home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ ftp.pasteur.org/FAQ/ / ftp-pasteur-org-FAQ.zip / FAQ / puzzles / archive / geometry / part2 < prev   
Encoding:
Internet Message Format  |  1996-04-27  |  12.9 KB

  1. Received: from MIT.EDU (PACIFIC-CARRIER-ANNEX.MIT.EDU [18.69.0.28]) by bloom-picayune.MIT.EDU (8.6.13/2.3JIK) with SMTP id AAA23737; Sat, 27 Apr 1996 00:58:59 -0400
  2. Received: from [199.164.164.1] by MIT.EDU with SMTP
  3.     id AA27056; Sat, 27 Apr 96 00:38:02 EDT
  4. Received: by questrel.questrel.com (940816.SGI.8.6.9/940406.SGI)
  5.     for news-answers-request@mit.edu id VAA20254; Fri, 26 Apr 1996 21:38:39 -0700
  6. Date: Fri, 26 Apr 1996 21:38:39 -0700
  7. X-Mail-Submission-From: chris@questrel.questrel.com (Chris Cole)
  8. Message-Id: <199604270438.VAA20254@questrel.questrel.com>
  9. To: news-answers-request@MIT.EDU
  10. Reply-To: chris@questrel.questrel.com
  11. Newsgroups: rec.puzzles,news.answers,rec.answers
  12. Path: senator-bedfellow.mit.edu!bloom-beacon.mit.edu!gatech!europa.eng.gtefsd.com!uunet!questrel!chris
  13. From: chris@questrel.com (Chris Cole)
  14. Subject: rec.puzzles Archive (geometry), part 14 of 35
  15. Message-ID: <puzzles/archive/geometry/part2_745653851@questrel.com>
  16. Followup-To: rec.puzzles
  17. Summary: This is part of an archive of questions
  18.  and answers that may be of interest to
  19.  puzzle enthusiasts.
  20.  Part 1 contains the index to the archive.
  21.  Read the rec.puzzles FAQ for more information.
  22. Sender: chris@questrel.com (Chris Cole)
  23. Reply-To: archive-comment@questrel.com
  24. Organization: Questrel, Inc.
  25. References: <puzzles/archive/Instructions_745653851@questrel.com>
  26. Date: Wed, 18 Aug 1993 06:05:22 GMT
  27. Approved: news-answers-request@MIT.Edu
  28. Expires: Thu, 1 Sep 1994 06:04:11 GMT
  29. Lines: 280
  30. Xref: senator-bedfellow.mit.edu rec.puzzles:25003 news.answers:11523 rec.answers:1923
  31.  
  32. Archive-name: puzzles/archive/geometry/part2
  33. Last-modified: 17 Aug 1993
  34. Version: 4
  35.  
  36.  
  37. ==> geometry/tiling/rectangles.with.squares.p <==
  38. Given two sorts of squares, (axa) and (bxb), what rectangles can be tiled?
  39.  
  40. ==> geometry/tiling/rectangles.with.squares.s <==
  41. A rectangle can be tiled with (axa) and (bxb) squares,   iff
  42.  
  43. (i) gcd(a,b)=1 , and any of the following hold:
  44.  
  45. either:  both sides of the rectangle are multiples of a;
  46.     or:  both sides of the rectangle are multiples of b;
  47.     or:  one side is a multiple of (ab), and the other is any length EXCEPT
  48.          one of a finite number of "bad" lengths: those numbers which are
  49.          NOT positive integer combinations of a & b. { By Sylvester's theorem
  50.          there are (a-1)(b-1)/2 of these, the largest being (a-1)(b-1)-1. }
  51.  
  52. (ii) gcd(a,b) = d . 
  53.      Then merely apply (i) to the problem with a,b replaced
  54.      by a/d, b/d  and the rectangle lengths also divided by d.
  55.      i.e.  all cells must appear in (dxd) subsquares.
  56.  
  57. ------
  58. PROOF
  59. It is clear that (ii) follows from (i), and that simple constructions give
  60. the "if" part of (i). For the "only if" part, we prove that...
  61.  
  62. (S) If one side of the rectangle is not divisible by a, and the other is
  63.     not divisible by b, then the tiling is impossible.
  64.  
  65. The results in (i) follow immediately from (S).
  66.  
