Απολλώνιο πρόβλημα: Διαφορά μεταξύ των αναθεωρήσεων
μ Ρομπότ: Προσθήκη: ca:Problema d'Apol·loni |
μ Robot: Changing template: Μεταφρασμένο; διακοσμητικές αλλαγές |
||
| Γραμμή 11: | Γραμμή 11: | ||
Το Απολλώνιο πρόβλημα έχει πολλές προεκτάσεις. Μελετήθηκαν γενικεύσεις του σε τρεις (κατασκευή [[Σφαίρα|σφαίρας]] εφαπτόμενης σε τέσσερις δεδομένες) και παραπάνω διαστάσεις. Η αρχική διάταξη τριών εφαπτόμενων μεταξύ τους κύκλων έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Ο [[Ρενέ Ντεκάρτ]] πρότεινε μια εξίσωση που συνδέει την ακτίνα του ζητούμενου κύκλου με τις ακτίνες των τριών δεδομένων κύκλων, γνωστή και ως [[θεώρημα του Καρτέσιου]]. Η επαναληπτική λύση του απολλώνιου προβλήματος σε αυτή την περίπτωση, οδηγεί στην [[απολλώνιο έμβυσμα]] (''apollonian gasket''), το οποίο είναι ένα από τα πρώτα [[φράκταλ]] που περιγράφηκαν εντύπως, ενώ είναι σημαντικό στην [[θεωρία αριθμών]] μέσω των [[Κύκλοι του Φορντ|κύκλων του Φορντ]] και την μέθοδο κύκλου Χάρντι-Λίτλγουντ (''Hardy–Littlewood circle method''). |
Το Απολλώνιο πρόβλημα έχει πολλές προεκτάσεις. Μελετήθηκαν γενικεύσεις του σε τρεις (κατασκευή [[Σφαίρα|σφαίρας]] εφαπτόμενης σε τέσσερις δεδομένες) και παραπάνω διαστάσεις. Η αρχική διάταξη τριών εφαπτόμενων μεταξύ τους κύκλων έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Ο [[Ρενέ Ντεκάρτ]] πρότεινε μια εξίσωση που συνδέει την ακτίνα του ζητούμενου κύκλου με τις ακτίνες των τριών δεδομένων κύκλων, γνωστή και ως [[θεώρημα του Καρτέσιου]]. Η επαναληπτική λύση του απολλώνιου προβλήματος σε αυτή την περίπτωση, οδηγεί στην [[απολλώνιο έμβυσμα]] (''apollonian gasket''), το οποίο είναι ένα από τα πρώτα [[φράκταλ]] που περιγράφηκαν εντύπως, ενώ είναι σημαντικό στην [[θεωρία αριθμών]] μέσω των [[Κύκλοι του Φορντ|κύκλων του Φορντ]] και την μέθοδο κύκλου Χάρντι-Λίτλγουντ (''Hardy–Littlewood circle method''). |
||
==Το πρόβλημα== |
== Το πρόβλημα == |
||
Στη γενική μορφή του απολλώνιου προβλήματος ζητείται η κατασκευή ενός ή περισσοτέρων κύκλων οι οποίοι να εφάπτονται σε τρία δεδομένα αντικείμενα στο επίπεδο, όπου το αντικείμενο μπορεί να είναι ευθεία, σημείο ή κύκλος οιασδήποτε ακτίνας.<ref name="Dörrie 1965">{{cite book| author = Dörrie H| year = 1965| chapter = The Tangency Problem of Apollonius| title = 100 Great Problems of Elementary Mathematics: Their History and Solutions| publisher = Dover| location = New York| pages = 154–160 (§32)}}</ref><ref name="coxeter_1968"/><ref name="coolidge"/><ref name="coxeter greitzer"/> Αυτά τα αντικείμενα μπορεί να είναι διατεταγμένα καθ' οιονδήποτε τρόπο και μπορούν και να αλληλοτέμνονται, όμως, συνήθως λαμβάνονται ώστε να είναι διακριτά, να μην συμπίπτουν δηλαδή. Μερικές φορές οι λύσεις του προβλήματος καλούνται ''Απολλώνιοι κύκλοι'', αν και ο όρος χρησιμοποιείται και για [[Απολλώνιοι κύκλοι|άλλου είδους κύκλους]], επίσης σχετιζόμενους με τον Απολλώνιο. |
Στη γενική μορφή του απολλώνιου προβλήματος ζητείται η κατασκευή ενός ή περισσοτέρων κύκλων οι οποίοι να εφάπτονται σε τρία δεδομένα αντικείμενα στο επίπεδο, όπου το αντικείμενο μπορεί να είναι ευθεία, σημείο ή κύκλος οιασδήποτε ακτίνας.<ref name="Dörrie 1965">{{cite book| author = Dörrie H| year = 1965| chapter = The Tangency Problem of Apollonius| title = 100 Great Problems of Elementary Mathematics: Their History and Solutions| publisher = Dover| location = New York| pages = 154–160 (§32)}}</ref><ref name="coxeter_1968"/><ref name="coolidge"/><ref name="coxeter greitzer"/> Αυτά τα αντικείμενα μπορεί να είναι διατεταγμένα καθ' οιονδήποτε τρόπο και μπορούν και να αλληλοτέμνονται, όμως, συνήθως λαμβάνονται ώστε να είναι διακριτά, να μην συμπίπτουν δηλαδή. Μερικές φορές οι λύσεις του προβλήματος καλούνται ''Απολλώνιοι κύκλοι'', αν και ο όρος χρησιμοποιείται και για [[Απολλώνιοι κύκλοι|άλλου είδους κύκλους]], επίσης σχετιζόμενους με τον Απολλώνιο. |
||
| Γραμμή 20: | Γραμμή 20: | ||
Το απολλώνιο πρόβλημα μπορεί να μετασχηματιστεί ως το πρόβλημα εύρεσης ενός ή περισσοτέρων σημείων, τέτοιων ώστε οι διαφορές των αποστάσεων τους από τρία δεδομένα σημεία να ισούνται με τρεις γνωστές τιμές. Έστω ένα κύκλος-λύση ακτίνας ''r''<sub>''s''</sub> και τρεις δεδομένοι κύκλοι με ακτίνες ''r''<sub>1</sub>, ''r''<sub>2</sub> και ''r''<sub>3</sub>. Αν ο κύκλος λύση είναι εξωτερικά εφαπτόμενος και στους τρεις δεδομένους κύκλους, οι αποστάσεις του κέντρου του από τα κέντρα των δεδομένω κύκλων ισούνται με {{nowrap|''d''<sub>1</sub> {{=}} ''r''<sub>1</sub> + ''r''<sub>''s''</sub>}}, {{nowrap|''d''<sub>2</sub> {{=}} ''r''<sub>2</sub> + ''r''<sub>''s''</sub>}} και {{nowrap|''d''<sub>3</sub> {{=}} ''r''<sub>3</sub> + ''r''<sub>''s''</sub>}}, αντίστοιχα. Συνεπώς οι διαφορές αυτών των αποστάσεων είναι σταθερές, όπως {{nowrap|''d''<sub>1</sub> − ''d''<sub>2</sub> {{=}} ''r''<sub>1</sub> − ''r''<sub>2</sub>}}. Εξαρτώνται μόνο από τις γνωστές ακτίνες των δεδομένων κύκλων και όχι από την ακτίνα του κύκλου-λύση ''r''<sub>''s''</sub>, η οποία απαλείφεται. Ο δεύτερος μετασχηματισμός του απολλώνιου προβλήματος μπορεί να γενικευθεί και για εσωτερικώς εφαπτόμενους κύκλους-λύσεις (για τους οποίους η απόσταση από κέντρο σε κέντρο ισούται με την διαφορά των ακτίνων), αλλάζοντας τις αντίστοιχες διαφορές αποστάσεων σε αθροίσματα αποστάσεων έτσι ώστε η ακτίνα ''r''<sub>''s''</sub> του κύκλου-λύση πάλι να απαλειφθεί. Ο επαναμετασχηματισμός των αποστάσεων των κέντρων είναι χρήσιμος στις [[#Τεμνόμενες υπερβολές|παρακάτω λύσεις]] του [[Άντριαν φαν Ρόομεν]] και του [[Ισαάκ Νιούτον]], καθώς και στον [[υπερβολικός προσδιορισμός θέσης|υπερβολικό προσδιορισμό θέσης]] με τον οποίο εντοπίζεται μία θέση από τις διαφορές στις αποστάσεις από τρία γνωστά σημεία. Για παράδειγμα, συστήματα πλοήγησης όπως το [[Συσκευή Λοράν|LORAN]] αναγνωρίζουν την θέση του δέκτη από τις διαφορές των χρόνων άφιξης των σημάτων από τρις διαφορετικές σταθερές θέσεις, που αντιστοιχούν στις διαφορές αποστάσεων από αυτούς τους πομπούς.<ref name="Hofmann-Wellenhof"/><ref name="Schmidt 1972"/> |
Το απολλώνιο πρόβλημα μπορεί να μετασχηματιστεί ως το πρόβλημα εύρεσης ενός ή περισσοτέρων σημείων, τέτοιων ώστε οι διαφορές των αποστάσεων τους από τρία δεδομένα σημεία να ισούνται με τρεις γνωστές τιμές. Έστω ένα κύκλος-λύση ακτίνας ''r''<sub>''s''</sub> και τρεις δεδομένοι κύκλοι με ακτίνες ''r''<sub>1</sub>, ''r''<sub>2</sub> και ''r''<sub>3</sub>. Αν ο κύκλος λύση είναι εξωτερικά εφαπτόμενος και στους τρεις δεδομένους κύκλους, οι αποστάσεις του κέντρου του από τα κέντρα των δεδομένω κύκλων ισούνται με {{nowrap|''d''<sub>1</sub> {{=}} ''r''<sub>1</sub> + ''r''<sub>''s''</sub>}}, {{nowrap|''d''<sub>2</sub> {{=}} ''r''<sub>2</sub> + ''r''<sub>''s''</sub>}} και {{nowrap|''d''<sub>3</sub> {{=}} ''r''<sub>3</sub> + ''r''<sub>''s''</sub>}}, αντίστοιχα. Συνεπώς οι διαφορές αυτών των αποστάσεων είναι σταθερές, όπως {{nowrap|''d''<sub>1</sub> − ''d''<sub>2</sub> {{=}} ''r''<sub>1</sub> − ''r''<sub>2</sub>}}. Εξαρτώνται μόνο από τις γνωστές ακτίνες των δεδομένων κύκλων και όχι από την ακτίνα του κύκλου-λύση ''r''<sub>''s''</sub>, η οποία απαλείφεται. Ο δεύτερος μετασχηματισμός του απολλώνιου προβλήματος μπορεί να γενικευθεί και για εσωτερικώς εφαπτόμενους κύκλους-λύσεις (για τους οποίους η απόσταση από κέντρο σε κέντρο ισούται με την διαφορά των ακτίνων), αλλάζοντας τις αντίστοιχες διαφορές αποστάσεων σε αθροίσματα αποστάσεων έτσι ώστε η ακτίνα ''r''<sub>''s''</sub> του κύκλου-λύση πάλι να απαλειφθεί. Ο επαναμετασχηματισμός των αποστάσεων των κέντρων είναι χρήσιμος στις [[#Τεμνόμενες υπερβολές|παρακάτω λύσεις]] του [[Άντριαν φαν Ρόομεν]] και του [[Ισαάκ Νιούτον]], καθώς και στον [[υπερβολικός προσδιορισμός θέσης|υπερβολικό προσδιορισμό θέσης]] με τον οποίο εντοπίζεται μία θέση από τις διαφορές στις αποστάσεις από τρία γνωστά σημεία. Για παράδειγμα, συστήματα πλοήγησης όπως το [[Συσκευή Λοράν|LORAN]] αναγνωρίζουν την θέση του δέκτη από τις διαφορές των χρόνων άφιξης των σημάτων από τρις διαφορετικές σταθερές θέσεις, που αντιστοιχούν στις διαφορές αποστάσεων από αυτούς τους πομπούς.<ref name="Hofmann-Wellenhof"/><ref name="Schmidt 1972"/> |
||
==Ιστορία== |
== Ιστορία == |
||
Έχει αναπτυχθεί πλούσιο ρεπερτόριο γεωμετρικών και αλγεβρικών μεθόδων για την λύση του απολλώνιου προβλήματος,<ref name="altshiller-court_1961" >{{cite journal| author = Althiller-Court N| year = 1961| title = The problem of Apollonius| journal = The Mathematics Teacher| volume = 54| pages = 444–452}}</ref><ref name="gabriel-marie_1912" >{{cite book| author = Gabriel-Marie F| year = 1912| title = Exercices de géométrie, comprenant l'esposé des méthodes géométriques et 2000 questions résolues| publisher = [[Maison A. Mame et Fils]]| location = Tours| pages = [http://quod.lib.umich.edu/cgi/t/text/pageviewer-idx?c=umhistmath;cc=umhistmath;rgn=full%20text;idno=ACV3924.0001.001;didno=ACV3924.0001.001;view=pdf;seq=00000048 18–20], [http://quod.lib.umich.edu/cgi/t/text/pageviewer-idx?c=umhistmath;cc=umhistmath;rgn=full%20text;idno=ACV3924.0001.001;didno=ACV3924.0001.001;view=pdf;seq=00000703 673–677]| url = http://quod.lib.umich.edu/cgi/t/text/text-idx?c=umhistmath;idno=ACV3924}} {{fr icon}}</ref> το οποίο έχει αποκληθεί και «''το πιο διάσημο από όλα''» τα γεωμετρικά προβλήματα.<ref name="coolidge">{{cite book| author = [[Julian Coolidge|Coolidge JL]]| year = 1916| title = A Treatise on the Circle and the Sphere| publisher = Clarendon Press| location = Oxford| pages = 167–172}}</ref> Η αρχική προσέγγιση του [[Απολλώνιος ο Περγαίος|Απολλώνιου του Περγαίου]] έχει χαθεί, αλλά έχουν προταθεί ανακατασκευές της λύσης του από τον [[Φρανσουά Βιέτ]] και άλλους, βασισμένες σε στοιχεία από την περιγραφή του [[Πάππος|Πάππου]].<ref name="pappus" >{{cite book| author = [[Πάππος]]| year = 1876| title = Pappi Alexandrini collectionis quae supersunt| editor = F Hultsch| edition = 3 volumes}} {{la icon}}</ref><ref name="bruen_1983"/> Η πρώτη νέα μέθοδος λύσης δημοσιεύτηκε το 1596 από τον [[Άντριαν φαν Ρόομεν]], ο οποίος θεώρησε τα κέντρα των κύκλων-λύσεων ως σημεία τομής δύο [[Υπερβολή (γεωμετρία)|υπερβολών]].<ref name="van_roomen_1596">{{cite book| author = [[Adriaan van Roomen|van Roomen A]]| year = 1596| title = Problema Apolloniacum quo datis tribus circulis, quaeritur quartus eos contingens, antea |
Έχει αναπτυχθεί πλούσιο ρεπερτόριο γεωμετρικών και αλγεβρικών μεθόδων για την λύση του απολλώνιου προβλήματος,<ref name="altshiller-court_1961" >{{cite journal| author = Althiller-Court N| year = 1961| title = The problem of Apollonius| journal = The Mathematics Teacher| volume = 54| pages = 444–452}}</ref><ref name="gabriel-marie_1912" >{{cite book| author = Gabriel-Marie F| year = 1912| title = Exercices de géométrie, comprenant l'esposé des méthodes géométriques et 2000 questions résolues| publisher = [[Maison A. Mame et Fils]]| location = Tours| pages = [http://quod.lib.umich.edu/cgi/t/text/pageviewer-idx?c=umhistmath;cc=umhistmath;rgn=full%20text;idno=ACV3924.0001.001;didno=ACV3924.0001.001;view=pdf;seq=00000048 18–20], [http://quod.lib.umich.edu/cgi/t/text/pageviewer-idx?c=umhistmath;cc=umhistmath;rgn=full%20text;idno=ACV3924.0001.001;didno=ACV3924.0001.001;view=pdf;seq=00000703 673–677]| url = http://quod.lib.umich.edu/cgi/t/text/text-idx?c=umhistmath;idno=ACV3924}} {{fr icon}}</ref> το οποίο έχει αποκληθεί και «''το πιο διάσημο από όλα''» τα γεωμετρικά προβλήματα.<ref name="coolidge">{{cite book| author = [[Julian Coolidge|Coolidge JL]]| year = 1916| title = A Treatise on the Circle and the Sphere| publisher = Clarendon Press| location = Oxford| pages = 167–172}}</ref> Η αρχική προσέγγιση του [[Απολλώνιος ο Περγαίος|Απολλώνιου του Περγαίου]] έχει χαθεί, αλλά έχουν προταθεί ανακατασκευές της λύσης του από τον [[Φρανσουά Βιέτ]] και άλλους, βασισμένες σε στοιχεία από την περιγραφή του [[Πάππος|Πάππου]].<ref name="pappus" >{{cite book| author = [[Πάππος]]| year = 1876| title = Pappi Alexandrini collectionis quae supersunt| editor = F Hultsch| edition = 3 volumes}} {{la icon}}</ref><ref name="bruen_1983"/> Η πρώτη νέα μέθοδος λύσης δημοσιεύτηκε το 1596 από τον [[Άντριαν φαν Ρόομεν]], ο οποίος θεώρησε τα κέντρα των κύκλων-λύσεων ως σημεία τομής δύο [[Υπερβολή (γεωμετρία)|υπερβολών]].<ref name="van_roomen_1596">{{cite book| author = [[Adriaan van Roomen|van Roomen A]]| year = 1596| title = Problema Apolloniacum quo datis tribus circulis, quaeritur quartus eos contingens, antea a…Francisco Vieta…omnibus mathematicis…ad construendum propositum, jam vero per Belgam…constructum| location = Würzburg|language = latin|publisher = Typis Georgii Fleischmanni}} {{la icon}}</ref><ref name="van roomen by newton">{{cite book| author = [[Isaac Newton|Newton I]]| year = 1974| title = The Mathematical Papers of Isaac Newton, Volume VI: 1684–1691| editor = DT Whiteside| publisher = Cambridge University Press| location = Cambridge| isbn = 0-521-08719-8| page = 164}}</ref> Η μέθοδος του φαν Ρόομεν βελτιώθηκε από τον [[Ισαάκ Νεύτων|Ισαάκ Νιούτον]] το 1687 στο έργο του ''[[Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica|Principia]]'',<ref name="Newton_1687">{{cite book| author = [[Isaac Newton|Newton I]]| year = 1687| title = [[Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica]]| nopp = true| page = Book I, Section IV, Lemma 16}}</ref><ref>{{cite book| author = [[Isaac Newton|Newton I]]| year = 1974| title = The Mathematical Papers of Isaac Newton, Volume VI: 1684–1691| editor = DT Whiteside| publisher = Cambridge University Press| location = Cambridge| isbn = 0-521-08719-8| pages = 162–165, 238–241}}</ref> και από τον [[Τζον Κέισι]] (''John Casey'') το 1881.<ref name="casey_1881">{{cite book| author = [[John Casey (mathematician)|Casey J]]| origyear = 1881| title = A sequel to the first six books of the Elements of Euclid|isbn=978-1418166090|publisher=Hodges, Figgis & co.|year= 1886| page = 122}}</ref> |
||
Η μέθοδος του φαν Ρόομεν, παρόλο που έλυσε επιτυχώς το απολλώνιο πρόβλημα, είχε ένα μειονέκτημα. Μία πολύτιμη ιδιότητα της κλασσικής [[Ευκλείδεια γεωμετρία|Ευκλείδειας γεωμετρίας]] είναι η δυνατότητα να λύνονται τα προβλήματα με τη χρήση μόνο [[κατασκευές με κανόνα και διαβήτη|κανόνα και διαβήτη]].<ref>{{cite book| author = Courant R, Robbins H| year = 1943| title = What is Mathematics? An Elementary Approach to Ideas and Methods| publisher = Oxford University Press| location = London| pages = 125–127, 161–162| isbn = 0195105192}}</ref> Πολλές κατασκευές είναι αδύνατες χρησιμοποιώντας μόνο αυτά τα εργαλεία, όπως η [[τριχοτόμηση της γωνίας]]. Εντούτοις πολλά τέτοια ''αδύνατα'' προβλήματα μπορούν αν λυθούν με αλληλοτεμνόμενες καμπύλες όπως οι υπερβολές, οι [[έλλειψη|ελλείψεις]] και οι [[παραβολή (γεωμετρία)|παραβολές]] ([[κωνικές τομές]]). Για παράδειγμα ο [[διπλασιασμός του κύβου]] (το πρόβλημα της κατασκευής ενός κύβου με διπλάσιο όγκο από ένα δεδομένο κύβο) δεν μπορεί να λυθεί με κανόνα και διαβήτη, όμως ο [[Μέναιχμος]] απέδειξε ότι το πρόβλημα μπορεί να λυθεί χρησιμοποιώντας τις τομές δύο παραβολών.<ref>{{cite book|author=Bold B| title = Famous problems of geometry and how to solve them| publisher = Dover Publications| year = 1982| pages = 29–30| isbn = 0486242978}}</ref> Έτσι η λύση του φαν Ρόομεν, η οποία χρησιμοποιεί την τομή δύο υπερβολών, δεν εξακρίβωσε το αν μπορεί το πρόβλημα να λυθεί με κανόνα και διαβήτη. |
Η μέθοδος του φαν Ρόομεν, παρόλο που έλυσε επιτυχώς το απολλώνιο πρόβλημα, είχε ένα μειονέκτημα. Μία πολύτιμη ιδιότητα της κλασσικής [[Ευκλείδεια γεωμετρία|Ευκλείδειας γεωμετρίας]] είναι η δυνατότητα να λύνονται τα προβλήματα με τη χρήση μόνο [[κατασκευές με κανόνα και διαβήτη|κανόνα και διαβήτη]].<ref>{{cite book| author = Courant R, Robbins H| year = 1943| title = What is Mathematics? An Elementary Approach to Ideas and Methods| publisher = Oxford University Press| location = London| pages = 125–127, 161–162| isbn = 0195105192}}</ref> Πολλές κατασκευές είναι αδύνατες χρησιμοποιώντας μόνο αυτά τα εργαλεία, όπως η [[τριχοτόμηση της γωνίας]]. Εντούτοις πολλά τέτοια ''αδύνατα'' προβλήματα μπορούν αν λυθούν με αλληλοτεμνόμενες καμπύλες όπως οι υπερβολές, οι [[έλλειψη|ελλείψεις]] και οι [[παραβολή (γεωμετρία)|παραβολές]] ([[κωνικές τομές]]). Για παράδειγμα ο [[διπλασιασμός του κύβου]] (το πρόβλημα της κατασκευής ενός κύβου με διπλάσιο όγκο από ένα δεδομένο κύβο) δεν μπορεί να λυθεί με κανόνα και διαβήτη, όμως ο [[Μέναιχμος]] απέδειξε ότι το πρόβλημα μπορεί να λυθεί χρησιμοποιώντας τις τομές δύο παραβολών.<ref>{{cite book|author=Bold B| title = Famous problems of geometry and how to solve them| publisher = Dover Publications| year = 1982| pages = 29–30| isbn = 0486242978}}</ref> Έτσι η λύση του φαν Ρόομεν, η οποία χρησιμοποιεί την τομή δύο υπερβολών, δεν εξακρίβωσε το αν μπορεί το πρόβλημα να λυθεί με κανόνα και διαβήτη. |
||
Ο φίλος του φαν Ρόομεν, [[Φρανσουά Βιέτ]], ο οποίος ήταν αυτός που τον είχε παροτρύνει να δουλέψει πάνω στο απολλώνιο πρόβλημα, ανέπτυξε μία μέθοδο που χρησιμοποιούσε μόνο κανόνα και διαβήτη.<ref name="viete_1970">{{cite book| author = Viète F. |author-link = François Viète| title = Francisci Vietae Opera mathematica | chapter = Apollonius Gallus. Seu, Exsuscitata Apolloni Pergæi Περι Επαφων Geometria| publication-date=1646|editor = Frans van Schooten| url = http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k107597d.r=.langEN|publisher = ex officina B. et A. Elzeviriorum (Lugduni Batavorum)|language = latin| pages = 325–346|year=1600}} {{la icon}}</ref> Πριν την λύση του Βιέτ, ο [[Ρεγκιομοντάνους]] (''Regiomontanus'') αμφέβαλε στο κατά πόσο ήταν δυνατό να λυθεί το πρόβλημα μόνο με κανόνα και διαβήτη.<ref name="boyer_1991_322">{{cite book| author = [[Carl Benjamin Boyer|Boyer CB]], Merzbach UC| year = 1991| title = A History of Mathematics| edition= 2nd| publisher = John Wiley & Sons, Inc.|isbn=0-471-54397-7| chapter = Apollonius of Perga| page = 322}}</ref> Ο Βιέτ έλυσε αρχικά το πρόβλημα για κάποιες απλές περιπτώσεις, όπως την εύρεση κύκλου που διέρχεται από τρία δεδομένα σημεία, το οποίο έχει μόνο μία λύση αν τα σημεία είναι διακριτά. Στην συνέχεια έλυσε μερικές πιο πολύπλοκες ειδικές περιπτώσεις, σε κάποιες περιπτώσεις μικραίνοντας ή μεγαλώνοντας τους δεδομένους κύκλους.<ref name="Dörrie 1965"/> Σύμφωνα με μία αναφορά του 4ου αιώνα από τον [[Πάππος|Πάππο]], το βιβλίο του Απολλώνιου για το πρόβλημα με τίτλο ''{{πολυτονικό|Ἐπαφαί}}'' ([[λατ.]]: ''De tactionibus'', ''De contactibus'') ακολουθούσε παρόμοια προσέγγιση.<ref name="pappus"/> Έτσι η λύση του Βιέτ θεωρείται ως μία πιθανή ανακατασκευή αυτής του Απολλώνιου, ενώ έχουν προταθεί ανεξάρτητα και άλλες ανακατασκευές από τρεις διαφορετικούς συγγραφείς.<ref name="alt_reconstructions">[[Robert Simson|Simson R]] (1734) ''Mathematical Collection'', volume VII, p. 117.<br>{{cite book| author = Zeuthen HG| year = 1886| title = Die Lehre von den Kegelschnitten im Altertum| publisher = Unknown| location = Copenhagen| pages = 381–383}} {{de}}<br>{{cite book| author = [[T. L. Heath|Heath TL]]| title = A History of Greek Mathematics, Volume II: From Aristarchus to Diophantus| publisher = Clarendon Press| location = Oxford| pages = 181–185, 416–417}}</ref> |
Ο φίλος του φαν Ρόομεν, [[Φρανσουά Βιέτ]], ο οποίος ήταν αυτός που τον είχε παροτρύνει να δουλέψει πάνω στο απολλώνιο πρόβλημα, ανέπτυξε μία μέθοδο που χρησιμοποιούσε μόνο κανόνα και διαβήτη.<ref name="viete_1970">{{cite book| author = Viète F. |author-link = François Viète| title = Francisci Vietae Opera mathematica | chapter = Apollonius Gallus. Seu, Exsuscitata Apolloni Pergæi Περι Επαφων Geometria| publication-date=1646|editor = Frans van Schooten| url = http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k107597d.r=.langEN|publisher = ex officina B. et A. Elzeviriorum (Lugduni Batavorum)|language = latin| pages = 325–346|year=1600}} {{la icon}}</ref> Πριν την λύση του Βιέτ, ο [[Ρεγκιομοντάνους]] (''Regiomontanus'') αμφέβαλε στο κατά πόσο ήταν δυνατό να λυθεί το πρόβλημα μόνο με κανόνα και διαβήτη.<ref name="boyer_1991_322">{{cite book| author = [[Carl Benjamin Boyer|Boyer CB]], Merzbach UC| year = 1991| title = A History of Mathematics| edition= 2nd| publisher = John Wiley & Sons, Inc.|isbn=0-471-54397-7| chapter = Apollonius of Perga| page = 322}}</ref> Ο Βιέτ έλυσε αρχικά το πρόβλημα για κάποιες απλές περιπτώσεις, όπως την εύρεση κύκλου που διέρχεται από τρία δεδομένα σημεία, το οποίο έχει μόνο μία λύση αν τα σημεία είναι διακριτά. Στην συνέχεια έλυσε μερικές πιο πολύπλοκες ειδικές περιπτώσεις, σε κάποιες περιπτώσεις μικραίνοντας ή μεγαλώνοντας τους δεδομένους κύκλους.<ref name="Dörrie 1965"/> Σύμφωνα με μία αναφορά του 4ου αιώνα από τον [[Πάππος|Πάππο]], το βιβλίο του Απολλώνιου για το πρόβλημα με τίτλο ''{{πολυτονικό|Ἐπαφαί}}'' ([[λατ.]]: ''De tactionibus'', ''De contactibus'') ακολουθούσε παρόμοια προσέγγιση.<ref name="pappus"/> Έτσι η λύση του Βιέτ θεωρείται ως μία πιθανή ανακατασκευή αυτής του Απολλώνιου, ενώ έχουν προταθεί ανεξάρτητα και άλλες ανακατασκευές από τρεις διαφορετικούς συγγραφείς.<ref name="alt_reconstructions">[[Robert Simson|Simson R]] (1734) ''Mathematical Collection'', volume VII, p. 117.<br />{{cite book| author = Zeuthen HG| year = 1886| title = Die Lehre von den Kegelschnitten im Altertum| publisher = Unknown| location = Copenhagen| pages = 381–383}} {{de}}<br />{{cite book| author = [[T. L. Heath|Heath TL]]| title = A History of Greek Mathematics, Volume II: From Aristarchus to Diophantus| publisher = Clarendon Press| location = Oxford| pages = 181–185, 416–417}}</ref> |
||
Αρκετές άλλες γεωμετρικές μέθοδοι αναπτύχθηκαν τον 19ο αιώνα. Η πιο σημαντικές από αυτές ήταν του [[Ζαν-Βικτόρ Πονσελέ]] (''Jean-Victor Poncelet'') (1811)<ref>{{cite journal| author = [[Jean-Victor Poncelet|Poncelet J-V]]| month = January| year = 1811| title = Solutions de plusieurs problêmes de géométrie et de mécanique| journal = Correspondance sur l'École Impériale Polytechnique| volume = 2| issue = 3| pages = pp. 271–273}} {{fr icon}}</ref> και του [[Ζοζέφ Ντιάζ Ζεργκόν]] (1814).<ref name="gergonne_1814" >{{cite journal| author = [[Joseph Diaz Gergonne|Gergonne J]]| date = 1813–1814|title = Recherche du cercle qui en touche trois autres sur une sphère| journal = Ann. Math. Pures appl.|volume = 4}} {{fr icon}}</ref> Ενώ η μέθοδος του Πονσελέ βασίζονταν στα [[ομοθετικό κέντρο|ομοθετικά κέντρα]] των κύκλων και στο θεώρημα της [[δύναμη σημείου|δύναμης σημείου]], η μέθοδος του Ζεργκόν εκμεταλλεύτηκε την αντιδιαμετρική σχέση μεταξύ των ευθειών και των [[πόλος (γεωμετρία)|πόλων]] τους σε ένα κύκλο. Μεθόδους που χρησιμοποιούσαν [[γεωμετρία της αντιστροφής]] πρότεινες πρώτος ο [[Γιούλιους Πέτερσεν]] (''Julius Petersen'') το 1879.<ref name="petersen_1879">{{cite book| author = [[Julius Petersen|Petersen J]]| year = 1879| title = Methods and Theories for the Solution of Problems of Geometrical Constructions, Applied to 410 Problems| publisher = Sampson Low, Marston, Searle & Rivington| location = London| pages = 94–95 (Example 403)}}</ref> Ένα παράδειγμα είναι η μέθοδος της δακτυλιοειδούς λύσης του ''[[Harold Scott MacDonald Coxeter|HSM Coxeter]]''.<ref name="coxeter_1968" >{{cite journal| author = [[Harold Scott MacDonald Coxeter|Coxeter HSM]]| year = 1968| title = The Problem of Apollonius| journal = The American Mathematical Monthly| volume = 75| pages = pp. 5–15| doi = 10.2307/2315097| issn = 00029890| month = Jan| day = 01| issue = 1}}</ref> Μια άλλη προσέγγιση χρησιμοποιεί την [[σφαιρική γεωμετρία Lie]],<ref name="zlobec_2001" /> που αναπτύχθηκε από τον [[Sophus Lie]]. |
