home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Internet Surfer 2.0 / Internet Surfer 2.0 (Wayzata Technology) (1996).iso / pc / text / mac / faqs.469 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1996-02-12  |  27.7 KB  |  690 lines

  1. Frequently Asked Questions (FAQS);faqs.469
  2.  
  3.  
  4.  
  5.     Then I scanned the abbreviations to find ones that had a lot of
  6. common letters.  The jan-jun-jul series looked like a good place to
  7. start:
  8.     j    a    n
  9.         u    l
  10.                 was a good beginning but I realized
  11. right away that I had no room for duplicate letters and the second cube
  12. had both a and u so aug was going to be impossible.  In fact I almost
  13. posted that answer.  Then I realized that if Martin Gardner wrote about
  14. it, it must have a solution.  :-)  So I went back to the letter list.
  15.  
  16.     I don't put tails on my u's so it didn't strike me the first
  17. time through that n and u could be combined.
  18.       Cube 1  Cube 2  Cube 3
  19.     j    a    n/u
  20.         n/u    l
  21.                 would let me get away with putting the g
  22. on the first cube to get aug, so I did.
  23.     j    a    n/u
  24.     g    n/u    l    (1)
  25.  
  26.     Now came the fun part.  The a was placed so I had to work around
  27. it for the other months that had an a in them (mar, apr, may).
  28.     m    a    r
  29.     d/p        y    (2)
  30.  
  31.     Now the d/p was placed so I had to work around that for sep and dec.
  32. This one was easy since they shared an e as well.
  33.     d/p    e    s
  34.             c    (3)
  35.  
  36.     Now the e was placed so feb had to be worked in.
  37.     f    e    b    (4)
  38.  
  39.     The two months left (oct, nov) were far more complex.  Not only
  40. did they have two "set" letters (c, n/u), there were two possible n/u's
  41. to be set with.  That's why I left them for last.
  42.     o    t    c
  43.         n/u    v    (5)
  44.  
  45.     So now I had five pieces to fit together, so that no set would
  46. have more than six letters in it.  Trial and error provided:
  47.  
  48.     j    a    n/u            a    b    e
  49.     g    n/u    l    or,        c    d/p    g
  50.     r    s    m    alphabetically:    f    l    j
  51.     y    c    d/p            n/u    m    o
  52.     e    v    t            s    n/u    r
  53.     o    f    b            v    t    y
  54.  
  55.  
  56.   Without some gimmick the days cannot be done.  Because of the dates 11 and
  57. 22, there must be a 1 and a 2 on each cube. Thus there are 8 remaining spaces
  58. for the 8 remaining numbers, and because of 30, we put 3 and 0 on different
  59. cubes. I don't think the way you allocate the others matter. Now 6 numbers on
  60. each cube can produce at most 36 distinct pairs, and we need 31 distinct pairs
  61. to represent all possible dates. But since 3 each of {4,5,6,7,8,9} are on each
  62. cube, there are at least 9 representable numbers which can't be dates.
  63. Therefore there are at most 27 distinct numbers which are dates on the two
  64. cubes, and it can't be done. In particular, not all of {04,05,06,07,08,09} can
  65. be represented.
  66.  
  67.   The gimmick solution would be to represent the numbers in a stylised format
  68. (like say, on a digital clock or on a computer screen) such that the 6 can be
  69. turned upside down to be a 9. Then you can have 012 on both cubes, and three
  70. each of {3,4,5,6,7,8} on the other faces. Done.
  71.  
  72.   Example: 012468 012357
  73.  
  74. ==> geometry/circles.and.triangles.p <==
  75. Find the radius of the inscribed and circumscribed circles for a triangle.
  76.  
  77. ==> geometry/circles.and.triangles.s <==
  78. Let a, b, and c be the sides of the triangle.  Let s be the
  79. semiperimeter, i.e. s = (a + b + c) / 2.  Let A be the area
  80. of the triangle, and let x be the radius of the incircle.
  81.  
  82. Divide the triangle into three smaller triangles by drawing
  83. a line segment from each vertex to the incenter.  The areas
  84. of the smaller triangles are ax/2, bx/2, and cx/2.  Thus,
  85. A = ax/2 + bx/2 + cx/2, or A = sx.
  86.  
