                      |                     |
  559. |                |  5  +--+----+                      |                     |
  560. |                |     |       |                      |                     |
  561. +----------------+--+--+   6   |                      |                     |
  562. |                   | 3|       |                      |                     |
  563. |                   ++-+-------+                      |                     |
  564. |                   ||         |                      ++--------------------+
  565. |                   ||    8    +----------------------++                    |
  566. |        18         ||         |                       |                    |
  567. |                   ||         |                       |                    |
  568. |                   ++---------+                       |                    |
  569. |                   |          |                       |         20         |
  570. |                   |     9    |                       |                    |
  571. +------------------++          |          23           |                    |
  572. |                  ||          |                       |                    |
  573. |                  ++----------+                       |                    |
  574. |                  |           |                       +---++---------------+
  575. |                  |           |                       |   ||               |
  576. |        17        |     10    |                       | 4 ||               |
  577. |                  |           +---------------+-------+---++               |
  578. |                  +-+---------+---------------+            |      15       |
  579. |                  | |                         |            |               |
  580. |                  | |                         |     12     |               |
  581. +------------------+-+                         |            +-+-------------+
  582. |                    |                         |            |1|             |
  583. |                    |                         +------------+-+             |
  584. |                    |           24            |              |             |
  585. |                    |                         |              |             |
  586. |        19          |                         |     13       |     14      |
  587. |                    |                         |              |             |
  588. |                    |                         |              |             |
  589. |                    |                         |              |             |
  590. +--------------------+-------------------------+--------------+-------------+
  591.  
  592. ==> geometry/dissections/square.five.p <==
  593. Can you dissect a square into 5 parts of equal area with just a straight edge?
  594.  
  595. ==> geometry/dissections/square.five.s <==
  596. 1. Prove you can reflect points which lie on the sides of the square
  597. about the diagonals.
  598.  
  599. 2. Construct two different rectangles whose vertices lie on the square
  600. and whose sides are parallel to the diagonals.
  601.  
  602. 3. Construct points A, A', B, B' on one (extended) side of the square
  603. such that A/A' and B/B' are mirror image pairs with respect to another
  604. side of the square.
  605.  
  606. 4. Construct the mirror image of the center of the square in one
  607. of the sides.
  608.  
  609. 5. Divide the original square into 4 equal squares whose sides are
  610. parallel to the sides of the original square.
  611.  
  612. 6. Divide one side of the square into 8 equal segments.
  613.  
  614. 7. Construct a trapezoid in which one base is a square side and one
  615. base is 5/8 of the opposite square side.
  616.  
  617. 8. Divide one side of the square into 5 equal segments.
  618.  
  619. 9. Divide the square into 5 equal rectangles.
  620.  
  621. ==> geometry/dissections/tesseract.p <==
  622. If you suspend a cube by one corner and slice it in half with a
  623. horizontal plane through its centre of gravity, the section face is a
  624. hexagon.  Now suspend a tesseract (a four dimensional hypercube) by one
  625. corner and slice it in half with a hyper-horizontal hyperplane through
  626. its centre of hypergravity.  What is the shape of the section
  627. hyper-face?
  628.  
  629. ==> geometry/dissections/tesseract.s <==
  630. The 4-cube is the set of all points in [-1,1]^4 .
  631. The hyperplane { (x,y,z,w) : x + y + z + w = 0 } cuts the 4-cube
  632. in the desired manner.
  633.  
  634. Now, { (.5,.5,-.5,-.5), (.5,-.5,.5,-.5), (.5,-.5,-.5,.5) } is an
  635. orthonormal basis for the hyperplane.  Let (a,b,c) be a point on the
  636. hyperplane with respect to this basis.  (a,b,c) is in the 4-cube if and
  637. only if |a| + |b| + |c| <= 2.   The shape of the intersection is a
  638. regular octahedron.
  639.  
  640. ==> geometry/duck.and.fox.p <==
  641. A duck is swimming about in a circular pond.  A ravenous fox (who cannot 
  642. swim) is roaming the edges of the pond, waiting for the duck to come close.  
  643. The fox can run faster than the duck can swim.  In order to escape, 
  644. the duck must swim to the edge of the pond before flying away.  Assume that 
  645. the duck can't fly until it has reached the edge of the pond.
  646.  
  647. How much faster must the fox run that the duck swims in order to be always
  648. able to catch the duck?
  649.  
  650. ==> geometry/duck.and.fox.s <==
  651. Assume the ratio of the fox's speed to the duck's is a, and the radius
  652. of the pond is r.  The duck's best strategy is:
  653.  
  654. 1.  Swim around a circle of radius (r/a - delta) concentric with the
  655. pond until you are diametrically opposite the fox (you, the fox, and
  656. the center of the pond are colinear).
  657.  
  658. 2.  Swim a distance delta along a radial line toward the bank opposite
  659. the fox.
  660.  
  661. 3.  Observe which way the fox has started to run around the circle.
  662. Turn at a RIGHT ANGLE in the opposite direction (i.e. if you started
  663. swimming due south in step 2 and the fox started running to the east,
  664. i.e. clockwise around the pond, then start swimming due west).  (Note:
  665. If at the beginning of step 3 the fox is still in the same location as
  666. at the start of step 2, i.e.  directly opposite you, repeat step 2
  667. instead of turning.)
  668.  
  669. 4.  While on your new course, keep track of the fox.  If the fox slows
  670. down or reverses direction, so that you again become diametrically
  671. opposite the fox, go back to step 2.  Otherwise continue in a straight
  672. line until you reach the bank.
  673.  
  674. 5.  Fly away.
  675.  
  676. The duck should make delta as small as necessary in order to be able
  677. to escape the fox.
  678.  