Αρκετές άλλες γεωμετρικές μέθοδοι αναπτύχθηκαν τον 19ο αιώνα. Η πιο σημαντικές από αυτές ήταν του [[Ζαν-Βικτόρ Πονσελέ]] (''Jean-Victor Poncelet'') (1811)<ref>{{cite journal| author = [[Jean-Victor Poncelet|Poncelet J-V]]| month = January| year = 1811| title = Solutions de plusieurs problêmes de géométrie et de mécanique| journal = Correspondance sur l'École Impériale Polytechnique| volume = 2| issue = 3| pages = pp. 271–273}} {{fr icon}}</ref> και του [[Ζοζέφ Ντιάζ Ζεργκόν]] (1814).<ref name="gergonne_1814" >{{cite journal| author = [[Joseph Diaz Gergonne|Gergonne J]]| date = 1813–1814|title = Recherche du cercle qui en touche trois autres sur une sphère| journal = Ann. Math. Pures appl.|volume = 4}} {{fr icon}}</ref> Ενώ η μέθοδος του Πονσελέ βασίζονταν στα [[ομοθετικό κέντρο|ομοθετικά κέντρα]] των κύκλων και στο θεώρημα της [[δύναμη σημείου|δύναμης σημείου]], η μέθοδος του Ζεργκόν εκμεταλλεύτηκε την αντιδιαμετρική σχέση μεταξύ των ευθειών και των [[πόλος (γεωμετρία)|πόλων]] τους σε ένα κύκλο. Μεθόδους που χρησιμοποιούσαν [[γεωμετρία της αντιστροφής]] πρότεινες πρώτος ο [[Γιούλιους Πέτερσεν]] (''Julius Petersen'') το 1879.<ref name="petersen_1879">{{cite book| author = [[Julius Petersen|Petersen J]]| year = 1879| title = Methods and Theories for the Solution of Problems of Geometrical Constructions, Applied to 410 Problems| publisher = Sampson Low, Marston, Searle & Rivington| location = London| pages = 94–95 (Example 403)}}</ref> Ένα παράδειγμα είναι η μέθοδος της δακτυλιοειδούς λύσης του ''[[Harold Scott MacDonald Coxeter|HSM Coxeter]]''.<ref name="coxeter_1968" >{{cite journal| author = [[Harold Scott MacDonald Coxeter|Coxeter HSM]]| year = 1968| title = The Problem of Apollonius| journal = The American Mathematical Monthly| volume = 75| pages = pp. 5–15| doi = 10.2307/2315097| issn = 00029890| month = Jan| day = 01| issue = 1}}</ref> Μια άλλη προσέγγιση χρησιμοποιεί την [[σφαιρική γεωμετρία Lie]],<ref name="zlobec_2001" /> που αναπτύχθηκε από τον [[Sophus Lie]]. |
||
Αλγβρικές λύσεις στο απολλώνιο πρόβλημα δόθηκαν για πρώτη φορά τον 17ο αιώνα από τον [[Ρενέ Ντεκάρτ]] και την [[Ελισάβετ της Βοημίας]], αν και αρκετά πολύπλοκες.<ref name="altshiller-court_1961" /> Πρακτικές αλγεβρικές μέθοδοι αναπτύχθηκαν στα ΄τελη του 18ου και τον 19ο αιώνα από αρκετούς μαθηματικούς όπως ο [[Λέοναρντ Όιλερ]],<ref>{{cite journal| author = [[Leonhard Euler|Euler L]]| year = 1790| title = Solutio facilis problematis, quo quaeritur circulus, qui datos tres circulos tangat| journal = Nova Acta Academiae Scientarum Imperialis Petropolitinae| volume = 6| pages = 95–101| url = http://www.math.dartmouth.edu/~euler/docs/originals/E648.pdf|format=PDF}} {{la icon}} Reprinted in Euler's ''Opera Omnia'', series 1, volume 26, pp. 270–275.</ref> ο [[Νίκολας Φους]],<ref name="altshiller-court_1961" /> [[Καρλ Φρίντριχ Γκάους]],<ref name="gauss_1810" >{{cite book| author = [[Carl Friedrich Gauss|Gauss CF]]| year = 1873| title = Werke, 4. Band| publisher = Königlichen Gesellschaft der Wissenschaften| location = Göttingen| edition = reprinted in 1973 by Georg Olms Verlag (Hildesheim)| pages = 399–400| isbn = 3-487-04636-9}} {{de}}</ref> ο [[Λαζάρ Καρνό]],<ref name="carnot_1803a" >{{cite book| author = [[Lazare Carnot|Carnot L]]| year = 1801| title = De la corrélation dans les figures de géométrie| publisher = Unknown publisher| location = Paris| pages = No. 158–159}} {{fr icon}}<br>{{cite book| author = [[Lazare Carnot|Carnot L]]| year = 1803| title = Géométrie de position| publisher = Unknown publisher| location = Paris| pages = 390, §334}} {{fr icon}}</ref> και ο [[Αγκουστίν Λουί Κοσί]].<ref>{{cite journal| author = [[Augustin Louis Cauchy|Cauchy AL]]| month = July| year = 1806| title = Du cercle tangent à trois cercles donnés| journal = Correspondance sur l'École Polytechnique| volume = 1| issue = 6| pages = pp. 193–195}} {{fr icon}}</ref> |
Αλγβρικές λύσεις στο απολλώνιο πρόβλημα δόθηκαν για πρώτη φορά τον 17ο αιώνα από τον [[Ρενέ Ντεκάρτ]] και την [[Ελισάβετ της Βοημίας]], αν και αρκετά πολύπλοκες.<ref name="altshiller-court_1961" /> Πρακτικές αλγεβρικές μέθοδοι αναπτύχθηκαν στα ΄τελη του 18ου και τον 19ο αιώνα από αρκετούς μαθηματικούς όπως ο [[Λέοναρντ Όιλερ]],<ref>{{cite journal| author = [[Leonhard Euler|Euler L]]| year = 1790| title = Solutio facilis problematis, quo quaeritur circulus, qui datos tres circulos tangat| journal = Nova Acta Academiae Scientarum Imperialis Petropolitinae| volume = 6| pages = 95–101| url = http://www.math.dartmouth.edu/~euler/docs/originals/E648.pdf|format=PDF}} {{la icon}} Reprinted in Euler's ''Opera Omnia'', series 1, volume 26, pp. 270–275.</ref> ο [[Νίκολας Φους]],<ref name="altshiller-court_1961" /> [[Καρλ Φρίντριχ Γκάους]],<ref name="gauss_1810" >{{cite book| author = [[Carl Friedrich Gauss|Gauss CF]]| year = 1873| title = Werke, 4. Band| publisher = Königlichen Gesellschaft der Wissenschaften| location = Göttingen| edition = reprinted in 1973 by Georg Olms Verlag (Hildesheim)| pages = 399–400| isbn = 3-487-04636-9}} {{de}}</ref> ο [[Λαζάρ Καρνό]],<ref name="carnot_1803a" >{{cite book| author = [[Lazare Carnot|Carnot L]]| year = 1801| title = De la corrélation dans les figures de géométrie| publisher = Unknown publisher| location = Paris| pages = No. 158–159}} {{fr icon}}<br />{{cite book| author = [[Lazare Carnot|Carnot L]]| year = 1803| title = Géométrie de position| publisher = Unknown publisher| location = Paris| pages = 390, §334}} {{fr icon}}</ref> και ο [[Αγκουστίν Λουί Κοσί]].<ref>{{cite journal| author = [[Augustin Louis Cauchy|Cauchy AL]]| month = July| year = 1806| title = Du cercle tangent à trois cercles donnés| journal = Correspondance sur l'École Polytechnique| volume = 1| issue = 6| pages = pp. 193–195}} {{fr icon}}</ref> |
||
==Μέθοδοι επίλυσης== |
== Μέθοδοι επίλυσης == |
||
===Διατεμνόμενες υπερβολές=== |
=== Διατεμνόμενες υπερβολές === |
||
[[ |
[[Αρχείο:Apollonius hyperbolic no eqs black.svg|thumb|right|Σχήμα 3: Δύο δεδομένοι κύκλοι (μαύρο) και ένας εφαπτόμενος σε αυτούς κύκλος (ροζ). Οι αποστάσεις των κέντρων τους ''d''<sub>1</sub> και ''d''<sub>2</sub> ισούται με {{nowrap|''r''<sub>1</sub> + ''r''<sub>''s''</sub>}} και {{nowrap|''r''<sub>2</sub> + ''r''<sub>''s''</sub>}}, αντίστοιχα, έτσι η διαφορά τους είναι ανεξάρτητη του ''r''<sub>''s''</sub>.]] |
||
Η επίλυση του [[Άντριαν φαν Ρόομεν]] (1596) βασίζεται στην τομή δύο [[Υπερβολή (γεωμετρία)|υπερβολών]].<ref name="van_roomen_1596"/><ref name="van roomen by newton"/> Έστω οι δεδομένοι κύκλοι ''C''<sub>1</sub>, ''C''<sub>2</sub> και ''C''<sub>3</sub>. Ο φαν Ρόομεν έλυσε το πρόβλημα λύνοντας το απλούστερο πρόβλημα της εύρεσης των κύκλων που είναι εφαπτόμενοι σε ''δύο'' δεδομένους κύκλους, όπως ο ''C''<sub>1</sub> και ο ''C''<sub>2</sub>. Παρατήρησε ότι το κέντρο του εφαπτόμενου κύκλου πρέπει να βρίσκεται επί [[Υπερβολή (γεωμετρία)|υπερβολής]] της οποίας οι [[εστία (γεωμετρία)|εστίες]] είναι τα κέντρα των δεδομένων κύκλων. Για να γίνει πιο κατανοητό αυτό έστω οι ακτίνες του κύκλου-λύση και των δεδομένων κύκλων ''r''<sub>''s''</sub>, ''r''<sub>''1''</sub> και ''r''<sub>''2''</sub>, αντίστοιχα (Σχήμα 3). Η απόσταση ''d''<sub>1</sub> μεταξύ των κέντρων της λύσης και του ''C''<sub>1</sub> είναι είτε {{nowrap|''r''<sub>''s''</sub> + ''r''<sub>''1''</sub>}} είτε {{nowrap|''r''<sub>''s''</sub> − ''r''<sub>''1''</sub>}} ανάλογα με το αν οι κύκλοι έχουν εκλεγεί να εφάπτονται εξωτερικά ή εσωτερικά αντίστοιχα. Παρομοίως η απόσταση ''d''<sub>2</sub> μεταξύ των κέντρων του κύκλου-λύση και του ''C''<sub>2</sub> είναι είτε {{nowrap|''r''<sub>''s''</sub> + ''r''<sub>''2''</sub>}} είτε {{nowrap|''r''<sub>''s''</sub> − ''r''<sub>''2''</sub>}} ξανά αναλόγως με των τρόπο που εφάπτονται. Έτσι η διαφορά {{nowrap|''d''<sub>1</sub> − ''d''<sub>2</sub>}} μεταξύ αυτών των αποστάσεων είναι πάντα μία σταθερά η οποία είναι ανεξάρτητη του ''r''<sub>''s''</sub>. Αυτή η ιδιότητα, της σταθερής διαφοράς μεταξύ των αποστάσεων από τις εστίες χαρακτηρίζει τις υπερβολές, έτσι τα πιθανά κέντρα του κύκλου-λύση βρίσκονται επί μίας υπερβολής. Μία δεύτερη υπερβολή μπορεί να σχεδιαστεί από το ζεύγος των δεδομένων κύκλων ''C''<sub>2</sub> και ''C''<sub>3</sub>, όπου η εσωτερική ή εξωτερική επαφή της λύσης πρέπει να εκλεγεί σε συνέπεια με την πρώτη υπερβολή. Η τομή αυτών των δύο υπερβολών (αν υπάρχει) δίνει το κέντρο του κύκλου-λύση που έχει τις επιλεγμένες εσωτερικές ή εξωτερικές επαφές προς τους τρεις δεδομένους κύκλους. Το πλήρες σύνολο των λύσεων του απολλώνιου προβλήματος μπορεί να βρεθεί αν ληφθούν υπόψη όλοι οι πιθανοί συνδυασμοί εσωτερικών και εξωτερικών επαφών του κύκλου-λύση προς τους τρεις δεδομένους. |
Η επίλυση του [[Άντριαν φαν Ρόομεν]] (1596) βασίζεται στην τομή δύο [[Υπερβολή (γεωμετρία)|υπερβολών]].<ref name="van_roomen_1596"/><ref name="van roomen by newton"/> Έστω οι δεδομένοι κύκλοι ''C''<sub>1</sub>, ''C''<sub>2</sub> και ''C''<sub>3</sub>. Ο φαν Ρόομεν έλυσε το πρόβλημα λύνοντας το απλούστερο πρόβλημα της εύρεσης των κύκλων που είναι εφαπτόμενοι σε ''δύο'' δεδομένους κύκλους, όπως ο ''C''<sub>1</sub> και ο ''C''<sub>2</sub>. Παρατήρησε ότι το κέντρο του εφαπτόμενου κύκλου πρέπει να βρίσκεται επί [[Υπερβολή (γεωμετρία)|υπερβολής]] της οποίας οι [[εστία (γεωμετρία)|εστίες]] είναι τα κέντρα των δεδομένων κύκλων. Για να γίνει πιο κατανοητό αυτό έστω οι ακτίνες του κύκλου-λύση και των δεδομένων κύκλων ''r''<sub>''s''</sub>, ''r''<sub>''1''</sub> και ''r''<sub>''2''</sub>, αντίστοιχα (Σχήμα 3). Η απόσταση ''d''<sub>1</sub> μεταξύ των κέντρων της λύσης και του ''C''<sub>1</sub> είναι είτε {{nowrap|''r''<sub>''s''</sub> + ''r''<sub>''1''</sub>}} είτε {{nowrap|''r''<sub>''s''</sub> − ''r''<sub>''1''</sub>}} ανάλογα με το αν οι κύκλοι έχουν εκλεγεί να εφάπτονται εξωτερικά ή εσωτερικά αντίστοιχα. Παρομοίως η απόσταση ''d''<sub>2</sub> μεταξύ των κέντρων του κύκλου-λύση και του ''C''<sub>2</sub> είναι είτε {{nowrap|''r''<sub>''s''</sub> + ''r''<sub>''2''</sub>}} είτε {{nowrap|''r''<sub>''s''</sub> − ''r''<sub>''2''</sub>}} ξανά αναλόγως με των τρόπο που εφάπτονται. Έτσι η διαφορά {{nowrap|''d''<sub>1</sub> − ''d''<sub>2</sub>}} μεταξύ αυτών των αποστάσεων είναι πάντα μία σταθερά η οποία είναι ανεξάρτητη του ''r''<sub>''s''</sub>. Αυτή η ιδιότητα, της σταθερής διαφοράς μεταξύ των αποστάσεων από τις εστίες χαρακτηρίζει τις υπερβολές, έτσι τα πιθανά κέντρα του κύκλου-λύση βρίσκονται επί μίας υπερβολής. Μία δεύτερη υπερβολή μπορεί να σχεδιαστεί από το ζεύγος των δεδομένων κύκλων ''C''<sub>2</sub> και ''C''<sub>3</sub>, όπου η εσωτερική ή εξωτερική επαφή της λύσης πρέπει να εκλεγεί σε συνέπεια με την πρώτη υπερβολή. Η τομή αυτών των δύο υπερβολών (αν υπάρχει) δίνει το κέντρο του κύκλου-λύση που έχει τις επιλεγμένες εσωτερικές ή εξωτερικές επαφές προς τους τρεις δεδομένους κύκλους. Το πλήρες σύνολο των λύσεων του απολλώνιου προβλήματος μπορεί να βρεθεί αν ληφθούν υπόψη όλοι οι πιθανοί συνδυασμοί εσωτερικών και εξωτερικών επαφών του κύκλου-λύση προς τους τρεις δεδομένους. |
||
Ο [[Ισαάκ Νιούτον]] (1687) βελτίωσε την λύση του φαν Ρόομεν, έτσι ώστε τα κέντρα του κύκλου-λύση να βρίσκονται στην τομη μιας ευθείας και ενός κύκλου.<ref name="Newton_1687"/> Ο Νιούτον διατύπωσε το απολλώνιο πρόβλημα ως πρόβλημα [[τριπλευρισμός|τριπλευρισμού]] (''trilateration''), στον εντοπισμό θέσης του σημείου '''Ζ''' από τρία δεδομένα σημεία '''A''', '''B''' και '''C''', τέτοια ώστε οι αποστάσεις από το '''Z''' στα τρία δεδομένα σημεία να έχουν γνωστές τιμές. <ref name="Hoshen 1996"/> Αυτά τα τέσσερα σημεία αντιστοιχούν στο κέντρο του κύκλου-λύση ('''Z''') και στα κέντρα των δεδομένων κύκλων ('''A''', '''B''' and '''C'''). |
Ο [[Ισαάκ Νιούτον]] (1687) βελτίωσε την λύση του φαν Ρόομεν, έτσι ώστε τα κέντρα του κύκλου-λύση να βρίσκονται στην τομη μιας ευθείας και ενός κύκλου.<ref name="Newton_1687"/> Ο Νιούτον διατύπωσε το απολλώνιο πρόβλημα ως πρόβλημα [[τριπλευρισμός|τριπλευρισμού]] (''trilateration''), στον εντοπισμό θέσης του σημείου '''Ζ''' από τρία δεδομένα σημεία '''A''', '''B''' και '''C''', τέτοια ώστε οι αποστάσεις από το '''Z''' στα τρία δεδομένα σημεία να έχουν γνωστές τιμές. <ref name="Hoshen 1996"/> Αυτά τα τέσσερα σημεία αντιστοιχούν στο κέντρο του κύκλου-λύση ('''Z''') και στα κέντρα των δεδομένων κύκλων ('''A''', '''B''' and '''C'''). |
||
[[ |
[[Αρχείο:Apollonius circle definition labels.svg|thumb|left|Ο [[γεωμετρικός τόπος]] των σημείων με σταθερό λόγο αποστάσεων ''d''<sub>1</sub>/''d''<sub>2</sub> προς δύο σταθερά σημεία είναι κύκλος.]] |
||
Αντί να επιλύσει για τις δύο υπερβολές, ο Νιούτον κατασκεύασε τις [[κωνικές τομές|δδιευθετούσες ευθείες]]. Για κάθε υπερβολή, ο λόγος των αποστάσεων από ένα σημείο '''Z''' προς μία εστία '''A''' και προς την διευθετούσα είναι μία σταθερά που καλείται [[εκκεντρότητα]]. Οι δύο διευθετούσες τέμνονται στο σημείο '''T''' και από τους δύο γνωστούς λόγους των αποστασεών τους, ο Νιούτον κατασκεύασε μία ευθεία που περνά από το το '''Τ''' επί της οποίας πρέπει να βρίσκεται και το '''Z'''. Εντούτοις ο λόγος TZ/TA είναι επίσης γνωστός, έτσι το '''Z''' βρίσκεται επίσης σε ένα γνωστό κύκλο., αφού ο Απολλώνιος έδειξε ότι ένας κύκλος μπορεί να οριστεί ως το σύνολο των σημείων που έχουν ένα δεδομένο σταθερό λόγο αποστάσεων από δύο σταθερά σημεία. (Αυτός ο ορισμός είναι και η βάση των [[διπολικές συντεταγμένες|διπολικών συντεταγμένων]]) Έτσι οι λύσεις στο Απολλώνιο πρόβλημα είναι τα τομές ευθείας με κύκλο. |
Αντί να επιλύσει για τις δύο υπερβολές, ο Νιούτον κατασκεύασε τις [[κωνικές τομές|δδιευθετούσες ευθείες]]. Για κάθε υπερβολή, ο λόγος των αποστάσεων από ένα σημείο '''Z''' προς μία εστία '''A''' και προς την διευθετούσα είναι μία σταθερά που καλείται [[εκκεντρότητα]]. Οι δύο διευθετούσες τέμνονται στο σημείο '''T''' και από τους δύο γνωστούς λόγους των αποστασεών τους, ο Νιούτον κατασκεύασε μία ευθεία που περνά από το το '''Τ''' επί της οποίας πρέπει να βρίσκεται και το '''Z'''. Εντούτοις ο λόγος TZ/TA είναι επίσης γνωστός, έτσι το '''Z''' βρίσκεται επίσης σε ένα γνωστό κύκλο., αφού ο Απολλώνιος έδειξε ότι ένας κύκλος μπορεί να οριστεί ως το σύνολο των σημείων που έχουν ένα δεδομένο σταθερό λόγο αποστάσεων από δύο σταθερά σημεία. (Αυτός ο ορισμός είναι και η βάση των [[διπολικές συντεταγμένες|διπολικών συντεταγμένων]]) Έτσι οι λύσεις στο Απολλώνιο πρόβλημα είναι τα τομές ευθείας με κύκλο. |
||
===Η ανακατασκευή του Βιέτ=== |
=== Η ανακατασκευή του Βιέτ === |
||
Όπως περιγράφεται [[#ειδικές περιπτώσεις|παρακάτω]], το απολλώνιο πρόβλημα έχει δέκα ειδικές περιπτώσεις εξαρτώμενες από την φύση των δοσμένων αντικειμένων, τα οποία μπορεί να είναι κύκλος ('''C'''), ευθεία ('''L''') ή σημείο ('''P'''). Είθισται αυτές οι δέκα περιπτώσεις να κωδικοποιούνται με τρία γράμματα όπως '''ΚΚΣ'''.<ref name="special cases" /> Ο Βιέτ έλυσε και τις δέκα περιπτώσεις με κανόνα και διαβήτη και χρησιμοποίησε τις λύσεις των απλούστερων περιπτώσεων για την επίλυση των πιο σύνθετων.<ref name="viete_1970"/><ref name="Dörrie 1965"/> |
Όπως περιγράφεται [[#ειδικές περιπτώσεις|παρακάτω]], το απολλώνιο πρόβλημα έχει δέκα ειδικές περιπτώσεις εξαρτώμενες από την φύση των δοσμένων αντικειμένων, τα οποία μπορεί να είναι κύκλος ('''C'''), ευθεία ('''L''') ή σημείο ('''P'''). Είθισται αυτές οι δέκα περιπτώσεις να κωδικοποιούνται με τρία γράμματα όπως '''ΚΚΣ'''.<ref name="special cases" /> Ο Βιέτ έλυσε και τις δέκα περιπτώσεις με κανόνα και διαβήτη και χρησιμοποίησε τις λύσεις των απλούστερων περιπτώσεων για την επίλυση των πιο σύνθετων.<ref name="viete_1970"/><ref name="Dörrie 1965"/> |
||
[[ |
[[Αρχείο:Apollonius solution breathing nolabels.gif|thumb|right|Σχήμα 4: Η επαφή μεταξύ των κύκλων διατηρείται αν οι ακτίνες τους αλλάξουν ισόποσα. Ένας κύκλος-λύση (ροζ) πρέπει να μικρύνει ή να μεγαλώσει όπως και ο εσωτερικά εφαπτόμενός του δοσμένος κύκλος (ο μαύρος δεξιά), ενώ οι εξωτερικά εφαπτόμενοι κύκλοι (οι δύο μαύροι αριστερά) το ακριβώς αντίθετο.]] |
||
Ο Βιέτ ξεκίνησε με την επίλυση της περίπτωσης '''ΣΣΣ''' (τρία σημεία) ακολουθώντας την μέθοδο του [[Ευκλείδης|Ευκλείδη]] όπως περιγράφεται στα [[Στοιχεία]]. Από αυτό εξήγαγε ένα [[λήμμα (μαθηματικά)|λήμμα]] που αντιστοιχεί στο θεώρημα [[δύναμη σημείου|δύναμης σημείου]], το οποίο χρησιμοποίησε για να λύσει την περίπτωση '''ΕΣΣ''' (ευθεία και δύο σημεία). Ακολουθώντας την μέθοδο του Ευκλείδη έλυσε την περίπτωση '''ΕΕΕ''' (τρεις ευθείες) χρησιμοποιώντας τις [[διχοτόμος|διχοτόμους]]. Από εκεί εξήγαγε ένα λήμμα για την κατασκευή καθέτου στην διχοτόμο που περνά από ένα σημείο, το οποίο χρησιμοποίησε για να λύσει την περίπτωση '''ΕΕΣ'''. Αυτέ είναι οι πρώτες τέσσερις περιπτώσεις του προβλήματος που δεν έχουν να κάνουν με κύκλους. |
Ο Βιέτ ξεκίνησε με την επίλυση της περίπτωσης '''ΣΣΣ''' (τρία σημεία) ακολουθώντας την μέθοδο του [[Ευκλείδης|Ευκλείδη]] όπως περιγράφεται στα [[Στοιχεία]]. Από αυτό εξήγαγε ένα [[λήμμα (μαθηματικά)|λήμμα]] που αντιστοιχεί στο θεώρημα [[δύναμη σημείου|δύναμης σημείου]], το οποίο χρησιμοποίησε για να λύσει την περίπτωση '''ΕΣΣ''' (ευθεία και δύο σημεία). Ακολουθώντας την μέθοδο του Ευκλείδη έλυσε την περίπτωση '''ΕΕΕ''' (τρεις ευθείες) χρησιμοποιώντας τις [[διχοτόμος|διχοτόμους]]. Από εκεί εξήγαγε ένα λήμμα για την κατασκευή καθέτου στην διχοτόμο που περνά από ένα σημείο, το οποίο χρησιμοποίησε για να λύσει την περίπτωση '''ΕΕΣ'''. Αυτέ είναι οι πρώτες τέσσερις περιπτώσεις του προβλήματος που δεν έχουν να κάνουν με κύκλους. |
||
| Γραμμή 53: | Γραμμή 53: | ||
Ο Βιέτ χρησιμοποίησε αυτή την προσέγγιση ώστε να μετατρέψει ένα από τους δοσμένους κύκλους σε σημείο, μετασχηματίζοντας έτσι το πρόβλημα στην απλούστερη και ήδη λυμένη περίπτωση. Πρώτα έλλυσε την περίπτωση '''KEE''' (κύκλος και δύο ευθείες) ελαττώνοντας τον κύκλο σε σημείο, μετατρέποντας το έτσι σε περίπτωση '''ΕΕΣ'''. Έπειτα έλυσε την περίπτωση '''ΚΕΣ''' (κύκλος, ευθεία, σημείο) χρησιμοποιώντας τρία λήμματα. Ελαττώνοντας ξανά ένα κύκλο σε σημείο μετασχημάτισε το πρόβλημα '''ΚΚΕ''' σε '''ΚΕΣ'''. Έπειτα έλυσε την περίπτωση '''ΚΣΣ''' και την '''ΚΚΣ''', την τελευταία χρησιμοποιώντας δύο λήμματα. Τέλος έλυσε την γενική περίπτωση '''ΚΚΚ''' (τρεις κύκλοι) ελαττώνοντας τον ένα κύκλο σε σημείο μετασχηματίζοντας το πρόβλημα σε '''ΚΚΣ'''. |
Ο Βιέτ χρησιμοποίησε αυτή την προσέγγιση ώστε να μετατρέψει ένα από τους δοσμένους κύκλους σε σημείο, μετασχηματίζοντας έτσι το πρόβλημα στην απλούστερη και ήδη λυμένη περίπτωση. Πρώτα έλλυσε την περίπτωση '''KEE''' (κύκλος και δύο ευθείες) ελαττώνοντας τον κύκλο σε σημείο, μετατρέποντας το έτσι σε περίπτωση '''ΕΕΣ'''. Έπειτα έλυσε την περίπτωση '''ΚΕΣ''' (κύκλος, ευθεία, σημείο) χρησιμοποιώντας τρία λήμματα. Ελαττώνοντας ξανά ένα κύκλο σε σημείο μετασχημάτισε το πρόβλημα '''ΚΚΕ''' σε '''ΚΕΣ'''. Έπειτα έλυσε την περίπτωση '''ΚΣΣ''' και την '''ΚΚΣ''', την τελευταία χρησιμοποιώντας δύο λήμματα. Τέλος έλυσε την γενική περίπτωση '''ΚΚΚ''' (τρεις κύκλοι) ελαττώνοντας τον ένα κύκλο σε σημείο μετασχηματίζοντας το πρόβλημα σε '''ΚΚΣ'''. |
||
===Αλγεβρικές λύσεις=== |
=== Αλγεβρικές λύσεις === |
||
Το απολλώνιο πρόβλημα μπορεί να διατυπωθεί ως σύστημα τριών εξισώσεων για το κέντρο και την ακτίνα του κύκλου-λύση.<ref name="coaklay_1860">{{cite journal| author = Coaklay GW| year = 1860| title = Analytical Solutions of the Ten Problems in the Tangencies of Circles; and also of the Fifteen Problems in the Tangencies of Spheres| journal = The Mathematical Monthly| volume = 2| pages = 116–126}}</ref> Καθώς οι τρεις δοσμένοι κύκλοι και κάθε κύκλος-λύση πρέπει να βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο, οι θέσεις τους μπορούν να αναπαρασταθούν με τις [[Καρτεσιανό σύστημα συντεταγμένων|συντεταγμένες]] (''x'', ''y'') των κέντρων τους. Για παράδειγμα το κέντρο τριών δεδομένων κύκλων μπορεί να γραφεί ως (''x''<sub>1</sub>, ''y''<sub>1</sub>), (''x''<sub>2</sub>, ''y''<sub>2</sub>) και (''x''<sub>3</sub>, ''y''<sub>3</sub>) ενώ αυτό του κύκλου-λύση μπορεί να γραφεί ως (''x''<sub>''s''</sub>, ''y''<sub>''s''</sub>). Παρομοίως οι ακτίνες των κύκλων μπορούν να αναπαρασταθούν ως ''r''<sub>1</sub>, ''r''<sub>2</sub>, ''r''<sub>3</sub> και ''r''<sub>''s''</sub>, αντίστοιχα. Η απαίτηση ότι ο κύκλος-λύση πρέπει να εφάπτεται σε κάθε ένα από τους δοσμένους κύκλους μπορεί να εκφραστεί με ένα [[Σύστημα εξισώσεων|σύστημα]] [[Δευτεροβάθμια εξίσωση|δευτεροβάθμιων εξισώσεων]] για τα ''x''<sub>''s''</sub>, ''y''<sub>''s''</sub> και ''r''<sub>''s''</sub>: |
Το απολλώνιο πρόβλημα μπορεί να διατυπωθεί ως σύστημα τριών εξισώσεων για το κέντρο και την ακτίνα του κύκλου-λύση.<ref name="coaklay_1860">{{cite journal| author = Coaklay GW| year = 1860| title = Analytical Solutions of the Ten Problems in the Tangencies of Circles; and also of the Fifteen Problems in the Tangencies of Spheres| journal = The Mathematical Monthly| volume = 2| pages = 116–126}}</ref> Καθώς οι τρεις δοσμένοι κύκλοι και κάθε κύκλος-λύση πρέπει να βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο, οι θέσεις τους μπορούν να αναπαρασταθούν με τις [[Καρτεσιανό σύστημα συντεταγμένων|συντεταγμένες]] (''x'', ''y'') των κέντρων τους. Για παράδειγμα το κέντρο τριών δεδομένων κύκλων μπορεί να γραφεί ως (''x''<sub>1</sub>, ''y''<sub>1</sub>), (''x''<sub>2</sub>, ''y''<sub>2</sub>) και (''x''<sub>3</sub>, ''y''<sub>3</sub>) ενώ αυτό του κύκλου-λύση μπορεί να γραφεί ως (''x''<sub>''s''</sub>, ''y''<sub>''s''</sub>). Παρομοίως οι ακτίνες των κύκλων μπορούν να αναπαρασταθούν ως ''r''<sub>1</sub>, ''r''<sub>2</sub>, ''r''<sub>3</sub> και ''r''<sub>''s''</sub>, αντίστοιχα. Η απαίτηση ότι ο κύκλος-λύση πρέπει να εφάπτεται σε κάθε ένα από τους δοσμένους κύκλους μπορεί να εκφραστεί με ένα [[Σύστημα εξισώσεων|σύστημα]] [[Δευτεροβάθμια εξίσωση|δευτεροβάθμιων εξισώσεων]] για τα ''x''<sub>''s''</sub>, ''y''<sub>''s''</sub> και ''r''<sub>''s''</sub>: |
||
| Γραμμή 92: | Γραμμή 92: | ||
Οι δύο ρίζες οποιασδήποτε δευτεροβάθμιας εξίσωσης μπορεί να είναι τριών πιθανών τύπων: δύο διαφορετικοί [[πραγματικοί αριθμοί]], δύο όμοιοι πραγματικοί αριθμοί (δηλαδή μία εκφυλισμένη διπλή λύση) ή ένα ζεύγος [[συζυγείς μιγαδικοί αριθμοί|συζυγών μιγαδικών]]. Η πρώτη περίπτωση αντιστοιχεί στην συνήθη περίπτωση, κάθε ζεύγος λύσεων αντιστοιχεί σε ένα ζεύγος λύσεων που έχουν σχέση με την [[Γεωμετρία της αντιστροφής|αντιστροφή του κύκλου]], όπως περιγράφεται παρακάτω (Σχήμα 6). Στην δεύτερη περίπτωση, και οι δύο λύσεις είναι ταυτόσημες, και αντιστοιχούν σε ένα κύκλο που αν αντιστραφεί μετατρέπεται στον εαυτό του. Σε αυτή την περίπτωση ένας από τους δεδομένους κύκλους είναι ο ίδιος μία λύση στο απολλώνιο πρόβλημα, και έτσι ο αριθμός των λύσεων μειώνεται κατά ένα. Η τρίτη περίπτωση των συζυγών μιγαδικών ακτίνων δεν αντιστοιχεί σε κάποια γεωμετρικά πιθανή λύση, καθώς ένας κύκλος δεν μπορεί να έχει φανταστική ακτίνα. Έτσι ο αριθμός των λύσεων μειώνεται κατά δύο. Είναι ενδιαφέρον ότι το απολλώνιο πρόβλημα δεν μπορεί να έχει επτά λύσεις, ενώ μπορεί να έχει οποιονδήποτε άλλο αριθμό λύσεων από μηδέν έως οκτώ εν γένει.<ref name="pedoe_1970" >{{cite journal| author = [[Daniel Pedoe|Pedoe D]]| year = 1970| title = The missing seventh circle| journal = Elemente der Mathematik| volume = 25| pages = 14–15}}</ref><ref name="bruen_1983" /> |