  87. We use Heron's formula, which is A = sqrt(s(s-a)(s-b)(s-c)).
  88. This gives us x = sqrt((s-a)(s-b)(s-c)/s).
  89.  
  90. The radius of the circumscribed circle is given by R = abc/4A.
  91.  
  92. ==> geometry/coloring/cheese.cube.p <==
  93. A cube of cheese is divided into 27 subcubes.  A mouse starts at one
  94. corner and eats through every subcube.  Can it finish in the middle?
  95.  
  96. ==> geometry/coloring/cheese.cube.s <==
  97. Give the subcubes a checkerboard-like coloring so that no two adjacent
  98. subcubes have the same color.  If the corner subcubes are black, the
  99. cube will have 14 black subcubes and 13 white ones.  The mouse always
  100. alternates colors and so must end in a black subcube.  But the center
  101. subcube is white, so the mouse can't end there.
  102.  
  103. ==> geometry/coloring/dominoes.p <==
  104. There is a chess board (of course with 64 squares). You are given
  105. 21 dominoes of size 3-by-1 (the size of an individual square on
  106. a chess board is 1-by-1). Which square on the chess board can
  107. you cut out so that the 21 dominoes exactly cover the remaining
  108. 63 squares? Or is it impossible?
  109.  
  110. ==> geometry/coloring/dominoes.s <==
  111. ||||||||
  112. ||||||||
  113. ||||||||
  114. ---***+*
  115. ---...+*
  116. ---*+O+*
  117. ---*+...
  118. ---*+***
  119.  
  120. There is only one way to remove a square, aside from rotations and
  121. reflections.  To see that there is at most one way, do this:  Label
  122. all the squares of the chessboard with A, B or C in sequence by rows
  123. starting from the top:
  124.  
  125.         ABCABCAB
  126.         CABCABCA
  127.         BCABCABC
  128.         ABCABCAB
  129.         CABCABCA
  130.         BCABCABC
  131.         ABCABCAB
  132.         CABCABCA
  133.  
  134. Every trimino must cover one A, one B and one C.  There is one extra
  135. A square, so an A must be removed.  Now label the board again by
  136. rows starting from the bottom:
  137.  
  138.         CABCABCA
  139.         ABCABCAB
  140.         BCABCABC
  141.         CABCABCA
  142.         ABCABCAB
  143.         BCABCABC
  144.         CABCABCA
  145.         ABCABCAB
  146.  
  147. The square removed must still be an A.  The only squares that got
  148. marked with A both times are these:
  149.  
  150.         ........
  151.         ........
  152.         ..A..A..
  153.         ........
  154.         ........
  155.         ..A..A..
  156.         ........
  157.         ........
  158.  
  159. ==> geometry/construction/4.triangles.6.lines.p <==
  160. Can you construct 4 equilateral triangles with 6 toothpicks?
  161.  
  162. ==> geometry/construction/4.triangles.6.lines.s <==
  163. Use the toothpicks as the edges of a tetrahedron.
  164.  
  165. ==> geometry/construction/5.lines.with.4.points.p <==
  166. Arrange 10 points so that they form 5 rows of 4 each.
  167.  
  168. ==> geometry/construction/5.lines.with.4.points.s <==
  169. Draw a 5 pointed star, put a point where any two lines meet.
  170.  
  171. ==> geometry/construction/square.with.compass.p <==
  172. Construct a square with only a compass and a straight edge.
  173.  
  174. ==> geometry/construction/square.with.compass.s <==
  175. Draw a circle (C1 at P1).  Now draw a diameter D1 (intersects
  176. at P2 and P3).  Set the compass larger than before.  From points P2
  177. and P3 draw another larger circle (C2 and C3).  Where these two
  178. circles cross, draw a line (D2).  This line should go the center of
  179. circle C1 at a rt angle to the original diameter line.  This line
  180. should cross circle C1 at P4 and P5
  181.  