  679. The key to this strategy is that the duck initially follows a
  680. radial path away from the fox until the fox commits to running either
  681. clockwise or counterclockwise around the pond.  The duck then turns onto
  682. a new course that intersects the circle at a point MORE than halfway
  683. around the circle from the fox's starting position.  In fact, the duck
  684. swims along a tangent of the circle of radius r/a.  Let 
  685.  
  686.   theta = arc cos (1/a)
  687.  
  688. then the duck swims a path of length
  689.  
  690.   r sin theta + delta
  691.  
  692. but the fox has to run a path of length
  693.  
  694.   r*(pi + theta) - a*delta
  695.  
  696. around the circle.  In the limit as delta goes to 0, the duck will
  697. escape as long as
  698.  
  699.   r*(pi + theta) < a*r sin theta
  700.  
  701. that is,
  702.  
  703.   pi + arc cos (1/a) - a * sqrt(a^2 - 1) < 0
  704.  
  705. Maximize a in the above:  a = 4.6033388487517003525565820291030165130674...
  706. The fox can catch the duck as long as he can run about 4.6 times as fast as
  707. the duck can swim.
  708.  
  709. "But wait," I hear you cry, "When the duck heads off to that spot
  710. 'more than halfway' around the circle, why doesn't the fox just double
  711. back?  That way he'll reach that spot much quicker."  That is why the
  712. duck's strategy has instructions to repeat step 2 under certain
  713. circumstances.  Note that at the end of step 2, if the fox has started
  714. to run to head off the duck, say in a clockwise direction, he and the
  715. duck are now on the same side of some diameter of the circle.  This
  716. continues to be true as long as both travel along their chosen paths
  717. at full speed.  But if the fox were now to try to reach the duck's
  718. destination in a counterclockwise direction, then at some instant he
  719. and the duck must be on a diameter of the pond.  At that instant, they
  720. have exactly returned to the situation that existed at the end of step
  721. 1, except that the duck is a little closer to the edge than she was
  722. before.  That's why the duck always repeats step 2 if the fox is ever
  723. diametrically opposite her.  Then the fox must commit again to go one
  724. way or the other.  Every time the fox fails to commit, or reverses his
  725. commitment, the duck gets a distance delta closer to the edge.  This
  726. is a losing strategy for the fox.
  727.  
  728. The limiting ratio of velocities that this strategy works against
  729. cannot be improved by any other strategy, i.e., if the ratio of
  730. the duck's speed to the fox's speed is less than a then the duck
  731. cannot escape given the best fox strategy.
  732.  
  733. Given a ratio R of speeds less than the above a, the fox is sure to
  734. catch the duck (or keep it in water indefinitely) by pursuing the
  735. following strategy: 
  736. Do nothing so long as the duck is in a radius of R around the centre.
  737. As soon as it emerges from this circle, run at top speed around the
  738. circumference. If the duck is foolish enough not to position itself
  739. across from the center when it comes out of this circle, run "the short
  740. way around", otherwise run in either direction.
  741.  
  742. To see this it is enough to verify that at the circumference of the
  743. circle of radius R, all straight lines connecting the duck to points
  744. on the circumference (in the smaller segment of the circle cut out
  745. by the tangent to the smaller circle) bear a ratio greater than R
  746. with the corresponding arc the fox must follow. That this is enough
  747. follows from the observation that the shortest curve from a point on
  748. a circle to a point on a larger concentric circle (shortest among all
  749. curves that don't intersect the interior of the smaller circle) is
  750. either a straight line or an arc of the smaller circle followed by a
  751. tangential straight line.
  752.  
  753. ==> geometry/earth.band.p <==
  754. How much will a band around the equator rise above the surface if it is
  755. made one meter longer?  Assume the equator is a circle.
  756.  
  757. ==> geometry/earth.band.s <==
  758. The formula for the circumference of a circle is 2 * pi * radius.  Therefore,
  759. if you increase the circumference by 1 meter, you increase the radius by
  760. 1/(2 * pi) meters, or about 0.16 meters.
  761.  
  762. ==> geometry/fence.p <==
  763. A farmer wishes to enclose the maximum possible area with 100 meters of fence.
  764. The pasture is bordered by a straight cliff, which may be used as part of the
  765. fence.  What is the maximum area that can be enclosed?
  766.  
  767.  
  768. ==> geometry/fence.s <==
  769. A circle is the plane figure with highest ratio of area to perimeter.
  770. The cliff can be used to bisect a circle of radius 100/pi meters.  By
  771. symmetry, this will form the pen of largest area.  The resulting pen
  772. will contain 5000/pi meters squared.
  773.  
  774.  
  775. ==> geometry/ham.sandwich.p <==
  776. Consider a ham sandwich, consisting of two pieces of bread and one of
  777. ham.  Suppose the sandwich was dropped into a machine and spindled,
  778. torn and mutilated.  Is it still possible to divide the ham sandwich
  779. with a straight knife cut such that both the ham and each slice of
  780. bread are divided in two parts of equal volume?
  781.  
  782. ==> geometry/ham.sandwich.s <==
  783. Yes.  There is a theorem in topology called the Ham Sandwich Theorem,
  784. which says: Given 3 (finite) volumes (each may be of any shape, and in
  785. several pieces), there is a plane that cuts each volume in half.  You
  786. would learn about it typically in a first course in algebraic topology,
  787. or maybe in a course on introductory topology (if you studied the
  788. fundamental group).
  789.  
  790. ==> geometry/hike.p <==
  791. You are hiking in a half-planar woods, exactly 1 mile from the edge,
  792. when you suddenly trip and lose your sense of direction.  What's the
  793. shortest path that's guaranteed to take you out of the woods?  Assume
  794. that you can navigate perfectly relative to your current location and
  795. (unknown) heading.