Οι δύο ρίζες οποιασδήποτε δευτεροβάθμιας εξίσωσης μπορεί να είναι τριών πιθανών τύπων: δύο διαφορετικοί [[πραγματικοί αριθμοί]], δύο όμοιοι πραγματικοί αριθμοί (δηλαδή μία εκφυλισμένη διπλή λύση) ή ένα ζεύγος [[συζυγείς μιγαδικοί αριθμοί|συζυγών μιγαδικών]]. Η πρώτη περίπτωση αντιστοιχεί στην συνήθη περίπτωση, κάθε ζεύγος λύσεων αντιστοιχεί σε ένα ζεύγος λύσεων που έχουν σχέση με την [[Γεωμετρία της αντιστροφής|αντιστροφή του κύκλου]], όπως περιγράφεται παρακάτω (Σχήμα 6). Στην δεύτερη περίπτωση, και οι δύο λύσεις είναι ταυτόσημες, και αντιστοιχούν σε ένα κύκλο που αν αντιστραφεί μετατρέπεται στον εαυτό του. Σε αυτή την περίπτωση ένας από τους δεδομένους κύκλους είναι ο ίδιος μία λύση στο απολλώνιο πρόβλημα, και έτσι ο αριθμός των λύσεων μειώνεται κατά ένα. Η τρίτη περίπτωση των συζυγών μιγαδικών ακτίνων δεν αντιστοιχεί σε κάποια γεωμετρικά πιθανή λύση, καθώς ένας κύκλος δεν μπορεί να έχει φανταστική ακτίνα. Έτσι ο αριθμός των λύσεων μειώνεται κατά δύο. Είναι ενδιαφέρον ότι το απολλώνιο πρόβλημα δεν μπορεί να έχει επτά λύσεις, ενώ μπορεί να έχει οποιονδήποτε άλλο αριθμό λύσεων από μηδέν έως οκτώ εν γένει.<ref name="pedoe_1970" >{{cite journal| author = [[Daniel Pedoe|Pedoe D]]| year = 1970| title = The missing seventh circle| journal = Elemente der Mathematik| volume = 25| pages = 14–15}}</ref><ref name="bruen_1983" /> |
||
===Σφαιρική Γεωμετρία Lie=== |
=== Σφαιρική Γεωμετρία Lie === |
||
Οι ίδιες αλγεβρικές εξισώσεις μπορούν να εξαχθούν από την [[σφαιρική γεωμετρία Lie]].<ref name="zlobec_2001">{{cite journal| author = Zlobec BJ, Kosta NM| year = 2001| title = Configurations of Cycles and the Apollonius Problem| journal = Rocky Mountain Journal of Mathematics| volume = 31| pages = 725–744| doi = 10.1216/rmjm/1020171586}}</ref> Αυτή η γεωμετρία αναπαριστά κύκλους, ευθείες και σημεία με ένα ενοποιημένο τρόπο, ως πενταδιάστατα διανύσματα ''X'' = (''v'', ''c''<sub>''x''</sub>, ''c''<sub>''y''</sub>, ''w'', ''sr''), όπου '''c''' = (''c''<sub>''x''</sub>, ''c''<sub>''y''</sub>) είναι το κέντρο του κύκλου και ''r'' είναι η (μή-αρνητική) ακτίνα του. Αν το ''r'' δεν είναι μηδέν, το πρόσημο ''s'' μπορεί να είναι θετικό ή αρνητικό, το ''s'' αναπαριστά τον [[προσανατολισμός καμπύλης|προσανατολισμό]] του κύκλου, αντίθετα με την ωρολογιακή φορά το ''s'' κύκλου είναι θετικό ενώ προς την ωρολογιακή φορά αρνητικό. Η παράμετρος ''w'' είναι μηδέν για ευθεία και ένα στις άλλες περιπτώσεις. |
Οι ίδιες αλγεβρικές εξισώσεις μπορούν να εξαχθούν από την [[σφαιρική γεωμετρία Lie]].<ref name="zlobec_2001">{{cite journal| author = Zlobec BJ, Kosta NM| year = 2001| title = Configurations of Cycles and the Apollonius Problem| journal = Rocky Mountain Journal of Mathematics| volume = 31| pages = 725–744| doi = 10.1216/rmjm/1020171586}}</ref> Αυτή η γεωμετρία αναπαριστά κύκλους, ευθείες και σημεία με ένα ενοποιημένο τρόπο, ως πενταδιάστατα διανύσματα ''X'' = (''v'', ''c''<sub>''x''</sub>, ''c''<sub>''y''</sub>, ''w'', ''sr''), όπου '''c''' = (''c''<sub>''x''</sub>, ''c''<sub>''y''</sub>) είναι το κέντρο του κύκλου και ''r'' είναι η (μή-αρνητική) ακτίνα του. Αν το ''r'' δεν είναι μηδέν, το πρόσημο ''s'' μπορεί να είναι θετικό ή αρνητικό, το ''s'' αναπαριστά τον [[προσανατολισμός καμπύλης|προσανατολισμό]] του κύκλου, αντίθετα με την ωρολογιακή φορά το ''s'' κύκλου είναι θετικό ενώ προς την ωρολογιακή φορά αρνητικό. Η παράμετρος ''w'' είναι μηδέν για ευθεία και ένα στις άλλες περιπτώσεις. |
||
| Γραμμή 147: | Γραμμή 147: | ||
Το πλεονέκτημα αυτής της επαναδιατύπωσης είναι ότι είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν θεωρήματα της [[γραμμική άλγεβρα|γραμμικής άλγεβρας]] για τον μέγιστο αριθμό [[γραμμική ανεξαρτησία|γραμμικά ανεξάρτητων]], ταυτόχρονα κάθετων διανυσμάτων. Αυτό παρέχει ένα ακόμα τρόπο να υπολογιστεί ο μέγιστος αριθμός των λύσεων καθώς και να επεκταθεί το θεώρημα σε χώρους περισσοτέρων διαστάσεων.<ref name="zlobec_2001" /><ref name="knight_2005" /> |
Το πλεονέκτημα αυτής της επαναδιατύπωσης είναι ότι είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν θεωρήματα της [[γραμμική άλγεβρα|γραμμικής άλγεβρας]] για τον μέγιστο αριθμό [[γραμμική ανεξαρτησία|γραμμικά ανεξάρτητων]], ταυτόχρονα κάθετων διανυσμάτων. Αυτό παρέχει ένα ακόμα τρόπο να υπολογιστεί ο μέγιστος αριθμός των λύσεων καθώς και να επεκταθεί το θεώρημα σε χώρους περισσοτέρων διαστάσεων.<ref name="zlobec_2001" /><ref name="knight_2005" /> |
||
===Μέθοδοι αντιστροφής=== |
=== Μέθοδοι αντιστροφής === |
||
[[ |
[[Αρχείο:Inversion illustration1.png|right|thumb|Σχήμα 5: Αντιστροφή σε ένα κύκλο. Το σημείο ''P''<nowiki> '</nowiki> είναι το αντίστροφο του σημείου ''P'' ως προς τον κύκλο.]] |
||
Μία φυσική τοποθέτηση του απολλώνιου προβλήματος είναι στην [[γεωμετρία της αντιστροφής]].<ref name="bruen_1983"/><ref name="coxeter greitzer"/> Η βασική στρατηγική των μεθόδων αντιστροφής είναι ο μετασχηματισμός ενός δοσμένου απολλώνιου προβλήματος σε ένα άλλο πιο απλό να λυθεί, οι λύσεις του αρχικού προβλήματος μπορούν να βρεθούν από τις λύσεις του μετασχηματισμένου προβλήματος με την αναστροφή του μετασχηματισμού. Οι υποψήφιοι μετασχηματισμοί πρέπει να μετατρέπουν ένα απολλώνιο πρόβλημα σε ένα άλλο, έτσι πρέπει να μετασχηματίζουν τα δοσμένα σημεία, κύκλους και ευθείες σε άλλα σημεία, κύκλους και ευθείες και όχι άλλα σχήματα. Η αντιστροφή του κύκλου έχει αυτή την ιδιότητα και επιτρέπει την συνετή εκλογή της ακτίνας και του κέντρου του κύκλου αντιστροφής. Άλλοι υποψήφιοι μετασχηματισμοί συμπεριλαμβάνουν τις [[Ισομετρίες του Ευκλείδιου επιπέδου]], εντούτοις δεν απλοποιούν το πρόβλημα καθώς απλώς [[μεταφορά (μαθηματικά)|μεταφέρουν]], [[περιστροφή (μαθηματικά)|περιστρέφουν]] και [[ανάκλαση (μαθηματικά)|ανακλούν]] το αρχικό πρόβλημα. |
Μία φυσική τοποθέτηση του απολλώνιου προβλήματος είναι στην [[γεωμετρία της αντιστροφής]].<ref name="bruen_1983"/><ref name="coxeter greitzer"/> Η βασική στρατηγική των μεθόδων αντιστροφής είναι ο μετασχηματισμός ενός δοσμένου απολλώνιου προβλήματος σε ένα άλλο πιο απλό να λυθεί, οι λύσεις του αρχικού προβλήματος μπορούν να βρεθούν από τις λύσεις του μετασχηματισμένου προβλήματος με την αναστροφή του μετασχηματισμού. Οι υποψήφιοι μετασχηματισμοί πρέπει να μετατρέπουν ένα απολλώνιο πρόβλημα σε ένα άλλο, έτσι πρέπει να μετασχηματίζουν τα δοσμένα σημεία, κύκλους και ευθείες σε άλλα σημεία, κύκλους και ευθείες και όχι άλλα σχήματα. Η αντιστροφή του κύκλου έχει αυτή την ιδιότητα και επιτρέπει την συνετή εκλογή της ακτίνας και του κέντρου του κύκλου αντιστροφής. Άλλοι υποψήφιοι μετασχηματισμοί συμπεριλαμβάνουν τις [[Ισομετρίες του Ευκλείδιου επιπέδου]], εντούτοις δεν απλοποιούν το πρόβλημα καθώς απλώς [[μεταφορά (μαθηματικά)|μεταφέρουν]], [[περιστροφή (μαθηματικά)|περιστρέφουν]] και [[ανάκλαση (μαθηματικά)|ανακλούν]] το αρχικό πρόβλημα. |
||
| Γραμμή 161: | Γραμμή 161: | ||
Οι αντιστροφές κύκλων αντιστοιχούν σε υποσύνολο των [[Μετασχηματισμός Möbius|μετασχηματισμών Möbius]] στην Ριμάνεια σφαίρα. Το απολλώνιο πρόβλημα στο επίπεδο μπορεί να μεταφερθεί στην σφαίρα με μία [[στερεογραφική προβολή|αντίστροφη στερεογραφική προβολή]], έτσι οι λύσεις του επίπεδου απολλώνιου προβλήματος ανάγονται στις αντίστοιχές τους στην σφαίρα. Άλλες δυνατές λύσεις με αντιστροφή στο επίπεδο πρόβλημα εκτός από τις κοινές περιγράφονται παρακάτω.<ref name="salmon_1879">{{cite book| author = Salmon G| year = 1879| title = A Treatise on Conic Sections, Containing an Account of Some of the Most Important Modern Algebraic and Geometric Methods| publisher = Longmans, Green and Co.| location = London| pages = 110–115, 291–292| isbn = 0828400989}}</ref> |
Οι αντιστροφές κύκλων αντιστοιχούν σε υποσύνολο των [[Μετασχηματισμός Möbius|μετασχηματισμών Möbius]] στην Ριμάνεια σφαίρα. Το απολλώνιο πρόβλημα στο επίπεδο μπορεί να μεταφερθεί στην σφαίρα με μία [[στερεογραφική προβολή|αντίστροφη στερεογραφική προβολή]], έτσι οι λύσεις του επίπεδου απολλώνιου προβλήματος ανάγονται στις αντίστοιχές τους στην σφαίρα. Άλλες δυνατές λύσεις με αντιστροφή στο επίπεδο πρόβλημα εκτός από τις κοινές περιγράφονται παρακάτω.<ref name="salmon_1879">{{cite book| author = Salmon G| year = 1879| title = A Treatise on Conic Sections, Containing an Account of Some of the Most Important Modern Algebraic and Geometric Methods| publisher = Longmans, Green and Co.| location = London| pages = 110–115, 291–292| isbn = 0828400989}}</ref> |
||
===Ζεύγη λύσεων με αντιστροφή=== |
=== Ζεύγη λύσεων με αντιστροφή === |
||
[[ |
[[Αρχείο:Apollonius problem radical center.svg|thumb|right|Σχήμα 6: Ένα συζυγές ζεύγος λύσεων του απολλώνειου προβλήματος (ροζ κύκλοι) με τους δοσμένους μαύρους κύκλους.]] |
||
Οι λύσεις του απολλώνιου προβλήματος εν γένει συναντώνται ανά ζεύγη, για κάθε κύκλο-λύση υπάρχει ένας συζυγής κύκλος-λύση (Σχήμα 6).<ref name="Dörrie 1965"/> Ένας κύκλος-λύση αποκλείει τους δοσμένους κύκλους που περικλείονται από τον συζυγή του, και αντίστροφα. Για παράδειγμα στο Σχήμα 6 ο ένας κύκλος-λύση (ροζ, πάνω αριστερά) περικλείει τους δύο δοσμένους κύκλους (μαύροι), αλλά αποκλείει τον τρίτο, αντίστοιχα ο συζυγής του (επίσης ροζ, κάτω αριστερά) περικλείει τον τρίτο δοσμένο κύκλο αλλά αποκλείει τους άλλους δύο. Οι δύο συζυγείς λύσεις σχετίζονται μέσω [[γεωμετρία της αντιστροφής|αντιστροφής]], βάσει του ακόλουθου συλλογισμού. |
Οι λύσεις του απολλώνιου προβλήματος εν γένει συναντώνται ανά ζεύγη, για κάθε κύκλο-λύση υπάρχει ένας συζυγής κύκλος-λύση (Σχήμα 6).<ref name="Dörrie 1965"/> Ένας κύκλος-λύση αποκλείει τους δοσμένους κύκλους που περικλείονται από τον συζυγή του, και αντίστροφα. Για παράδειγμα στο Σχήμα 6 ο ένας κύκλος-λύση (ροζ, πάνω αριστερά) περικλείει τους δύο δοσμένους κύκλους (μαύροι), αλλά αποκλείει τον τρίτο, αντίστοιχα ο συζυγής του (επίσης ροζ, κάτω αριστερά) περικλείει τον τρίτο δοσμένο κύκλο αλλά αποκλείει τους άλλους δύο. Οι δύο συζυγείς λύσεις σχετίζονται μέσω [[γεωμετρία της αντιστροφής|αντιστροφής]], βάσει του ακόλουθου συλλογισμού. |
||
Εν γένει, οποιοιδήποτε τρεις διακριτοί κύκλοι έχουν ένα μοναδικό κύκλο—τον [[ριζικό κέντρο|ριζικό κύκλο]]—ο οποίος τους τέμνει όλους κάθετα. Το κέντρο αυτού του κύκλου είναι το ριζικό κέντρο των τριών κύκλων.<ref name="coxeter greitzer">{{cite book| title = Geometry Revisited| author = [[Harold Scott MacDonald Coxeter|Coxeter HSM]], [[S. L. Greitzer|Greitzer SL]]| year = 1967| publisher = [[Mathematical Association of America|MAA]]| location = [[Washington, D.C.|Washington]]| isbn = 978-0883856192}}</ref> Για παράδειγμα ο πορτοκαλί κύκλος στο Σχήμα 6 τέμνει τους μαύρους δοσμένους κύκλους με ορθές γωνίες. Η αντιστροφή με βάση τον ριζικό κύκλο αφήνει τους δοσμένους κύκλους αμετάβλητους, αλλά μετασχηματίζει τους δύο συζυγής κύκλους-λύσεις τον ένα στον άλλον. Υπό την ίδια αντιστροφή τα σημεία που αντιστοιχούν στις επαφές των κύκλων μετασχηματίζονται το ένα στο άλλο. Για παράδειγμα στο Σχήμα 6, τα δύο μπλε σημεία που βρίσκονται σε κάθε πράσινη γραμμή μετασχηματίζονται το ένα στο άλλο. Έτσι οι ευθείες που συνδέουν τα συζυγή σημεία επαφής δεν μεταβάλλονται από την αντιστροφή, συνεπώς πρέπει να διέρχονται από το κέντρο της αντιστροφής το οποίο είναι το ριζικό κέντρο (οι πράσινες ευθείες τέμνονται στο πορτοκαλί σημείο στο Σχήμα 6). |
Εν γένει, οποιοιδήποτε τρεις διακριτοί κύκλοι έχουν ένα μοναδικό κύκλο—τον [[ριζικό κέντρο|ριζικό κύκλο]]—ο οποίος τους τέμνει όλους κάθετα. Το κέντρο αυτού του κύκλου είναι το ριζικό κέντρο των τριών κύκλων.<ref name="coxeter greitzer">{{cite book| title = Geometry Revisited| author = [[Harold Scott MacDonald Coxeter|Coxeter HSM]], [[S. L. Greitzer|Greitzer SL]]| year = 1967| publisher = [[Mathematical Association of America|MAA]]| location = [[Washington, D.C.|Washington]]| isbn = 978-0883856192}}</ref> Για παράδειγμα ο πορτοκαλί κύκλος στο Σχήμα 6 τέμνει τους μαύρους δοσμένους κύκλους με ορθές γωνίες. Η αντιστροφή με βάση τον ριζικό κύκλο αφήνει τους δοσμένους κύκλους αμετάβλητους, αλλά μετασχηματίζει τους δύο συζυγής κύκλους-λύσεις τον ένα στον άλλον. Υπό την ίδια αντιστροφή τα σημεία που αντιστοιχούν στις επαφές των κύκλων μετασχηματίζονται το ένα στο άλλο. Για παράδειγμα στο Σχήμα 6, τα δύο μπλε σημεία που βρίσκονται σε κάθε πράσινη γραμμή μετασχηματίζονται το ένα στο άλλο. Έτσι οι ευθείες που συνδέουν τα συζυγή σημεία επαφής δεν μεταβάλλονται από την αντιστροφή, συνεπώς πρέπει να διέρχονται από το κέντρο της αντιστροφής το οποίο είναι το ριζικό κέντρο (οι πράσινες ευθείες τέμνονται στο πορτοκαλί σημείο στο Σχήμα 6). |
||
====Αντιστροφή σε δακτύλιο==== |
==== Αντιστροφή σε δακτύλιο ==== |
||
Αν δύο από τους τρεις δοσμένους κύκλους δεν τέμνονται, το κέντρο της αντιστροφής μπορεί να επιλεχθεί ώστε οι αυτοί οι δύο δοσμένοι κύκλοι να γίνουν ομόκεντροι.<ref name="coxeter_1968" /><ref name="bruen_1983"/> Με αυτή την αντιστροφή οι κύκλοι-λύσεις πρέπει να βρίσκονται εντός του [[Δακτύλιος (γεωμετρία)|δακτύλιου]] που σχηματίζεται από τους ομόκεντρους κύκλους. Συνεπώς ανήκουν σε δύο μονοπαραμετρικές οικογένειες. Στην πρώτη οικογένεια (Σχήμα 7), οι λύσεις δεν περικλείουν τον εσωτερικό ομόκεντρο κύκλο ενώ στην δεύτερη οικογένεια (Σχήμα 8), οι κύκλοι-λύσεις περικλείουν τον εσωτερικό ομόκεντρο κύκλο. Υπάρχουν εν γένει τέσσερεις λύσεις για κάθε οικογένεια, δίνοντας συνολικά οκτώ πιθανές λύσεις, διατηρώντας την συνέπεια με την [[#Αλγεβρικές λύσεις|αλγεβρική λύση]]. |
Αν δύο από τους τρεις δοσμένους κύκλους δεν τέμνονται, το κέντρο της αντιστροφής μπορεί να επιλεχθεί ώστε οι αυτοί οι δύο δοσμένοι κύκλοι να γίνουν ομόκεντροι.<ref name="coxeter_1968" /><ref name="bruen_1983"/> Με αυτή την αντιστροφή οι κύκλοι-λύσεις πρέπει να βρίσκονται εντός του [[Δακτύλιος (γεωμετρία)|δακτύλιου]] που σχηματίζεται από τους ομόκεντρους κύκλους. Συνεπώς ανήκουν σε δύο μονοπαραμετρικές οικογένειες. Στην πρώτη οικογένεια (Σχήμα 7), οι λύσεις δεν περικλείουν τον εσωτερικό ομόκεντρο κύκλο ενώ στην δεύτερη οικογένεια (Σχήμα 8), οι κύκλοι-λύσεις περικλείουν τον εσωτερικό ομόκεντρο κύκλο. Υπάρχουν εν γένει τέσσερεις λύσεις για κάθε οικογένεια, δίνοντας συνολικά οκτώ πιθανές λύσεις, διατηρώντας την συνέπεια με την [[#Αλγεβρικές λύσεις|αλγεβρική λύση]]. |
||
[[ |
[[Αρχείο:Apollonius annulus no eqs black.svg|thumb|left|Σχήμα 7: Ένας κύκλος-λύση (ροζ) στην πρώτη οικογένεια βρίσκεται μεταξύ ομόκεντρων δοθέντων κύκλων (μάυροι). Το διπλάσιο της ακτίνας της λύσης ''r''<sub>''s''</sub> ισούται με την διαφορά {{nowrap|''r''<sub>''outer''</sub> − ''r''<sub>''inner''</sub>}} των εξωτερικών και εσωτερικών ακτίνων, ενώ η διπλάσια κεντρική απόσταση ''d''<sub>''s''</sub> ισούται με το το άθροισμά τους.]] |
||
[[ |
[[Αρχείο:Apollonius annulus2 no eqs black.svg|thumb|left|Σχήμα 8: Ένας κύκλος-λύση (ροζ) στην δεύτερη οικογένεια περικλείει τον εσωτερικό δοσμένο κύκλο (μαύρος). Η διπλάσια ακτίνα του κύκλου-λύση ''r''<sub>''s''</sub> ισούται με το άθροισμα{{nowrap|''r''<sub>''outer''</sub> + ''r''<sub>''inner''</sub>}} των ακτίνων του εσωτερικού και εξωτερικού κύκλου, ενώ η διπλάσια κεντρική απόστασή ''d''<sub>''s''</sub> ισούται με την διαφορά τους.]] |
||
Όταν δύο από τους δοσμένους κύκλους είναι ομόκεντροι, το απολλώνιο πρόβλημα μπορεί να λυθεί εύκολα χρησιμοποιώντας μία μέθοδο του [[Καρλ Φρίντριχ Γκάους|Γκάους]].<ref name="gauss_1810" /> Οι ακτίνες των τριών δεδομένων κύκλων είναι γνωστές, όπως και η απόσταση ''d''<sub>non</sub> από το κοινό κέντρο των ομόκεντρων στο κέντρο του μη ομόκεντρου κύκλου (Σχήμα 7). Ο κύκλος λύση μπορεί να καθοριστεί από την ακτίνα του, ''r''<sub>s</sub>, την γωνία θ, και τις αποστάσεις ''d''<sub>s</sub> και ''d''<sub>T</sub> από το κέντρο του στο κοινό κέντρο των ομόκεντρων και στο κέντρο του μη ομόκεντρου κύκλου αντίστοιχα. Η ακτίνα και η απόσταση ''d''<sub>s</sub> είναι γνωστά (Σχήμα 7) και η απόσταση ''d''<sub>T</sub> = ''r''<sub>s</sub> ± ''r''<sub>non</sub>, αναλόγως με το αν ο κύκλος λύση είναι εφαπτόμενος εσωτερικά ή εξωτερικά στον μη ομόκεντρο κύκλο. Έτσι από τον [[Νόμος συνημιτόνων|νόμο των συνημιτόνων]] |
Όταν δύο από τους δοσμένους κύκλους είναι ομόκεντροι, το απολλώνιο πρόβλημα μπορεί να λυθεί εύκολα χρησιμοποιώντας μία μέθοδο του [[Καρλ Φρίντριχ Γκάους|Γκάους]].<ref name="gauss_1810" /> Οι ακτίνες των τριών δεδομένων κύκλων είναι γνωστές, όπως και η απόσταση ''d''<sub>non</sub> από το κοινό κέντρο των ομόκεντρων στο κέντρο του μη ομόκεντρου κύκλου (Σχήμα 7). Ο κύκλος λύση μπορεί να καθοριστεί από την ακτίνα του, ''r''<sub>s</sub>, την γωνία θ, και τις αποστάσεις ''d''<sub>s</sub> και ''d''<sub>T</sub> από το κέντρο του στο κοινό κέντρο των ομόκεντρων και στο κέντρο του μη ομόκεντρου κύκλου αντίστοιχα. Η ακτίνα και η απόσταση ''d''<sub>s</sub> είναι γνωστά (Σχήμα 7) και η απόσταση ''d''<sub>T</sub> = ''r''<sub>s</sub> ± ''r''<sub>non</sub>, αναλόγως με το αν ο κύκλος λύση είναι εφαπτόμενος εσωτερικά ή εξωτερικά στον μη ομόκεντρο κύκλο. Έτσι από τον [[Νόμος συνημιτόνων|νόμο των συνημιτόνων]] |
||
| Γραμμή 190: | Γραμμή 190: | ||
Οποιοιδήποτε αρχικά ασύνδετοι κύκλοι μπορούν να μετασχηματιστούν σε ομόκεντρους ως εξής. ο [[ριζικός άξονας]] των δύο δοσμένων κύκλων και έπειτα επιλέγοντας αυθαίρετα δύο σημεία '''P''' και '''Q''' σε αυτόν μπορούν να κατασκευαστούν δύο κύκλοι με κέντρα αυτά τα σημεία και ώστε να τέμνουν τους δύο δοσμένους κύκλους κάθετα. Αυτοί οι δύο κατασκευασμένοι κύκλοι τέμνουν ο ένας τον άλλο σε δύο σημεία. Η αντιστροφή σε ένα από τα δύο αυτά σημεία τομής, '''F''', μετασχηματίζει τους κατασκευασμένους κύκλους σε ευθείες που διέρχονται από το '''F''' και τους δύο δεδομένους κύκλους σε ομόκεντρους, ενώ τον τρίτο σε κάποιο άλλο εν γένει κύκλο. Αυτό συμβαίνει επειδή το σύστημα των κύκλων είναι ισοδύναμε με ένα σύνολο [[Απολλώνιοι κύκλοι|απολλώνιων κύκλων]], που συνιστούν [[διπολικό σύστημα συντεταγμένων]]. |
Οποιοιδήποτε αρχικά ασύνδετοι κύκλοι μπορούν να μετασχηματιστούν σε ομόκεντρους ως εξής. ο [[ριζικός άξονας]] των δύο δοσμένων κύκλων και έπειτα επιλέγοντας αυθαίρετα δύο σημεία '''P''' και '''Q''' σε αυτόν μπορούν να κατασκευαστούν δύο κύκλοι με κέντρα αυτά τα σημεία και ώστε να τέμνουν τους δύο δοσμένους κύκλους κάθετα. Αυτοί οι δύο κατασκευασμένοι κύκλοι τέμνουν ο ένας τον άλλο σε δύο σημεία. Η αντιστροφή σε ένα από τα δύο αυτά σημεία τομής, '''F''', μετασχηματίζει τους κατασκευασμένους κύκλους σε ευθείες που διέρχονται από το '''F''' και τους δύο δεδομένους κύκλους σε ομόκεντρους, ενώ τον τρίτο σε κάποιο άλλο εν γένει κύκλο. Αυτό συμβαίνει επειδή το σύστημα των κύκλων είναι ισοδύναμε με ένα σύνολο [[Απολλώνιοι κύκλοι|απολλώνιων κύκλων]], που συνιστούν [[διπολικό σύστημα συντεταγμένων]]. |
||
====Αλλαγή μεγέθους και αντιστροφή==== |
==== Αλλαγή μεγέθους και αντιστροφή ==== |
||
Η χρησιμότητα της [[Γεωμετρία της αντιστροφής|αντιστροφής]] μπορεί να αυξηθεί σημαντικά με την αλλαγή μεγέθους.<ref name="johnson_1929"/><ref name="ogilvy_1969"/> Όπως σημειώθηκε στην [[#Η ανακατασκευή του Βιέτ|ανακατασκευή του Βιέτ]], οι τρεις δεδομένοι κύκλοι και ο κύκλος λύση μπορούν να αλλάξουν μέγεθος ενώ διατηρούν την επαφή τους. Έτσι το αρχικό απολλώνιο πρόβλημα μετασχηματίζεται σε ένα άλλο που ενδεχομένω είναι ευκολότερο να λυθεί. Για παράδειγμα, οι τέσσερις κύκλοι μπορούν αν αλλάξουν μέγεθος ώστε ο ένας δοσμένος κύκλος να ελαττωθεί σε σημείο, εναλλακτικά, συχνά δύο δοσμένοι κύκλοι μπορούν ματαβληθούν ώστε εφάπτονται μεταξύ τους. Και τρίτον, δύο δοσμένοι κύκλοι που τέμνονται μπορούν να ρυθμιστούν ώστε να μην τέμνονται, ώστε να μπορεί να εφαρμοστεί η [[#Αντιστροφή σε δακτύλιο|αντιστροφή σε δακτύλιο]]. Σε όλες αυτές τις περιπτώσει η λύση του απολλώνιο προβλήματος μπορεί να ανακτηθεί από το μετασχηματισμένο πρόβλημα με την άρση της αλλαγής μεγέθους και της αντιστροφής. |
Η χρησιμότητα της [[Γεωμετρία της αντιστροφής|αντιστροφής]] μπορεί να αυξηθεί σημαντικά με την αλλαγή μεγέθους.<ref name="johnson_1929"/><ref name="ogilvy_1969"/> Όπως σημειώθηκε στην [[#Η ανακατασκευή του Βιέτ|ανακατασκευή του Βιέτ]], οι τρεις δεδομένοι κύκλοι και ο κύκλος λύση μπορούν να αλλάξουν μέγεθος ενώ διατηρούν την επαφή τους. Έτσι το αρχικό απολλώνιο πρόβλημα μετασχηματίζεται σε ένα άλλο που ενδεχομένω είναι ευκολότερο να λυθεί. Για παράδειγμα, οι τέσσερις κύκλοι μπορούν αν αλλάξουν μέγεθος ώστε ο ένας δοσμένος κύκλος να ελαττωθεί σε σημείο, εναλλακτικά, συχνά δύο δοσμένοι κύκλοι μπορούν ματαβληθούν ώστε εφάπτονται μεταξύ τους. Και τρίτον, δύο δοσμένοι κύκλοι που τέμνονται μπορούν να ρυθμιστούν ώστε να μην τέμνονται, ώστε να μπορεί να εφαρμοστεί η [[#Αντιστροφή σε δακτύλιο|αντιστροφή σε δακτύλιο]]. Σε όλες αυτές τις περιπτώσει η λύση του απολλώνιο προβλήματος μπορεί να ανακτηθεί από το μετασχηματισμένο πρόβλημα με την άρση της αλλαγής μεγέθους και της αντιστροφής. |
||
=====Ελάττωση ενός δοσμένου κύκλου σε σημείο===== |
===== Ελάττωση ενός δοσμένου κύκλου σε σημείο ===== |
||
Στην πρώτη προσέγγιση, οι δοσμένοι κύκλοι μειώνονται ή μεγενθύνονται (αναλογικά με την επαφή) μέχρι κάποιος από αυτούς να ελαττωθεί σε σημείο ('''P''').<ref name="johnson_1929">{{cite book| author = Johnson RA| year = 1960| title = Advanced Euclidean Geometry: An Elementary treatise on the geometry of the Triangle and the Circle| edition = reprint of 1929 edition by Houghton Mifflin| publisher = Dover Publications| location = New York| pages = 117–121 (Apollonius' problem), 121–128 (Casey's and Hart's theorems)| isbn = 978-0486462370}}</ref> Σε αυτή την περίπτωση το απολλώνιο πρόβλημα εκφυλίζεται στην περίπτωση '''ΚΚΣ''', που είναι το πρόβλημα εύρεση ενός κύκλου που να εφάπτεται σε δύο κύκλους και να διέρχεται από το σημείο '''P'''. Η αντιστροφή σε κύκλο με κέντρο το '''P''' μετασχηματίζει τους δύο δοσμένους κύκλους σε δύο νέους και τον κύκλο-λύση σε ευθεία. Έτσι η μετασχηματισμένη λύση είναι μία ευθεία που εφάπτεται στους δύο μετασχηματισμένους δεδομένους κύκλους. Υπάρχουν τέσσερις τέτοιες ευθείες-λύσεις, που μπορούν να κατασκευαστούν από το εξωτερικό και το εσωτερικό [[ομοθετικό κέντρο]] των δύο κύκλοων. Η άρση της αναστροφής και της αλλαγής μεγέθους μετασχηματίζει αυτές τις λύσεις στον επιθυμητό κύκλο-λύση του αρχικού απολλώνιου προβλήματος. Όλες οι οκτώ γενικές λύσεις μπορούν να ανακτηθούν από την αλλαγή μεγέθους των κύκλων ανάλογα με τις εσωτερικές και εξωτερικές επαφές της κάθε λύσης, εντούτοις πρέπει να ελαττωθούν σε σημείο διαφορετικοί κύκλοι για διαφορετικές λύσεις. |
Στην πρώτη προσέγγιση, οι δοσμένοι κύκλοι μειώνονται ή μεγενθύνονται (αναλογικά με την επαφή) μέχρι κάποιος από αυτούς να ελαττωθεί σε σημείο ('''P''').<ref name="johnson_1929">{{cite book| author = Johnson RA| year = 1960| title = Advanced Euclidean Geometry: An Elementary treatise on the geometry of the Triangle and the Circle| edition = reprint of 1929 edition by Houghton Mifflin| publisher = Dover Publications| location = New York| pages = 117–121 (Apollonius' problem), 121–128 (Casey's and Hart's theorems)| isbn = 978-0486462370}}</ref> Σε αυτή την περίπτωση το απολλώνιο πρόβλημα εκφυλίζεται στην περίπτωση '''ΚΚΣ''', που είναι το πρόβλημα εύρεση ενός κύκλου που να εφάπτεται σε δύο κύκλους και να διέρχεται από το σημείο '''P'''. Η αντιστροφή σε κύκλο με κέντρο το '''P''' μετασχηματίζει τους δύο δοσμένους κύκλους σε δύο νέους και τον κύκλο-λύση σε ευθεία. Έτσι η μετασχηματισμένη λύση είναι μία ευθεία που εφάπτεται στους δύο μετασχηματισμένους δεδομένους κύκλους. Υπάρχουν τέσσερις τέτοιες ευθείες-λύσεις, που μπορούν να κατασκευαστούν από το εξωτερικό και το εσωτερικό [[ομοθετικό κέντρο]] των δύο κύκλοων. Η άρση της αναστροφής και της αλλαγής μεγέθους μετασχηματίζει αυτές τις λύσεις στον επιθυμητό κύκλο-λύση του αρχικού απολλώνιου προβλήματος. Όλες οι οκτώ γενικές λύσεις μπορούν να ανακτηθούν από την αλλαγή μεγέθους των κύκλων ανάλογα με τις εσωτερικές και εξωτερικές επαφές της κάθε λύσης, εντούτοις πρέπει να ελαττωθούν σε σημείο διαφορετικοί κύκλοι για διαφορετικές λύσεις. |