  182. Reset the compass to its original size.  From P2 and P4 draw a circle
  183. (C4 and C5).  These circles intersect at P6 and P1.  Connect P6, P2,
  184. P1, P4 for a square.
  185.  
  186. ==> geometry/cover.earth.p <==
  187. A thin membrane covers the surface of the earth.  One square meter is
  188. added to the area of this membrane.  How much is added to the radius and
  189. volume of this membrane?
  190.  
  191. ==> geometry/cover.earth.s <==
  192. We know that V = (4/3)*pi*r^3 and A = 4*pi*r^2.
  193. We need to find out how much V increases if A increases by 1 m^2.
  194.  
  195.   dV / dr = 4 * pi * r^2
  196.   dA / dr = 8 * pi * r
  197.   dV / dA = (dV / dr) / (dA / dr)
  198.       = (4 * pi * r^2) / (8 * pi * r)
  199.       = r/2
  200.           = 3,250,000 m
  201.  
  202. If the area of the cover is increased by 1 square meter,
  203. then the volume it contains is increased by about 3.25 million cubic meters.
  204.  
  205. We seem to be getting a lot of mileage out of such a small square of cotton.
  206. However, the new cover would not be very high above the surface of the
  207. planet -- about 6 nanometers (calculate dr/dA).
  208.  
  209. ==> geometry/dissections/circle.p <==
  210. Can a circle be cut into similar pieces without point symmetry
  211. about the midpoint?  Can it be done with a finite number of pieces?
  212.  
  213. ==> geometry/dissections/circle.s <==
  214. Yes.  Draw a circle inside the original circle, sharing a common point
  215. on the right.  Now draw another circle inside the second, sharing a
  216. point at the left.  Now draw another inside the third, sharing a point
  217. at the right.  Continue in this way, coloring in every other region
  218. thus generated.  Now, all the colored regions touch, so count this as
  219. one piece and the uncolored regions as a second piece.  So the circle
  220. has been divided into two similar pieces and there is no point
  221. symmetry about the midpoint.  Maybe it is cheating to call these
  222. single pieces, though.
  223.  
  224. ==> geometry/dissections/hexagon.p <==
  225. Divide the hexagon into:
  226. 1) 3 indentical rhombuses.
  227. 2) 6 indentical kites(?).
  228. 3) 4 indentical trapezoids.
  229. 4) 8 indentcal shapes (any shape).
  230. 5) 12 identical shapes (any shape).
  231.  
  232. ==> geometry/dissections/hexagon.s <==
  233. What is considered 'identical' for these questions?  If mirror-image shapes
  234. are allowed, these are all pretty trivial.  If not, the problems are rather
  235. more difficult...
  236.  
  237.     1. Connect the center to every second vertex.
  238.     2. Connect the center to the midpoint of each side.
  239.     3. This is the hard one.  If you allow mirror images, it's trivial:
  240.        bisect the hexagon from vertex to vertex, then bisect with a
  241.        perpendicular to that, from midpoint of side to midpoint of side.
  242.     4. This one's neat.  Let the side length of the hexagon be 2 (WLOG).
  243.        We can easily partition the hexagon into equilateral triangles
  244.        with side 2 (6 of them), which can in turn be quartered into
  245.        equilateral triangles with side 1.  Thus, our original hexagon
  246.        is partitioned into 24 unit equilateral triangles.  Take the
  247.        trapezoid formed by 3 of these little triangles.  Place one such
  248.        trapezoid on the inside of each face of the original hexagon, so
  249.        that the long side of the trapezoid coincides with the side of the
  250.        hexagon.  This uses 6 trapezoids, and leaves a unit hexagon in the
  251.        center as yet uncovered.  Cover this little hexagon with two of
  252.        the trapezoids.  Voila.  An 8-identical-trapezoid partition.
  253.     5. Easy.  Do the rhombus partition in #1.  Quarter each rhombus by
  254.        connecting midpoints of opposite sides.  This produces 12 small
  255.        rhombi, each of which is equivalent to two adjacent small triangles
  256.        as in #4.
  257.  