  796.  
  797. ==> geometry/hike.s <==
  798. Go 2/sqrt(3) away from the starting point, turn 120 degrees and head
  799. 1/sqrt(3) along a tangent to the unit circle, then traverse an arc of
  800. length 7*pi/6 along this circle, then head off on a tangent 1 mile.
  801.  
  802. This gives a minimum of sqrt(3) + 7*pi/6 + 1 = 6.397...
  803.  
  804. It remains to prove this is the optimal answer.
  805.  
  806. ==> geometry/hole.in.sphere.p <==
  807. Old Boniface he took his cheer,
  808. Then he bored a hole through a solid sphere,
  809. Clear through the center, straight and strong,
  810. And the hole was just six inches long.
  811.  
  812. Now tell me, when the end was gained,
  813. What volume in the sphere remained?
  814. Sounds like I haven't told enough,
  815. But I have, and the answer isn't tough!
  816.  
  817. ==> geometry/hole.in.sphere.s <==
  818. The volume of the leftover material is equal to the volume of a 6" sphere.
  819.  
  820. First, lets look at the 2 dimensional equivalent of this problem.  Two
  821. concentric circles where the chord of the outer circle that is tangent
  822. to the inner circle has length D.  What is the annular area between the
  823. circles?
  824.  
  825. It is pi * (D/2)^2. The same area as a circle with that diameter.
  826. Proof:
  827.     big circle radius is R
  828.     little circle radius is r
  829.     
  830.                   2         2
  831.     area of donut = pi * R   - pi * r
  832.  
  833.                    2    2
  834.     =        pi * (R     - r )
  835.  
  836.  
  837. Draw a right triangle and apply the Pythagorean Theorem to see that
  838.          2      2       2
  839.         R  -   r   =  (D/2)
  840. so the area is
  841.                       2
  842.     =        pi * (D/2)
  843.  
  844.  
  845. Start with a sphere of radius R (where R > 6"), drill out the 6"
  846. high hole.  We will now place this large "ring" on a plane.  Next to it 
  847. place a 6" high sphere.  By Archemedes' theorem, it suffices
  848. to show that for any plane parallel to the base plane, the cross-
  849. sectional area of these two solids is the same.
  850.  
  851. Take a general plane at height h above (or below) the center
  852. of the solids. The radius of the circle of intersection on the sphere is 
  853.  
  854.     radius = srqt(3^2 - h^2)
  855.  
  856. so the area is     
  857.  
  858.     pi * ( 3^2  - h^2 ) 
  859.  
  860.  
  861. For the ring, once again we are looking at the area between two concentric 
  862. circles.  The outer circle has radius sqrt(R^2 - h^2), 
  863. The area of the outer circle is therefore
  864.  
  865.         pi (R^2 - h^2)
  866.  
  867. The inner circle has
  868. radius sqrt(R^2 - 3^2).  So the area  of the inner circle is
  869.  
  870.     pi * ( R^2  - 3^2 ) 
  871.  
  872. the area of the doughnut is therefore
  873.  
  874.         pi(R^2 - h^2)  - pi( R^2  - 3^2 ) 
  875.         
  876.     =    pi (R^2 - h^2 - R^2 + 3^2)
  877.  
  878.     =    pi (3^2  - h^2)
  879.  
  880. Therefore the areas are the same for every plane intersecting the solids.
  881. Therefore their volumes are the same.
  882. QED
  883.  
  884. There also is a meta-theoretic answer to this puzzle.  Assume the puzzle
  885. can be solved.  Then it must be solvable with a hole of any diameter, even
  886. zero.  But if you drill a hole of zero diameter that is six inches long,
  887. you leave behind the volume of a six inch diameter sphere.
  888.  
  889.  
  890. ==> geometry/hypercube.p <==
  891. How many vertices, edges, faces, etc. does a hypercube have?
  892.  
  893. ==> geometry/hypercube.s <==
  894. Take any vertex of the hypercube, and ask how many k-V's it
  895. participates in.  To make a k-V it needs to combine with k adjacent and
  896. orthogonal vertices, and there are (nCk) distinct ways of doing this
  897. [that is, choose k directions out of n possible ones].  Then multiply
  898. by 2^n, the total number of vertices.  But this involves multiple
  899. counting, since each k-V is shared by 2^k vertices.  So divide by 2^k,
  900. and this yields the answer: (nCk)*2^{n-k}.
  901.  
  902.  
  903. For example, 12d hypercube:
  904.  
  905.  0-v:   4,096
  906.  1-v:  24,576
  907.  2-v:  67,584
  908.  3-v: 112,640
  909.  4-v: 126,720
  910.  5-v: 101,376
  911.  6-v:  59,136
  912.  7-v:  25,344
  913.  8-v:   7,920
  914.  9-v:   1,760
  915. 10-v:     264
  916. 11-v:      24
  917. 12-v:       1
  918.  
  919.  
  920. ==> geometry/kissing.number.p <==
  921. How many n-dimensional unit spheres can be packed around one unit sphere?
  922.  
  923. ==> geometry/kissing.number.s <==
  924. From the Feb. 1992 issue of Scientific American:
  925.  
  926.           Kissing Numbers
  927.  
  928. Dimension    Lower limit   Upper limit
  929.    1*            2             2
  930.    2*            6             6
  931.    3*           12            12
  932.    4            24            25
  933.    5            40            46
  934.    6            72            82
  935.    7           126           140
  936.    8*          240           240
  937.    9           306           380
  938.   10           500           595
  939.   11           582           915
  940.   12           840         1,416
  941.   13         1,130         2,233
  942.   14         1,582         3,492
  943.   15         2,564         5,431
  944.   16         4,320         8,313
  945.   17         5,346        12,215
  946.   18         7,398        17,877
  947.   19        10,688        25,901
  948.   20        17,400        37,974
  949.   21        27,720        56,852
  950.   22        49,896        86,537
  951.   23        93,150       128,096
  952.   24*      196,560       196,560
  953.  