||
=====Αλλαγή μεγέθους ώστε δύο δοσμένοι κύκλοι να αλλοεφάπτονται===== |
===== Αλλαγή μεγέθους ώστε δύο δοσμένοι κύκλοι να αλλοεφάπτονται ===== |
||
Στην δεύτερη προσέγγιση, οι ακτίνες των δοσμένων κύκλων ρυθμίζονται αναλογικά με μία ποσότητα Δ''r'' έτσι ώστε δύο από αυτούς να εφάπτονται μεταξύ τους.<ref name="ogilvy_1969" >{{cite book| author = Ogilvy CS|year = 1990| title = Excursions in Geometry| publisher = Dover| isbn = 0-486-26530-7| pages = 48–51 (Apollonius' problem), 60 (extension to tangent spheres)}}</ref> Το σημείο επαφής επιλέγεται ως το κέντρο της αντιστροφής σε κύκλο ώστε να τέμνει τον καθένα από τους εφαπτόμενους κύκλους σε δύο σημεία. Με την αντιστροφή, οι εφαπτόμενοι κύκλοι μετασχηματίζονται σε παράλληλες ευθείες: το μοναδικό σημείο επαφής τους βρίσκεται στο άπειρο, έτσι δεν συναντώνται. Η ίδια αντιστροφή μετασχηματίζει τον τρίτο κύκλο σε άλλο κύκλο. Η λύση του αντεστραμμένου προβλήματος πρέπει να είναι είτε (1) μία ευθεία παράλληλη στις δύο δοσμένες παράλληλες και εφαπτόμενη στον τρίτο δεδομένο κύκλο, είτε (2) ένας κύκλος σταθερής ακτίνας που εφάπτεται στις δύο ευθείες και τον τρίτο κύκλο. Η άρση της αναστροφής και η ρύθμιση όλων των κύκλων κατά Δ''r'' παράγει τον κύκλο-λύση που εφάπτεται στους αρχικούς τρεις κύκλους. |
Στην δεύτερη προσέγγιση, οι ακτίνες των δοσμένων κύκλων ρυθμίζονται αναλογικά με μία ποσότητα Δ''r'' έτσι ώστε δύο από αυτούς να εφάπτονται μεταξύ τους.<ref name="ogilvy_1969" >{{cite book| author = Ogilvy CS|year = 1990| title = Excursions in Geometry| publisher = Dover| isbn = 0-486-26530-7| pages = 48–51 (Apollonius' problem), 60 (extension to tangent spheres)}}</ref> Το σημείο επαφής επιλέγεται ως το κέντρο της αντιστροφής σε κύκλο ώστε να τέμνει τον καθένα από τους εφαπτόμενους κύκλους σε δύο σημεία. Με την αντιστροφή, οι εφαπτόμενοι κύκλοι μετασχηματίζονται σε παράλληλες ευθείες: το μοναδικό σημείο επαφής τους βρίσκεται στο άπειρο, έτσι δεν συναντώνται. Η ίδια αντιστροφή μετασχηματίζει τον τρίτο κύκλο σε άλλο κύκλο. Η λύση του αντεστραμμένου προβλήματος πρέπει να είναι είτε (1) μία ευθεία παράλληλη στις δύο δοσμένες παράλληλες και εφαπτόμενη στον τρίτο δεδομένο κύκλο, είτε (2) ένας κύκλος σταθερής ακτίνας που εφάπτεται στις δύο ευθείες και τον τρίτο κύκλο. Η άρση της αναστροφής και η ρύθμιση όλων των κύκλων κατά Δ''r'' παράγει τον κύκλο-λύση που εφάπτεται στους αρχικούς τρεις κύκλους. |
||
===Η επίλυση του Ζεργκόν=== |
=== Η επίλυση του Ζεργκόν === |
||
[[ |
[[Αρχείο:Apollonius problem Gergonne tangent lines.svg|thumb|right|Σχήμα 9: Οι δύο εφαπτομένες στα δύο σημεία επαφής ενός δοσμένου κύκλου τέμνονται στον [[ριζικό άξονα]] ''R'' (κόκκινη ευθεία) των δύο κύκλων λύσεων (ροζ). Τα τρία σημεία τομής στο ''R'' είναι οι πόλοι των ευθειών που συνδέουν τα μπλε σημεία επαφής σε κάθε δεδομένο κύκλο (μάυροι).]] |
||
Η προσέγγιση του Ζεργκόν είναι να θεωρήσει τους κύκλους-λύσεις σε ζεύγη.<ref name="Dörrie 1965"/> Έστω ένα ζεύγος κύκλων λύσεων που σημειώνεται ως ''C''<sub>A</sub> και ''C''<sub>B</sub> (οι δύο ροζ κύκλοι στο Σχήμα 6) και έστω τα σημεία επαφής τους με τους δοσμένους κύκλους '''A'''<sub>1</sub>, '''A'''<sub>2</sub>, '''A'''<sub>3</sub>, και '''B'''<sub>1</sub>, '''B'''<sub>2</sub>, '''B'''<sub>3</sub>, αντίστοιχα. Η επίλυση του Ζεργκόν στοχεύει στον εντοπισμό αυτών των σημείων και έτσι στην λύση για αυτούς τους δύο κύκλους. Η ενόραση του Ζεργκόν ήταν ότι η ευθεία ''L''<sub>1</sub> μπορούσε να κατασκευαστεί έτσι ώστε τα '''A'''<sub>1</sub> και '''B'''<sub>1</sub> να βρίσκονται οπωσδήποτε πάνω της, αυτά τα σημεία μπορούν να αναγνωριστούν ως τα σημεία τομής της ''L''<sub>1</sub> με τον δοσμένο κύκλο ''C''<sub>1</sub> (Σχήμα 6). Τα υπόλοιπα τέσσερα σημεία επαφής μπορούν να εντοπιστούν με παρόμοιο τρόπο, βρίσκοντας τις ευθείες ''L''<sub>2</sub> and ''L''<sub>3</sub> που περιέχουν τα '''A'''<sub>2</sub> και '''B'''<sub>2</sub>, και '''A'''<sub>3</sub> και '''B'''<sub>3</sub> αντίστοιχα. Για την κατασκευή μιας ευθείας όπως η ''L''<sub>1</sub>, δύο σημεία πρέπει να αναγνωριστούν ότι βρίσκονται πάνω της, αλλά αυτά τα σημεία δεν είναι κατ' ανάγκη σημεία επαφής. Ο Ζεργκόν μπόρεσε να αναγνωρίσει δύο άλλα σημεία για κάθε μία από τις τρεις ευθείες. Ένα από τα δύο σημεία είχε ήδη αναγνωριστεί: το [[ριζικό κέντρο]] '''G''' κείται και στις τρεις ευθείες (Σχήμα 6). |
Η προσέγγιση του Ζεργκόν είναι να θεωρήσει τους κύκλους-λύσεις σε ζεύγη.<ref name="Dörrie 1965"/> Έστω ένα ζεύγος κύκλων λύσεων που σημειώνεται ως ''C''<sub>A</sub> και ''C''<sub>B</sub> (οι δύο ροζ κύκλοι στο Σχήμα 6) και έστω τα σημεία επαφής τους με τους δοσμένους κύκλους '''A'''<sub>1</sub>, '''A'''<sub>2</sub>, '''A'''<sub>3</sub>, και '''B'''<sub>1</sub>, '''B'''<sub>2</sub>, '''B'''<sub>3</sub>, αντίστοιχα. Η επίλυση του Ζεργκόν στοχεύει στον εντοπισμό αυτών των σημείων και έτσι στην λύση για αυτούς τους δύο κύκλους. Η ενόραση του Ζεργκόν ήταν ότι η ευθεία ''L''<sub>1</sub> μπορούσε να κατασκευαστεί έτσι ώστε τα '''A'''<sub>1</sub> και '''B'''<sub>1</sub> να βρίσκονται οπωσδήποτε πάνω της, αυτά τα σημεία μπορούν να αναγνωριστούν ως τα σημεία τομής της ''L''<sub>1</sub> με τον δοσμένο κύκλο ''C''<sub>1</sub> (Σχήμα 6). Τα υπόλοιπα τέσσερα σημεία επαφής μπορούν να εντοπιστούν με παρόμοιο τρόπο, βρίσκοντας τις ευθείες ''L''<sub>2</sub> and ''L''<sub>3</sub> που περιέχουν τα '''A'''<sub>2</sub> και '''B'''<sub>2</sub>, και '''A'''<sub>3</sub> και '''B'''<sub>3</sub> αντίστοιχα. Για την κατασκευή μιας ευθείας όπως η ''L''<sub>1</sub>, δύο σημεία πρέπει να αναγνωριστούν ότι βρίσκονται πάνω της, αλλά αυτά τα σημεία δεν είναι κατ' ανάγκη σημεία επαφής. Ο Ζεργκόν μπόρεσε να αναγνωρίσει δύο άλλα σημεία για κάθε μία από τις τρεις ευθείες. Ένα από τα δύο σημεία είχε ήδη αναγνωριστεί: το [[ριζικό κέντρο]] '''G''' κείται και στις τρεις ευθείες (Σχήμα 6). |
||
| Γραμμή 206: | Γραμμή 206: | ||
Για τον εντοπισμό ενός δεύτερου σημείου των ευθειών ''L''<sub>1</sub>, ''L''<sub>2</sub> και ''L''<sub>3</sub>, ο Ζεργκόν παρατήρησε ότι υπάρχει παλινδρομική σχέση μεταξύ αυτών των ευθειών και του ριζικού άξονα ''R'' των κύκλων λύσεων, ''C''<sub>A</sub> και ''C''<sub>B</sub>. Για να γίνει κατανοητή αυτή η σχέση, ας θεωρηθούν δύο εφαπτόμενες ευθείες στον κύκλο ''C''<sub>1</sub> στα σημεία επαφής '''A'''<sub>1</sub> και '''B'''<sub>1</sub> με τον κύκλο-λύση. Η τομή αυτών των εφαπτόμενων είναι ο [[πόλος (γεωμετρία)|πόλος]] της ''L''<sub>1</sub> στον ''C''<sub>1</sub>. Αφού οι αποστάσεις από τον πόλο στα σημεία επαφής '''A'''<sub>1</sub> και '''B'''<sub>1</sub> είναι ίσες, ο πόλος πρέπει επίσης να βρίσκεται στον ριζικό άξονα ''R'' των κύκλων-λύσεων, εξ ορισμού (Σχήμα 9). Η σχέση μεταξύ των των πόλων και των πολικών ευθειών είναι παλινδρομική, αν ο πόλος της ''L''<sub>1</sub> στον''C''<sub>1</sub> βρίσκεται στον ''R'', ο πόλος του ''R'' στον ''C''<sub>1</sub> βρίσκεται αντίστοιχα στην ''L''<sub>1</sub>. Έτσι αν μπορεί να κατασκευαστεί ο ''R'', μπορεί να βρεθεί ο πόλος του '''P'''<sub>1</sub> στον ''C''<sub>1</sub> και έτσι να βρεθεί το ζητούμενο δεύτερο σημείο της ''L''<sub>1</sub> (Σχήμα 10). |
Για τον εντοπισμό ενός δεύτερου σημείου των ευθειών ''L''<sub>1</sub>, ''L''<sub>2</sub> και ''L''<sub>3</sub>, ο Ζεργκόν παρατήρησε ότι υπάρχει παλινδρομική σχέση μεταξύ αυτών των ευθειών και του ριζικού άξονα ''R'' των κύκλων λύσεων, ''C''<sub>A</sub> και ''C''<sub>B</sub>. Για να γίνει κατανοητή αυτή η σχέση, ας θεωρηθούν δύο εφαπτόμενες ευθείες στον κύκλο ''C''<sub>1</sub> στα σημεία επαφής '''A'''<sub>1</sub> και '''B'''<sub>1</sub> με τον κύκλο-λύση. Η τομή αυτών των εφαπτόμενων είναι ο [[πόλος (γεωμετρία)|πόλος]] της ''L''<sub>1</sub> στον ''C''<sub>1</sub>. Αφού οι αποστάσεις από τον πόλο στα σημεία επαφής '''A'''<sub>1</sub> και '''B'''<sub>1</sub> είναι ίσες, ο πόλος πρέπει επίσης να βρίσκεται στον ριζικό άξονα ''R'' των κύκλων-λύσεων, εξ ορισμού (Σχήμα 9). Η σχέση μεταξύ των των πόλων και των πολικών ευθειών είναι παλινδρομική, αν ο πόλος της ''L''<sub>1</sub> στον''C''<sub>1</sub> βρίσκεται στον ''R'', ο πόλος του ''R'' στον ''C''<sub>1</sub> βρίσκεται αντίστοιχα στην ''L''<sub>1</sub>. Έτσι αν μπορεί να κατασκευαστεί ο ''R'', μπορεί να βρεθεί ο πόλος του '''P'''<sub>1</sub> στον ''C''<sub>1</sub> και έτσι να βρεθεί το ζητούμενο δεύτερο σημείο της ''L''<sub>1</sub> (Σχήμα 10). |
||
[[ |
[[Αρχείο:Apollonius problem Gergonne poles.svg|thumb|left|Figure 10: Οι πόλοι (κόκκινα σημεία) του ριζικού άξονα ''R'' στους τρεις δοσμένους κύκλους βρίσκονται στις πράσινες γραμμές που ενώνουν τα σημεία επαφής. Αυτές οι ευθείες μπορούν να κατασκευαστούν από τους πόλους και το [[ριζικό κέντρο]] (πορτοκαλί).]] |
||
Ο Ζεργκόν βρήκε τον ριζικός άξονας ''R'' των άγνωστων κύκλων λύσεων ως εξής. Κάθε ζεύγος κύκλων έχει δύο [[ομοθετικό κέντρο|ομοθετικά κέντρα]], αυτά τα δύο σημεία είναι οι δύο πιθανές τομές των δύο εφαπτόμενων ευθειών στους δύο κύκλους. Έτσι, οι τρεις δοσμένοι κύκλοι έχουν έξι ομοθετικά κέντρα, δύο για κάθε διακριτό ζεύγος κύκλων. Είναι αξιοσημείωτο ότι αυτά τα έξι σημεία βρίσκονται σε τέσσερεις ευθείες, τρία σημεία σε κάθε ευθεία, επιλέον καθε ευθεία αντιστοιχεί στον [[ριζικό άξονα]] ενός εν δυνάμει ζεύγους κύκλων-λύσεων. Για να το αποδείξει αυτό ο Ζεργκόν θεώρησε ευθείες που περνούν από τα αντίστοιχα σημεία επαφής των δοσμένων κύκλων, π.χ. η ευθεία που ορίζεται από το '''A'''<sub>1</sub>/'''A'''<sub>2</sub> και η ευθεία που ορίζεται από το '''B'''<sub>1</sub>/'''B'''<sub>2</sub>. Έστω '''X'''<sub>3</sub> το ομοθετικό κέντρο των δύο κύκλων ''C''<sub>1</sub> and ''C''<sub>2</sub>, τότε τα '''A'''<sub>1</sub>/'''A'''<sub>2</sub> και'''B'''<sub>1</sub>/'''B'''<sub>2</sub> είναι αντιομόλογα σημεία και οι ευθείες τους τέμνονται στο '''X'''<sub>3</sub>. Συνεπάγεται λοιπόν ότι τα γινόμενα των αποστάσεων είναι ίσα. |
Ο Ζεργκόν βρήκε τον ριζικός άξονας ''R'' των άγνωστων κύκλων λύσεων ως εξής. Κάθε ζεύγος κύκλων έχει δύο [[ομοθετικό κέντρο|ομοθετικά κέντρα]], αυτά τα δύο σημεία είναι οι δύο πιθανές τομές των δύο εφαπτόμενων ευθειών στους δύο κύκλους. Έτσι, οι τρεις δοσμένοι κύκλοι έχουν έξι ομοθετικά κέντρα, δύο για κάθε διακριτό ζεύγος κύκλων. Είναι αξιοσημείωτο ότι αυτά τα έξι σημεία βρίσκονται σε τέσσερεις ευθείες, τρία σημεία σε κάθε ευθεία, επιλέον καθε ευθεία αντιστοιχεί στον [[ριζικό άξονα]] ενός εν δυνάμει ζεύγους κύκλων-λύσεων. Για να το αποδείξει αυτό ο Ζεργκόν θεώρησε ευθείες που περνούν από τα αντίστοιχα σημεία επαφής των δοσμένων κύκλων, π.χ. η ευθεία που ορίζεται από το '''A'''<sub>1</sub>/'''A'''<sub>2</sub> και η ευθεία που ορίζεται από το '''B'''<sub>1</sub>/'''B'''<sub>2</sub>. Έστω '''X'''<sub>3</sub> το ομοθετικό κέντρο των δύο κύκλων ''C''<sub>1</sub> and ''C''<sub>2</sub>, τότε τα '''A'''<sub>1</sub>/'''A'''<sub>2</sub> και'''B'''<sub>1</sub>/'''B'''<sub>2</sub> είναι αντιομόλογα σημεία και οι ευθείες τους τέμνονται στο '''X'''<sub>3</sub>. Συνεπάγεται λοιπόν ότι τα γινόμενα των αποστάσεων είναι ίσα. |
||
| Γραμμή 218: | Γραμμή 218: | ||
Συνοψίζοντας, η επιθυμητή ευθεία ''L''<sub>1</sub> ορίζεται από δύο σημεία, το ριζικό κέντρο ''G'' των τριών δοσμένων κύκλων και του πόλου στο ''C''<sub>1</sub> μίας από τις τέσσερις ευθείες που ενώνουν τα ομοθετικά κέντρα. Βρίσκοντας τους ίδιους πόλους στα ''C''<sub>2</sub> και ''C''<sub>3</sub> βρίσκονται οι 'L''<sub>2</sub> και ''L''<sub>3</sub> αντίστοιχα. Συνεπώς και τα έξι σημεία μπορούν να εντοπιστούν, από τα οποία μπορεί να βρεθεί ένα ζεύγος λύσεων. Επαναλαμβάνοντας την ίδια διαδικασία για τις υπόλοιπες τρείς ευθείες ομοθετικών κέντρων βρίσκονται έξι ακόμα λύσεις, δηλαδή οκτώ συνολικά. Εντούτοις αν μία ευθεία ''L''<sub>''k''</sub> δεν τέμνει τον κύκλο της ''C''<sub>''k''</sub> για κάποιο ''k'' δεν υπάρχει ζεύγος λύσεων για αυτή την ευθεία ομοθετικών κέντρων. |
Συνοψίζοντας, η επιθυμητή ευθεία ''L''<sub>1</sub> ορίζεται από δύο σημεία, το ριζικό κέντρο ''G'' των τριών δοσμένων κύκλων και του πόλου στο ''C''<sub>1</sub> μίας από τις τέσσερις ευθείες που ενώνουν τα ομοθετικά κέντρα. Βρίσκοντας τους ίδιους πόλους στα ''C''<sub>2</sub> και ''C''<sub>3</sub> βρίσκονται οι 'L''<sub>2</sub> και ''L''<sub>3</sub> αντίστοιχα. Συνεπώς και τα έξι σημεία μπορούν να εντοπιστούν, από τα οποία μπορεί να βρεθεί ένα ζεύγος λύσεων. Επαναλαμβάνοντας την ίδια διαδικασία για τις υπόλοιπες τρείς ευθείες ομοθετικών κέντρων βρίσκονται έξι ακόμα λύσεις, δηλαδή οκτώ συνολικά. Εντούτοις αν μία ευθεία ''L''<sub>''k''</sub> δεν τέμνει τον κύκλο της ''C''<sub>''k''</sub> για κάποιο ''k'' δεν υπάρχει ζεύγος λύσεων για αυτή την ευθεία ομοθετικών κέντρων. |
||
==Ειδικές περιπτώσεις== |
== Ειδικές περιπτώσεις == |
||
===Δέκα συνδυασμοί σημείων, κύκλων και ευθειών=== |
=== Δέκα συνδυασμοί σημείων, κύκλων και ευθειών === |
||
Το απολλώνιο πρόβλημα συνίσταται στην κατασκευή ενός ή περισσοτέρων κύκλων που να εφάπτονται σε τρία δεδομένα αντικείμενα στο επίπεδο, τα οποία μπορεί να είναι κύκλοι, σημεία, ή ευθείες. Έτσι προκείπτουν δέκα τύποι του προβλήματος, ένας για κάθε συνδυασμό κύκλων, ευθειών και σημείων, ο καθένας από τους οποίους μπορεί να κωδικοποιηθεί με τρία γράμματα, είτε '''Κ''', '''Ε''', or '''Σ''' αναλόγως αν το στοιχείο είναι κύκλος, ευθεία ή σημείο αντίστοιχα.<ref name="special cases" /> Για παράδειγμα ο τύπος του απολλώνιου προβλήματος με ένα δεδομένο κύκλο, μία ευθεία και ένα σημείο σημειώνεται ως '''ΚΕΣ'''. |
Το απολλώνιο πρόβλημα συνίσταται στην κατασκευή ενός ή περισσοτέρων κύκλων που να εφάπτονται σε τρία δεδομένα αντικείμενα στο επίπεδο, τα οποία μπορεί να είναι κύκλοι, σημεία, ή ευθείες. Έτσι προκείπτουν δέκα τύποι του προβλήματος, ένας για κάθε συνδυασμό κύκλων, ευθειών και σημείων, ο καθένας από τους οποίους μπορεί να κωδικοποιηθεί με τρία γράμματα, είτε '''Κ''', '''Ε''', or '''Σ''' αναλόγως αν το στοιχείο είναι κύκλος, ευθεία ή σημείο αντίστοιχα.<ref name="special cases" /> Για παράδειγμα ο τύπος του απολλώνιου προβλήματος με ένα δεδομένο κύκλο, μία ευθεία και ένα σημείο σημειώνεται ως '''ΚΕΣ'''. |
||
Μερικές από αυτές τις ειδικές περιπτώσεις είναι πολύ ευκολότερο να επιλυθούν από την γενική περίπτωση των τριών κύκλων. Οι δύο απλούστερες περιπτώσεις είναι τα προβλήματα της κατασκευής ενός κύκλου που να περνάει από τρία σημεία ('''ΣΣΣ''') ή να εφάπτεται σε τρεις ευθείες ('''ΕΕΕ'''), τα οποία επιλύθηκαν αρχικά από τον [[Ευκλείδης|Ευκλείδη]] στα [[Στοιχεία]]. Για παράδειγμα το πρόβλημα '''ΣΣΣ''' μπορεί να λυθεί ως εξής. Το κέντρο του κύκλου-λύση ισαπέχει από τα τρία σημεία, και έτσι πρέπει να βρίσκεται στην [[Μεσοκάθετη ευθύγραμμου τμήματος|μεσοκάθετο]] κάθε δύο εξ αυτών. Έτσι το κέντρο είναι το σημείο τομής οποιονδήποτε δυο από τις μεσοκαθέτους δύο σημείων. Παρομοίως στην περίπτωση '''ΕΕΕ''' το κέντρο πρέπει να βρίσκεται στην [[Διχοτόμος γωνίας|διχοτόμο]] της γωνίας που σχηματίζεται από δύο από τις ευθείες και συνεπώς στο σημείο τομής δύο τέτοιων διχοτόμων. Εφόσον υπάρχουν δύο τέτοιες διχοτόμοι σε κάθε σημείο τομής των δεδομένων ευθειών υπάρχουν τέσσερις λύσεις στο γενικό πρόβλημα '''ΕΕΕ'''. |
Μερικές από αυτές τις ειδικές περιπτώσεις είναι πολύ ευκολότερο να επιλυθούν από την γενική περίπτωση των τριών κύκλων. Οι δύο απλούστερες περιπτώσεις είναι τα προβλήματα της κατασκευής ενός κύκλου που να περνάει από τρία σημεία ('''ΣΣΣ''') ή να εφάπτεται σε τρεις ευθείες ('''ΕΕΕ'''), τα οποία επιλύθηκαν αρχικά από τον [[Ευκλείδης|Ευκλείδη]] στα [[Στοιχεία]]. Για παράδειγμα το πρόβλημα '''ΣΣΣ''' μπορεί να λυθεί ως εξής. Το κέντρο του κύκλου-λύση ισαπέχει από τα τρία σημεία, και έτσι πρέπει να βρίσκεται στην [[Μεσοκάθετη ευθύγραμμου τμήματος|μεσοκάθετο]] κάθε δύο εξ αυτών. Έτσι το κέντρο είναι το σημείο τομής οποιονδήποτε δυο από τις μεσοκαθέτους δύο σημείων. Παρομοίως στην περίπτωση '''ΕΕΕ''' το κέντρο πρέπει να βρίσκεται στην [[Διχοτόμος γωνίας|διχοτόμο]] της γωνίας που σχηματίζεται από δύο από τις ευθείες και συνεπώς στο σημείο τομής δύο τέτοιων διχοτόμων. Εφόσον υπάρχουν δύο τέτοιες διχοτόμοι σε κάθε σημείο τομής των δεδομένων ευθειών υπάρχουν τέσσερις λύσεις στο γενικό πρόβλημα '''ΕΕΕ'''. |
||
Τα σημεία και οι ευθείες μπορούν να θεωρηθούν ως ειδικές περιπτώσεις κύκλων, ένα σημείο μπορεί να θεωρηθεί ως κύκλος με απείρως μικρή ακτίνα και μία ευθεία ως κύκλος με απείρως μεγάλη, του οποίου το κέντρο βρίσκεται στο άπειρο. Από αυτή την οπτική το απολλώνιο πρόβλημα συνίσταται στην κατασκευή κύκλων εφαπτόμενων σε τρεις δεδομένους κύκλους. Οι υπόλοιπες εννιά περιπτώσεις μπορούν να θεωρηθούν ειδικές περιπτώσεις του γενικού προβλήματος.<ref name="special cases">{{cite book| author = Altshiller-Court N| year = 1952| title = College Geometry: An Introduction to the Modern Geometry of the Triangle and the Circle| edition = 2nd edition, revised and enlarged| publisher = Barnes and Noble| location = New York| pages = 222–227| isbn = 978-0486458052}}<br>{{cite book| author = [[Robin Hartshorne|Hartshorne, Robin]]| year = 2000| title = Geometry: Euclid and Beyond| publisher = Springer Verlag| location = New York|isbn= 978-0387986500|pages= 346–355, 496, 499}}<br>{{cite book| author = Rouché, Eugène|coauthors= Ch de Comberousse|year = 1883| title = Traité de géométrie| edition = 5th edition, revised and augmented|publisher= Gauthier-Villars|location = Paris| pages = 252–256|oclc= 252013267}} {{fr icon}}</ref><ref name="bruen_1983"/> Αυτές οι ειδικές περιπτώσεις συχνά έχουν μικρότερο αριθμό λύσεων από το γενικό πρόβλημα. Για παράδειγμα κάθε αντικατάσταση ενός δεδομένου κύκλου με σημείο υποδιπλασιάζει των αριθμό των λύσεων καθώς ένα σημείο εφάπτεται ταυτόχρονα και εσωτερικά και εξωτερικά στην λύση. |
Τα σημεία και οι ευθείες μπορούν να θεωρηθούν ως ειδικές περιπτώσεις κύκλων, ένα σημείο μπορεί να θεωρηθεί ως κύκλος με απείρως μικρή ακτίνα και μία ευθεία ως κύκλος με απείρως μεγάλη, του οποίου το κέντρο βρίσκεται στο άπειρο. Από αυτή την οπτική το απολλώνιο πρόβλημα συνίσταται στην κατασκευή κύκλων εφαπτόμενων σε τρεις δεδομένους κύκλους. Οι υπόλοιπες εννιά περιπτώσεις μπορούν να θεωρηθούν ειδικές περιπτώσεις του γενικού προβλήματος.<ref name="special cases">{{cite book| author = Altshiller-Court N| year = 1952| title = College Geometry: An Introduction to the Modern Geometry of the Triangle and the Circle| edition = 2nd edition, revised and enlarged| publisher = Barnes and Noble| location = New York| pages = 222–227| isbn = 978-0486458052}}<br />{{cite book| author = [[Robin Hartshorne|Hartshorne, Robin]]| year = 2000| title = Geometry: Euclid and Beyond| publisher = Springer Verlag| location = New York|isbn= 978-0387986500|pages= 346–355, 496, 499}}<br />{{cite book| author = Rouché, Eugène|coauthors= Ch de Comberousse|year = 1883| title = Traité de géométrie| edition = 5th edition, revised and augmented|publisher= Gauthier-Villars|location = Paris| pages = 252–256|oclc= 252013267}} {{fr icon}}</ref><ref name="bruen_1983"/> Αυτές οι ειδικές περιπτώσεις συχνά έχουν μικρότερο αριθμό λύσεων από το γενικό πρόβλημα. Για παράδειγμα κάθε αντικατάσταση ενός δεδομένου κύκλου με σημείο υποδιπλασιάζει των αριθμό των λύσεων καθώς ένα σημείο εφάπτεται ταυτόχρονα και εσωτερικά και εξωτερικά στην λύση. |
||
{| class="wikitable sortable" style="margin-left:auto; margin-right:auto; text-align:center" id="Apollonius_problem_types" |
{| class="wikitable sortable" style="margin-left:auto; margin-right:auto; text-align:center" id="Apollonius_problem_types" |
||
|+ Πίνακας 1: Δέκα Τύποι του απολλώνιου προβλήματος |
|+ Πίνακας 1: Δέκα Τύποι του απολλώνιου προβλήματος |
||
! α/α!!Κωδικός!!Δεδομένα στοιχεία!!Αριθμός λύσεων<br>(εν γένει)!!Παράδειγμα<br>(λύση με ροζ, δεδομένα με μαύρο) |
! α/α!!Κωδικός!!Δεδομένα στοιχεία!!Αριθμός λύσεων<br />(εν γένει)!!Παράδειγμα<br />(λύση με ροζ, δεδομένα με μαύρο) |
||
|- |
|- |
||
| 1||'''ΣΣΣ'''||τρία σημεία||1||[[ |
| 1||'''ΣΣΣ'''||τρία σημεία||1||[[Αρχείο:Apollonius PPP black.svg|100px]] |
||
|- |
|- |
||
| 2||'''ΕΣΣ'''||μία ευθεία και δύο σημεία||2||[[ |
| 2||'''ΕΣΣ'''||μία ευθεία και δύο σημεία||2||[[Αρχείο:Apollonius LPP black.svg|100px]] |
||
|- |
|- |
||
| 3||'''ΕΕΣ'''||δύο ευθείες και ένα σημείο||2||[[ |
| 3||'''ΕΕΣ'''||δύο ευθείες και ένα σημείο||2||[[Αρχείο:Apollonius LLP black.svg|100px]] |
||
|- |
|- |
||
| 4||'''ΚΣΣ'''||ένας κύκλος και δύο σημεία||2||[[ |
| 4||'''ΚΣΣ'''||ένας κύκλος και δύο σημεία||2||[[Αρχείο:Apollonius CPP black.svg|100px]] |
||
|- |
|- |
||
| 5||'''ΕΕΕ'''||τρεις ευθείες||4||[[ |
| 5||'''ΕΕΕ'''||τρεις ευθείες||4||[[Αρχείο:Apollonius LLL black.svg|100px]] |
||
|- |
|- |
||
| 6||'''ΚΕΣ'''||ένας κύκλος, μία ευθεία και ένα σημείο||4||[[ |
| 6||'''ΚΕΣ'''||ένας κύκλος, μία ευθεία και ένα σημείο||4||[[Αρχείο:Apollonius CLP black.svg|100px]] |
||
|- |
|- |
||
| 7||'''ΚΚΣ'''||δύο κύκλοι και ένα σημείο||4||[[ |
| 7||'''ΚΚΣ'''||δύο κύκλοι και ένα σημείο||4||[[Αρχείο:Apollonius CCP black.svg|100px]] |
||
|- |
|- |
||
| 8||'''ΚΕΕ'''||ένας κύκλος και δύο ευθείες||8||[[ |
| 8||'''ΚΕΕ'''||ένας κύκλος και δύο ευθείες||8||[[Αρχείο:Apollonius CLL black.svg|100px]] |
||
|- |
|- |
||
| 9||'''ΚΚΕ'''||δύο κύκλοι και μία ευθεία||8||[[ |
| 9||'''ΚΚΕ'''||δύο κύκλοι και μία ευθεία||8||[[Αρχείο:Apollonius CCL black.svg|100px]] |
||
|- |
|- |
||
| 10||'''ΚΚΚ'''||τρεις κύκλοι (το κλασικό πρόβλημα)||8||[[ |
| 10||'''ΚΚΚ'''||τρεις κύκλοι (το κλασικό πρόβλημα)||8||[[Αρχείο:Apollonius CCC black.svg|100px]] |
||
|} |
|} |
||
</center> |
</center> |
||
===Αριθμός λύσεων=== |
=== Αριθμός λύσεων === |
||
[[ |
[[Αρχείο:Apollonius no solutions black.svg|thumb|right|Σχήμα 11: Μία εκδοχή του απολλώνιου προβλήματος χωρίς λύση. Ένας κύκλος λύση (ροζ) πρέπει να τέμνει τον μαύρο διαγραμμισμένο δοσμένο κύκλο για να εφάπτεται και στους δύο άλλους δοσμένους κύκλους (επίσης μαύροι).]] |
||
Το πρόβλημα της απαρίθμησης του αριθμού των λύσεων διαφορετικών τύπων του απολλώνιου προβλήματος ανήκει στο πεδίο της [[απαριθμητική γεωμετρία|απαριθμητικής γεωμετρίας]].<ref name="bruen 1983"/><ref name="dreschler sterz">{{cite journal|journal=Acta Mathematica Universitatis Comenianae|volume=68|issue=1|year=1999|pages=37–47|title=Apollonius' contact problem in ''n''-space in view of enumerative geometry|author = Dreschler K, Sterz U|url=http://www.emis.de/journals/AMUC/_vol-68/_no_1/_drechsl/drechsle.html}}</ref> Ο γενικός αριθμός λύσεων για κάθε ένα από τους δέκα τύπους του απολλώνιου προβλήματος δίνεται στον Πίνακα 1. Εντούτοις, ειδικές διατάξεις των δοσμένων στοιχείων μπορεί να αλλάξουν τον αριθμό των λύσεων. Για παράδειγμα το απολλώνιο πρόβλημα δεν έχει λύση αν ένας από τους κύκλους χωρίζει τους άλλους δύο (Σχήμα 11), για να εφάπτεται και στους δύο μη διαγραμμισμένους κύκλους, ο κύκλος λύση θα πρέπει να τέμνει τον διαγραμμισμένο. Αντίστροφα αν όλοι οι δοσμένοι κύκλοι εφάπτονται στο ίδιο σημείο τότε ''οποιοσδήποτε'' κύκλος εφάπτεται σε αυτό το σημείο είναι λύση του προβλήματος, τέτοιες περιπτώσεις του απολλώνιου προβλήματος έχουν άπειρες λύσεις. Αν οσοιδήποτε από τους δοσμένους κύκλους ταυτίζονται υπάρχουν αντίστοιχα άπειρες λύσεις. Αν μόνο δύο από τους δοσμένους κύκλους ταυτίζονται τότε υπάρχουν δύο διακριτοί δοσμένοι κύκλοι και τα κέντρα των κύκλων λύσεων σχηματίζουν μία [[υπερβολή (γεωμετρία)|υπερβολή]], όπως χρησιμοποιήθηκε στην [[#Διατεμνόμενες υπερβολές|μία λύση]] του απολλώνιου προβλήματος. |
