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círculos de malfatti

círculos de malfatti

En geometría , los círculos de Malfatti son tres círculos dentro de un triángulo dado de manera que cada círculo es tangente a los otros dos y a dos lados del triángulo. Llevan el nombre de Gian Francesco Malfatti , quien realizó los primeros estudios sobre el problema de construir estos círculos con la creencia errónea de que tendrían el área total más grande posible de tres círculos disjuntos dentro del triángulo.

El problema de Malfatti se ha utilizado para referirse tanto al problema de construir los círculos de Malfatti como al problema de encontrar tres círculos que maximicen el área dentro de un triángulo. Steiner (1826) propuso una construcción sencilla de los círculos de Malfatti y desde entonces muchos matemáticos han estudiado el problema. El propio Malfatti proporcionó una fórmula para los radios de los tres círculos, y también pueden usarse para definir dos centros de triángulos , los puntos Ajima-Malfatti de un triángulo.

El problema de maximizar el área total de tres círculos en un triángulo nunca se resuelve con los círculos de Malfatti. En cambio, la solución óptima siempre se puede encontrar mediante un algoritmo codicioso que encuentre el círculo más grande dentro del triángulo dado, el círculo más grande dentro de los tres subconjuntos conectados del triángulo fuera del primer círculo y el círculo más grande dentro de los cinco subconjuntos conectados de el triángulo fuera de los dos primeros círculos. Aunque este procedimiento se formuló por primera vez en 1930, su exactitud no se demostró hasta 1994.

El problema de Malfatti

Problema no resuelto en matemáticas :

¿El algoritmo codicioso siempre encuentra empaquetamientos que maximizan el área de más de tres círculos en cualquier triángulo?

En un triángulo equilátero, el área de los círculos de Malfatti (izquierda) es aproximadamente un 1% más pequeña que los tres círculos maximizadores de área (derecha).

Gian Francesco Malfatti  (1803) planteó el problema de cortar tres columnas cilíndricas a partir de un prisma triangular de mármol, maximizando el volumen total de las columnas. Supuso que la solución a este problema estaba dada por tres círculos tangentes dentro de la sección transversal triangular de la cuña. Es decir, de manera más abstracta, conjeturó que los tres círculos de Malfatti tienen el área total máxima de tres círculos disjuntos cualesquiera dentro de un triángulo dado. [1] La obra de Malfatti fue popularizada entre un público más amplio en francés por Joseph Diaz Gergonne en el primer volumen de sus Annales (1811), con mayor discusión en el segundo y décimo. Sin embargo, Gergonne sólo planteó el problema de la tangencia del círculo, no el de maximización del área.

En un triángulo isósceles con un vértice agudo, los círculos de Malfatti (arriba) ocupan aproximadamente la mitad del área de tres círculos apilados con un algoritmo codicioso (abajo).

La suposición de Malfatti de que los dos problemas son equivalentes es incorrecta. Lob y Richmond (1930), que volvieron al texto italiano original, observaron que para algunos triángulos se puede lograr un área mayor mediante un algoritmo voraz que inscribe un único círculo de radio máximo dentro del triángulo, inscribe un segundo círculo dentro de uno de las tres esquinas restantes del triángulo, la de menor ángulo, e inscribe un tercer círculo dentro de la mayor de las cinco piezas restantes. La diferencia de área para un triángulo equilátero es pequeña, poco más del 1%, [2] pero, como  señaló Howard Eves (1946), para un triángulo isósceles con un vértice muy agudo, los círculos óptimos (apilados uno encima del otro por encima del base del triángulo) tienen casi el doble del área de los círculos de Malfatti. [3]

De hecho, los círculos de Malfatti nunca son óptimos. Se descubrió mediante cálculos numéricos en la década de 1960, y luego se demostró rigurosamente, que el procedimiento de Lob-Richmond siempre produce los tres círculos con el área más grande, y que estos siempre son más grandes que los círculos de Malfatti. [4] Melissen (1997) conjeturó de manera más general que, para cualquier número entero n , el algoritmo codicioso encuentra el conjunto de n círculos que maximiza el área dentro de un triángulo dado; Se sabe que la conjetura es cierta para n ≤ 3 . [5]

Historia

El problema de construir tres círculos tangentes entre sí dentro de un triángulo fue planteado por el matemático japonés del siglo XVIII Ajima Naonobu antes del trabajo de Malfatti, y se incluyó en una colección inédita de las obras de Ajima realizada un año después de la muerte de Ajima por su alumno Kusaka. Makoto. [5] [6] Incluso antes, el mismo problema fue considerado en un manuscrito de 1384 de Gilio di Cecco da Montepulciano, ahora en la Biblioteca Municipal de Siena , Italia . [7] Jacob Bernoulli  (1744) estudió un caso especial del problema, para un triángulo isósceles específico .