  954. * = dimensions for which the answer is known.
  955.  
  956. REFERENCES (from the Sci. Am. article)
  957.  
  958. The Problem of the Thirteen Spheres. John Leech in Mathematical Gazette,
  959.   Vol. 40, No. 331, pages 22-23; February 1956
  960. Sphere Packings, Lattics and Groups.  John Horton Conway and Neil J. A.
  961.   Sloane.  Springer-Verlag, 1988.
  962. Sphere Packings and Spherical Geometry--Kepler's Conjecture and Beyond,
  963.   preprint.  Wu-Yi Hsiang.  Center for Pure and Applied Mathematics,
  964.   University of California, Berkeley, July 1991.
  965. --
  966. David Radcliffe                                
  967. radcliff@csd4.csd.uwm.edu            
  968.  
  969. ==> geometry/konigsberg.p <==
  970. Can you draw a line through each edge on the diagram below without crossing
  971. any edge twice and without lifting your pencil from the paper?
  972.  
  973.              +---+---+---+
  974.              |   |   |   |
  975.              +---+-+-+---+
  976.              |     |     |
  977.              +-----+-----+
  978.  
  979.  
  980. ==> geometry/konigsberg.s <==
  981. This is solved in the same way as the famous "Seven Bridges of
  982. Konigsberg" problem first solved by Euler.  In that problem, the task
  983. was to find a closed path that crossed each of the seven bridges of
  984. Konigsberg (now Kaliningrad, Russia) exactly once.  For reasons given
  985. below, no such path existed.  In this version, you cannot draw such a
  986. line without cheating by:
  987.  
  988. (1) drawing a line along one of the edges, or
  989. (2) inscribing the diagram on a torus, or
  990. (3) defining a line segment as the entire length of each straight line, or
  991. (4) adding a vertex on one of the line segemnts, or
  992. (5) defining "crossing" as touching the endpoint of a segment.
  993.  
  994. The method for determining if paths exist in all similar problems is
  995. given below.
  996.  
  997. Turn each "room" into a point. Turn each line segment into a line
  998. connecting the two points representing the rooms it abuts.  You should
  999. be able to see that drawing one continuous line across all segments in
  1000. your drawing is equivalent to traversing all the edges in the resulting
  1001. graph.  Euler's Theorem states that for a graph to be traversable, the
  1002. number of vertices with an odd number of edges proceeding from them
  1003. must be either zero or two.  For this graph, that number is four, and it
  1004. cannot be traversed.
  1005.  
  1006.              +---+---+---+
  1007.              | 1 | 2 | 3 |
  1008.              +---+-+-+---+ 6 (outside)
  1009.              |  4  |  5  |
  1010.              +-----+-----+
  1011.  
  1012. Number of edges proceeding from each vertex:
  1013.  
  1014.    1: 4
  1015.    2: 5  (*odd*)
  1016.    3: 4
  1017.    4: 5  (*odd*)
  1018.    5: 5  (*odd*)
  1019.    6: 9  (*odd*)
  1020.  
  1021. To prove Euler's Theorem, think of walking along the graph from vertex to
  1022. vertex.  Each vertex must be entered as many times as it is exited, except
  1023. for where you start and where you end.  So, each vertex must have an
  1024. even number of edges, except possibly for two vertices.  And if there are
  1025. two vertices with an odd number of edges, the path must start at one and
  1026. end at the other.
  1027.  
  1028. ==> geometry/ladders.p <==
  1029. Two ladders form a rough X in an alley.  The ladders are 11 and 13 meters
  1030. long and they cross 4 meters off the ground.  How wide is the alley?
  1031.  
  1032. ==> geometry/ladders.s <==
  1033. Ladders 1 and 2, denoted L1 and L2, respectively, will rest along two
  1034. walls (taken to be perpendicular to the ground), and they will
  1035. intersect at a point O = (a,s), a height s from the ground.  Find the
  1036. largest s such that this is possible.  Then find the width of the
  1037. alley, w = a+b, in terms of L1, L2, and s.  This diagram is not to
  1038. scale.
  1039.  
  1040.                  B                     D
  1041.                   |\ L1           L2 /|
  1042.                   |  \             /  |           BC = length of L1  
  1043.                   |    \         /    |           AD = length of L2
  1044.                   |      \  O  /      |            s = height of intersection
  1045.                  x|        \ /        |y           A = (0,0)
  1046.                   |        /|\        |           AE = a 
  1047.                   |    m /  |  \ n    |           EC = b
  1048.                   |    /    |s   \    |           AO = m
  1049.                   |  /      |      \  |           CO = n
  1050.                   |/________|________\|     
  1051.          (0,0) = A    a     E    b     C
  1052.  
  1053. -----------------------------------------------------------------------------
  1054. Without loss of generality, let L2 >= L1.
  1055.  
  1056. Observe that triangles AOB and DOC are similar.  Let r be the ratio of
  1057. similitude, so that x=ry.  Consider right triangles CAB and ACD.  By
  1058. the Pythagorean theorem, L1^2 - x^2 = L2^2 - y^2.  Substituting x=ry,
  1059. this becomes y^2(1-r^2) = L2^2 - L1^2.  Letting L= L2^2 -L1^2 (L>=0),
  1060. and factoring, this becomes
  1061.  
  1062.     (*)   y^2 (1+r)(1-r) = L
  1063.  