Το πρόβλημα της απαρίθμησης του αριθμού των λύσεων διαφορετικών τύπων του απολλώνιου προβλήματος ανήκει στο πεδίο της [[απαριθμητική γεωμετρία|απαριθμητικής γεωμετρίας]].<ref name="bruen 1983"/><ref name="dreschler sterz">{{cite journal|journal=Acta Mathematica Universitatis Comenianae|volume=68|issue=1|year=1999|pages=37–47|title=Apollonius' contact problem in ''n''-space in view of enumerative geometry|author = Dreschler K, Sterz U|url=http://www.emis.de/journals/AMUC/_vol-68/_no_1/_drechsl/drechsle.html}}</ref> Ο γενικός αριθμός λύσεων για κάθε ένα από τους δέκα τύπους του απολλώνιου προβλήματος δίνεται στον Πίνακα 1. Εντούτοις, ειδικές διατάξεις των δοσμένων στοιχείων μπορεί να αλλάξουν τον αριθμό των λύσεων. Για παράδειγμα το απολλώνιο πρόβλημα δεν έχει λύση αν ένας από τους κύκλους χωρίζει τους άλλους δύο (Σχήμα 11), για να εφάπτεται και στους δύο μη διαγραμμισμένους κύκλους, ο κύκλος λύση θα πρέπει να τέμνει τον διαγραμμισμένο. Αντίστροφα αν όλοι οι δοσμένοι κύκλοι εφάπτονται στο ίδιο σημείο τότε ''οποιοσδήποτε'' κύκλος εφάπτεται σε αυτό το σημείο είναι λύση του προβλήματος, τέτοιες περιπτώσεις του απολλώνιου προβλήματος έχουν άπειρες λύσεις. Αν οσοιδήποτε από τους δοσμένους κύκλους ταυτίζονται υπάρχουν αντίστοιχα άπειρες λύσεις. Αν μόνο δύο από τους δοσμένους κύκλους ταυτίζονται τότε υπάρχουν δύο διακριτοί δοσμένοι κύκλοι και τα κέντρα των κύκλων λύσεων σχηματίζουν μία [[υπερβολή (γεωμετρία)|υπερβολή]], όπως χρησιμοποιήθηκε στην [[#Διατεμνόμενες υπερβολές|μία λύση]] του απολλώνιου προβλήματος. |
||
| Γραμμή 259: | Γραμμή 259: | ||
Πρώτη φορά έγινε εξαντλητική καταμέτρηση των λύσεων για όλες τις πιθανές διατάξεις των τριών κύκλων, σημείων και ευθειών από των Muirhead το 1896,<ref name="muirhead_1896" >{{cite journal| author = Muirhead RF| year = 1896| title = On the Number and nature of the Solutions of the Apollonian Contact Problem| journal = Proceedings of the Edinburgh Mathematical Society| volume = 14| pages = 135–147, attached figures 44–114| doi = 10.1017/S0013091500031898}}</ref> ενώδουλειά προς την κατεύθυνση αυτή είχε γίνει από τον Στρόλ (''Stroll'')<ref name="stoll_1876">{{cite journal| author = Stoll V| year = 1876| title = Zum Problem des Apollonius| journal = Mathematische Annalen| volume = 6| pages = 613–632| doi = 10.1007/BF01443201}} {{de}}</ref> και τον ''Study''.<ref name="study_1897">{{cite journal| author = Study E| year = 1897| title = Das Apollonische Problem| journal = Mathematische Annalen| volume = 49| pages = 497–542| doi = 10.1007/BF01444366}} {{de}}</ref> Εντούτοις, το έργο του Muirhead ήταν ατελές, επεκτάθηκε το 1974<ref name="fitzgerald_1974">{{cite journal| author = Fitz-Gerald JM| year = 1974| title = A Note on a Problem of Apollonius| journal = Journal of Geometry| volume = 5| pages = 15–26| doi = 10.1007/BF01954533}}</ref> και η οριστική καταμέτρηση, 33 διακριτών περιπτώσεων δημοσιεύτηκε το 1983.<ref name="bruen_1983">{{cite journal| author = Bruen A, Fisher JC, Wilker JB| year = 1983| title = Apollonius by Inversion| journal = Mathematics Magazine| volume = 56| pages = 97–103}}</ref> Παρόλο που οι λύσεις του απολλώνιου προβλήματος εν γένει εμφανίζονται ανά ζεύγη που σχετίζονται δι' [[#Ζεύγη λύσεων με αντιστροφή|αντιστροφής]] σε μερικές περιπτώσεις είναι δυνατόν να υπάρχει περιττός αριθμός λύσεων. Π.χ. υπάρχει μοναδική λύση στην περίπτωση '''ΣΣΣ''' ή όταν ένας ή τρεις δοσμένοι κύκλοι είναι οι ίδιοι λύσεις. (Ένα τέτοιο παράδειγμα δίνεται παρακάτω [[#Αμοιβαίως εφαπτόμενοι κύκλοι: Κύκλοι Soddy και το Θεώρημα του Καρτέσιου|στην ενότητα]] για το [[θεώρημα του Καρτέσιου]].) Παρόλα αυτά δεν υπάρχει απολλώνιο πρόβλημα με επτά λύσεις.<ref name="stoll_1876" /><ref name="pedoe_1970" /> Έχουν αναπτυχθεί εναλλακτικές λύσεις βασισμένες [[Σφαιρική γεωμετρία Lie|γεωμετρία των κύκλων και των σφαιρών]] και έχουν χρησιμοποιηθεί για περισσότερες διαστάσεις.<ref name="zlobec_2001" /><ref name="knight_2005">{{cite journal| author = Knight RD| year = 2005| title = The Apollonius contact problem and Lie contact geometry| journal = Journal of Geometry| volume = 83| pages = 137–152| doi = 10.1007/s00022-005-0009-x}}</ref> |
Πρώτη φορά έγινε εξαντλητική καταμέτρηση των λύσεων για όλες τις πιθανές διατάξεις των τριών κύκλων, σημείων και ευθειών από των Muirhead το 1896,<ref name="muirhead_1896" >{{cite journal| author = Muirhead RF| year = 1896| title = On the Number and nature of the Solutions of the Apollonian Contact Problem| journal = Proceedings of the Edinburgh Mathematical Society| volume = 14| pages = 135–147, attached figures 44–114| doi = 10.1017/S0013091500031898}}</ref> ενώδουλειά προς την κατεύθυνση αυτή είχε γίνει από τον Στρόλ (''Stroll'')<ref name="stoll_1876">{{cite journal| author = Stoll V| year = 1876| title = Zum Problem des Apollonius| journal = Mathematische Annalen| volume = 6| pages = 613–632| doi = 10.1007/BF01443201}} {{de}}</ref> και τον ''Study''.<ref name="study_1897">{{cite journal| author = Study E| year = 1897| title = Das Apollonische Problem| journal = Mathematische Annalen| volume = 49| pages = 497–542| doi = 10.1007/BF01444366}} {{de}}</ref> Εντούτοις, το έργο του Muirhead ήταν ατελές, επεκτάθηκε το 1974<ref name="fitzgerald_1974">{{cite journal| author = Fitz-Gerald JM| year = 1974| title = A Note on a Problem of Apollonius| journal = Journal of Geometry| volume = 5| pages = 15–26| doi = 10.1007/BF01954533}}</ref> και η οριστική καταμέτρηση, 33 διακριτών περιπτώσεων δημοσιεύτηκε το 1983.<ref name="bruen_1983">{{cite journal| author = Bruen A, Fisher JC, Wilker JB| year = 1983| title = Apollonius by Inversion| journal = Mathematics Magazine| volume = 56| pages = 97–103}}</ref> Παρόλο που οι λύσεις του απολλώνιου προβλήματος εν γένει εμφανίζονται ανά ζεύγη που σχετίζονται δι' [[#Ζεύγη λύσεων με αντιστροφή|αντιστροφής]] σε μερικές περιπτώσεις είναι δυνατόν να υπάρχει περιττός αριθμός λύσεων. Π.χ. υπάρχει μοναδική λύση στην περίπτωση '''ΣΣΣ''' ή όταν ένας ή τρεις δοσμένοι κύκλοι είναι οι ίδιοι λύσεις. (Ένα τέτοιο παράδειγμα δίνεται παρακάτω [[#Αμοιβαίως εφαπτόμενοι κύκλοι: Κύκλοι Soddy και το Θεώρημα του Καρτέσιου|στην ενότητα]] για το [[θεώρημα του Καρτέσιου]].) Παρόλα αυτά δεν υπάρχει απολλώνιο πρόβλημα με επτά λύσεις.<ref name="stoll_1876" /><ref name="pedoe_1970" /> Έχουν αναπτυχθεί εναλλακτικές λύσεις βασισμένες [[Σφαιρική γεωμετρία Lie|γεωμετρία των κύκλων και των σφαιρών]] και έχουν χρησιμοποιηθεί για περισσότερες διαστάσεις.<ref name="zlobec_2001" /><ref name="knight_2005">{{cite journal| author = Knight RD| year = 2005| title = The Apollonius contact problem and Lie contact geometry| journal = Journal of Geometry| volume = 83| pages = 137–152| doi = 10.1007/s00022-005-0009-x}}</ref> |
||
===Αμοιβαίως εφαπτόμενοι κύκλοι: Κύκλοι Soddy και το Θεώρημα του Καρτέσιου=== |
=== Αμοιβαίως εφαπτόμενοι κύκλοι: Κύκλοι Soddy και το Θεώρημα του Καρτέσιου === |
||
Αν οι τρεις δοσμένοι κύκλοι είναι αμοιβαίως εφαπτόμενοι, το απολλώνιο πρόβλημα έχει πέντε λύσεις. Τρεις λύσεις είναι οι ίδιοι οι τρεις δοσμένοι κύκλοι, καθώς ο καθένας εφάπτεται στον εαυτό του και στους άλλους δύο. Οι υπόλοιπες δύο λύσεις (που φαίνονται με κόκκινο στο σχήμα 12) που αντιστοιχούν στον [[Εγγεγραμμένος και παρεγγεγραμένοι κύκλοι τριγώνου|εγγεγραμμένο]] και τον [[περιγεγραμμένος κύκλος|περιγεγραμμένο]] κύκλο ονομάζονται και ''Κύκλοι του Soddy''.<ref>{{cite journal| author = [[David Eppstein|Eppstein D]]| year = 2001| title = Tangent Spheres and Triangle Centers| journal = The American Mathematical Monthly| volume = 108| pages = 63–66| doi = 10.2307/2695679| issn = 00029890| month = Jan| day = 01| issue = 1}}</ref> Αυτή η ειδική περίπτωση του προβλήματος είναι γνωστή και ως ''πρόβλημα των τεσσάρων νομισμάτων''.<ref>{{cite journal| author = Oldknow A| year = 1996| title = The Euler-Gergonne-Soddy Triangle of a Triangle| journal = The American Mathematical Monthly| volume = 103| pages = 319–329| doi = 10.2307/2975188| issn = 00029890| month = Apr| day = 01| issue = 4}}<br> |
Αν οι τρεις δοσμένοι κύκλοι είναι αμοιβαίως εφαπτόμενοι, το απολλώνιο πρόβλημα έχει πέντε λύσεις. Τρεις λύσεις είναι οι ίδιοι οι τρεις δοσμένοι κύκλοι, καθώς ο καθένας εφάπτεται στον εαυτό του και στους άλλους δύο. Οι υπόλοιπες δύο λύσεις (που φαίνονται με κόκκινο στο σχήμα 12) που αντιστοιχούν στον [[Εγγεγραμμένος και παρεγγεγραμένοι κύκλοι τριγώνου|εγγεγραμμένο]] και τον [[περιγεγραμμένος κύκλος|περιγεγραμμένο]] κύκλο ονομάζονται και ''Κύκλοι του Soddy''.<ref>{{cite journal| author = [[David Eppstein|Eppstein D]]| year = 2001| title = Tangent Spheres and Triangle Centers| journal = The American Mathematical Monthly| volume = 108| pages = 63–66| doi = 10.2307/2695679| issn = 00029890| month = Jan| day = 01| issue = 1}}</ref> Αυτή η ειδική περίπτωση του προβλήματος είναι γνωστή και ως ''πρόβλημα των τεσσάρων νομισμάτων''.<ref>{{cite journal| author = Oldknow A| year = 1996| title = The Euler-Gergonne-Soddy Triangle of a Triangle| journal = The American Mathematical Monthly| volume = 103| pages = 319–329| doi = 10.2307/2975188| issn = 00029890| month = Apr| day = 01| issue = 4}}<br /> |
||
{{cite web|authorlink= Eric W. Weisstein|author= Weisstein, EW| title = Four Coins Problem| url = http://mathworld.wolfram.com/FourCoinsProblem.html| publisher = [[MathWorld]]| accessdate = 2008-10-06}}</ref> Οι τρεις δοσμένοι κύκλοι αυτού του προβλήματος σχηματίζουν μία [[Αλυσίδα Steiner]] που εφάπτεται στους δύο κύκλους Soddy. |
{{cite web|authorlink= Eric W. Weisstein|author= Weisstein, EW| title = Four Coins Problem| url = http://mathworld.wolfram.com/FourCoinsProblem.html| publisher = [[MathWorld]]| accessdate = 2008-10-06}}</ref> Οι τρεις δοσμένοι κύκλοι αυτού του προβλήματος σχηματίζουν μία [[Αλυσίδα Steiner]] που εφάπτεται στους δύο κύκλους Soddy. |
||
[[ |
[[Αρχείο:DescartesCircles.svg|thumb|left|Σχήμα 12: Οι δύο λύσεις (κόκκινο) στο απολλώνιο πρόβλημα με αμοιβαίως εφαπτόμενους δοσμένους κύκλους (μαύρο), με σημειωμένες τις καμπυλότητές τους.]] |
||
Οποιοσδήποτε από τους κύκλους Soddy αν παρθεί μαζί με τους τρεις δοσμένους κύκλους παράγει ένα σύνολο κύκλων που είναι όλοι αμοιβαίως εφαπτόμενοι σε έξι σημεία. Οι ακτίνες αυτών των κύκλων σχετίζονται με μία εξίσωση που είναι γνωστή ως [[Θεώρημα του Καρτέσιου]]. Το 1643 σε ένα γράμμα του στην πριγκίπισσα [[Ελισάβετ της Βοημίας]]<ref>[[René Descartes|Descartes R]], ''Œuvres de Descartes, Correspondance IV'', (C. Adam and P. Tannery, Eds.), Paris: Leopold Cert 1901. {{fr}}</ref> ο [[Ρενέ Ντεκάρτ|Καρτέσιος]] έδειξε ότι: |
Οποιοσδήποτε από τους κύκλους Soddy αν παρθεί μαζί με τους τρεις δοσμένους κύκλους παράγει ένα σύνολο κύκλων που είναι όλοι αμοιβαίως εφαπτόμενοι σε έξι σημεία. Οι ακτίνες αυτών των κύκλων σχετίζονται με μία εξίσωση που είναι γνωστή ως [[Θεώρημα του Καρτέσιου]]. Το 1643 σε ένα γράμμα του στην πριγκίπισσα [[Ελισάβετ της Βοημίας]]<ref>[[René Descartes|Descartes R]], ''Œuvres de Descartes, Correspondance IV'', (C. Adam and P. Tannery, Eds.), Paris: Leopold Cert 1901. {{fr}}</ref> ο [[Ρενέ Ντεκάρτ|Καρτέσιος]] έδειξε ότι: |
||
| Γραμμή 273: | Γραμμή 273: | ||
όπου ''k''<sub>''s''</sub> = 1/''r''<sub>''s''</sub> και ''r''<sub>''s''</sub> είναι η [[καμπυλότητα]] και η ακτίνα του κύκλου-λύση αντίστοιχα και παρομοίως οι καμπυλότητες ''k''<sub>1</sub>, ''k''<sub>2</sub> and ''k''<sub>3</sub> και οι ακτίνες ''r''<sub>1</sub>, ''r''<sub>2</sub> and ''r''<sub>3</sub> των τριών δοσμένων κύκλων. Για κάθε σύνολο τεσσάρων αμοιβαίως εφαπτόμενων κύκλων υπάρχει ένα δεύτερο σύνολο τεσσάρων αμοιβαίως εφαπτόμενων κύκλων που εφάπτονται στα ίδια έξι σημεία. <ref name="coxeter_1968" /><ref name="beecroft_1842" /> |
όπου ''k''<sub>''s''</sub> = 1/''r''<sub>''s''</sub> και ''r''<sub>''s''</sub> είναι η [[καμπυλότητα]] και η ακτίνα του κύκλου-λύση αντίστοιχα και παρομοίως οι καμπυλότητες ''k''<sub>1</sub>, ''k''<sub>2</sub> and ''k''<sub>3</sub> και οι ακτίνες ''r''<sub>1</sub>, ''r''<sub>2</sub> and ''r''<sub>3</sub> των τριών δοσμένων κύκλων. Για κάθε σύνολο τεσσάρων αμοιβαίως εφαπτόμενων κύκλων υπάρχει ένα δεύτερο σύνολο τεσσάρων αμοιβαίως εφαπτόμενων κύκλων που εφάπτονται στα ίδια έξι σημεία. <ref name="coxeter_1968" /><ref name="beecroft_1842" /> |
||
Το θεώρημα του Καρτέσιου ανακαλύφθηκε ανεξάρτητα το 1826 από τον [[Jakob Steiner]],<ref name="steiner_1826" >{{cite journal| author = [[Jakob Steiner|Steiner J]]| year = 1826| title = Einige geometrische Betrachtungen| journal = Journal für die reine und angewandte Mathematik| volume = 1| pages = 161–184, 252–288| url=http://www.digizeitschriften.de/no_cache/home/jkdigitools/loader/?tx_jkDigiTools_pi1%5BIDDOC%5D=512237}}</ref> το 1842 από τον ''Philip Beecroft'',<ref name="coxeter_1968" /><ref name="beecroft_1842" >{{cite journal| author = Beecroft H| year = 1842| title = Properties of Circles in Mutual Contact| journal = Lady’s and Gentleman’s Diary| volume = 139| pages = 91–96}}<br>{{cite journal| author = Beecroft H| year = 1846| title = Unknown title| journal = Lady’s and Gentleman’s Diary| pages = 51}} ([http://www.pballew.net/soddy.html MathWords online article])</ref> και ξανά το 1936 από τον ''[[Frederick Soddy]]''.<ref name="soddy_1936" >{{cite journal| author = [[Frederick Soddy|Soddy F]]| date = 20 June 1936| title = The Kiss Precise| journal = [[Nature (journal)|Nature]]| volume = 137| pages = 1021| doi = 10.1038/1371021a0}}</ref> Ο Soddy εξέδωσε τα πορίσματά του στο επιστημονικό περιοδικό ''[[Nature]]'' ως ποίημα, ''The Kiss Precise'' (''Το ακριβές φιλί''). Η πρώτη στροφή περιγράφει τους κύκλους του Soddy ενώ η δεύτερη το θεώρημα του Καρτέσιου. Στο ποίημα δύο κύκλοι αναφέρεται ότι «''φιλιούνται''» (''kiss'') όταν εφάπτονται ενώ ο όρος «''bend''» αναφέρεται στην καμπυλότητα ''k'' του κύκλου. |
Το θεώρημα του Καρτέσιου ανακαλύφθηκε ανεξάρτητα το 1826 από τον [[Jakob Steiner]],<ref name="steiner_1826" >{{cite journal| author = [[Jakob Steiner|Steiner J]]| year = 1826| title = Einige geometrische Betrachtungen| journal = Journal für die reine und angewandte Mathematik| volume = 1| pages = 161–184, 252–288| url=http://www.digizeitschriften.de/no_cache/home/jkdigitools/loader/?tx_jkDigiTools_pi1%5BIDDOC%5D=512237}}</ref> το 1842 από τον ''Philip Beecroft'',<ref name="coxeter_1968" /><ref name="beecroft_1842" >{{cite journal| author = Beecroft H| year = 1842| title = Properties of Circles in Mutual Contact| journal = Lady’s and Gentleman’s Diary| volume = 139| pages = 91–96}}<br />{{cite journal| author = Beecroft H| year = 1846| title = Unknown title| journal = Lady’s and Gentleman’s Diary| pages = 51}} ([http://www.pballew.net/soddy.html MathWords online article])</ref> και ξανά το 1936 από τον ''[[Frederick Soddy]]''.<ref name="soddy_1936" >{{cite journal| author = [[Frederick Soddy|Soddy F]]| date = 20 June 1936| title = The Kiss Precise| journal = [[Nature (journal)|Nature]]| volume = 137| pages = 1021| doi = 10.1038/1371021a0}}</ref> Ο Soddy εξέδωσε τα πορίσματά του στο επιστημονικό περιοδικό ''[[Nature]]'' ως ποίημα, ''The Kiss Precise'' (''Το ακριβές φιλί''). Η πρώτη στροφή περιγράφει τους κύκλους του Soddy ενώ η δεύτερη το θεώρημα του Καρτέσιου. Στο ποίημα δύο κύκλοι αναφέρεται ότι «''φιλιούνται''» (''kiss'') όταν εφάπτονται ενώ ο όρος «''bend''» αναφέρεται στην καμπυλότητα ''k'' του κύκλου. |
||
Διάφορες επεκτάσεις στο θεώρημα του Καρτέσιου έχουν βρεθεί από τον ''[[Daniel Pedoe]]''.<ref name="pedoe_1967">{{cite journal| author = [[Daniel Pedoe|Pedoe D]]| year = 1967| title = On a theorem in geometry| journal = Amer. Math. Monthly| volume = 74| pages = 627–640| doi = 10.2307/2314247| issn = 00029890| month = Jun| day = 01| issue = 6}}</ref> |
Διάφορες επεκτάσεις στο θεώρημα του Καρτέσιου έχουν βρεθεί από τον ''[[Daniel Pedoe]]''.<ref name="pedoe_1967">{{cite journal| author = [[Daniel Pedoe|Pedoe D]]| year = 1967| title = On a theorem in geometry| journal = Amer. Math. Monthly| volume = 74| pages = 627–640| doi = 10.2307/2314247| issn = 00029890| month = Jun| day = 01| issue = 6}}</ref> |
||
==Γενικεύσεις== |
== Γενικεύσεις == |
||
Το απολλώνιο πρόβλημα μπορεί να επεκταθεί στην κατασκευή όλων των κύκλων που τέμνουν τρεις δοσμένους κύκλους με μία συγκεκριμένη γωνία θ ή με τρεις συγκεκριμένες γωνίες θ<sub>1</sub>, θ<sub>2</sub> και θ<sub>3</sub>;<ref name="steiner_1826" />, το σύνηθες πρόβλημα αντιστοιχεί στην ειδική περίπτωση στην οποία ή γωνία τομής είναι μηδέν για όλους τους δοσμένους κύκλους. Μια άλλη γενίκευση είναι η [[δυαδικότητα (μαθηματικά)|δυαδική]] της πρώτης επέκτασης, και συνίσταται στην κατασκευή κύκλων με τρεις συγκεκριμένες αποστάσεις επαφής από τρεις δοσμένους κύκλους.<ref name="zlobec_2001" /> |
Το απολλώνιο πρόβλημα μπορεί να επεκταθεί στην κατασκευή όλων των κύκλων που τέμνουν τρεις δοσμένους κύκλους με μία συγκεκριμένη γωνία θ ή με τρεις συγκεκριμένες γωνίες θ<sub>1</sub>, θ<sub>2</sub> και θ<sub>3</sub>;<ref name="steiner_1826" />, το σύνηθες πρόβλημα αντιστοιχεί στην ειδική περίπτωση στην οποία ή γωνία τομής είναι μηδέν για όλους τους δοσμένους κύκλους. Μια άλλη γενίκευση είναι η [[δυαδικότητα (μαθηματικά)|δυαδική]] της πρώτης επέκτασης, και συνίσταται στην κατασκευή κύκλων με τρεις συγκεκριμένες αποστάσεις επαφής από τρεις δοσμένους κύκλους.<ref name="zlobec_2001" /> |
||
[[ |
[[Αρχείο:Apollonian gasket.svg|thumb|left|Σχήμα 13: Ένα συμμετρικό απολλώνιο έμβυσμα (ονομάζεται και ''Leibniz packing'' από τον εφευρέτη της, [[Γκότφριντ Βίλχελμ Λάιμπνιτς]]).]] |
||
Το απολλώνιο πρόβλημα μπορεί να επεκταθεί από το επίπεδο σε [[σφαίρα|σφαιρική επιφάνεια]] και άλλες δευτεροβάθμιες επιφάνειες. Για την σφαίρα, το πρόβλημα συνίσταται στην κατασκευή όλων των κύκλων (όρια των [[σφαιρική τομή|σφαιρικών τομών]]) που εφάπτονται σε τρεις δοσμένους κύκλους επί της σφαίρας.<ref name="gergonne_1814" /><ref name="carnot_1803b" >{{cite book| author = [[Lazare Carnot|Carnot L]]| year = 1803| title = Géométrie de position| publisher = Unknown publisher| location = Paris| pages = 415, §356}}</ref><ref name="vanson_1855" >{{cite journal| author = Vannson| year = 1855| title = Contact des cercles sur la sphère, par la geométrie| journal = Nouvelles Annales de Mathématiques| volume = XIV| pages = 55–71}} {{fr icon}}</ref> Αυτό το σφαιρικό πρόβλημα μπορεί να μετασχηματιστεί σε επίπεδο πρόβλημα χρησιμοποιώντας [[στερεογραφική προβολή]]. Αφού κατασκευαστούν οι λύσεις στο επίπεδο πρόβλημα μπορούν να καθοριστούν οι λύσεις του του σφαιρικού προβλήματος με αντιστροφή της στερεογραφικής προβολής. Ακόμα γενικότερα, μπορεί να θεωρηθεί το πρόβλημα τεσσάρων εφαπτόμενων καμπυλών που προκύπτουν από την τομή τυχαίων δευτεροβάθμιων επιφανειών με τέσσερα επίπεδα, όπως προτάθηκε για πρώτη φορά από τον ''[[Charles Dupin]].<ref name="altshiller-court_1961" /> |
Το απολλώνιο πρόβλημα μπορεί να επεκταθεί από το επίπεδο σε [[σφαίρα|σφαιρική επιφάνεια]] και άλλες δευτεροβάθμιες επιφάνειες. Για την σφαίρα, το πρόβλημα συνίσταται στην κατασκευή όλων των κύκλων (όρια των [[σφαιρική τομή|σφαιρικών τομών]]) που εφάπτονται σε τρεις δοσμένους κύκλους επί της σφαίρας.<ref name="gergonne_1814" /><ref name="carnot_1803b" >{{cite book| author = [[Lazare Carnot|Carnot L]]| year = 1803| title = Géométrie de position| publisher = Unknown publisher| location = Paris| pages = 415, §356}}</ref><ref name="vanson_1855" >{{cite journal| author = Vannson| year = 1855| title = Contact des cercles sur la sphère, par la geométrie| journal = Nouvelles Annales de Mathématiques| volume = XIV| pages = 55–71}} {{fr icon}}</ref> Αυτό το σφαιρικό πρόβλημα μπορεί να μετασχηματιστεί σε επίπεδο πρόβλημα χρησιμοποιώντας [[στερεογραφική προβολή]]. Αφού κατασκευαστούν οι λύσεις στο επίπεδο πρόβλημα μπορούν να καθοριστούν οι λύσεις του του σφαιρικού προβλήματος με αντιστροφή της στερεογραφικής προβολής. Ακόμα γενικότερα, μπορεί να θεωρηθεί το πρόβλημα τεσσάρων εφαπτόμενων καμπυλών που προκύπτουν από την τομή τυχαίων δευτεροβάθμιων επιφανειών με τέσσερα επίπεδα, όπως προτάθηκε για πρώτη φορά από τον ''[[Charles Dupin]].<ref name="altshiller-court_1961" /> |
||
Λύνοντας το απολλώνιο πρόβλημα επαναληπτικά για την εύρεση των εγγεγραμμένων κύκλων, τα κενά μεταξύ των εφαπτόμενων κύκλων μπορούν να πληρωθούν αυθαίρετα, σχηματίζοντας το [[απολλώνιο έμβυσμα]], γνωστή και ως ''Leibniz packing'' ή ''Apollonian packing''.<ref>{{cite journal| author = Kasner E, Supnick F| year = 1943| title = The Apollonian packing of circles| journal = Proc. Natl. Acad. Sci. USA| volume = 29| pages = 378–384| doi = 10.1073/pnas.29.11.378| pmid = 16588629| month = Dec| issue = 11| issn = 0027-8424| url = http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=16588629| format = Free full text}}</ref> Αυτό το έμβυσμα είναι [[φράκταλ]], όντας αυτοόμοιο και έχοντας [[διάσταση Hausdorff]] ''d'' η οποία δεν είναι μεν γνωστή με ακρίβεια αλλά είναι της τάξης του 1,3,,<ref name="boyd_1973">{{cite journal| author = Boyd DW| year = 1973| title = Improved Bounds for the Disk Packing Constants| journal = Aeq. Math.| volume = 9| pages = 99–106| doi = 10.1007/BF01838194}}<br>{{cite journal| author = Boyd DW| year = 1973| title = The Residual Set Dimension of the Apollonian Packing| journal = Mathematika| volume = 20| pages = 170–174}}<br>{{cite journal|last=McMullen|first= Curtis T|title= Hausdorff dimension and conformal dynamics III: Computation of dimension|url=http://abel.math.harvard.edu/~ctm/papers/home/text/papers/dimIII/dimIII.pdf|journal=American Journal of Mathematics|volume=120|year=1998|pages=691–721|format=PDF|doi=10.1353/ajm.1998.0031}}</ref> το οποίο είναι μεγαλύτερη από από μία [[κανονική καμπύλη|κανονική]] (ή πεπερασμένου μήκους) καμπύλη (''d'' = 1) αλλά μικρότερη από από αυτή του επιπέδου (''d'' = 2). Το απολλώνιο έμβυσμα περιγράφηκε για πρώτη φορά από τον [[Γκότφριντ Βίλχελμ Λάιμπνιτς]] τον 17ο αιώνα, και είναι καμπύλος πρόδρομος του [[Τρίγωνο Sierpiński|τριγώνου Sierpiński]].<ref>{{cite book| author = [[Benoit Mandelbrot|Mandelbrot B]]| year = 1983| title = The Fractal Geometry of Nature| publisher = W. H. Freeman| location = New York| isbn = 978-0716711865| page = 170}}<br>{{cite book| author = Aste T, [[Denis Weaire|Weaire D]]| year = 2008| title = In Pursuit of Perfect Packing| edition = 2nd| publisher = Taylor and Francis| location = New York| isbn = 978-1420068177| pages = 131–138}}</ref> Το απολλώνιο έμβυσμα έχει στενούς δεσμούς με άλλα πεδία των μαθηματικών, για παράδειγμα, είναι το οριακό σύνολο των [[σύνολα Klein|συνόλων Klein]].<ref>{{cite book| author = [[David Mumford|Mumford D]], Series C, Wright D| year = 2002| title = Indra's Pearls: The Vision of Felix Klein| publisher = Cambridge University Press| location = Cambridge| isbn = 0-521-35253-3| pages = 196–223}}</ref> |