  258. Except for #3, all of these partitions can be achieved by breaking up the
  259. hexagon into unit equilateral triangles, and then building these into the
  260. shapes desired.  For #3, though, this would require (since there are 24 small
  261. triangles) trapezoids formed from 6 triangles each.  The only trapezoid that
  262. can be built from 6 identical triangles is a parallelogram; I assume that the
  263. poster wouldn't have asked for a trapezoid if you could do it with a special
  264. case of trapezoid.  At any rate, that parallelogram doesn't work.
  265.  
  266. ==> geometry/dissections/square.70.p <==
  267. Since 1^2 + 2^2 + 3^2 + ... + 24^2 = 70^2, can a 70x70 sqaure be dissected into
  268. 24 squares of size 1x1, 2x2, 3x3, etc.?
  269.  
  270. ==> geometry/dissections/square.70.s <==
  271. Martin Gardner asked this in his Mathematical Games column in the
  272. September 1966 issue of Scientific American.  William Cutler was the first
  273. of 24 readers who reduced the uncovered area to 49, using all but the 7x7
  274. square.  All the patterns were the same except for interchanging the
  275. squares of orders 17 and 18 and rearranging the squares of orders 1, ...,
  276. 6, 8, 9, and 10.  Nobody proved that the solution is minimal.
  277.  
  278. +----------------+-------------+----------------------+---------------------+
  279. |                |             |                      |                     |
  280. |                |             |                      |                     |
  281. |                |      11     |                      |                     |
  282. |                |             |                      |                     |
  283. |       16       |             |                      |                     |
  284. |                +-----+--+----+         22           |         21          |
  285. |                |     | 2|    |                      |                     |
  286. |                |  5  +--+----+                      |                     |
  287. |                |     |       |                      |                     |
  288. +----------------+--+--+   6   |                      |                     |
  289. |                   | 3|       |                      |                     |
  290. |                   ++-+-------+                      |                     |
  291. |                   ||         |                      ++--------------------+
  292. |                   ||    8    +----------------------++                    |
  293. |        18         ||         |                       |                    |
  294. |                   ||         |                       |                    |
  295. |                   ++---------+                       |                    |
  296. |                   |          |                       |         20         |
  297. |                   |     9    |                       |                    |
  298. +------------------++          |          23           |                    |
  299. |                  ||          |                       |                    |
  300. |                  ++----------+                       |                    |
  301. |                  |           |                       +---++---------------+
  302. |                  |           |                       |   ||               |
  303. |        17        |     10    |                       | 4 ||               |
  304. |                  |           +---------------+-------+---++               |
  305. |                  +-+---------+---------------+            |      15       |
  306. |                  | |                         |            |               |
  307. |                  | |                         |     12     |               |
  308. +------------------+-+                         |            +-+-------------+
  309. |                    |                         |            |1|             |
  310. |                    |                         +------------+-+             |
  311. |                    |           24            |              |             |
  312. |                    |                         |              |             |
  313. |        19          |                         |     13       |     14      |
  314. |                    |                         |              |             |
  315. |                    |                         |              |             |
  316. |                    |                         |              |             |
  317. +--------------------+-------------------------+--------------+-------------+
  318.  
  319. ==> geometry/dissections/square.five.p <==
  320. Can you dissect a square into 5 parts of equal area with just a straight edge?
  321.  
  322. ==> geometry/dissections/square.five.s <==
  323. 1. Prove you can reflect points which lie on the sides of the square
  324. about the diagonals.
  325.  
  326. 2. Construct two different rectangles whose vertices lie on the square
  327. and whose sides are parallel to the diagonals.
  328.  
  329. 3. Construct points A, A', B, B' on one (extended) side of the square
  330. such that A/A' and B/B' are mirror image pairs with respect to another
  331. side of the square.
  332.  
  333. 4. Construct the mirror image of the center of the square in one
  334. of the sides.
  335.  
  336. 5. Divide the original square into 4 equal squares whose sides are
  337. parallel to the sides of the original square.
  338.  
  339. 6. Divide one side of the square into 8 equal segments.
  340.  
  341. 7. Construct a trapezoid in which one base is a square side and one
  342. base is 5/8 of the opposite square side.
  343.  
  344. 8. Divide one side of the square into 5 equal segments.