  1064. Now, because parallel lines cut L1 (a transversal) in proportion, r =
  1065. x/y = (L1-n)/n, and so  L1/n = r+1.  Now, x/s = L1/n = r+1, so ry = x =
  1066. s(r+1).  Solving for r, one obtains the formula r = s/(y-s).
  1067. Substitute this into (*) to get
  1068.  
  1069.     (**)  y^2 (y) (y-2s) = L (y-s)^2
  1070.  
  1071. NOTE:  Observe that, since L>=0, it must be true that y-2s>=0.
  1072.  
  1073. Now, (**) defines a fourth degree polynomial in y.  It can be written in the
  1074. form (by simply expanding (**))
  1075.  
  1076.     (***)  y^4 - 2s_y^3 - L_y^2 + 2sL_y - Ls^2 = 0
  1077.  
  1078. L1 and L2 are given, and so L is a constant.  How large can s be?  Given L,
  1079. the value s=k is possible if and only if there exists a real solution, y',
  1080. to (***), such that 2k <= y' < L2.  Now that s has been chosen, L and s are
  1081. constants, and (***) gives the desired value of y.  (Make sure to choose the
  1082. value satisfying 2s <= y' < L2.  If the value of s is "admissible" (i.e.,
  1083. feasible), then there will exist exactly one such solution.)
  1084. Now, w = sqrt(L2^2 - y^2), so this concludes the solution.
  1085.  
  1086. L1 = 11, L2 = 13, s = 4.  L = 13^2-11^2 = 48, so (***) becomes
  1087.  
  1088.        y^4 - 8_y^3 - 48_y^2 + 384_y - 768 = 0
  1089.  
  1090. Numerically find root y ~= 9.70940555, which yields w ~= 8.644504.
  1091.  
  1092. ==> geometry/lattice/area.p <==
  1093. Prove that the area of a triangle formed by three lattice points is integer/2.
  1094.  
  1095. ==> geometry/lattice/area.s <==
  1096. The formula for the area is
  1097.  
  1098.     A = | x1*y2 + x2*y3 + x3*y1 - x1*y3 - x2*y1 - x3*y2 | / 2
  1099.  
  1100. If the xi and yi are integers, A is of the form (integer/2)
  1101.  
  1102. ==> geometry/lattice/equilateral.p <==
  1103. Can an equlateral triangle have vertices at integer lattice points?
  1104.  
  1105. ==> geometry/lattice/equilateral.s <==
  1106. No.  
  1107.  
  1108. Suppose 2 of the vertices are (a,b) and (c,d), where a,b,c,d are integers.
  1109. Then the 3rd vertex lies on the line defined by
  1110.  
  1111.     (x,y) = 1/2 (a+c,b+d) + t ((d-b)/(c-a),-1)    (t any real number)
  1112.  
  1113. and since the triangle is equilateral, we must have
  1114.  
  1115.     ||t ((d-b)/(c-a),-1)|| = sqrt(3)/2 ||(c,d)-(a,b)||
  1116.  
  1117. which yields t = +/- sqrt(3)/2 (c-a).  Thus the 3rd vertex is
  1118.  
  1119.     1/2 (a+c,b+d) +/- sqrt(3)/2 (d-b,a-c)
  1120.  
  1121. which must be irrational in at least one coordinate.
  1122.  
  1123. ==> geometry/manhole.cover.p <==
  1124. Why is a manhole cover round?
  1125.  
  1126. ==> geometry/manhole.cover.s <==
  1127. It will not fall into the hole, even if rotated, tipped, etc.
  1128. It gives maximal area for a given amount of material.
  1129. It does not have to be carried, but can be rolled.
  1130. Human beings are roughly round in horizontal cross section.
  1131. Orientation of the cover with the access hole is not of concern.
  1132. Orientation of the access hole with the ladder in the pipe below is not
  1133.     of concern.
  1134.  
  1135. ==> geometry/pentomino.p <==
  1136. Arrange pentominos in 3x20, 4x15, 5x12, 6x10, 2x3x10, 2x5x6 and 3x4x5 forms.
  1137.  
  1138. ==> geometry/pentomino.s <==
  1139. I've seen several different naming schemes used for pentominoes. This is
  1140. the system I'm using (I think only F & N require a bit of imagination):
  1141.  
  1142.  FF  I  L    N  PP  TTT  U U  V   V  W W W  X X   Y  ZZ
  1143. FF   I  L   NN  PP   T   UUU   V V    W W    X   YY   Z
  1144.  F   I  L   N   P    T          V           X X   Y   ZZ
  1145.      I  LL  N                                     Y
  1146.  
  1147. A 3x20 solution (the other solution is easily obtained by a rotation of 
  1148. the section from the Z to the L inclusive):
  1149.  
  1150.   UUXPPPZYYYYWTFNNNVVV
  1151.   UXXXPPZZZYWWTFFFNNLV
  1152.   UUXIIIIIZWWTTTFLLLLV
  1153.  
  1154. A 4x15 solution:
  1155.  
  1156.   IIIIINNLLLLTVVV
  1157.   UUXNNNFZZWLTTTV
  1158.   UXXXYFFFZWWTPPV
  1159.   UUXYYYYFZZWWPPP
  1160.  
  1161. 2 5x6 rectangles. Joined side-to-side, end-to-end, or stacked, these
  1162. enable construction of the 6x10 & 5x12 rectangles, and the 2x5x6 prism:
  1163.  
  1164.   NFVVV  YYYYI
  1165.   NFFFV  LLYZI
  1166.   NNFXV  LZZZI
  1167.   PNXXX  LZWTI
  1168.   PPUXU  LWWTI
  1169.   PPUUU  WWTTT
  1170.  
  1171.  