Λύνοντας το απολλώνιο πρόβλημα επαναληπτικά για την εύρεση των εγγεγραμμένων κύκλων, τα κενά μεταξύ των εφαπτόμενων κύκλων μπορούν να πληρωθούν αυθαίρετα, σχηματίζοντας το [[απολλώνιο έμβυσμα]], γνωστή και ως ''Leibniz packing'' ή ''Apollonian packing''.<ref>{{cite journal| author = Kasner E, Supnick F| year = 1943| title = The Apollonian packing of circles| journal = Proc. Natl. Acad. Sci. USA| volume = 29| pages = 378–384| doi = 10.1073/pnas.29.11.378| pmid = 16588629| month = Dec| issue = 11| issn = 0027-8424| url = http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=16588629| format = Free full text}}</ref> Αυτό το έμβυσμα είναι [[φράκταλ]], όντας αυτοόμοιο και έχοντας [[διάσταση Hausdorff]] ''d'' η οποία δεν είναι μεν γνωστή με ακρίβεια αλλά είναι της τάξης του 1,3,,<ref name="boyd_1973">{{cite journal| author = Boyd DW| year = 1973| title = Improved Bounds for the Disk Packing Constants| journal = Aeq. Math.| volume = 9| pages = 99–106| doi = 10.1007/BF01838194}}<br />{{cite journal| author = Boyd DW| year = 1973| title = The Residual Set Dimension of the Apollonian Packing| journal = Mathematika| volume = 20| pages = 170–174}}<br />{{cite journal|last=McMullen|first= Curtis T|title= Hausdorff dimension and conformal dynamics III: Computation of dimension|url=http://abel.math.harvard.edu/~ctm/papers/home/text/papers/dimIII/dimIII.pdf|journal=American Journal of Mathematics|volume=120|year=1998|pages=691–721|format=PDF|doi=10.1353/ajm.1998.0031}}</ref> το οποίο είναι μεγαλύτερη από από μία [[κανονική καμπύλη|κανονική]] (ή πεπερασμένου μήκους) καμπύλη (''d'' = 1) αλλά μικρότερη από από αυτή του επιπέδου (''d'' = 2). Το απολλώνιο έμβυσμα περιγράφηκε για πρώτη φορά από τον [[Γκότφριντ Βίλχελμ Λάιμπνιτς]] τον 17ο αιώνα, και είναι καμπύλος πρόδρομος του [[Τρίγωνο Sierpiński|τριγώνου Sierpiński]].<ref>{{cite book| author = [[Benoit Mandelbrot|Mandelbrot B]]| year = 1983| title = The Fractal Geometry of Nature| publisher = W. H. Freeman| location = New York| isbn = 978-0716711865| page = 170}}<br />{{cite book| author = Aste T, [[Denis Weaire|Weaire D]]| year = 2008| title = In Pursuit of Perfect Packing| edition = 2nd| publisher = Taylor and Francis| location = New York| isbn = 978-1420068177| pages = 131–138}}</ref> Το απολλώνιο έμβυσμα έχει στενούς δεσμούς με άλλα πεδία των μαθηματικών, για παράδειγμα, είναι το οριακό σύνολο των [[σύνολα Klein|συνόλων Klein]].<ref>{{cite book| author = [[David Mumford|Mumford D]], Series C, Wright D| year = 2002| title = Indra's Pearls: The Vision of Felix Klein| publisher = Cambridge University Press| location = Cambridge| isbn = 0-521-35253-3| pages = 196–223}}</ref> |
||
Η διάταξη με ένα κύκλο να εφάπτεται σε ''τέσσερις'' κύκλους στο επίπεδο έχει ειδικές ιδιότητες, οι οποίες διερευνήθηκαν από τον ''Larmor'' (1891)<ref name="larmor_1891">{{cite journal| author = Larmor A| year = 1891| title = Contacts of Systems of Circles| journal = Proc. London Math. Soc.| volume = 23| pages = 136–157| doi = 10.1112/plms/s1-23.1.135}}</ref> και τον ''Lachlan'' (1893).<ref name="lachlan_1893">{{cite book| author = Lachlan R| year = 1893| title = An elementary treatise on modern pure geometry| publisher = Macmillan| location = London| id = ASIN B0008CQ720| pages = §383–396, pp. 244–251| isbn = 1429700505}}</ref> Αυτή η διάταξη είναι και η βάση του [[Θεώρημα του Casey|θεωρήματος του Casey]],<ref name="casey_1881" /> όντας ταυτόχρονα και γενίκευση του [[Θεώρημα του Πτολεμαίου|θεωρήματος του Πτολεμαίου]].<ref name="johnson_1929" /> |
Η διάταξη με ένα κύκλο να εφάπτεται σε ''τέσσερις'' κύκλους στο επίπεδο έχει ειδικές ιδιότητες, οι οποίες διερευνήθηκαν από τον ''Larmor'' (1891)<ref name="larmor_1891">{{cite journal| author = Larmor A| year = 1891| title = Contacts of Systems of Circles| journal = Proc. London Math. Soc.| volume = 23| pages = 136–157| doi = 10.1112/plms/s1-23.1.135}}</ref> και τον ''Lachlan'' (1893).<ref name="lachlan_1893">{{cite book| author = Lachlan R| year = 1893| title = An elementary treatise on modern pure geometry| publisher = Macmillan| location = London| id = ASIN B0008CQ720| pages = §383–396, pp. 244–251| isbn = 1429700505}}</ref> Αυτή η διάταξη είναι και η βάση του [[Θεώρημα του Casey|θεωρήματος του Casey]],<ref name="casey_1881" /> όντας ταυτόχρονα και γενίκευση του [[Θεώρημα του Πτολεμαίου|θεωρήματος του Πτολεμαίου]].<ref name="johnson_1929" /> |
||
Η επέκταση του απολλώνιου προβλήματος σε τρεις διαστάσεις, δηλαδή το πρόβλημα εύρεσης σφαίρας που να εφάπτεται σε τέσσερις δοσμένες σφαίρες, μπορεί να λυθεί με ανάλογες μεθόδους.<ref name="altshiller-court_1961" /> Για παράδειγμα, οι δοσμένες και η σφαίρα-λύση μπορούν να αλλάξουν μέγεθος έτσι ώστε μία δεδομένη σφαίρα να ελαττωθεί σε σημείο διατηρώντας τις επαφές όλων των σφαιρών.<ref name="ogilvy_1969" /> Η αντιστροφή σε αυτό το σημείο, μετασχηματίζει το πρόβλημα σε αυτό της εύρεσης ενός επιπέδου που να είναι εφαπτόμενο σε τρεις δοσμένες σφαίρες. Υπάρχουν εν γένει οκτώ τέτοια επίπεδα, τα οποία δίνουν τις λύσεις του αρχικού προβλήματος αναστρέφοντας την αντιστροφή και επαναφέροντας το μέγεθος. Το πρόβλημα αντιμετωπίστηκε πρώτη φορά από τον [[Πιέρ ντε Φερμά]],<ref>[[Pierre de Fermat|de Fermat P]], ''Varia opera mathematica'', p. 74, Tolos, 1679.</ref> ενώ έχουν αναπτυχθεί διάφορες εναλλακτικές μέθοδοι ανά τους αιώνες.<ref name="fermat_problem_solutions" >{{cite journal| author = [[Leonhard Euler|Euler L]]| year = 1810| title = Solutio facilis problematis, quo quaeritur sphaera, quae datas quatuor sphaeras utcunque dispositas contingat| journal = Memoires de l'academie des sciences de St.-Petersbourg| volume = 2| pages = 17–28| url = http://www.math.dartmouth.edu/~euler/docs/originals/E733.pdf|format=PDF}} {{la icon}} Reprinted in Euler's ''Opera Omnia'', series 1, volume 26, pp. 334–343.<br>{{cite book| author = [[Lazare Carnot|Carnot L]]| year = 1803| title = Géométrie de position| publisher = Imprimerie de Crapelet, chez J. B. M. Duprat| location = Paris| pages = 357, §416}} {{fr icon}}<br>{{cite journal| author = [[Jean Nicolas Pierre Hachette|Hachette JNP]]| month = September| year = 1808| title = Sur le contact des sphères; sur la sphère tangente à quatre sphères données; sur le cercle tangent à trois cercles donnés| journal = Correspondance sur l'École Polytechnique| volume = 1| issue = 2| pages = pp. 27–28}} {{fr icon}}<br>{{cite journal| author = Français J| month = January| year = 1810| title = De la sphère tangente à quatre sphères données| journal = Correspondance sur l'École Impériale Polytechnique| volume = 2| issue = 2| pages = pp. 63–66}} {{fr icon}}<br>{{cite journal| author = Français J| month = January| year = 1813| title = Solution analytique du problème de la sphère tangente à quatre sphères données| journal = Correspondance sur l'École Impériale Polytechnique| volume = 2| issue = 5| pages = pp. 409–410}} {{fr icon}}<br>{{cite journal| author = [[Charles Dupin|Dupin C]]| month = January| year = 1813| title = Mémoire sur les sphères| journal = Correspondance sur l'École Impériale Polytechnique| volume = 2| issue = 5| pages = p. 423}} {{fr icon}}<br>{{cite book| author = Reye T| year = 1879| title = Synthetische Geometrie der Kugeln| publisher = B. G. Teubner| location = Leipzig| url = http://www.gutenberg.org/files/17153/17153-pdf.pdf|format=PDF}} {{de}}<br>{{cite journal| author = [[Joseph Alfred Serret|Serret JA]]| year = 1848| title = De la sphère tangente à quatre sphères donnèes| journal = Journal für die reine und angewandte Mathematik| volume = 37| pages = 51–57| url = http://www.digizeitschriften.de/index.php?id=loader&tx_jkDigiTools_pi1%5BIDDOC%5D=510729}} {{fr}}<br>{{cite journal| author = Coaklay GW| date = 1859–1860| title = Analytical Solutions of the Ten Problems in the Tangencies of Circles; and also of the Fifteen Problems in the Tangencies of Spheres| journal = The Mathematical Monthly| volume = 2| pages = 116–126}}<br>{{cite journal| author = [[Benjamin Alvord (mathematician)|Alvord B]]| year = 1882| title = The intersection of circles and intersection of spheres| journal = American Journal of Mathematics| volume = 5| pages = 25–44, with four pages of Figures| doi = 10.2307/2369532| issn = 00029327| month = Jan| day = 01| issue = 1}}<br></ref> |
Η επέκταση του απολλώνιου προβλήματος σε τρεις διαστάσεις, δηλαδή το πρόβλημα εύρεσης σφαίρας που να εφάπτεται σε τέσσερις δοσμένες σφαίρες, μπορεί να λυθεί με ανάλογες μεθόδους.<ref name="altshiller-court_1961" /> Για παράδειγμα, οι δοσμένες και η σφαίρα-λύση μπορούν να αλλάξουν μέγεθος έτσι ώστε μία δεδομένη σφαίρα να ελαττωθεί σε σημείο διατηρώντας τις επαφές όλων των σφαιρών.<ref name="ogilvy_1969" /> Η αντιστροφή σε αυτό το σημείο, μετασχηματίζει το πρόβλημα σε αυτό της εύρεσης ενός επιπέδου που να είναι εφαπτόμενο σε τρεις δοσμένες σφαίρες. Υπάρχουν εν γένει οκτώ τέτοια επίπεδα, τα οποία δίνουν τις λύσεις του αρχικού προβλήματος αναστρέφοντας την αντιστροφή και επαναφέροντας το μέγεθος. Το πρόβλημα αντιμετωπίστηκε πρώτη φορά από τον [[Πιέρ ντε Φερμά]],<ref>[[Pierre de Fermat|de Fermat P]], ''Varia opera mathematica'', p. 74, Tolos, 1679.</ref> ενώ έχουν αναπτυχθεί διάφορες εναλλακτικές μέθοδοι ανά τους αιώνες.<ref name="fermat_problem_solutions" >{{cite journal| author = [[Leonhard Euler|Euler L]]| year = 1810| title = Solutio facilis problematis, quo quaeritur sphaera, quae datas quatuor sphaeras utcunque dispositas contingat| journal = Memoires de l'academie des sciences de St.-Petersbourg| volume = 2| pages = 17–28| url = http://www.math.dartmouth.edu/~euler/docs/originals/E733.pdf|format=PDF}} {{la icon}} Reprinted in Euler's ''Opera Omnia'', series 1, volume 26, pp. 334–343.<br />{{cite book| author = [[Lazare Carnot|Carnot L]]| year = 1803| title = Géométrie de position| publisher = Imprimerie de Crapelet, chez J. B. M. Duprat| location = Paris| pages = 357, §416}} {{fr icon}}<br />{{cite journal| author = [[Jean Nicolas Pierre Hachette|Hachette JNP]]| month = September| year = 1808| title = Sur le contact des sphères; sur la sphère tangente à quatre sphères données; sur le cercle tangent à trois cercles donnés| journal = Correspondance sur l'École Polytechnique| volume = 1| issue = 2| pages = pp. 27–28}} {{fr icon}}<br />{{cite journal| author = Français J| month = January| year = 1810| title = De la sphère tangente à quatre sphères données| journal = Correspondance sur l'École Impériale Polytechnique| volume = 2| issue = 2| pages = pp. 63–66}} {{fr icon}}<br />{{cite journal| author = Français J| month = January| year = 1813| title = Solution analytique du problème de la sphère tangente à quatre sphères données| journal = Correspondance sur l'École Impériale Polytechnique| volume = 2| issue = 5| pages = pp. 409–410}} {{fr icon}}<br />{{cite journal| author = [[Charles Dupin|Dupin C]]| month = January| year = 1813| title = Mémoire sur les sphères| journal = Correspondance sur l'École Impériale Polytechnique| volume = 2| issue = 5| pages = p. 423}} {{fr icon}}<br />{{cite book| author = Reye T| year = 1879| title = Synthetische Geometrie der Kugeln| publisher = B. G. Teubner| location = Leipzig| url = http://www.gutenberg.org/files/17153/17153-pdf.pdf|format=PDF}} {{de}}<br />{{cite journal| author = [[Joseph Alfred Serret|Serret JA]]| year = 1848| title = De la sphère tangente à quatre sphères donnèes| journal = Journal für die reine und angewandte Mathematik| volume = 37| pages = 51–57| url = http://www.digizeitschriften.de/index.php?id=loader&tx_jkDigiTools_pi1%5BIDDOC%5D=510729}} {{fr}}<br />{{cite journal| author = Coaklay GW| date = 1859–1860| title = Analytical Solutions of the Ten Problems in the Tangencies of Circles; and also of the Fifteen Problems in the Tangencies of Spheres| journal = The Mathematical Monthly| volume = 2| pages = 116–126}}<br />{{cite journal| author = [[Benjamin Alvord (mathematician)|Alvord B]]| year = 1882| title = The intersection of circles and intersection of spheres| journal = American Journal of Mathematics| volume = 5| pages = 25–44, with four pages of Figures| doi = 10.2307/2369532| issn = 00029327| month = Jan| day = 01| issue = 1}}<br /></ref> |
||
Το απολλώνιο πρόβλημα μπορεί να επεκταθεί σε ''d'' διαστάσεις, ώστε να ζητείται η κατασκευή [[υπερσφαίρα|υπερσφαιρών]] εφαπτόμενων σε ένα σύνολο {{nowrap|''d'' + 1}} υπερσφαιρών.<ref name="dreschler sterz"/> Μετά την δημοσίευση του ''[[Frederick Soddy]]'' μιας νέας απόδειξης του [[Θεώρημα του Καρτέσιου|θεωρήματος του Καρτέσιου]] το 1936, αρκετοί έλυσαν (ανεξάρτητα) την περίπτωση των αμοιβαίως εφαπτόμενων αντικειμένων που αντιστοιχεί στους κύκλους Soddy ''d'' διαστάσεων.<ref name="gossett_1937" >{{cite journal| author = Gossett T| year = 1937| title = The Kiss Precise| journal = [[Nature (journal)|Nature]]| volume = 139| pages = 62| doi = 10.1038/139062a0}}</ref> |
Το απολλώνιο πρόβλημα μπορεί να επεκταθεί σε ''d'' διαστάσεις, ώστε να ζητείται η κατασκευή [[υπερσφαίρα|υπερσφαιρών]] εφαπτόμενων σε ένα σύνολο {{nowrap|''d'' + 1}} υπερσφαιρών.<ref name="dreschler sterz"/> Μετά την δημοσίευση του ''[[Frederick Soddy]]'' μιας νέας απόδειξης του [[Θεώρημα του Καρτέσιου|θεωρήματος του Καρτέσιου]] το 1936, αρκετοί έλυσαν (ανεξάρτητα) την περίπτωση των αμοιβαίως εφαπτόμενων αντικειμένων που αντιστοιχεί στους κύκλους Soddy ''d'' διαστάσεων.<ref name="gossett_1937" >{{cite journal| author = Gossett T| year = 1937| title = The Kiss Precise| journal = [[Nature (journal)|Nature]]| volume = 139| pages = 62| doi = 10.1038/139062a0}}</ref> |
||
==Εφαρμογές== |
== Εφαρμογές == |
||
Η κύρια εφαρμογή του απολλώνιου προβλήματος, όπως διατυπώθηκε από τον Ισαάκ Νιούτον, είναι ο [[υπερβολικός εντοπισμός θέσης|υπερβολικός τριπλευρισμός]], ο οποίος έχει στόχο τον καθορισμό της θέσεις από τις ''διαφορές'' αποστάσεων μεταξύ τουλάχιστον τριών σημείων.<ref name="Schmidt 1972">{{cite journal| author = Schmidt, RO| year = 1972| title = A new approach to geometry of range difference location| journal = IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems| volume = AES-8| pages = 821–835| doi = 10.1109/TAES.1972.309614}}</ref> Για παράδειγμα ένα πλοίο μπορεί να ζητά να καθορίσει την θέση του από τις διαφορές στον χρόνο άφιξης σημάτων από τρεις συγχρονισμένους μεταδότες. Λύσεις του απολλώνιου προβλήματος χρησιμοποιήθηκαν στον [[Πρώτος Παγκόσμιος Πόλεμος|Α' Παγκόσμιο Πόλεμο]] για να καθοριστεί η θέσει ενός στοιχείου πυροβολικού από τον χρόνο που χρειάστηκε για να ακουστεί μια βολή σε τρεις διαφορετικές θέσεις,<ref name="altshiller-court_1961" /> ενώ ο υπερβολικό τριπλευρισμός είναι η αρχή που χρησιμοποιούν το [[Σύστημα πλοήγησης Decca]] και το [[Συσκευή Λοράν|LORAN]].<ref name="Hofmann-Wellenhof">{{cite book|title=Navigation: Principles of Positioning and Guidance|author=Hofmann-Wellenhof B, Legat K, Wieser M, Lichtenegger H|publisher= Springer|year= 2003|isbn=978-3211008287}}</ref> Παρομοίως η θέση ενός αεροσκάφους μπορεί να καθοριστεί από τις διαφορές στον χρόνο άφιξης του σήματος του [[αναμεταδότης (αεροπορία)|αναμεταδότη]] του σε τέσσερις σταθμούς λήψης. Αυτό το πρόβλημα [[πολυπλευρισμός|πολυπλευρισμού]] είναι ανάλογο με την γενίκευση του απολλώνιου προβλήματος σε τρεις διαστάσεις και έχει εφαρμογές σε [[GNSS|παγκόσμιου εντοπισμού θέσης]] όπως το [[Global Positioning System|GPS]].<ref name="Hoshen 1996" >{{cite journal| author = Hoshen J| year = 1996| title = The GPS Equations and the Problem of Apollonius| journal = IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems| volume = 32| pages = 1116–1124| doi = 10.1109/7.532270}}</ref> Χρησιμοποιείται ακόμα για τον καθορισμό της θέσης ζώων (πουλιά και φάλαινες) αν και δεν λαμβάνεται υπόψη στο πρόβλημα το γεγονός της διαφοράς στην [[ταχύτητα του ήχου]] ανάλογα με την διεύθυνση (το μέσο διάδοσης δεν είναι ισότροπο).<ref name="spiesberger_2004">{{cite journal| author = Spiesberger, JL| year = 2004| title = Geometry of locating sounds from differences in travel time: Isodiachrons| journal = The Journal of the Acoustic Society of America| volume = 116| pages =3168–3177| doi = 10.1121/1.1804625}}</ref> |
Η κύρια εφαρμογή του απολλώνιου προβλήματος, όπως διατυπώθηκε από τον Ισαάκ Νιούτον, είναι ο [[υπερβολικός εντοπισμός θέσης|υπερβολικός τριπλευρισμός]], ο οποίος έχει στόχο τον καθορισμό της θέσεις από τις ''διαφορές'' αποστάσεων μεταξύ τουλάχιστον τριών σημείων.<ref name="Schmidt 1972">{{cite journal| author = Schmidt, RO| year = 1972| title = A new approach to geometry of range difference location| journal = IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems| volume = AES-8| pages = 821–835| doi = 10.1109/TAES.1972.309614}}</ref> Για παράδειγμα ένα πλοίο μπορεί να ζητά να καθορίσει την θέση του από τις διαφορές στον χρόνο άφιξης σημάτων από τρεις συγχρονισμένους μεταδότες. Λύσεις του απολλώνιου προβλήματος χρησιμοποιήθηκαν στον [[Πρώτος Παγκόσμιος Πόλεμος|Α' Παγκόσμιο Πόλεμο]] για να καθοριστεί η θέσει ενός στοιχείου πυροβολικού από τον χρόνο που χρειάστηκε για να ακουστεί μια βολή σε τρεις διαφορετικές θέσεις,<ref name="altshiller-court_1961" /> ενώ ο υπερβολικό τριπλευρισμός είναι η αρχή που χρησιμοποιούν το [[Σύστημα πλοήγησης Decca]] και το [[Συσκευή Λοράν|LORAN]].<ref name="Hofmann-Wellenhof">{{cite book|title=Navigation: Principles of Positioning and Guidance|author=Hofmann-Wellenhof B, Legat K, Wieser M, Lichtenegger H|publisher= Springer|year= 2003|isbn=978-3211008287}}</ref> Παρομοίως η θέση ενός αεροσκάφους μπορεί να καθοριστεί από τις διαφορές στον χρόνο άφιξης του σήματος του [[αναμεταδότης (αεροπορία)|αναμεταδότη]] του σε τέσσερις σταθμούς λήψης. Αυτό το πρόβλημα [[πολυπλευρισμός|πολυπλευρισμού]] είναι ανάλογο με την γενίκευση του απολλώνιου προβλήματος σε τρεις διαστάσεις και έχει εφαρμογές σε [[GNSS|παγκόσμιου εντοπισμού θέσης]] όπως το [[Global Positioning System|GPS]].<ref name="Hoshen 1996" >{{cite journal| author = Hoshen J| year = 1996| title = The GPS Equations and the Problem of Apollonius| journal = IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems| volume = 32| pages = 1116–1124| doi = 10.1109/7.532270}}</ref> Χρησιμοποιείται ακόμα για τον καθορισμό της θέσης ζώων (πουλιά και φάλαινες) αν και δεν λαμβάνεται υπόψη στο πρόβλημα το γεγονός της διαφοράς στην [[ταχύτητα του ήχου]] ανάλογα με την διεύθυνση (το μέσο διάδοσης δεν είναι ισότροπο).<ref name="spiesberger_2004">{{cite journal| author = Spiesberger, JL| year = 2004| title = Geometry of locating sounds from differences in travel time: Isodiachrons| journal = The Journal of the Acoustic Society of America| volume = 116| pages =3168–3177| doi = 10.1121/1.1804625}}</ref> |
||
Το απολλώνιο πρόβλημα έχει και άλλες εφαρμογές. Στα ''[[Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica|Principia]]'' (Βιβλίο 1, Πρόταση 21) ο Ισαάκ Νιούτον χρησιμοποίησε την λύση του απολλώνιου προβλήματος για να κατασκευάσει μία τροχιά στην [[ουράνια μηχανική]] από το κέντρο έλξης και παρατηρήσεις των εφαπτόμενων ευθειών στην τροχιά που αντιστοιχούν σε στιγμιαίες ταχύτητες.<ref name="altshiller-court_1961" /> Η ειδική περίπτωση του προβλήματος στην οποία οι τρεις δοσμένοι κύκλοι εφάπτονται μεταξύ τους βρίσκει εφαρμογή στην [[μέθοδος κύκλου Hardy–Littlewood|μέθοδο κύκλου Hardy–Littlewood]] της [[αναλυτική θεωρία αριθμών|αναλυτικής θεωρίας αριθμών]] για την κατασκευή της καμπύλης [[Hans Rademacher]] για την μιγαδική ολοκλήρωση, που δίνεται από τα όρια ενός απειροσυνόλου [[κύκλος Ford|κύκλων Ford]], που καθένας εξ αυτών εφάπτεται με μερικούς άλλους.<ref>{{cite book| author = [[Tom M. Apostol|Apostol TM]]| title = Modular functions and Dirichlet series in number theory| publisher = [[Springer-Verlag]]| location = New York| edition = 2nd| isbn = 978-0-387-97127-8| year = 1990}}</ref> Τέλος, το απολλώνιο πρόβλημα έχει εφαρμογές σε μερικούς τύπους [[πρόβλημα συσκευασίας|προβλημάτων συσκευασίας]] τα οποία προκύπτουν σε διάφορα πεδία όπως στον κώδικα διόρθωσης σφαλμάτων που χρησιμοποιείται στα [[DVD]] και στον σχεδιασμό φαρμακευτικών παρασκευασμάτων που συνδέονται με ένα συγκεκριμένο [[ένζυμο]] κάποιου παθογενούς [[βακτήριο|βακτηρίου]].<ref>{{cite journal| author = Lewis RH, Bridgett S| year = 2003| title = Conic Tangency Equations and Apollonius Problems in Biochemistry and Pharmacology| journal = Mathematics and Computers in Simulation| volume = 61| pages = 101–114| doi = 10.1016/S0378-4754(02)00122-2}}</ref> |
Το απολλώνιο πρόβλημα έχει και άλλες εφαρμογές. Στα ''[[Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica|Principia]]'' (Βιβλίο 1, Πρόταση 21) ο Ισαάκ Νιούτον χρησιμοποίησε την λύση του απολλώνιου προβλήματος για να κατασκευάσει μία τροχιά στην [[ουράνια μηχανική]] από το κέντρο έλξης και παρατηρήσεις των εφαπτόμενων ευθειών στην τροχιά που αντιστοιχούν σε στιγμιαίες ταχύτητες.<ref name="altshiller-court_1961" /> Η ειδική περίπτωση του προβλήματος στην οποία οι τρεις δοσμένοι κύκλοι εφάπτονται μεταξύ τους βρίσκει εφαρμογή στην [[μέθοδος κύκλου Hardy–Littlewood|μέθοδο κύκλου Hardy–Littlewood]] της [[αναλυτική θεωρία αριθμών|αναλυτικής θεωρίας αριθμών]] για την κατασκευή της καμπύλης [[Hans Rademacher]] για την μιγαδική ολοκλήρωση, που δίνεται από τα όρια ενός απειροσυνόλου [[κύκλος Ford|κύκλων Ford]], που καθένας εξ αυτών εφάπτεται με μερικούς άλλους.<ref>{{cite book| author = [[Tom M. Apostol|Apostol TM]]| title = Modular functions and Dirichlet series in number theory| publisher = [[Springer-Verlag]]| location = New York| edition = 2nd| isbn = 978-0-387-97127-8| year = 1990}}</ref> Τέλος, το απολλώνιο πρόβλημα έχει εφαρμογές σε μερικούς τύπους [[πρόβλημα συσκευασίας|προβλημάτων συσκευασίας]] τα οποία προκύπτουν σε διάφορα πεδία όπως στον κώδικα διόρθωσης σφαλμάτων που χρησιμοποιείται στα [[DVD]] και στον σχεδιασμό φαρμακευτικών παρασκευασμάτων που συνδέονται με ένα συγκεκριμένο [[ένζυμο]] κάποιου παθογενούς [[βακτήριο|βακτηρίου]].<ref>{{cite journal| author = Lewis RH, Bridgett S| year = 2003| title = Conic Tangency Equations and Apollonius Problems in Biochemistry and Pharmacology| journal = Mathematics and Computers in Simulation| volume = 61| pages = 101–114| doi = 10.1016/S0378-4754(02)00122-2}}</ref> |
||
==Παραπομπές== |
== Παραπομπές == |
||
{{reflist|2}} |
{{reflist|2}} |
||
==Εξωτερικοί σύνδεσμοι== |
== Εξωτερικοί σύνδεσμοι == |
||
{{Commonscat}} |
{{Commonscat}} |
||
* {{cite web|url=http://www.math.uoa.gr/web/activ/magaz/teyxos2/thema3.htm|title= Εισαγωγή στο απολλώνιο πρόβλημα|publisher=Μαθηματικό Εκκρεμές|accessdate=2009-10-14}} |
* {{cite web|url=http://www.math.uoa.gr/web/activ/magaz/teyxos2/thema3.htm|title= Εισαγωγή στο απολλώνιο πρόβλημα|publisher=Μαθηματικό Εκκρεμές|accessdate=2009-10-14}} |
||
| Γραμμή 309: | Γραμμή 309: | ||
* {{cite web|url=http://www.ams.org/featurecolumn/archive/kissing.html|month=March| year=2006|author=Austin, David|title= When kissing involves trigonometry (''Όταν το φίλημα περιλαμβάνει τριγωνομετρία'')|publisher= Άρθρο στον ιστότοπο της Αμερικανικής Μαθηματικής Εταιρίας|accessdate=2008-05-05}} {{en}} |
* {{cite web|url=http://www.ams.org/featurecolumn/archive/kissing.html|month=March| year=2006|author=Austin, David|title= When kissing involves trigonometry (''Όταν το φίλημα περιλαμβάνει τριγωνομετρία'')|publisher= Άρθρο στον ιστότοπο της Αμερικανικής Μαθηματικής Εταιρίας|accessdate=2008-05-05}} {{en}} |
||
{{ |
{{Ενσωμάτωση κειμένου|en|Problem of Apollonius}} |
||
| ⚫ | |||
[[Κατηγορία:Ευκλείδεια Γεωμετρία]] |
[[Κατηγορία:Ευκλείδεια Γεωμετρία]] |
||
| ⚫ | |||
[[ar:مسألة أبولونيوس]] |
[[ar:مسألة أبولونيوس]] |
||
Έκδοση από την 14:26, 15 Απριλίου 2010
Στην Ευκλείδεια γεωμετρία του επιπέδου το Απολλώνιο πρόβλημα συνίσταται στην κατασκευή κύκλων που να είναι εφαπτόμενοι σε τρεις δεδομένους κύκλους στο επίπεδο (Σχήμα 1). Το πρόβλημα έθεσε και έλυσε ο Απολλώνιος ο Περγαίος (περ. 262 π.Χ. - περ. 190 π.χ.) στο έργο του Ἐπαφαί. Το πρωτότυπο έργο έχει χαθεί και σώζονται μόνο αναφορές στα αποτελέσματά του από τον Πάππο. Για τρεις δεδομένους κύκλους εν γένει υπάρχουν οκτώ διαφορετικοί κύκλοι που εφάπτονται σε αυτούς (Σχήμα 2) και κάθε κύκλος περικλείει η όχι τους τρεις κατά διαφορετικό τρόπο.