  345.  
  346. 9. Divide the square into 5 equal rectangles.
  347.  
  348. ==> geometry/duck.and.fox.p <==
  349. A duck is swimming about in a circular pond.  A ravenous fox (who cannot
  350. swim) is roaming the edges of the pond, waiting for the duck to come close.
  351. The fox can run faster than the duck can swim.  In order to escape,
  352. the duck must swim to the edge of the pond before flying away.  Assume that
  353. the duck can't fly until it has reached the edge of the pond.
  354.  
  355. How much faster must the fox run that the duck swims in order to be always
  356. able to catch the duck?
  357.  
  358. ==> geometry/duck.and.fox.s <==
  359. Assume the ratio of the fox's speed to the duck's is a, and the radius
  360. of the pond is r.  The duck's best strategy is:
  361.  
  362. 1.  Swim around a circle of radius (r/a - delta) concentric with the
  363. pond until you are diametrically opposite the fox (you, the fox, and
  364. the center of the pond are colinear).
  365.  
  366. 2.  Swim a distance delta along a radial line toward the bank opposite
  367. the fox.
  368.  
  369. 3.  Observe which way the fox has started to run around the circle.
  370. Turn at a RIGHT ANGLE in the opposite direction (i.e. if you started
  371. swimming due south in step 2 and the fox started running to the east,
  372. i.e. clockwise around the pond, then start swimming due west).  (Note:
  373. If at the beginning of step 3 the fox is still in the same location as
  374. at the start of step 2, i.e.  directly opposite you, repeat step 2
  375. instead of turning.)
  376.  
  377. 4.  While on your new course, keep track of the fox.  If the fox slows
  378. down or reverses direction, so that you again become diametrically
  379. opposite the fox, go back to step 2.  Otherwise continue in a straight
  380. line until you reach the bank.
  381.  
  382. 5.  Fly away.
  383.  
  384. The duck should make delta as small as necessary in order to be able
  385. to escape the fox.
  386.  
  387. The key to this strategy is that the duck initially follows a
  388. radial path away from the fox until the fox commits to running either
  389. clockwise or counterclockwise around the pond.  The duck then turns onto
  390. a new course that intersects the circle at a point MORE than halfway
  391. around the circle from the fox's starting position.  In fact, the duck
  392. swims along a tangent of the circle of radius r/a.  Let
  393.  
  394.   theta = arc cos (1/a)
  395.  
  396. then the duck swims a path of length
  397.  
  398.   r sin theta + delta
  399.  
  400. but the fox has to run a path of length
  401.  
  402.   r*(pi + theta) - a*delta
  403.  
  404. around the circle.  In the limit as delta goes to 0, the duck will
  405. escape as long as
  406.  
  407.   r*(pi + theta) < a*r sin theta
  408.  
  409. that is,
  410.  
  411.   pi + arc cos (1/a) - a * sqrt(a^2 - 1) < 0
  412.  
  413. Maximize a in the above:  a = 4.6033388487517003525565820291030165130674...
  414. The fox can catch the duck as long as he can run about 4.6 times as fast as
  415. the duck can swim.
  416.  
  417. "But wait," I hear you cry, "When the duck heads off to that spot
  418. 'more than halfway' around the circle, why doesn't the fox just double
  419. back?  That way he'll reach that spot much quicker."  That is why the
  420. duck's strategy has instructions to repeat step 2 under certain
  421. circumstances.  Note that at the end of step 2, if the fox has started
  422. to run to head off the duck, say in a clockwise direction, he and the
  423. duck are now on the same side of some diameter of the circle.  This
  424. continues to be true as long as both travel along their chosen paths
  425. at full speed.  But if the fox were now to try to reach the duck's
  426. destination in a counterclockwise direction, then at some instant he
  427. and the duck must be on a diameter of the pond.  At that instant, they
  428. have exactly returned to the situation that existed at the end of step
  429. 1, except that the duck is a little closer to the edge than she was
  430. before.  That's why the duck always repeats step 2 if the fox is ever
  431. diametrically opposite her.  Then the fox must commit again to go one
  432. way or the other.  Every time the fox fails to commit, or reverses his
  433. commitment, the duck gets a distance delta closer to the edge.  This
  434. is a losing strategy for the fox.