  1172. The 2x3x10 and 3x4x5 solutions are tricky to show - I hope these diagrams
  1173. make sense:
  1174.  
  1175. A 2x3x10 solution (shown as 2 layers; Y and L are shared between the
  1176. 2 layers):
  1177.  
  1178.   VVVZIIIIIF    UUXTTTWWPP
  1179.   VZZZNNNFFF    UXXXTWWPPP
  1180.   VZYYYYNNFL    UUXYTWLLLL
  1181.  
  1182. A 3x4x5 solution (3 layers, V F W & L shared between 2 or more layers): 
  1183.  
  1184.   VUUXF   VZFFF   VNYFW
  1185.   VUXXX   TZZZW   NNYPW
  1186.   VUUXW   TTTZW   NYYPP
  1187.   IIIII   TLLLL   NLYPP
  1188.  
  1189.  
  1190.  
  1191. --
  1192.  +-------------------  pete@bignode.equinox.gen.nz  -------------------+
  1193.  | The effort to understand the universe is one of the very few things |
  1194.  | that lifts human life above the level of farce, and gives it some   |  
  1195.  | of the grace of tragedy   -  Steven Weinberg                        |
  1196.  +---------------------------------------------------------------------+
  1197.  
  1198. ==> geometry/points.in.sphere.p <==
  1199. What is the expected distance between two random points inside a sphere?
  1200. Assume the points are uniformly and independently distributed.
  1201.  
  1202. ==> geometry/points.in.sphere.s <==
  1203. Use spherical polar coordinates, and w.l.o.g. choose the polar axis
  1204. through one of the points. Now the distance between the two points is
  1205.  
  1206.      sqrt ( r1^2 + r2^2 - 2 r1 r2 cos(theta))
  1207.  
  1208. and cos(theta) is (conveniently) uniformly distributed between -1 and
  1209. +1, while r1 and r2 have densities 3 r1^2 d(r1) and 3 r2^2 d(r2). Split
  1210. the total integral into two (equal) parts with r1 < r2 and r1 > r2, and
  1211. it all comes down to integrating polynomials.
  1212.  
  1213. More generally, the expectation of the n'th power of the distance
  1214. between the two points is
  1215.  
  1216.          2^n . 72 / ((n+3)(n+4)(n+6))
  1217.  
  1218. So the various means are:
  1219.  
  1220.      the (arithmetic) mean distance is  36/35      = 1.028571...
  1221.      the root mean square distance is   sqrt(6/5)  = 1.095445...
  1222.      the geometric mean distance is     2exp(-3/4) = 0.944733...
  1223.      the harmonic mean distance is      5/6        = 0.833333...
  1224.      the inverse root mean inverse square distance is
  1225.                                         2/3        = 0.666666...
  1226.  
  1227. ==> geometry/points.on.sphere.p <==
  1228. What are the odds that n random points on a sphere lie in the same hemisphere?
  1229.  
  1230. ==> geometry/points.on.sphere.s <==
  1231. 1 - [1-(1/2)^(n-2)]^n
  1232.  
  1233. where n is the # of points on the sphere.
  1234.  
  1235. The question will become a lot easier if you restate it as the following:
  1236.  
  1237. What is the probability in finding at least one point such that all the other
  1238. points on the sphere are on one side of the great circle going through this
  1239. point. 
  1240.  
  1241. When n=2, the probability= 1 ,
  1242. when n=infinity, it becomes 0.
  1243.  
  1244. In his Scientific American column which was titled "Curious Maps",
  1245. Martin Gardner ponders the fact that most of the land mass of the Earth
  1246. is in one hemisphere and refers to a paper which models continents
  1247. by small circular caps. He gives the above result.
  1248.  
  1249. See "The Probability of Covering a Sphere With N Circular Caps" by
  1250. E. N. Gilbert in Biometrika 52, 1965, p323.
  1251.  
  1252. ==> geometry/revolutions.p <==
  1253. A circle with radius 1 rolls without slipping once around a circle with radius
  1254. 3.  How many revolutions does the smaller circle make?
  1255.  
  1256. ==> geometry/revolutions.s <==
  1257. 4 if the smaller circle rolls on the outside of the larger circle; 2 if
  1258. it rolls on the inside.
  1259.  
  1260. Imagine you are rolling a wheel by pushing it along the equator of the
  1261. earth. Suppose the circumference of the wheel is one third of that of
  1262. the earth. By the time you return to your starting point, the wheel
  1263. finishes 3 revolutions relative to you. But do not forget you yourself
  1264. also finishes 1 revolution in the same direction. As a result, the
  1265. number of absolute revolutions is 3+1=4.
  1266.  
  1267. But if the small circle is rolling inside the large circle, the answer
  1268. is then 3-1=2, because in this case the wheel makes a counter-revolution
  1269. as you walk once around.
  1270.  
  1271. ==> geometry/rotation.p <==
  1272. What is the smallest rotation that returns an object to its original state?
  1273.  
  1274. ==> geometry/rotation.s <==
  1275. 720 degrees.
  1276.  
  1277. Objects are made of bosons (integer-spin particles) and fermions
  1278. (half-odd-integer spin particles), and the wave function of a fermion
  1279. changes sign upon being rotated by 360 degrees.  To get it back to its
  1280. original state you must rotate by another 360 degrees, for a total of
  1281. 720 degrees.  This fact is the basis of Fermi-Dirac statistics, the
  1282. Pauli Exclusion Principle, electron orbits, chemistry, and life.
  1283.  
  1284. Mathematically, this is due to the continuous double cover of SO(2) by
  1285. SO(3), where SO(2) is the internal symmetry group of fermions and SO(3)
  1286. is the group of rotations in three dimensional space.
  1287.  