Desde el trabajo de Malfatti, ha habido una cantidad significativa de trabajo sobre métodos para construir los tres círculos tangentes de Malfatti; Richard K. Guy escribe que la literatura sobre el problema es "extensa, muy dispersa y no siempre consciente de sí misma". [8] Cabe destacar que Jakob Steiner  (1826) presentó una construcción geométrica simple basada en bitangentes ; Desde entonces, otros autores han afirmado que la presentación de Steiner carecía de prueba, que más tarde fue proporcionada por Andrew Hart  (1856), pero Guy señala la prueba dispersa en dos de los artículos del propio Steiner de esa época. Las soluciones basadas en formulaciones algebraicas del problema incluyen las de CL Lehmus  (1819), EC Catalan  (1846), C. Adams  (1846, 1849), J. Derousseau (1895) y Andreas Pampuch (1904). Las soluciones algebraicas no distinguen entre tangencias internas y externas entre los círculos y el triángulo dado; Si el problema se generaliza para permitir tangencias de cualquier tipo, entonces un triángulo dado tendrá 32 soluciones diferentes y, a la inversa, un triple de círculos mutuamente tangentes será una solución para ocho triángulos diferentes. [8] Bottema (2001) atribuye la enumeración de estas soluciones a Pampuch (1904), pero Cajori (1893) señala que este recuento del número de soluciones ya fue dado en un comentario de Steiner (1826). El problema y sus generalizaciones fueron objeto de muchas otras publicaciones matemáticas del siglo XIX, [9] y su historia y matemáticas han sido objeto de estudio continuo desde entonces. [10] También ha sido un tema frecuente en libros sobre geometría. [11]

Gatto (2000) y Mazzotti (1998) relatan un episodio de las matemáticas napolitanas del siglo XIX relacionado con los círculos de Malfatti. En 1839, Vincenzo Flauti , geómetra sintético , planteó un desafío que implicaba la solución de tres problemas de geometría, uno de los cuales era la construcción de los círculos de Malfatti; su intención al hacerlo era mostrar la superioridad de las técnicas sintéticas sobre las analíticas. A pesar de que Fortunato Padula, un estudiante de una escuela rival de geometría analítica , dio una solución , Flauti otorgó el premio a su propio alumno, Nicola Trudi, cuyas soluciones Flauti conocía cuando planteó su desafío. Más recientemente, el problema de la construcción de los círculos de Malfatti se ha utilizado como problema de prueba para sistemas de álgebra informática . [12]

La construcción de Steiner.

La construcción de Steiner de los círculos de Malfatti usando bitangentes

Aunque gran parte de los primeros trabajos sobre los círculos de Malfatti utilizaron geometría analítica , Steiner (1826) proporcionó la siguiente construcción sintética simple .

Un círculo que es tangente a dos lados de un triángulo, como lo son los círculos de Malfatti, debe estar centrado en una de las bisectrices del triángulo (verde en la figura). Estas bisectrices dividen el triángulo en tres triángulos más pequeños, y la construcción de Steiner de los círculos de Malfatti comienza dibujando un triple diferente de círculos (que se muestra discontinuo en la figura) inscrito dentro de cada uno de estos tres triángulos más pequeños. En general, estos círculos son disjuntos, por lo que cada par de dos círculos tiene cuatro bitangentes (líneas que tocan a ambos). Dos de estas bitangentes pasan entre sus círculos: una es una bisectriz de un ángulo y la segunda se muestra como una línea discontinua roja en la figura. Etiquete los tres lados del triángulo dado como a , b y c , y etiquete las tres bitangentes que no son bisectrices de ángulo como x , y y z , donde x es la bitangente de los dos círculos que no tocan el lado a , y es la bitangente a los dos círculos que no tocan el lado b , y z es la bitangente a los dos círculos que no tocan el lado c . Entonces los tres círculos de Malfatti son los círculos inscritos a los tres cuadriláteros tangenciales abyx , aczx y bczy . [13] En caso de simetría, dos de los círculos discontinuos pueden tocarse en un punto de una bisectriz, haciendo que dos bitangentes coincidan allí, pero aún estableciendo los cuadriláteros relevantes para los círculos de Malfatti.