  67. To prove (S):  ( Chakraborty-Hoey style ).
  68.                  ~~~~~~~~~~~~~~~~
  69. Let the width of the rectangle be a NON-(a-multiple). Then the number of
  70. bxb squares starting (i.e. top edge) at row 1 must be a NON-a-multiple.
  71. Thus the number of bxb starting at row 2 must BE an a-multiple. Similarly
  72. for the number starting at rows 3,4,...,b . Then the number starting at
  73. row (b+1) must be a NON-a-multiple again.
  74.  
  75. Similarly the number starting at rows (2b+1), (3b+1), (4b+1),... must all be
  76. non-a-multiples. So if the number of rows is NOT a multiple of b, (call it
  77. bx+r), then row (bx+1) must have a NON-a-multiple of bxb squares starting
  78. there, i.e. at least one, and there is no room left to squeeze it in.     [QED]
  79. ----
  80.  
  81. A Rickard-style proof of (S) is    ..BBB....BBWWW...WBBB....BBWWW...W(..etc)
  82.   ~~~~~~~   also possible, by      ..BBB....BBWWW...WBBB....BBWWW...W
  83. coloring the rectangle in          ..BBB....BBWWW...WBBB....BBWWW...W
  84. vertical strips as shown here:       <-  a  ->< b-a ><-  a  ->< b-a >
  85.  
  86. Every square tile covers an a-multiple of black squares. But if the width
  87. is a NON-b-multiple, and the number of rows is a NON-a-multiple, then there
  88. are a NON-a-multiple of black squares in total.    [QED]
  89.  
  90. (Note: the coloring must have 1 column of blacks on the right, and any
  91.  ====     spare columns of whites on the left.)
  92.  
  93. ===================
  94.  
  95. Bill Taylor.            wft@math.canterbury.ac.nz
  96.  
  97. >A Rickard-style proof of (S) is    ..BBB....BBWWW...WBBB....BBWWW...W(..etc)
  98. >  ~~~~~~~   also possible, by      ..BBB....BBWWW...WBBB....BBWWW...W
  99. >coloring the rectangle in          ..BBB....BBWWW...WBBB....BBWWW...W
  100. >vertical strips as shown here:       <-  a  ->< b-a ><-  a  ->< b-a >
  101. >
  102. >Every square tile covers an a-multiple of black squares. But if the width
  103. >is a NON-b-multiple, and the number of rows is a NON-a-multiple, then there
  104. >are a NON-a-multiple of black squares in total.    [QED]
  105. >
  106. >(Note: the coloring must have 1 column of blacks on the right, and any
  107. > ====     spare columns of whites on the left.)
  108.  
  109. This statement of how to position the colouring isn't good enough, I'm
  110. afraid. Take a=4, b=7 and consider e.g. a 19x10 rectangle. Coloured your
  111. way, you get:
  112.  
  113.     BWWWBBBBWWWBBBBWWWB
  114.     BWWWBBBBWWWBBBBWWWB
  115.     :::::::::::::::::::
  116.     BWWWBBBBWWWBBBBWWWB
  117.     BWWWBBBBWWWBBBBWWWB
  118.  
  119. The result has 10*10=100 black squares in it, which *is* a multiple of a=4,
  120. despite the fact that 19 is not a multiple of 7 and 10 is not a multiple of
  121. 4.
  122.  
  123. Of course, there is an alternative offset for the pattern that does give you
  124. the result you want:
  125.  
  126.     WWBBBBWWWBBBBWWWBBB
  127.     WWBBBBWWWBBBBWWWBBB
  128.     :::::::::::::::::::
  129.     WWBBBBWWWBBBBWWWBBB
  130.     WWBBBBWWWBBBBWWWBBB
  131.  
  132. To show this happens in general: because the width of the rectangle is a
  133. non-multiple of b, it is possible to position it on the pattern so that the
  134. leftmost column in the rectangle is white and the column just right of the
  135. right edge of the rectangle is black. Suppose N columns are black with this
  136. positioning. Then the rectangle contains N*H black cells, where H is the
  137. height of the rectangle.
  138.  
  139. If we then shift the rectangle right by one, the number of black columns
  140. increases by 1 and it contains (N+1)*H black cells. The difference between
  141. these two numbers of black cells is H, which is not a multiple of a.
  142. Therefore N*H and (N+1)*H cannot both be multiples of a, and so one of these
  143. two positionings of the pattern will suit your purposes.