  1288. A fermion can be modeled by a sphere with strings attached.  It is
  1289. possible to see that a 360 degree rotation will entangle the strings,
  1290. which another 360 degree rotation will disentangle.  You can also
  1291. demonstrate this with a tray, which you hold in your right hand with
  1292. the arm lowered, then rotate twice as you raise your arm and end up
  1293. with the tray above your head, rotated twice about its vertical axis,
  1294. but without having twisted your arm.
  1295.  
  1296. Hospitals have machines which take out your blood, centrifuge it to take out
  1297. certain parts, then return it to your veins. Because of AIDS they must never
  1298. let your blood touch the inside of the machine which has touched others'
  1299. blood. So the inside is lined with a single piece of disposable branched
  1300. plastic tubing. This tube must rotate rapidly in the centrifuge where
  1301. several branches come out. Thus the tube should twist and tangle up the
  1302. branches. But the machine untwists the branches as in the above discussion.
  1303. At several hundred rounds per minute!
  1304.  
  1305. References
  1306.     R. Penrose and W.  Rindler
  1307.     Spinors and Space-time, vol. 1, p. 43
  1308.     Cambridge University Press, 1984
  1309.  
  1310.     R. Feynman and S. Weinberg
  1311.     Elementary Particles and the Laws of Physics, p. 29
  1312.     Cambridge University Press, 1987
  1313.  
  1314.     M. Gardner
  1315.     The New Ambidextrous Universe, Revised (Third) Edition, pp. 329-332
  1316.     W. H. Freeman, 1990
  1317.  
  1318. ==> geometry/shephard.piano.p <==
  1319. What's the maximum area shape that will fit around a right-angle corner?
  1320.  
  1321. ==> geometry/shephard.piano.s <==
  1322. This problem is unsolved.  A simple solution called the "Shephard
  1323. piano" has area 2.2074+, but this can be improved upon with local
  1324. modifications.  A solution exists with area 2.215649+.  It is known
  1325. that a maximum area exists, but not whether the shape achieving it is
  1326. symmetric, smooth, or even unique.
  1327.  
  1328. See Problem G5 in Croft, Falconer, and Guy, _Unsolved Porblems in
  1329. Geometry_, Springer-Verlag, 1991.
  1330.  
  1331. ==> geometry/smuggler.p <==
  1332. Somewhere on the high sees smuggler S is attempting, without much
  1333. luck, to outspeed coast guard G, whose boat can go faster than S's. G
  1334. is one mile east of S when a heavy fog descends. It's so heavy that
  1335. nobody can see or hear anything further than a few feet. Immediately
  1336. after the fog descends, S changes course and attempts to escape at
  1337. constant speed under a new, fixed course. Meanwhile, G has lost track
  1338. of S. But G happens to know S's speed, that it is constant, and that S
  1339. is sticking to some fixed heading, unknown to G.
  1340.  
  1341. How does G catch S? 
  1342.  
  1343. G may change course and speed at will. He knows his own speed and
  1344. course at all times. There is no wind, G does not have radio or radar,
  1345. there is enough space for maneuvering, etc.
  1346.  
  1347. ==> geometry/smuggler.s <==
  1348. One way G can catch S is as follows (it is not the fastest way). 
  1349.  
  1350. G waits until he knows that S has traveled for one mile. At that time, both
  1351. S and G are somewhere on a circle with radius one mile, and with its center
  1352. at the original position of S. G then begins to travel with a velocity that
  1353. has a radially outward component equal to that of S, and with a tangential
  1354. component as large as possible, given G's own limitation of total speed. By
  1355. doing so, G and S will always both be on an identical circle having its
  1356. center at the original position of S. Because G has a tangential component
  1357. whereas S does not, G will always catch S (actually, this is not proven
  1358. until you solve the o.d.e. associated with the problem).
  1359.  
  1360. If G can go at 40 mph and S goes at 20 mph, you can work out that it will
  1361. take G at most 1h 49m 52s to catch S.  On average, G will catch S in:
  1362.  
  1363. ( -2pi + sqrt(3) ( exp(2pi/sqrt(3)) - 1 )) / 40pi    hours,
  1364.  
  1365. which is, 27 min and 17 sec.
  1366.  
  1367. ==> geometry/spiral.p <==
  1368. How far must one travel to reach the North Pole if one starts from the
  1369. equator and always heads northwest?
  1370.  
  1371. ==> geometry/spiral.s <==
  1372. One can't reach the North Pole by going northwest.  If one could, then
  1373. one could leave the North Pole by going southeast.  But from the Pole
  1374. all directions are due south.
  1375.  
  1376. If one heads northwest continuously, one will spiral closer and closer
  1377. to the North Pole, until finally one can't turn that sharply.
  1378.  
  1379. ==> geometry/table.in.corner.p <==
  1380. Put a round table into a (perpendicular) corner so that the table top
  1381. touches both walls and the feet are firmly on the ground.  If there is
  1382. a point on the perimeter of the table, in the quarter circle between
  1383. the two points of contact, which is 10 cm from one wall and 5 cm from
  1384. the other, what's the diameter of the table?
  1385.  
  1386. ==> geometry/table.in.corner.s <==
  1387. Consider the +X axis and the +Y axis to be the corner.  The table has
  1388. radius r which puts the center of the circle at (r,r) and makes the
  1389. circle tangent to both axis.  The equation of the circle (table's
  1390. perimeter) is
  1391.  
  1392.     (x-r)^2 + (y-r)^2 = r^2 .
  1393.  
  1394. This leads to 
  1395.  
  1396.      r^2 - 2(x+y) + x^2 + y^2 = 0
  1397.  
  1398. Using x = 10, y = 5 we get the solutions 25 and 5.  The former is the
  1399. radius of the table.  It's diameter is 50 cm.