Las tres bitangentes x , y y z cruzan los lados del triángulo en el punto de tangencia con el tercer círculo inscrito, y también se pueden encontrar como las reflexiones de las bisectrices de los ángulos a través de las líneas que conectan los pares de centros de estos círculos inscritos. [8]

Fórmula del radio

El radio de cada uno de los tres círculos de Malfatti se puede determinar mediante una fórmula que involucra las longitudes de los tres lados a , b y c del triángulo, el inradio r , el semiperímetro y las tres distancias d , e y f del incentro. del triángulo a los vértices de los lados opuestos a , b y c respectivamente. Las fórmulas para los tres radios son: [14]

Se pueden usar fórmulas relacionadas para encontrar ejemplos de triángulos cuyas longitudes de lados, radios y radios de Malfatti sean todos números racionales o todos enteros. Por ejemplo, el triángulo con longitudes de lados 28392, 21000 y 25872 tiene un radio de 6930 y radios de Malfatti 3969, 4900 y 4356. Como otro ejemplo, el triángulo con longitudes de lados 152460, 165000 y 190740 tiene un radio de 47520 y radios de Malfatti 27225, 30976 y 32400. [15]

Puntos Ajima-Malfatti

Primer punto Ajima-Malfatti

Dado un triángulo ABC y sus tres círculos de Malfatti, sean D , E y F los puntos donde dos de los círculos se tocan, frente a los vértices A , B y C respectivamente. Luego, las tres líneas AD , BE y CF se encuentran en un único centro de triángulo conocido como el primer punto de Ajima-Malfatti después de las contribuciones de Ajima y Malfatti al problema del círculo. El segundo punto Ajima-Malfatti es el punto de encuentro de tres líneas que conectan las tangencias de los círculos de Malfatti con los centros de los excírculos del triángulo. [16] [17] Otros centros de triángulos también asociados con los círculos de Malfatti incluyen el punto Yff-Malfatti, formado de la misma manera que el primer punto de Malfatti a partir de tres círculos mutuamente tangentes que son todos tangentes a las líneas que pasan por los lados del dado. triángulo, pero que se encuentran parcialmente fuera del triángulo, [18] y el centro radical de los tres círculos de Malfatti (el punto donde se encuentran las tres bitangentes utilizadas en su construcción). [19]

Ver también

Notas

  1. ^ Ogilvy (1990).
  2. ^ Pozos (1991).
  3. ^ Véase también Ogilvy (1990).
  4. ^ Goldberg (1967); Gabai y Líbano (1968); Zagaller (1994); Zagaller & Los' (1994); Lombardi (2022).
  5. ^ ab Andreatta, Bezdek y Boroński (2010).
  6. ^ Fukagawa y Rothman (2008).
  7. ^ Simi y Toti Rigatelli (1993).
  8. ^ chico abc (2007).
  9. ^ Paucker (1831); Zornow (1833); Plücker (1834a, 1834b); Terquem (1847); Quiddé (1850); Silvestre (1850); Scheffler (1851); Schellbach (1853); Cayley (1849, 1854, 1857, 1875–1876); Clebsch (1857); Talbot (1867); Wittstein (1871); Affolter (1873); Mertens (1873); panadero (1874); Schröter (1874); Simón (1874); Molinero (1875); Seitz (1875); Dios (1877); Líbano (1889); Bellacchi (1895); Wedell (1897).
  10. ^ Hagge (1908); Loeber (1914); Danielsson (1926); Rogers (1928); Scardapane (1931); Procissi (1932); Evas (1946); Naitō (1975); Fiocca (1980); Hitotumatu (1995); Takeshima y Anai (1996); Gato (2000); Bottema (2001); Andreatta, Bezdek y Boroński (2010); Horváth (2014).
  11. ^ Casey (1882); Rouché y de Comberousse (1891); Coolidge (1916); panadero (1925); Dorrie (1965); Ogilvy (1990); Pozos (1991); Martín (1998); Andreescu, Mushkarov y Stoyanov (2006).
  12. ^ Hitotumatu (1995); Takeshima y Anai (1996).
  13. ^ Martin (1998), ejercicio 5.20, p. 96.
  14. Según Stevanović (2003), estas fórmulas fueron descubiertas por Malfatti y publicadas póstumamente por él en 1811. Sin embargo, la publicación de 1811, "Résolues", Annales de Mathématiques Pures et Appliquées , 1 : 347–348, 1811, es una carta sin firma (probablemente del editor de la revista Joseph Diez Gergonne ) que da esta fórmula como equivalente a los resultados de Malfatti (1803).
  15. ^ Molinero (1875).
  16. ^ Weisstein, Eric W. , "Puntos Ajima-Malfatti", MathWorld.
  17. ^ C. Kimberling, Enciclopedia de centros triangulares Archivado el 19 de abril de 2012 en Wayback Machine , X(179) y X(180).
  18. ^ Enciclopedia de centros triangulares, X (400).
  19. ^ Stevanović (2003).

Referencias

enlaces externos