  435.  
  436. The limiting ratio of velocities that this strategy works against
  437. cannot be improved by any other strategy, i.e., if the ratio of
  438. the duck's speed to the fox's speed is less than a then the duck
  439. cannot escape given the best fox strategy.
  440.  
  441. Given a ratio R of speeds less than the above a, the fox is sure to
  442. catch the duck (or keep it in water indefinitely) by pursuing the
  443. following strategy:
  444. Do nothing so long as the duck is in a radius of R around the centre.
  445. As soon as it emerges from this circle, run at top speed around the
  446. circumference. If the duck is foolish enough not to position itself
  447. across from the center when it comes out of this circle, run "the short
  448. way around", otherwise run in either direction.
  449.  
  450. To see this it is enough to verify that at the circumference of the
  451. circle of radius R, all straight lines connecting the duck to points
  452. on the circumference (in the smaller segment of the circle cut out
  453. by the tangent to the smaller circle) bear a ratio greater than R
  454. with the corresponding arc the fox must follow. That this is enough
  455. follows from the observation that the shortest curve from a point on
  456. a circle to a point on a larger concentric circle (shortest among all
  457. curves that don't intersect the interior of the smaller circle) is
  458. either a straight line or an arc of the smaller circle followed by a
  459. tangential straight line.
  460.  
  461. ==> geometry/earth.band.p <==
  462. How much will a band around the equator rise above the surface if it
  463. is made one meter longer?
  464.  
  465. ==> geometry/earth.band.s <==
  466. The formula for the circumference of a circle is 2 * pi * radius.  Therefore,
  467. if you increase the circumference by 1 meter, you increase the radius by
  468. 1/(2 * pi) meters, or about 0.16 meters.
  469.  
  470. ==> geometry/ham.sandwich.p <==
  471. Consider a ham sandwich, consisting of two pieces of bread and one of
  472. ham.  Suppose the sandwich was dropped into a machine and spindled,
  473. torn and mutiliated.  Is it still possible to divide the ham sandwich
  474. with a straight knife cut such that both the ham and the bread are
  475. divided in two parts of equal volume?
  476.  
  477. ==> geometry/ham.sandwich.s <==
  478. Yes.  There is a theorem in topology called the Ham Sandwich Theorem,
  479. which says: Given 3 (finite) volumes (each may be of any shape, and in
  480. several pieces), there is a plane that cuts each volume in half.  One
  481. would learn about it typically in a first course in algebraic topology,
  482. or maybe in a course on introductory topology (if you studied the
  483. fundamental group).
  484.  
  485. ==> geometry/hike.p <==
  486. You are hiking in a half-planar woods, exactly 1 mile from the edge,
  487. when you suddenly trip and lose your sense of direction.  What's the
  488. shortest path that's guaranteed to take you out of the woods?  Assume
  489. that you can navigate perfectly relative to your current location and
  490. (unknown) heading.
  491.  
  492. ==> geometry/hike.s <==
  493. Go 2/sqrt(3) away from the starting point, turn 120 degrees and head
  494. 1/sqrt(3) along a tangent to the unit circle, then traverse an arc of
  495. length 7*pi/6 along this circle, then head off on a tangent 1 mile.
  496.  
  497. This gives a minimum of sqrt(3) + 7*pi/6 + 1 = 6.397...
  498.  
  499. It remains to prove this is the optimal answer.
  500.  
  501. ==> geometry/hole.in.sphere.p <==
  502. Old Boniface he took his cheer,
  503. Then he bored a hole through a solid sphere,
  504. Clear through the center, straight and strong,
  505. And the hole was just six inches long.
  506.  
  507. Now tell me, when the end was gained,
  508. What volume in the sphere remained?
  509. Sounds like I haven't told enough,
  510. But I have, and the answer isn't tough!
  511.  
  512. ==> geometry/hole.in.sphere.s <==
  513. The volume of the leftover material is equal to the volume of a 6" sphere.
  514.  