  144.  
  145. David Seal
  146. dseal@armltd.co.uk
  147.  
  148. ==> geometry/tiling/scaling.p <==
  149. A given rectangle can be entirely covered (i.e. concealed) by an
  150. appropriate arrangement of 25 disks of unit radius.
  151.  
  152. Can the same rectangle be covered by 100 disks of 1/2 unit radius?
  153.  
  154. ==> geometry/tiling/scaling.s <==
  155. Yes.  The same configuration of circles, when every distance is reduced
  156. by half (including the diameters), will cover a similar rectangle whose
  157. sides are one half of the original one.  The original rectangle is the
  158. union of four such rectangles.
  159.  
  160. ==> geometry/tiling/seven.cubes.p <==
  161. Consider 7 cubes of equal size arranged as follows. Place 5 cubes so
  162. that they form a Swiss cross or a + (plus) (4 cubes on the sides and
  163. 1 in the middle). Now place one cube on top of the middle cube and the
  164. seventh below the middle cube, to effectively form a 3-dimensional
  165. Swiss cross.
  166.  
  167. Can a number of such blocks (of 7 cubes each) be arranged so that they
  168. are able to completely fill up a big cube (say 10 times the size of
  169. the small cubes)? It is all right if these blocks project out of the
  170. big cube, but there should be no holes or gaps.
  171.  
  172. ==> geometry/tiling/seven.cubes.s <==
  173. Let n be a positive integer.  Define the function f from Z^n to Z by
  174. f(x) = x_1+2x_2+3x_3+...+nx_n.  For x in Z^n, say y is a neighbor of x
  175. if y and x differ by one in exactly one coordinate.  Let S(x) be the
  176. set consisting of x and its 2n neighbors.  It is easy to check that
  177. the values of f(y) for y in S(x) are congruent to 0,1,2,...,2n+1 (mod
  178. 2n+1) in some order.  Using this, it is easy to check that every y in
  179. Z^n is a neighbor of one and only one x in Z^n such that f(x) is
  180. congruent to 0 (mod 2n+1).  So Z^n can be tiled by clusters of the
  181. form S(x), where f(x) is congruent to 0 mod 2n+1.
  182.  
  183. ==> geometry/topology/fixed.point.p <==
  184. A man hikes up a mountain, and starts hiking at 2:00 in the afternoon
  185. on a Friday.  He does not hike at the same speed (a constant rate), and
  186. stops every once in a while to look at the view.  He reaches the top in
  187. 4 hours.  After spending the night at the top, he leaves the next day
  188. on the same trail at 2:00 in the afternoon.  Coming down, he doesn't
  189. hike at a constant rate, and stops every once in a while to look at the
  190. view.  It takes him 3 hours to get down the mountain.
  191.  
  192. Q: What is the probability that there exists a point along the trail
  193. that the hiker was at on the same time Friday as Saturday?
  194.  
  195. You can assume that the hiker never backtracked. 
  196.  
  197. ==> geometry/topology/fixed.point.s <==
  198. 100%.  Superimpose the days:  Friday starts walking up at 2:00,
  199. Saturday starts walking down at 2:00.   Since they are on the same
  200. path, they must meet.
  201.  
  202. ==> geometry/touching.blocks.p <==
  203. Can six 1x2x4 blocks be arranged so that each block touches n others, for all n?
  204.  
  205. ==> geometry/touching.blocks.s <==
  206. n=0: 6 separate blocks
  207. n=1: 3 pairs
  208. n=2: 2 threesomes
  209. n=3: a 3x3 grid
  210. n=4: a box (each sides touches the four adjoining sides, but not the opposite)
  211. n=5:
  212.  
  213. Crude ascii:
  214. Front view:                  Side view:
  215.  
  216.          /\  /\               ----- 
  217.         /  \/  \              | | |
  218.        /   /\   \             | | |
  219.       /   /  \   \            | | |
  220.       \  /----\  /         ---|.|.|---
  221.        \/|    |\/          |  | | |  |
  222.       -----------          -----------
  223.       |         |             |   |
  224.       -----------             -----
  225.  
  226. -- 
  227. stein.kulseth@tf.tele.no [X.400] stein.kulseth@nta.no [internet]
  228.  