Το 16ο αιώνα, ο Άντριαν φαν Ρόομεν έλυσε το πρόβλημα χρησιμοποιώντας τεμνόμενες υπερβολές χωρίς όμως να χρησιμοποιεί μόνο κατασκευές με κανόνα και διαβήτη. Ο Φρανσουά Βιέτ κατέληξε σε μία τέτοια λύση εργαζόμενος με απλούστερες περιπτώσεις, θεωρώντας μηδενική την ακτίνα ενός από τους τρεις δεδομένους κύκλους (εκφυλίζοντας τον σε σημείο) είτε θεωρώντας την άπειρη (οπότε ο κύκλος εκφυλίζεται σε ευθεία). Η προσέγγιση του Βιέτ, η οποία χρησιμοποιεί απλουστευμένες περιπτώσεις για να λύσει πολυπλοκότερες θεωρείται μία από τις πιθανές ανακατασκευές της λύσης του Απολλώνιου. Η μέθοδος του φαν Ρόομεν απλουστεύθηκε από τον Ισαάκ Νιούτον, ο οποίος απέδειξε ότι το πρόβλημα του Απολλώνιου είναι ισοδύναμο με την εύρεση ενός σημείου με γνωστές της διαφορές των αποστάσεών του από τρία γνωστά σημεία. Αυτό έχει εφαρμογή στην πλοήγηση και σε συστήματα προσδιορισμού θέσεως όπως το LORAN
Αργότερα οι μαθηματικοί εισήγαγαν αλγεβρικές μεθόδους, οι οποίες μετασχηματίζουν ένα γεωμετρικό πρόβλημα σε αλγεβρικές εξισώσεις. Αυτές οι μέθοδοι απλοποιήθηκαν εκμεταλλευόμενες την εγγενή συμμετρία του απολλώνιου προβλήματος. Επί παραδείγματι, οι κύκλοι-λύσεις εν γένει αποτελούν ζεύγη, όπου ο ένας περικλείει τους κύκλους που ο άλλος αποκλείει (Σχήμα 2). Ο Ζοζέφ Ντιάζ Ζεργκόν (Joseph Diaz Gergonne) χρησιμοποίησε αυτή την συμμετρία για μία κομψή απόδειξη με κανόνα και διαβήτη, ενώ άλλοι μαθηματικοί χρησιμοποίησαν γεωμετρικούς μετασχηματισμούς όπως η απεικόνιση σε κύκλο για την απλοποίηση της διάταξης των δεδομένων κύκλων. Αυτέ οι εξελίξεις παρέχουν το γεωμετρικό υπόβαθρο για αλγεβρικές μεθόδους (με χρήση της σφαιρικής γεωμετρίας του Lie) και ταξινόμηση των λύσεων με βάση τις 33 διαφορετικές διατάξεις των δεδομένων κύκλων.
Το Απολλώνιο πρόβλημα έχει πολλές προεκτάσεις. Μελετήθηκαν γενικεύσεις του σε τρεις (κατασκευή σφαίρας εφαπτόμενης σε τέσσερις δεδομένες) και παραπάνω διαστάσεις. Η αρχική διάταξη τριών εφαπτόμενων μεταξύ τους κύκλων έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Ο Ρενέ Ντεκάρτ πρότεινε μια εξίσωση που συνδέει την ακτίνα του ζητούμενου κύκλου με τις ακτίνες των τριών δεδομένων κύκλων, γνωστή και ως θεώρημα του Καρτέσιου. Η επαναληπτική λύση του απολλώνιου προβλήματος σε αυτή την περίπτωση, οδηγεί στην απολλώνιο έμβυσμα (apollonian gasket), το οποίο είναι ένα από τα πρώτα φράκταλ που περιγράφηκαν εντύπως, ενώ είναι σημαντικό στην θεωρία αριθμών μέσω των κύκλων του Φορντ και την μέθοδο κύκλου Χάρντι-Λίτλγουντ (Hardy–Littlewood circle method).
Το πρόβλημα
Στη γενική μορφή του απολλώνιου προβλήματος ζητείται η κατασκευή ενός ή περισσοτέρων κύκλων οι οποίοι να εφάπτονται σε τρία δεδομένα αντικείμενα στο επίπεδο, όπου το αντικείμενο μπορεί να είναι ευθεία, σημείο ή κύκλος οιασδήποτε ακτίνας.[1][2][3][4] Αυτά τα αντικείμενα μπορεί να είναι διατεταγμένα καθ' οιονδήποτε τρόπο και μπορούν και να αλληλοτέμνονται, όμως, συνήθως λαμβάνονται ώστε να είναι διακριτά, να μην συμπίπτουν δηλαδή. Μερικές φορές οι λύσεις του προβλήματος καλούνται Απολλώνιοι κύκλοι, αν και ο όρος χρησιμοποιείται και για άλλου είδους κύκλους, επίσης σχετιζόμενους με τον Απολλώνιο.
Η ιδιότητα της επαφής ορίζεται ως εξής. Αρχικά ένα σημείο, ευθεία ή κύκλος θεωρείται ότι εφάπτεται στον εαυτό του, έτσι αν δοθεί ένα κύκλος που είναι ήδη εφαπτόμενος σε άλλους δύο δεδομένους, η διάταξη λογίζεται ως λύση στο απολλώνιο πρόβλημα. Δύο διακριτά γεωμετρικά αντικείμενα θεωρείται ότι τέμνονται αν έχουν ένα κοινό σημείο. Εξ ορισμού ένα σημείο εφάπτεται σε ένα κύκλο ή μία ευθεία αν τα τέμνει, δηλαδή να βρίσκεται επί αυτών. Έτσι δύο διακριτά σημεία δεν μπορούν να είναι μεταξύ τους εφαπτόμενα. Αν η γωνία μεταξύ ευθειών ή κύκλων σε ένα σημείο τομής είναι μηδενική, τότε ορίζεται ότι αυτά εφάπτονται, το σημείο τομής ονομάζεται σημείο επαφής. Στην πράξη δύο διακριτοί κύκλοι είναι εφαπτόμενοι αν τέμνονται σε ένα μόνο σημείο, αν τέμνονται σε δύο ή κανένα σημεία τότε δεν εφάπτονται. Το ίδιο ισχύει και για ένα ζεύγος ευθείας και κύκλου. Δύο διακριτές ευθείες δεν μπορούν να εφάπτονται στο επίπεδο, εντούτοις δύο παράλληλες ευθείες μπορεί να θεωρηθεί ότι εφάπτονται σε ένα σημείο στο άπειρο στην Γεωμετρία της αντιστροφής.[5][6]
Ο κύκλος-λύση μπορεί να είναι είτε εξωτερικά είτε εσωτερικά εφαπτόμενος σε κάθε ένα από τους δεδομένους κύκλους. Δύο κύκλοι είναι εξωτερικά εφαπτόμενοι όταν αποκλίνουν ο ένας από τον άλλον στο σημείο επαφής, και βρίσκονται σε αντίθετες μεριές της εφαπτομένης σε εκείνο το σημείο, καθώς και αλληλοαποκλείονται. Η απόσταση μεταξύ των κέντρων τους ισούται με το άθροισμα των ακτίνων τους. Αντιθέτως είναι εσωτερικά εφαπτόμενοι όταν και οι δύο κύκλοι κλίνουν με τον ίδιο τρόπο στο σημείο επαφής, βρίσκονται στην ίδια μεριά της εφαπτόμενης ευθείας και ο ένας κύκλος περικλείει τον άλλο. Σε αυτή την περίπτωση η απόσταση των κέντρων τους ισούται με την διαφορά των ακτίνων τους. Για παράδειγμα στο Σχήμα 1 ο κύκλος της ροζ λύσης εφάπτεται εσωτερικά στον μεσαίου μεγέθους δεδομένο μαύρο κύκλο στα δεξιά, ενώ είναι εξωτερικά εφαπτόμενος στον μικρότερο και στον μεγαλύτερο δεδομένο κύκλο στα αριστερά.
Το απολλώνιο πρόβλημα μπορεί να μετασχηματιστεί ως το πρόβλημα εύρεσης ενός ή περισσοτέρων σημείων, τέτοιων ώστε οι διαφορές των αποστάσεων τους από τρία δεδομένα σημεία να ισούνται με τρεις γνωστές τιμές. Έστω ένα κύκλος-λύση ακτίνας rs και τρεις δεδομένοι κύκλοι με ακτίνες r1, r2 και r3. Αν ο κύκλος λύση είναι εξωτερικά εφαπτόμενος και στους τρεις δεδομένους κύκλους, οι αποστάσεις του κέντρου του από τα κέντρα των δεδομένω κύκλων ισούνται με d1 = r1 + rs, d2 = r2 + rs και d3 = r3 + rs, αντίστοιχα. Συνεπώς οι διαφορές αυτών των αποστάσεων είναι σταθερές, όπως d1 − d2 = r1 − r2. Εξαρτώνται μόνο από τις γνωστές ακτίνες των δεδομένων κύκλων και όχι από την ακτίνα του κύκλου-λύση rs, η οποία απαλείφεται. Ο δεύτερος μετασχηματισμός του απολλώνιου προβλήματος μπορεί να γενικευθεί και για εσωτερικώς εφαπτόμενους κύκλους-λύσεις (για τους οποίους η απόσταση από κέντρο σε κέντρο ισούται με την διαφορά των ακτίνων), αλλάζοντας τις αντίστοιχες διαφορές αποστάσεων σε αθροίσματα αποστάσεων έτσι ώστε η ακτίνα rs του κύκλου-λύση πάλι να απαλειφθεί. Ο επαναμετασχηματισμός των αποστάσεων των κέντρων είναι χρήσιμος στις παρακάτω λύσεις του Άντριαν φαν Ρόομεν και του Ισαάκ Νιούτον, καθώς και στον υπερβολικό προσδιορισμό θέσης με τον οποίο εντοπίζεται μία θέση από τις διαφορές στις αποστάσεις από τρία γνωστά σημεία. Για παράδειγμα, συστήματα πλοήγησης όπως το LORAN αναγνωρίζουν την θέση του δέκτη από τις διαφορές των χρόνων άφιξης των σημάτων από τρις διαφορετικές σταθερές θέσεις, που αντιστοιχούν στις διαφορές αποστάσεων από αυτούς τους πομπούς.[7][8]
Ιστορία
Έχει αναπτυχθεί πλούσιο ρεπερτόριο γεωμετρικών και αλγεβρικών μεθόδων για την λύση του απολλώνιου προβλήματος,[9][10] το οποίο έχει αποκληθεί και «το πιο διάσημο από όλα» τα γεωμετρικά προβλήματα.[3] Η αρχική προσέγγιση του Απολλώνιου του Περγαίου έχει χαθεί, αλλά έχουν προταθεί ανακατασκευές της λύσης του από τον Φρανσουά Βιέτ και άλλους, βασισμένες σε στοιχεία από την περιγραφή του Πάππου.[11][12] Η πρώτη νέα μέθοδος λύσης δημοσιεύτηκε το 1596 από τον Άντριαν φαν Ρόομεν, ο οποίος θεώρησε τα κέντρα των κύκλων-λύσεων ως σημεία τομής δύο υπερβολών.[13][14] Η μέθοδος του φαν Ρόομεν βελτιώθηκε από τον Ισαάκ Νιούτον το 1687 στο έργο του Principia,[15][16] και από τον Τζον Κέισι (John Casey) το 1881.[17]
Η μέθοδος του φαν Ρόομεν, παρόλο που έλυσε επιτυχώς το απολλώνιο πρόβλημα, είχε ένα μειονέκτημα. Μία πολύτιμη ιδιότητα της κλασσικής Ευκλείδειας γεωμετρίας είναι η δυνατότητα να λύνονται τα προβλήματα με τη χρήση μόνο κανόνα και διαβήτη.[18] Πολλές κατασκευές είναι αδύνατες χρησιμοποιώντας μόνο αυτά τα εργαλεία, όπως η τριχοτόμηση της γωνίας. Εντούτοις πολλά τέτοια αδύνατα προβλήματα μπορούν αν λυθούν με αλληλοτεμνόμενες καμπύλες όπως οι υπερβολές, οι ελλείψεις και οι παραβολές (κωνικές τομές). Για παράδειγμα ο διπλασιασμός του κύβου (το πρόβλημα της κατασκευής ενός κύβου με διπλάσιο όγκο από ένα δεδομένο κύβο) δεν μπορεί να λυθεί με κανόνα και διαβήτη, όμως ο Μέναιχμος απέδειξε ότι το πρόβλημα μπορεί να λυθεί χρησιμοποιώντας τις τομές δύο παραβολών.[19] Έτσι η λύση του φαν Ρόομεν, η οποία χρησιμοποιεί την τομή δύο υπερβολών, δεν εξακρίβωσε το αν μπορεί το πρόβλημα να λυθεί με κανόνα και διαβήτη.
Ο φίλος του φαν Ρόομεν, Φρανσουά Βιέτ, ο οποίος ήταν αυτός που τον είχε παροτρύνει να δουλέψει πάνω στο απολλώνιο πρόβλημα, ανέπτυξε μία μέθοδο που χρησιμοποιούσε μόνο κανόνα και διαβήτη.[20] Πριν την λύση του Βιέτ, ο Ρεγκιομοντάνους (Regiomontanus) αμφέβαλε στο κατά πόσο ήταν δυνατό να λυθεί το πρόβλημα μόνο με κανόνα και διαβήτη.[21] Ο Βιέτ έλυσε αρχικά το πρόβλημα για κάποιες απλές περιπτώσεις, όπως την εύρεση κύκλου που διέρχεται από τρία δεδομένα σημεία, το οποίο έχει μόνο μία λύση αν τα σημεία είναι διακριτά. Στην συνέχεια έλυσε μερικές πιο πολύπλοκες ειδικές περιπτώσεις, σε κάποιες περιπτώσεις μικραίνοντας ή μεγαλώνοντας τους δεδομένους κύκλους.[1] Σύμφωνα με μία αναφορά του 4ου αιώνα από τον Πάππο, το βιβλίο του Απολλώνιου για το πρόβλημα με τίτλο Ἐπαφαί (λατ.: De tactionibus, De contactibus) ακολουθούσε παρόμοια προσέγγιση.[11] Έτσι η λύση του Βιέτ θεωρείται ως μία πιθανή ανακατασκευή αυτής του Απολλώνιου, ενώ έχουν προταθεί ανεξάρτητα και άλλες ανακατασκευές από τρεις διαφορετικούς συγγραφείς.[22]
Αρκετές άλλες γεωμετρικές μέθοδοι αναπτύχθηκαν τον 19ο αιώνα. Η πιο σημαντικές από αυτές ήταν του Ζαν-Βικτόρ Πονσελέ (Jean-Victor Poncelet) (1811)[23] και του Ζοζέφ Ντιάζ Ζεργκόν (1814).[24] Ενώ η μέθοδος του Πονσελέ βασίζονταν στα ομοθετικά κέντρα των κύκλων και στο θεώρημα της δύναμης σημείου, η μέθοδος του Ζεργκόν εκμεταλλεύτηκε την αντιδιαμετρική σχέση μεταξύ των ευθειών και των πόλων τους σε ένα κύκλο. Μεθόδους που χρησιμοποιούσαν γεωμετρία της αντιστροφής πρότεινες πρώτος ο Γιούλιους Πέτερσεν (Julius Petersen) το 1879.[25] Ένα παράδειγμα είναι η μέθοδος της δακτυλιοειδούς λύσης του HSM Coxeter.[2] Μια άλλη προσέγγιση χρησιμοποιεί την σφαιρική γεωμετρία Lie,[26] που αναπτύχθηκε από τον Sophus Lie.
Αλγβρικές λύσεις στο απολλώνιο πρόβλημα δόθηκαν για πρώτη φορά τον 17ο αιώνα από τον Ρενέ Ντεκάρτ και την Ελισάβετ της Βοημίας, αν και αρκετά πολύπλοκες.[9] Πρακτικές αλγεβρικές μέθοδοι αναπτύχθηκαν στα ΄τελη του 18ου και τον 19ο αιώνα από αρκετούς μαθηματικούς όπως ο Λέοναρντ Όιλερ,[27] ο Νίκολας Φους,[9] Καρλ Φρίντριχ Γκάους,[28] ο Λαζάρ Καρνό,[29] και ο Αγκουστίν Λουί Κοσί.[30]
Μέθοδοι επίλυσης
Διατεμνόμενες υπερβολές
Η επίλυση του Άντριαν φαν Ρόομεν (1596) βασίζεται στην τομή δύο υπερβολών.[13][14] Έστω οι δεδομένοι κύκλοι C1, C2 και C3. Ο φαν Ρόομεν έλυσε το πρόβλημα λύνοντας το απλούστερο πρόβλημα της εύρεσης των κύκλων που είναι εφαπτόμενοι σε δύο δεδομένους κύκλους, όπως ο C1 και ο C2. Παρατήρησε ότι το κέντρο του εφαπτόμενου κύκλου πρέπει να βρίσκεται επί υπερβολής της οποίας οι εστίες είναι τα κέντρα των δεδομένων κύκλων. Για να γίνει πιο κατανοητό αυτό έστω οι ακτίνες του κύκλου-λύση και των δεδομένων κύκλων rs, r1 και r2, αντίστοιχα (Σχήμα 3). Η απόσταση d1 μεταξύ των κέντρων της λύσης και του C1 είναι είτε rs + r1 είτε rs − r1 ανάλογα με το αν οι κύκλοι έχουν εκλεγεί να εφάπτονται εξωτερικά ή εσωτερικά αντίστοιχα. Παρομοίως η απόσταση d2 μεταξύ των κέντρων του κύκλου-λύση και του C2 είναι είτε rs + r2 είτε rs − r2 ξανά αναλόγως με των τρόπο που εφάπτονται. Έτσι η διαφορά d1 − d2 μεταξύ αυτών των αποστάσεων είναι πάντα μία σταθερά η οποία είναι ανεξάρτητη του rs. Αυτή η ιδιότητα, της σταθερής διαφοράς μεταξύ των αποστάσεων από τις εστίες χαρακτηρίζει τις υπερβολές, έτσι τα πιθανά κέντρα του κύκλου-λύση βρίσκονται επί μίας υπερβολής. Μία δεύτερη υπερβολή μπορεί να σχεδιαστεί από το ζεύγος των δεδομένων κύκλων C2 και C3, όπου η εσωτερική ή εξωτερική επαφή της λύσης πρέπει να εκλεγεί σε συνέπεια με την πρώτη υπερβολή. Η τομή αυτών των δύο υπερβολών (αν υπάρχει) δίνει το κέντρο του κύκλου-λύση που έχει τις επιλεγμένες εσωτερικές ή εξωτερικές επαφές προς τους τρεις δεδομένους κύκλους. Το πλήρες σύνολο των λύσεων του απολλώνιου προβλήματος μπορεί να βρεθεί αν ληφθούν υπόψη όλοι οι πιθανοί συνδυασμοί εσωτερικών και εξωτερικών επαφών του κύκλου-λύση προς τους τρεις δεδομένους.
Ο Ισαάκ Νιούτον (1687) βελτίωσε την λύση του φαν Ρόομεν, έτσι ώστε τα κέντρα του κύκλου-λύση να βρίσκονται στην τομη μιας ευθείας και ενός κύκλου.[15] Ο Νιούτον διατύπωσε το απολλώνιο πρόβλημα ως πρόβλημα τριπλευρισμού (trilateration), στον εντοπισμό θέσης του σημείου Ζ από τρία δεδομένα σημεία A, B και C, τέτοια ώστε οι αποστάσεις από το Z στα τρία δεδομένα σημεία να έχουν γνωστές τιμές. [31] Αυτά τα τέσσερα σημεία αντιστοιχούν στο κέντρο του κύκλου-λύση (Z) και στα κέντρα των δεδομένων κύκλων (A, B and C).
Αντί να επιλύσει για τις δύο υπερβολές, ο Νιούτον κατασκεύασε τις δδιευθετούσες ευθείες. Για κάθε υπερβολή, ο λόγος των αποστάσεων από ένα σημείο Z προς μία εστία A και προς την διευθετούσα είναι μία σταθερά που καλείται εκκεντρότητα. Οι δύο διευθετούσες τέμνονται στο σημείο T και από τους δύο γνωστούς λόγους των αποστασεών τους, ο Νιούτον κατασκεύασε μία ευθεία που περνά από το το Τ επί της οποίας πρέπει να βρίσκεται και το Z. Εντούτοις ο λόγος TZ/TA είναι επίσης γνωστός, έτσι το Z βρίσκεται επίσης σε ένα γνωστό κύκλο., αφού ο Απολλώνιος έδειξε ότι ένας κύκλος μπορεί να οριστεί ως το σύνολο των σημείων που έχουν ένα δεδομένο σταθερό λόγο αποστάσεων από δύο σταθερά σημεία. (Αυτός ο ορισμός είναι και η βάση των διπολικών συντεταγμένων) Έτσι οι λύσεις στο Απολλώνιο πρόβλημα είναι τα τομές ευθείας με κύκλο.
Η ανακατασκευή του Βιέτ
Όπως περιγράφεται παρακάτω, το απολλώνιο πρόβλημα έχει δέκα ειδικές περιπτώσεις εξαρτώμενες από την φύση των δοσμένων αντικειμένων, τα οποία μπορεί να είναι κύκλος (C), ευθεία (L) ή σημείο (P). Είθισται αυτές οι δέκα περιπτώσεις να κωδικοποιούνται με τρία γράμματα όπως ΚΚΣ.[32] Ο Βιέτ έλυσε και τις δέκα περιπτώσεις με κανόνα και διαβήτη και χρησιμοποίησε τις λύσεις των απλούστερων περιπτώσεων για την επίλυση των πιο σύνθετων.[20][1]
Ο Βιέτ ξεκίνησε με την επίλυση της περίπτωσης ΣΣΣ (τρία σημεία) ακολουθώντας την μέθοδο του Ευκλείδη όπως περιγράφεται στα Στοιχεία. Από αυτό εξήγαγε ένα λήμμα που αντιστοιχεί στο θεώρημα δύναμης σημείου, το οποίο χρησιμοποίησε για να λύσει την περίπτωση ΕΣΣ (ευθεία και δύο σημεία). Ακολουθώντας την μέθοδο του Ευκλείδη έλυσε την περίπτωση ΕΕΕ (τρεις ευθείες) χρησιμοποιώντας τις διχοτόμους. Από εκεί εξήγαγε ένα λήμμα για την κατασκευή καθέτου στην διχοτόμο που περνά από ένα σημείο, το οποίο χρησιμοποίησε για να λύσει την περίπτωση ΕΕΣ. Αυτέ είναι οι πρώτες τέσσερις περιπτώσεις του προβλήματος που δεν έχουν να κάνουν με κύκλους.
Για να λύσει τα υπόλοιπα προβλήματα ο Βιέτ εκμεταλλεύτηκε το γεγονός ότι οι κύκλοι μπορούν να αλλάξουν μέγεθος ανά ζεύγη διατηρώντας ωστόσο την επαφή τους (Σχήμα 4). Αν η ακτίνα του κύκλου-λύση αλλάξει κατά Δr, η ακτίνα του εσωτερικά εφαπτόμενου κύκλου πρέπει αντίστοιχα να αλλάξει κατά Δr, ενώ οι ακτίνες των εξωτερικά εφαπτόμενων κύκλων πρέπει να αλλάξουν κατά −Δr. Έτσι καθώς ο κύκλος-λύση μεγαλώνει, οι εσωτερικά εφαπτόμενοι κύκλοι πρέπει να μεγαλώσουν, ενώ οι εξωτερικά πρέπει να μικρύνουν ώστε να διατηρηθεί η επαφή.
Ο Βιέτ χρησιμοποίησε αυτή την προσέγγιση ώστε να μετατρέψει ένα από τους δοσμένους κύκλους σε σημείο, μετασχηματίζοντας έτσι το πρόβλημα στην απλούστερη και ήδη λυμένη περίπτωση. Πρώτα έλλυσε την περίπτωση KEE (κύκλος και δύο ευθείες) ελαττώνοντας τον κύκλο σε σημείο, μετατρέποντας το έτσι σε περίπτωση ΕΕΣ. Έπειτα έλυσε την περίπτωση ΚΕΣ (κύκλος, ευθεία, σημείο) χρησιμοποιώντας τρία λήμματα. Ελαττώνοντας ξανά ένα κύκλο σε σημείο μετασχημάτισε το πρόβλημα ΚΚΕ σε ΚΕΣ. Έπειτα έλυσε την περίπτωση ΚΣΣ και την ΚΚΣ, την τελευταία χρησιμοποιώντας δύο λήμματα. Τέλος έλυσε την γενική περίπτωση ΚΚΚ (τρεις κύκλοι) ελαττώνοντας τον ένα κύκλο σε σημείο μετασχηματίζοντας το πρόβλημα σε ΚΚΣ.
Αλγεβρικές λύσεις
Το απολλώνιο πρόβλημα μπορεί να διατυπωθεί ως σύστημα τριών εξισώσεων για το κέντρο και την ακτίνα του κύκλου-λύση.[33] Καθώς οι τρεις δοσμένοι κύκλοι και κάθε κύκλος-λύση πρέπει να βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο, οι θέσεις τους μπορούν να αναπαρασταθούν με τις συντεταγμένες (x, y) των κέντρων τους. Για παράδειγμα το κέντρο τριών δεδομένων κύκλων μπορεί να γραφεί ως (x1, y1), (x2, y2) και (x3, y3) ενώ αυτό του κύκλου-λύση μπορεί να γραφεί ως (xs, ys). Παρομοίως οι ακτίνες των κύκλων μπορούν να αναπαρασταθούν ως r1, r2, r3 και rs, αντίστοιχα. Η απαίτηση ότι ο κύκλος-λύση πρέπει να εφάπτεται σε κάθε ένα από τους δοσμένους κύκλους μπορεί να εκφραστεί με ένα σύστημα δευτεροβάθμιων εξισώσεων για τα xs, ys και rs:
Οι τρεις αριθμοί s1, s2 και s3 στο δεξί μέρος των εξισώσεων μπορεί να ισούνται με ±1 και καθορίζουν το αν ο κύκλος-λύση εφάπτεται στον αντίστοιχο δοσμένο κύκλο εσωτερικά (s = 1) ή εξωτερικά (s = −1). Για παράδειγμα στα σχήματα 1 και 4 η ροζ λύση εφάπτεται εσωτερικά στον μεσαίου μεγέθους δοσμένο κύκλο στα δεξιά και εξωτερικά στον μικρότερο και τον μεγαλύτερο στα αριστερά, αν οι κύκλοι ταξινομηθούν με βάσει την ακτίνα οι συντελεστές s για αυτή την λύση θα είναι "− + −". Καθώς οι τρεις συντελεστές μπορούν να εκλεγούν ανεξάρτητα, υπάρχουν 8 πιθανά συστήματα εξισώσεων (2 × 2 × 2 = 8), που το καθένα αντιστοιχεί σε μία από τις 8 περιπτώσεις του κύκλου-λύση.
Το γενικό σύστημα των τριών εξισώσεων μπορεί να λυθεί με την μέθοδο των συνισταμένων. Όταν αναπτυχθούν οι εξισώσεις έχουν xs2 + ys2 στο αριστερό μέρος και rs2 στο δεξί. Αφαιρώντας ανά δύο τις εξισώσεις απαλείφονται οι όροι που είναι στο τετράγωνο και οι γραμμικοί όροι που απομένουν μπορούν να μετασχηματιστούν σε εξισώσεις για το xs και το ys
Όπου M, N, P και Q είναι γνωστές συναρτήσεις των δοθέντων κύκλων και της επιλογής των si. Η αντικατάσταση αυτών των εξισώσεων σε μία από τις αρχικές τρεις εξισώσεις δίνει μία δευτεροβάθμια εξίσωση για το rs. Η αντικατάσταση της τιμής του rs που προκύπτει από αυτή στις γραμμικές εξισώσεις δίνει τις αντίστοιχες τιμές xs και ys.
Οι συντελεστές s1, s2 και s3 στο δεξί μέρος των εξισώσεων μπορεί να επιλεγούν με οκτώ πιθανούς διαφορετικούς τρόπους, και κάθε επιλογή δίνει μέχρι δύο λύσεις καθώς η εξίσωση για το rs είναι δευτεροβάθμια. Αυτό μπορεί να υπονοεί (λανθασμένα) ότι υπάρχουν έως και δεκαέξι λύσεις στο Απολλώνιο πρόβλημα. Εντούτοις λόγω συμμετρίας των εξισώσεων, αν (rs, xs, ys) είναι μία λύση με συντελεστές si, τότε λύση είναι και η (−rs, xs, ys), με αντίθετους συντελεστές −si η οποία αναπαριστά τον ίδιο κύκλο. Επομένως το απολλώνιο πρόβλημα έχει το πολύ οκτώ ανεξάρτητες λύσεις (Σχήμα 2). Ένας τρόπος για την αποφυγή της διπλής καταμέτρησης είναι να θεωρηθούν μόνο οι κύκλοι με μη αρνητικές ακτίνες.
Οι δύο ρίζες οποιασδήποτε δευτεροβάθμιας εξίσωσης μπορεί να είναι τριών πιθανών τύπων: δύο διαφορετικοί πραγματικοί αριθμοί, δύο όμοιοι πραγματικοί αριθμοί (δηλαδή μία εκφυλισμένη διπλή λύση) ή ένα ζεύγος συζυγών μιγαδικών. Η πρώτη περίπτωση αντιστοιχεί στην συνήθη περίπτωση, κάθε ζεύγος λύσεων αντιστοιχεί σε ένα ζεύγος λύσεων που έχουν σχέση με την αντιστροφή του κύκλου, όπως περιγράφεται παρακάτω (Σχήμα 6). Στην δεύτερη περίπτωση, και οι δύο λύσεις είναι ταυτόσημες, και αντιστοιχούν σε ένα κύκλο που αν αντιστραφεί μετατρέπεται στον εαυτό του. Σε αυτή την περίπτωση ένας από τους δεδομένους κύκλους είναι ο ίδιος μία λύση στο απολλώνιο πρόβλημα, και έτσι ο αριθμός των λύσεων μειώνεται κατά ένα. Η τρίτη περίπτωση των συζυγών μιγαδικών ακτίνων δεν αντιστοιχεί σε κάποια γεωμετρικά πιθανή λύση, καθώς ένας κύκλος δεν μπορεί να έχει φανταστική ακτίνα. Έτσι ο αριθμός των λύσεων μειώνεται κατά δύο. Είναι ενδιαφέρον ότι το απολλώνιο πρόβλημα δεν μπορεί να έχει επτά λύσεις, ενώ μπορεί να έχει οποιονδήποτε άλλο αριθμό λύσεων από μηδέν έως οκτώ εν γένει.[34][12]
Σφαιρική Γεωμετρία Lie
Οι ίδιες αλγεβρικές εξισώσεις μπορούν να εξαχθούν από την σφαιρική γεωμετρία Lie.[26] Αυτή η γεωμετρία αναπαριστά κύκλους, ευθείες και σημεία με ένα ενοποιημένο τρόπο, ως πενταδιάστατα διανύσματα X = (v, cx, cy, w, sr), όπου c = (cx, cy) είναι το κέντρο του κύκλου και r είναι η (μή-αρνητική) ακτίνα του. Αν το r δεν είναι μηδέν, το πρόσημο s μπορεί να είναι θετικό ή αρνητικό, το s αναπαριστά τον προσανατολισμό του κύκλου, αντίθετα με την ωρολογιακή φορά το s κύκλου είναι θετικό ενώ προς την ωρολογιακή φορά αρνητικό. Η παράμετρος w είναι μηδέν για ευθεία και ένα στις άλλες περιπτώσεις.