  515. First, lets look at the 2 dimensional equivalent of this problem.
  516. Two concentric circles where the chord of the outer circle that is
  517. tangent to the inner circle has length D. What is the area of the "doughnut"
  518. area between the circles?
  519.  
  520. It is pi * (D/2)^2. The same area as a circle with that diameter.
  521. Proof:
  522.     big circle radius is R
  523.     little circle radius is r
  524.     
  525.                   2         2
  526.     area of donut = pi * R   - pi * r
  527.  
  528.                    2    2
  529.     =        pi * (R     - r )
  530.  
  531.  
  532. Draw a right triangle and apply the Pythagorean Theorem to see that
  533.          2      2       2
  534.         R  -   r   =  (D/2)
  535. so the area is
  536.                       2
  537.     =        pi * (D/2)
  538.  
  539.  
  540. Start with a sphere of radius R (where R > 6"), drill out the 6"
  541. high hole.  We will now place this large "ring" on a plane.  Next to it
  542. place a 6" high sphere.  By Archemedes' theorem, it suffices
  543. to show that for any plane parallel to the base plane, the cross-
  544. sectional area of these two solids is the same.
  545.  
  546. Take a general plane at height h above (or below) the center
  547. of the solids. The radius of the circle of intersection on the sphere is
  548.  
  549.     radius = srqt(3^2 - h^2)
  550.  
  551. so the area is     
  552.  
  553.     pi * ( 3^2  - h^2 )
  554.  
  555.  
  556. For the ring, once again we are looking at the area between two concentric
  557. circles.  The outer circle has radius sqrt(R^2 - h^2),
  558. The area of the outer circle is therefore
  559.  
  560.         pi (R^2 - h^2)
  561.  
  562. The inner circle has
  563. radius sqrt(R^2 - 3^2).  So the area  of the inner circle is
  564.  
  565.     pi * ( R^2  - 3^2 )
  566.  
  567. the area of the doughnut is therefore
  568.  
  569.         pi(R^2 - h^2)  - pi( R^2  - 3^2 )
  570.         
  571.     =    pi (R^2 - h^2 - R^2 + 3^2)
  572.  
  573.     =    pi (3^2  - h^2)
  574.  
  575. Therefore the areas are the same for every plane intersecting the solids.
  576. Therefore their volumes are the same.
  577. QED
  578.  
  579. ==> geometry/ladders.p <==
  580. Two ladders form a rough X in an alley.  The ladders are 11 and 13 meters
  581. long and they cross 4 meters off the ground.  How wide is the alley?
  582.  
  583. ==> geometry/ladders.s <==
  584. Ladders 1 and 2, denoted L1 and L2, respectively, will rest along two
  585. walls (taken to be perpendicular to the ground), and they will
  586. intersect at a point O = (a,s), a height s from the ground.  Find the
  587. largest s such that this is possible.  Then find the width of the
  588. alley, w = a+b, in terms of L1, L2, and s.  This diagram is not to
  589. scale.
  590.  
  591.                  B                     D
  592.                   |\ L1           L2 /|
  593.                   |  \             /  |           BC = length of L1
  594.                   |    \         /    |           AD = length of L2
  595.                   |      \  O  /      |            s = height of intersection
  596.                  x|        \ /        |y           A = (0,0)
  597.                   |        /|\        |           AE = a
  598.                   |    m /  |  \ n    |           EC = b
  599.                   |    /    |s   \    |           AO = m
  600.                   |  /      |      \  |           CO = n
  601.                   |/________|________\|
  602.          (0,0) = A    a     E    b     C
  603.  
  604. -----------------------------------------------------------------------------
  605. Without loss of generality, let L2 >= L1.
  606.  
  607. Observe that triangles AOB and DOC are similar.  Let r be the ratio of
  608. similitude, so that x=ry.  Consider right triangles CAB and ACD.  By
  609. the Pythagorean theorem, L1^2 - x^2 = L2^2 - y^2.  Substituting x=ry,
  610. this becomes y^2(1-r^2) = L2^2 - L1^2.  Letting L= L2^2 -L1^2 (L>=0),
  611. and factoring, this becomes
  612.  