  229. Place block A onto the x-y plane so that four of its corners are at
  230. (0,0), (0,1), (4,0), (4,1) (I give x and y coordinates only because
  231. the z coordinate will always be obvious).  Place block B so four of
  232. its corners are at (2,1), (2,2), (6,1), (6,2).  Now place block C with
  233. one 4x1 face on the x-y plane with one corner at (0,1) (tangent to
  234. block A) and tangent to block B at (2,1).  Note that the angle between
  235. block A and block C is arctan(1/2), and a corner of block C will be at
  236. a point with approximate coordinates (3.5777, 2.7888).  Call this
  237. point P.
  238.  
  239. Now place an identical configuration of blocks on top of the first
  240. three as follows: block D with corners at (3.4,0.4), (4.4,0.4),
  241. (3.4,4.4), (4.4,4.4), block E with corners at (2.4,2.4), (3.4,2.4),
  242. (2.4,-1.6), (3.4,-1.6), and block F with one corner tangent to D at
  243. (3.4,4.4) and one side tangent to E at (2.4,2.4).
  244.  
  245. If you have been plotting this on graph paper, then the following
  246. will be clear:
  247.  
  248. Every block touches every other in its own layer.  And A and B each
  249. touch D and E, and block C touches F.  Point P falls under block D, so
  250. blocks C and D touch, and by symmetry so do blocks F and A.  And the
  251. edge of block C intersects the edge of block E at (2.4,2.2) so blocks
  252. C and E touch, and by symmetry so do blocks F and B.  Done!
  253.  
  254. -- David Karr (karr@cs.cornell.edu)
  255.  
  256. All the blocks are placed with their 2x4 face UP, although any face up
  257. would have worked, as it turns out.  The blocks are called AAAA BBBB CCCC,
  258. etc.
  259.  
  260.       AAAA
  261.       AAAA /_______
  262.       BBCC \
  263.       BBCC
  264.       BBCC
  265.       BBCC
  266.        /\
  267.        ||
  268.  
  269. The two arrows point to the intersection of AC and BC.
  270.  
  271. Now take block "D" and place the top edge along the diagonal (between the
  272. two arrows) so that the block extends SOUTH EAST of the line.  Likely now
  273. the block does not touch either A or B.  So slide the block towards the
  274. NORTH WEST so that it just touches A and B.  You can now easily place
  275. blocks E and F perpendicular to block "D" so that they both touch all of
  276. ABC.....QED
  277. -- 
  278. Guy Cousineau
  279.  
  280. ==> geometry/trigonometry/euclidean.numbers.p <==
  281. For what numbers x is sin(x) expressible using only integers, +, -, *, / and
  282. square root?
  283.  
  284. ==> geometry/trigonometry/euclidean.numbers.s <==
  285. Numbers generated by +, -, *, /, and sqrt from the integers are the
  286. Euclidean numbers, so called because they are those for which line
  287. segments can be constructed by use of straightedge and compass the
  288. ratio of whose lengths has that value.
  289.  
  290. Using degrees, sin (360*M/N) (where (M,N)=1) is Euclidean if and only
  291. if the regular polygon with N sides can be constructed by straightedge
  292. and compass. This is true if (Gauss) and only if (easier) N is a power
  293. of 2 times the product of different Fermat primes (3, 5, 17, 257, 65537
  294. and probably no more). So sin (3/17) = sin (360/(2^3*3*5*17)) is
  295. Euclidean, for example.
  296.  
  297. Some particular values:
  298.  
  299. sin(54) = (1 + sqrt(5))/4  
  300. sin(3) = sqrt(8 - sqrt(3) - sqrt(15) - sqrt(10 - 2*sqrt(5)))/4
  301.  
  302. ==> geometry/trigonometry/inequality.p <==
  303. Show that (sin x)^(sin x) < (cos x)^(cos x) when 0 < x < pi/4.
  304.  
  305. ==> geometry/trigonometry/inequality.s <==
  306. The function f(x) = x^(1/sqrt(1-x^2)) is monotonically increasing for
  307. 0 < x < 1, easily verified by taking the derivative. 
  308. Since 0 < sin x < cos x < 1 for 0 < x < pi/4, f(sin x) < f(cos x).
  309. But f(sin x) = (sin x)^(1/cos x) and f(cos x) = (cos x)^(1/sin x).
  310. Raising both sides to the power (cos x.sin x), we get the desired
  311. result.
  312.  
  313.