  1400.  
  1401. The latter number is the radius of a table that has a point which
  1402. satisfies the conditions but is not on the quarter circle nearest
  1403. the corner.
  1404.  
  1405. ==> geometry/tetrahedron.p <==
  1406. Suppose you have a sphere of radius R and you have four planes that are
  1407. all tangent to the sphere such that they form an arbitrary tetrahedron
  1408. (it can be irregular).  What is the ratio of the surface area of the
  1409. tetrahedron to its volume?
  1410.  
  1411. ==> geometry/tetrahedron.s <==
  1412. For each face of the tetrahedron, construct a new tetrahedron with that
  1413. face as the base and the center of the sphere as the fourth vertex.
  1414. Now the original tetrahedron is divided into four smaller ones, each of
  1415. height R.  The volume of a tetrahedron is Ah/3 where A is the area of
  1416. the base and h the height; in this case h=R.  Combine the four
  1417. tetrahedra algebraically to find that the volume of the original
  1418. tetrahedron is R/3 times its surface area.
  1419.  
  1420. ==> geometry/tiling/count.1x2.p <==
  1421. Count the ways to tile an MxN rectangle with 1x2 dominos.
  1422.  
  1423. ==> geometry/tiling/count.1x2.s <==
  1424. The number of ways to tile an MxN rectangle with 1x2 dominos is
  1425. 2^(M*N/2) times the product of
  1426.  
  1427. { cos^2(m*pi/(M+1)) + cos^2(n*pi/(N+1)) } ^ (1/4)
  1428.  
  1429. over all m,n in the range 0<m<M+1, 0<n<N+1.
  1430.  
  1431. [Exercises:
  1432.  0) Why does this work for M*N odd?
  1433.  1) When M<3 the count can be determined directly;
  1434.    check that it agrees with the above formula.
  1435.  2) Prove directly this formula gives an integer for all M,N, and
  1436.    further show that if M=N it is a perfect square when 4|N and
  1437.    twice a square otherwise.
  1438. ]
  1439.  
  1440. Where does this come from?  For starters note that, with the usual checker-
  1441. board coloring, each domino must cover one light and one dark square.  Assume
  1442. that M*N is even (but as it happens our formula will work also when both
  1443. M,N are odd --- see exercise 0 above).  Form a square matrix of size
  1444. M*N/2 whose rows and columns are indexed by the light and dark squares,
  1445. and whose (j,k) entry is 1 if the j-th light and k-th dark square are
  1446. adjacent and zero otherwise.  There are now three key ideas:
  1447.  
  1448. First, the number of tilings is the number of ways to match each light
  1449. square with an adjacent dark square; thus it is the _permanent_ of our
  1450. matrix (recall that the permanent of a rxr matrix is a sum of the same
  1451. r! terms that occur in its determinant, except without the usual +1/-1
  1452. sign factors).
  1453.  
  1454. Second, that by modifying this matrix slightly we can convert the
  1455. permanent to a determinant; this is nice because determinants are generally
  1456. much easier to evaluate than permanents.  One way to do this is to replace
  1457. all the 1's that correspond to vertical adjacency to i's, and multiply the
  1458. whole thing by a suitable power of i (which will disappear when we raise
  1459. it to a fourth power).
  1460.  
  1461. [Exercise 3: check that this transformation actually works as advertised!]
  1462.  
  1463. Third, that we can diagonalize the resulting matrix A --- or, more
  1464. conveniently, the square matrix of A' order M*N whose order-(M*N/2)
  1465. blocks are 0,A;A-transpose,0 , whence det(A') = +-(det(A))^2.  Then
  1466. the rows and columns of A' are indexed by squares of either hue on our
  1467. generalized checkerboard, and its entries are 1 for horizontally adjacent
  1468. squares, i for vertically adjacent ones, and 0 for nonadjacent (including
  1469. coincident) squares.  This A' can be diagonalized by using the trigonometric
  1470. basis of vectors v_ab (a,b as in the formula above) whose coordinate at
  1471. the (m,n)-th square is  sin(a*m*pi/(M+1)) * sin(b*n*pi/(N+1)).
  1472.  
  1473. Exercise 4: verify that these are in fact orthogonal eigenvectors of A',
  1474. determine their eigenvalues, and complete the proof of the above formula.
  1475.  
  1476.  
  1477. (None of this is new, but it does not seem to be well-known: indeed
  1478. each of the above steps seems to have been discovered independently
  1479. several times, and I'm not sure whom to credit with the first discovery
  1480. of this particular application of the method.  For different approaches
  1481. to exactly solvable problems involving the enumeration of domino tilings,
  1482. see the two papers of G.Kuperberg, Larsen, Propp and myself on
  1483. "Alternating-Sign Matrices and Domino Tilings" in the first volume of
  1484. the _Journal of Algebraic Combinatorics_.)
  1485.  
  1486. --Noam D. Elkies (elkies@zariski.harvard.edu)
  1487.   Dept. of Mathematics, Harvard University
  1488.  
  1489.  
  1490.  
  1491.  
  1492.  
  1493. ==> geometry/tiling/rational.sides.p <==
  1494. A rectangular region R is divided into rectangular areas.  Show that if
  1495. each of the rectangles in the region has at least one side with
  1496. rational length then the same can be said of R.
  1497.  
  1498. ==> geometry/tiling/rational.sides.s <==
  1499. "Fourteen proofs of a result about tiling a rectangle" (Stan Wagon)
  1500. _The American Mathematical Monthly_, Aug-Sep 1987, Vol 94 #7.  There
  1501. was also a fifteenth proof published a few issues later, attributed to
  1502. a (University of Kentucky?) student.
  1503.  
  1504.