  613.     (*)   y^2 (1+r)(1-r) = L
  614.  
  615. Now, because parallel lines cut L1 (a transversal) in proportion, r =
  616. x/y = (L1-n)/n, and so  L1/n = r+1.  Now, x/s = L1/n = r+1, so ry = x =
  617. s(r+1).  Solving for r, one obtains the formula r = s/(y-s).
  618. Substitute this into (*) to get
  619.  
  620.     (**)  y^2 (y) (y-2s) = L (y-s)^2
  621.  
  622. NOTE:  Observe that, since L>=0, it must be true that y-2s>=0.
  623.  
  624. Now, (**) defines a fourth degree polynomial in y.  It can be written in the
  625. form (by simply expanding (**))
  626.  
  627.     (***)  y^4 - 2s_y^3 - L_y^2 + 2sL_y - Ls^2 = 0
  628.  
  629. L1 and L2 are given, and so L is a constant.  How large can s be?  Given L,
  630. the value s=k is possible if and only if there exists a real solution, y',
  631. to (***), such that 2k <= y' < L2.  Now that s has been chosen, L and s are
  632. constants, and (***) gives the desired value of y.  (Make sure to choose the
  633. value satisfying 2s <= y' < L2.  If the value of s is "admissible" (i.e.,
  634. feasible), then there will exist exactly one such solution.)
  635. Now, w = sqrt(L2^2 - y^2), so this concludes the solution.
  636.  
  637. L1 = 11, L2 = 13, s = 4.  L = 13^2-11^2 = 48, so (***) becomes
  638.  
  639.        y^4 - 8_y^3 - 48_y^2 + 384_y - 768 = 0
  640.  
  641. Numerically find root y ~= 9.70940555, which yields w ~= 8.644504.
  642.  
  643. ==> geometry/lattice/area.p <==
  644. Prove that the area of a triangle formed by three lattice points is integer/2.
  645.  
  646. ==> geometry/lattice/area.s <==
  647. The formula for the area is
  648.  
  649.     A = | x1*y2 + x2*y3 + x3*y1 - x1*y3 - x2*y1 - x3*y2 | / 2
  650.  
  651. If the xi and yi are integers, A is of the form (integer/2)
  652.  
  653. ==> geometry/lattice/equilateral.p <==
  654. Can an equlateral triangle have vertices at integer lattice points?
  655.  
  656. ==> geometry/lattice/equilateral.s <==
  657. No.
  658.  
  659. Suppose 2 of the vertices are (a,b) and (c,d), where a,b,c,d are integers.
  660. Then the 3rd vertex lies on the line defined by
  661.  
  662.     (x,y) = 1/2 (a+c,b+d) + t ((d-b)/(c-a),-1)    (t any real number)
  663.  
  664. and since the triangle is equilateral, we must have
  665.  
  666.     ||t ((d-b)/(c-a),-1)|| = sqrt(3)/2 ||(c,d)-(a,b)||
  667.  
  668. which yields t = +/- sqrt(3)/2 (c-a).  Thus the 3rd vertex is
  669.  
  670.     1/2 (a+c,b+d) +/- sqrt(3)/2 (d-b,a-c)
  671.  
  672. which must be irrational in at least one coordinate.
  673.  
  674. ==> geometry/rotation.p <==
  675. What is the smallest rotation that returns an object to its original state?
  676.  
  677. ==> geometry/rotation.s <==
  678. 720 degrees.
  679.  
  680. Objects are made of bosons (integer-spin particles) and fermions
  681. (half-odd-integer spin particles), and the wave function of a fermion
  682. changes sign upon being rotated by 360 degrees.  To get it back to its
  683. original state you must rotate by another 360 degrees, for a total of
  684. 720 degrees.  This fact is the basis of Fermi-Dirac statistics, the
  685. Pauli Exclusion Principle, electron orbits, chemistry, and life.
  686.  
  687. Mathematically, this is due to the continuous double cover of SO(2) by
  688. SO(3), where SO(2) is the internal symmetry group of fermions and SO(3)
  689. is the group of rotations in three dimensional space.
  690.