σε αυτόν τον πενταδιάστατο χώρο υπάρχει ένα διγραμμικό γινόμενο παρόμοιο με το εσωτερικό γινόμενο:
Η Lie quadric ορίζεται ως τα διανύσματα των οποίων το γινόμενο με τον ευατό τους (η τετραγωνική τους νόρμα) είναι μηδενικό, (X|X) = 0. Έστω X1 and X2 δύο διανύσματα που ανήκουν σε αυτή την quadric, η νόρμα των διαφορών τους ισούται με
Το γινόμενο επιμερίζεται στην πρόσθεση και την αφαίρεση (ακριβέστερα, είναι διγραμμικό)¨:
Καθώς (X1|X1) = (X2|X2) = 0 (και τα δύο ανήκουν στην Lie quadric) και καθώς w1 = w2 = 1 για κύκλους, το γινόμενο οποιονδήποτε τέτοιων διανυσμάτων στην quadric ισούται με
όπου οι κάθετες γραμμές εκατέρωθεν του c1 − c2 αναπαριστούν το μήκος αυτού του διαφορικού διανύσματος, δηλαδή την Ευκλείδεια νόρμα. Η εξίσωση δείχνει ότι αν δύο quadric διανύσματα X1 και X2 είναι ορθογωνικά (κάθετα) μεταξύ τους—δηλαδή αν (X1|X2) = 0—τότε οι κύκλοι που τους αντιστοιχούν εφάπτονται. Αν τα δύο πρόσημα s1 και s2 είναι τα ίδια (δηλαδή οι κύκλοι έχουν τον ίδιο προσανατολισμό), οι κύκλοι εφάπτονται εσωτερικά, και η απόσταση των κέντρων τους ισούται με την διαφορά των ακτίνων τους
Αντιστρόφως, αν τα δύο πρόσημα s1 και s2 είναι διαφορετικά (δηλαδή οι κύκλοι έχουν αντίθετο προσανατολισμό), οι κύκλοι εφάπτονται εξωτερικά και η απόσταση των κέντρων τους ισούται με το άθροισμα των ακτίνων τους.
Έτσι το απολλώνιο πρόβλημα μπορεί να επαναδιατυπωθεί στην γεωμετρία Lie ως πρόβλημα εύρεσης καθέτων διανυσμάτων στην Lie quadric, ειδικότερα ο στόχος είναι ο εντοπισμός των διανυσμάτων-λύσεων Xsol τα οποία ανήκουν στην Lie quadric και είναι ορθογωνικά (κάθετα) με τα διανύσματα X1, X2 και X3 που αντιστοιχούν στους δοσμένους κύκλους.
Το πλεονέκτημα αυτής της επαναδιατύπωσης είναι ότι είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν θεωρήματα της γραμμικής άλγεβρας για τον μέγιστο αριθμό γραμμικά ανεξάρτητων, ταυτόχρονα κάθετων διανυσμάτων. Αυτό παρέχει ένα ακόμα τρόπο να υπολογιστεί ο μέγιστος αριθμός των λύσεων καθώς και να επεκταθεί το θεώρημα σε χώρους περισσοτέρων διαστάσεων.[26][35]
Μέθοδοι αντιστροφής
Μία φυσική τοποθέτηση του απολλώνιου προβλήματος είναι στην γεωμετρία της αντιστροφής.[12][4] Η βασική στρατηγική των μεθόδων αντιστροφής είναι ο μετασχηματισμός ενός δοσμένου απολλώνιου προβλήματος σε ένα άλλο πιο απλό να λυθεί, οι λύσεις του αρχικού προβλήματος μπορούν να βρεθούν από τις λύσεις του μετασχηματισμένου προβλήματος με την αναστροφή του μετασχηματισμού. Οι υποψήφιοι μετασχηματισμοί πρέπει να μετατρέπουν ένα απολλώνιο πρόβλημα σε ένα άλλο, έτσι πρέπει να μετασχηματίζουν τα δοσμένα σημεία, κύκλους και ευθείες σε άλλα σημεία, κύκλους και ευθείες και όχι άλλα σχήματα. Η αντιστροφή του κύκλου έχει αυτή την ιδιότητα και επιτρέπει την συνετή εκλογή της ακτίνας και του κέντρου του κύκλου αντιστροφής. Άλλοι υποψήφιοι μετασχηματισμοί συμπεριλαμβάνουν τις Ισομετρίες του Ευκλείδιου επιπέδου, εντούτοις δεν απλοποιούν το πρόβλημα καθώς απλώς μεταφέρουν, περιστρέφουν και ανακλούν το αρχικό πρόβλημα.
Η αντιστροφή σε ένα κύκλο κέντρου O και ακτίνας R συνίσταται από την ακόλουθη διαδικασία (Σχήμα 5): κάθε σημείο P αντιστοιχίζεται με ένα νέο σημείο P' τέτοιο ώστε τα O, P, και P' να είναι συγγραμμικά και το γινόμενο των αποστάσεών του P και του P' από το κέντρο O να ισούται με το τετράγωνο της ακτίνας R
Έτσι αν το P βρίσκεται εκτός του κύκλου τότε το P' βρίσκεται εντός και αντίστροφα. Αν το P ταυτίζεται με το O τότε το P θεωρείται ότι βρίσκεται στο άπειρο. (στην μιγαδική ανάλυση το άπειρο ορίζεται με όρους Ριμάνειας σφαίρας.) Η αντιστροφή έχει την χρήσιμη ιδιότητα ότι οι ευθείες και οι κύκλοι πάντα μετασχηματίζονται σε ευθείες και κύκλους, και τα σημεία σε σημεία. Οι κύκλοι εν γένει μετασχηματίζονται σε κύκλους αν υποστούν αντιστροφή, εντούτοις αν ο κύκλος διέρχεται από το κέντρο του κύκλου της αντιστροφής μετασχηματίζεται σε ευθεία και αντίστροφα. Είναι σημαντικό το ότι αν ένας κύκλος τέμνει τον κύκλο της αντιστροφής σε ορθές γωνίες (κάθετη τομή) τότε παραμένει αμετάβλητος από την αντιστροφή, μετασχηματίζεται στον εαυτό του.
Οι αντιστροφές κύκλων αντιστοιχούν σε υποσύνολο των μετασχηματισμών Möbius στην Ριμάνεια σφαίρα. Το απολλώνιο πρόβλημα στο επίπεδο μπορεί να μεταφερθεί στην σφαίρα με μία αντίστροφη στερεογραφική προβολή, έτσι οι λύσεις του επίπεδου απολλώνιου προβλήματος ανάγονται στις αντίστοιχές τους στην σφαίρα. Άλλες δυνατές λύσεις με αντιστροφή στο επίπεδο πρόβλημα εκτός από τις κοινές περιγράφονται παρακάτω.[36]
Ζεύγη λύσεων με αντιστροφή
Οι λύσεις του απολλώνιου προβλήματος εν γένει συναντώνται ανά ζεύγη, για κάθε κύκλο-λύση υπάρχει ένας συζυγής κύκλος-λύση (Σχήμα 6).[1] Ένας κύκλος-λύση αποκλείει τους δοσμένους κύκλους που περικλείονται από τον συζυγή του, και αντίστροφα. Για παράδειγμα στο Σχήμα 6 ο ένας κύκλος-λύση (ροζ, πάνω αριστερά) περικλείει τους δύο δοσμένους κύκλους (μαύροι), αλλά αποκλείει τον τρίτο, αντίστοιχα ο συζυγής του (επίσης ροζ, κάτω αριστερά) περικλείει τον τρίτο δοσμένο κύκλο αλλά αποκλείει τους άλλους δύο. Οι δύο συζυγείς λύσεις σχετίζονται μέσω αντιστροφής, βάσει του ακόλουθου συλλογισμού.
Εν γένει, οποιοιδήποτε τρεις διακριτοί κύκλοι έχουν ένα μοναδικό κύκλο—τον ριζικό κύκλο—ο οποίος τους τέμνει όλους κάθετα. Το κέντρο αυτού του κύκλου είναι το ριζικό κέντρο των τριών κύκλων.[4] Για παράδειγμα ο πορτοκαλί κύκλος στο Σχήμα 6 τέμνει τους μαύρους δοσμένους κύκλους με ορθές γωνίες. Η αντιστροφή με βάση τον ριζικό κύκλο αφήνει τους δοσμένους κύκλους αμετάβλητους, αλλά μετασχηματίζει τους δύο συζυγής κύκλους-λύσεις τον ένα στον άλλον. Υπό την ίδια αντιστροφή τα σημεία που αντιστοιχούν στις επαφές των κύκλων μετασχηματίζονται το ένα στο άλλο. Για παράδειγμα στο Σχήμα 6, τα δύο μπλε σημεία που βρίσκονται σε κάθε πράσινη γραμμή μετασχηματίζονται το ένα στο άλλο. Έτσι οι ευθείες που συνδέουν τα συζυγή σημεία επαφής δεν μεταβάλλονται από την αντιστροφή, συνεπώς πρέπει να διέρχονται από το κέντρο της αντιστροφής το οποίο είναι το ριζικό κέντρο (οι πράσινες ευθείες τέμνονται στο πορτοκαλί σημείο στο Σχήμα 6).
Αντιστροφή σε δακτύλιο
Αν δύο από τους τρεις δοσμένους κύκλους δεν τέμνονται, το κέντρο της αντιστροφής μπορεί να επιλεχθεί ώστε οι αυτοί οι δύο δοσμένοι κύκλοι να γίνουν ομόκεντροι.[2][12] Με αυτή την αντιστροφή οι κύκλοι-λύσεις πρέπει να βρίσκονται εντός του δακτύλιου που σχηματίζεται από τους ομόκεντρους κύκλους. Συνεπώς ανήκουν σε δύο μονοπαραμετρικές οικογένειες. Στην πρώτη οικογένεια (Σχήμα 7), οι λύσεις δεν περικλείουν τον εσωτερικό ομόκεντρο κύκλο ενώ στην δεύτερη οικογένεια (Σχήμα 8), οι κύκλοι-λύσεις περικλείουν τον εσωτερικό ομόκεντρο κύκλο. Υπάρχουν εν γένει τέσσερεις λύσεις για κάθε οικογένεια, δίνοντας συνολικά οκτώ πιθανές λύσεις, διατηρώντας την συνέπεια με την αλγεβρική λύση.
Όταν δύο από τους δοσμένους κύκλους είναι ομόκεντροι, το απολλώνιο πρόβλημα μπορεί να λυθεί εύκολα χρησιμοποιώντας μία μέθοδο του Γκάους.[28] Οι ακτίνες των τριών δεδομένων κύκλων είναι γνωστές, όπως και η απόσταση dnon από το κοινό κέντρο των ομόκεντρων στο κέντρο του μη ομόκεντρου κύκλου (Σχήμα 7). Ο κύκλος λύση μπορεί να καθοριστεί από την ακτίνα του, rs, την γωνία θ, και τις αποστάσεις ds και dT από το κέντρο του στο κοινό κέντρο των ομόκεντρων και στο κέντρο του μη ομόκεντρου κύκλου αντίστοιχα. Η ακτίνα και η απόσταση ds είναι γνωστά (Σχήμα 7) και η απόσταση dT = rs ± rnon, αναλόγως με το αν ο κύκλος λύση είναι εφαπτόμενος εσωτερικά ή εξωτερικά στον μη ομόκεντρο κύκλο. Έτσι από τον νόμο των συνημιτόνων
Εδώ εισάγεται για συντομία μία νέα σταθερά C, της οποίας ο δείκτης αναπαριστά το άν η λύση εφάπτεται εσωτερικά ή εξωτερικά. Ένας απλός τριγωνομετρικός μετασχηματισμός δίνει τις τέσσερις λύσεις
Η εξίσωση αναπαριστά τέσσερις λύσεις που αντιστοιχούν στις δύο επιλογές του προσήμου του θ και τις δύο επιλογές για το C. Οι υπόλοιπες τέσσερις λύσεις μπορούν να βρεθούν με την ίδια μέθοδο χρησιμοποιώντας τις αντικαταστάσεις για το rs και το ds όπως φαίνονται στο Σχήμα 8. Έτσι μπορούν να βρεθούν και οι οκτώ λύσεις του απολλώνιου προβλήματος με αυτή τη μέθοδο.
Οποιοιδήποτε αρχικά ασύνδετοι κύκλοι μπορούν να μετασχηματιστούν σε ομόκεντρους ως εξής. ο ριζικός άξονας των δύο δοσμένων κύκλων και έπειτα επιλέγοντας αυθαίρετα δύο σημεία P και Q σε αυτόν μπορούν να κατασκευαστούν δύο κύκλοι με κέντρα αυτά τα σημεία και ώστε να τέμνουν τους δύο δοσμένους κύκλους κάθετα. Αυτοί οι δύο κατασκευασμένοι κύκλοι τέμνουν ο ένας τον άλλο σε δύο σημεία. Η αντιστροφή σε ένα από τα δύο αυτά σημεία τομής, F, μετασχηματίζει τους κατασκευασμένους κύκλους σε ευθείες που διέρχονται από το F και τους δύο δεδομένους κύκλους σε ομόκεντρους, ενώ τον τρίτο σε κάποιο άλλο εν γένει κύκλο. Αυτό συμβαίνει επειδή το σύστημα των κύκλων είναι ισοδύναμε με ένα σύνολο απολλώνιων κύκλων, που συνιστούν διπολικό σύστημα συντεταγμένων.
Αλλαγή μεγέθους και αντιστροφή
Η χρησιμότητα της αντιστροφής μπορεί να αυξηθεί σημαντικά με την αλλαγή μεγέθους.[37][38] Όπως σημειώθηκε στην ανακατασκευή του Βιέτ, οι τρεις δεδομένοι κύκλοι και ο κύκλος λύση μπορούν να αλλάξουν μέγεθος ενώ διατηρούν την επαφή τους. Έτσι το αρχικό απολλώνιο πρόβλημα μετασχηματίζεται σε ένα άλλο που ενδεχομένω είναι ευκολότερο να λυθεί. Για παράδειγμα, οι τέσσερις κύκλοι μπορούν αν αλλάξουν μέγεθος ώστε ο ένας δοσμένος κύκλος να ελαττωθεί σε σημείο, εναλλακτικά, συχνά δύο δοσμένοι κύκλοι μπορούν ματαβληθούν ώστε εφάπτονται μεταξύ τους. Και τρίτον, δύο δοσμένοι κύκλοι που τέμνονται μπορούν να ρυθμιστούν ώστε να μην τέμνονται, ώστε να μπορεί να εφαρμοστεί η αντιστροφή σε δακτύλιο. Σε όλες αυτές τις περιπτώσει η λύση του απολλώνιο προβλήματος μπορεί να ανακτηθεί από το μετασχηματισμένο πρόβλημα με την άρση της αλλαγής μεγέθους και της αντιστροφής.
Ελάττωση ενός δοσμένου κύκλου σε σημείο
Στην πρώτη προσέγγιση, οι δοσμένοι κύκλοι μειώνονται ή μεγενθύνονται (αναλογικά με την επαφή) μέχρι κάποιος από αυτούς να ελαττωθεί σε σημείο (P).[37] Σε αυτή την περίπτωση το απολλώνιο πρόβλημα εκφυλίζεται στην περίπτωση ΚΚΣ, που είναι το πρόβλημα εύρεση ενός κύκλου που να εφάπτεται σε δύο κύκλους και να διέρχεται από το σημείο P. Η αντιστροφή σε κύκλο με κέντρο το P μετασχηματίζει τους δύο δοσμένους κύκλους σε δύο νέους και τον κύκλο-λύση σε ευθεία. Έτσι η μετασχηματισμένη λύση είναι μία ευθεία που εφάπτεται στους δύο μετασχηματισμένους δεδομένους κύκλους. Υπάρχουν τέσσερις τέτοιες ευθείες-λύσεις, που μπορούν να κατασκευαστούν από το εξωτερικό και το εσωτερικό ομοθετικό κέντρο των δύο κύκλοων. Η άρση της αναστροφής και της αλλαγής μεγέθους μετασχηματίζει αυτές τις λύσεις στον επιθυμητό κύκλο-λύση του αρχικού απολλώνιου προβλήματος. Όλες οι οκτώ γενικές λύσεις μπορούν να ανακτηθούν από την αλλαγή μεγέθους των κύκλων ανάλογα με τις εσωτερικές και εξωτερικές επαφές της κάθε λύσης, εντούτοις πρέπει να ελαττωθούν σε σημείο διαφορετικοί κύκλοι για διαφορετικές λύσεις.
Αλλαγή μεγέθους ώστε δύο δοσμένοι κύκλοι να αλλοεφάπτονται
Στην δεύτερη προσέγγιση, οι ακτίνες των δοσμένων κύκλων ρυθμίζονται αναλογικά με μία ποσότητα Δr έτσι ώστε δύο από αυτούς να εφάπτονται μεταξύ τους.[38] Το σημείο επαφής επιλέγεται ως το κέντρο της αντιστροφής σε κύκλο ώστε να τέμνει τον καθένα από τους εφαπτόμενους κύκλους σε δύο σημεία. Με την αντιστροφή, οι εφαπτόμενοι κύκλοι μετασχηματίζονται σε παράλληλες ευθείες: το μοναδικό σημείο επαφής τους βρίσκεται στο άπειρο, έτσι δεν συναντώνται. Η ίδια αντιστροφή μετασχηματίζει τον τρίτο κύκλο σε άλλο κύκλο. Η λύση του αντεστραμμένου προβλήματος πρέπει να είναι είτε (1) μία ευθεία παράλληλη στις δύο δοσμένες παράλληλες και εφαπτόμενη στον τρίτο δεδομένο κύκλο, είτε (2) ένας κύκλος σταθερής ακτίνας που εφάπτεται στις δύο ευθείες και τον τρίτο κύκλο. Η άρση της αναστροφής και η ρύθμιση όλων των κύκλων κατά Δr παράγει τον κύκλο-λύση που εφάπτεται στους αρχικούς τρεις κύκλους.
Η επίλυση του Ζεργκόν
Η προσέγγιση του Ζεργκόν είναι να θεωρήσει τους κύκλους-λύσεις σε ζεύγη.[1] Έστω ένα ζεύγος κύκλων λύσεων που σημειώνεται ως CA και CB (οι δύο ροζ κύκλοι στο Σχήμα 6) και έστω τα σημεία επαφής τους με τους δοσμένους κύκλους A1, A2, A3, και B1, B2, B3, αντίστοιχα. Η επίλυση του Ζεργκόν στοχεύει στον εντοπισμό αυτών των σημείων και έτσι στην λύση για αυτούς τους δύο κύκλους. Η ενόραση του Ζεργκόν ήταν ότι η ευθεία L1 μπορούσε να κατασκευαστεί έτσι ώστε τα A1 και B1 να βρίσκονται οπωσδήποτε πάνω της, αυτά τα σημεία μπορούν να αναγνωριστούν ως τα σημεία τομής της L1 με τον δοσμένο κύκλο C1 (Σχήμα 6). Τα υπόλοιπα τέσσερα σημεία επαφής μπορούν να εντοπιστούν με παρόμοιο τρόπο, βρίσκοντας τις ευθείες L2 and L3 που περιέχουν τα A2 και B2, και A3 και B3 αντίστοιχα. Για την κατασκευή μιας ευθείας όπως η L1, δύο σημεία πρέπει να αναγνωριστούν ότι βρίσκονται πάνω της, αλλά αυτά τα σημεία δεν είναι κατ' ανάγκη σημεία επαφής. Ο Ζεργκόν μπόρεσε να αναγνωρίσει δύο άλλα σημεία για κάθε μία από τις τρεις ευθείες. Ένα από τα δύο σημεία είχε ήδη αναγνωριστεί: το ριζικό κέντρο G κείται και στις τρεις ευθείες (Σχήμα 6).
Για τον εντοπισμό ενός δεύτερου σημείου των ευθειών L1, L2 και L3, ο Ζεργκόν παρατήρησε ότι υπάρχει παλινδρομική σχέση μεταξύ αυτών των ευθειών και του ριζικού άξονα R των κύκλων λύσεων, CA και CB. Για να γίνει κατανοητή αυτή η σχέση, ας θεωρηθούν δύο εφαπτόμενες ευθείες στον κύκλο C1 στα σημεία επαφής A1 και B1 με τον κύκλο-λύση. Η τομή αυτών των εφαπτόμενων είναι ο πόλος της L1 στον C1. Αφού οι αποστάσεις από τον πόλο στα σημεία επαφής A1 και B1 είναι ίσες, ο πόλος πρέπει επίσης να βρίσκεται στον ριζικό άξονα R των κύκλων-λύσεων, εξ ορισμού (Σχήμα 9). Η σχέση μεταξύ των των πόλων και των πολικών ευθειών είναι παλινδρομική, αν ο πόλος της L1 στονC1 βρίσκεται στον R, ο πόλος του R στον C1 βρίσκεται αντίστοιχα στην L1. Έτσι αν μπορεί να κατασκευαστεί ο R, μπορεί να βρεθεί ο πόλος του P1 στον C1 και έτσι να βρεθεί το ζητούμενο δεύτερο σημείο της L1 (Σχήμα 10).
Ο Ζεργκόν βρήκε τον ριζικός άξονας R των άγνωστων κύκλων λύσεων ως εξής. Κάθε ζεύγος κύκλων έχει δύο ομοθετικά κέντρα, αυτά τα δύο σημεία είναι οι δύο πιθανές τομές των δύο εφαπτόμενων ευθειών στους δύο κύκλους. Έτσι, οι τρεις δοσμένοι κύκλοι έχουν έξι ομοθετικά κέντρα, δύο για κάθε διακριτό ζεύγος κύκλων. Είναι αξιοσημείωτο ότι αυτά τα έξι σημεία βρίσκονται σε τέσσερεις ευθείες, τρία σημεία σε κάθε ευθεία, επιλέον καθε ευθεία αντιστοιχεί στον ριζικό άξονα ενός εν δυνάμει ζεύγους κύκλων-λύσεων. Για να το αποδείξει αυτό ο Ζεργκόν θεώρησε ευθείες που περνούν από τα αντίστοιχα σημεία επαφής των δοσμένων κύκλων, π.χ. η ευθεία που ορίζεται από το A1/A2 και η ευθεία που ορίζεται από το B1/B2. Έστω X3 το ομοθετικό κέντρο των δύο κύκλων C1 and C2, τότε τα A1/A2 καιB1/B2 είναι αντιομόλογα σημεία και οι ευθείες τους τέμνονται στο X3. Συνεπάγεται λοιπόν ότι τα γινόμενα των αποστάσεων είναι ίσα.
το οποίο υποδηλώνει ότι το X3 βρίσκεται στον ριζικό άξονα των δύο κύκλων-λύσεων. Ο ίδιος συλλογισμός μπορεί να εφαρμοστεί και στα άλλα ζεύγη κύκλων, έτσι ώστε τα τρία ομοθετικά κέντρα των δοσμένων κύκλων πρέπει να βρίσκονται στους ριζικούς άξονες ζευγών λύσεων.
Συνοψίζοντας, η επιθυμητή ευθεία L1 ορίζεται από δύο σημεία, το ριζικό κέντρο G των τριών δοσμένων κύκλων και του πόλου στο C1 μίας από τις τέσσερις ευθείες που ενώνουν τα ομοθετικά κέντρα. Βρίσκοντας τους ίδιους πόλους στα C2 και C3 βρίσκονται οι 'L2 και L3 αντίστοιχα. Συνεπώς και τα έξι σημεία μπορούν να εντοπιστούν, από τα οποία μπορεί να βρεθεί ένα ζεύγος λύσεων. Επαναλαμβάνοντας την ίδια διαδικασία για τις υπόλοιπες τρείς ευθείες ομοθετικών κέντρων βρίσκονται έξι ακόμα λύσεις, δηλαδή οκτώ συνολικά. Εντούτοις αν μία ευθεία Lk δεν τέμνει τον κύκλο της Ck για κάποιο k δεν υπάρχει ζεύγος λύσεων για αυτή την ευθεία ομοθετικών κέντρων.
Ειδικές περιπτώσεις
Δέκα συνδυασμοί σημείων, κύκλων και ευθειών
Το απολλώνιο πρόβλημα συνίσταται στην κατασκευή ενός ή περισσοτέρων κύκλων που να εφάπτονται σε τρία δεδομένα αντικείμενα στο επίπεδο, τα οποία μπορεί να είναι κύκλοι, σημεία, ή ευθείες. Έτσι προκείπτουν δέκα τύποι του προβλήματος, ένας για κάθε συνδυασμό κύκλων, ευθειών και σημείων, ο καθένας από τους οποίους μπορεί να κωδικοποιηθεί με τρία γράμματα, είτε Κ, Ε, or Σ αναλόγως αν το στοιχείο είναι κύκλος, ευθεία ή σημείο αντίστοιχα.[32] Για παράδειγμα ο τύπος του απολλώνιου προβλήματος με ένα δεδομένο κύκλο, μία ευθεία και ένα σημείο σημειώνεται ως ΚΕΣ.
Μερικές από αυτές τις ειδικές περιπτώσεις είναι πολύ ευκολότερο να επιλυθούν από την γενική περίπτωση των τριών κύκλων. Οι δύο απλούστερες περιπτώσεις είναι τα προβλήματα της κατασκευής ενός κύκλου που να περνάει από τρία σημεία (ΣΣΣ) ή να εφάπτεται σε τρεις ευθείες (ΕΕΕ), τα οποία επιλύθηκαν αρχικά από τον Ευκλείδη στα Στοιχεία. Για παράδειγμα το πρόβλημα ΣΣΣ μπορεί να λυθεί ως εξής. Το κέντρο του κύκλου-λύση ισαπέχει από τα τρία σημεία, και έτσι πρέπει να βρίσκεται στην μεσοκάθετο κάθε δύο εξ αυτών. Έτσι το κέντρο είναι το σημείο τομής οποιονδήποτε δυο από τις μεσοκαθέτους δύο σημείων. Παρομοίως στην περίπτωση ΕΕΕ το κέντρο πρέπει να βρίσκεται στην διχοτόμο της γωνίας που σχηματίζεται από δύο από τις ευθείες και συνεπώς στο σημείο τομής δύο τέτοιων διχοτόμων. Εφόσον υπάρχουν δύο τέτοιες διχοτόμοι σε κάθε σημείο τομής των δεδομένων ευθειών υπάρχουν τέσσερις λύσεις στο γενικό πρόβλημα ΕΕΕ.
Τα σημεία και οι ευθείες μπορούν να θεωρηθούν ως ειδικές περιπτώσεις κύκλων, ένα σημείο μπορεί να θεωρηθεί ως κύκλος με απείρως μικρή ακτίνα και μία ευθεία ως κύκλος με απείρως μεγάλη, του οποίου το κέντρο βρίσκεται στο άπειρο. Από αυτή την οπτική το απολλώνιο πρόβλημα συνίσταται στην κατασκευή κύκλων εφαπτόμενων σε τρεις δεδομένους κύκλους. Οι υπόλοιπες εννιά περιπτώσεις μπορούν να θεωρηθούν ειδικές περιπτώσεις του γενικού προβλήματος.[32][12] Αυτές οι ειδικές περιπτώσεις συχνά έχουν μικρότερο αριθμό λύσεων από το γενικό πρόβλημα. Για παράδειγμα κάθε αντικατάσταση ενός δεδομένου κύκλου με σημείο υποδιπλασιάζει των αριθμό των λύσεων καθώς ένα σημείο εφάπτεται ταυτόχρονα και εσωτερικά και εξωτερικά στην λύση.
| α/α | Κωδικός | Δεδομένα στοιχεία | Αριθμός λύσεων (εν γένει) |
Παράδειγμα (λύση με ροζ, δεδομένα με μαύρο) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | ΣΣΣ | τρία σημεία | 1 | 
|
| 2 | ΕΣΣ | μία ευθεία και δύο σημεία | 2 | 
|
| 3 | ΕΕΣ | δύο ευθείες και ένα σημείο | 2 | 
|
| 4 | ΚΣΣ | ένας κύκλος και δύο σημεία | 2 | 
|
| 5 | ΕΕΕ | τρεις ευθείες | 4 | 
|
| 6 | ΚΕΣ | ένας κύκλος, μία ευθεία και ένα σημείο | 4 | 
|
| 7 | ΚΚΣ | δύο κύκλοι και ένα σημείο | 4 | 
|
| 8 | ΚΕΕ | ένας κύκλος και δύο ευθείες | 8 | 
|
| 9 | ΚΚΕ | δύο κύκλοι και μία ευθεία | 8 | 
|
| 10 | ΚΚΚ | τρεις κύκλοι (το κλασικό πρόβλημα) | 8 | 
|
Αριθμός λύσεων
Το πρόβλημα της απαρίθμησης του αριθμού των λύσεων διαφορετικών τύπων του απολλώνιου προβλήματος ανήκει στο πεδίο της απαριθμητικής γεωμετρίας.[39][40] Ο γενικός αριθμός λύσεων για κάθε ένα από τους δέκα τύπους του απολλώνιου προβλήματος δίνεται στον Πίνακα 1. Εντούτοις, ειδικές διατάξεις των δοσμένων στοιχείων μπορεί να αλλάξουν τον αριθμό των λύσεων. Για παράδειγμα το απολλώνιο πρόβλημα δεν έχει λύση αν ένας από τους κύκλους χωρίζει τους άλλους δύο (Σχήμα 11), για να εφάπτεται και στους δύο μη διαγραμμισμένους κύκλους, ο κύκλος λύση θα πρέπει να τέμνει τον διαγραμμισμένο. Αντίστροφα αν όλοι οι δοσμένοι κύκλοι εφάπτονται στο ίδιο σημείο τότε οποιοσδήποτε κύκλος εφάπτεται σε αυτό το σημείο είναι λύση του προβλήματος, τέτοιες περιπτώσεις του απολλώνιου προβλήματος έχουν άπειρες λύσεις. Αν οσοιδήποτε από τους δοσμένους κύκλους ταυτίζονται υπάρχουν αντίστοιχα άπειρες λύσεις. Αν μόνο δύο από τους δοσμένους κύκλους ταυτίζονται τότε υπάρχουν δύο διακριτοί δοσμένοι κύκλοι και τα κέντρα των κύκλων λύσεων σχηματίζουν μία υπερβολή, όπως χρησιμοποιήθηκε στην μία λύση του απολλώνιου προβλήματος.
Πρώτη φορά έγινε εξαντλητική καταμέτρηση των λύσεων για όλες τις πιθανές διατάξεις των τριών κύκλων, σημείων και ευθειών από των Muirhead το 1896,[41] ενώδουλειά προς την κατεύθυνση αυτή είχε γίνει από τον Στρόλ (Stroll)[42] και τον Study.[43] Εντούτοις, το έργο του Muirhead ήταν ατελές, επεκτάθηκε το 1974[44] και η οριστική καταμέτρηση, 33 διακριτών περιπτώσεων δημοσιεύτηκε το 1983.[12] Παρόλο που οι λύσεις του απολλώνιου προβλήματος εν γένει εμφανίζονται ανά ζεύγη που σχετίζονται δι' αντιστροφής σε μερικές περιπτώσεις είναι δυνατόν να υπάρχει περιττός αριθμός λύσεων. Π.χ. υπάρχει μοναδική λύση στην περίπτωση ΣΣΣ ή όταν ένας ή τρεις δοσμένοι κύκλοι είναι οι ίδιοι λύσεις. (Ένα τέτοιο παράδειγμα δίνεται παρακάτω στην ενότητα για το θεώρημα του Καρτέσιου.) Παρόλα αυτά δεν υπάρχει απολλώνιο πρόβλημα με επτά λύσεις.[42][34] Έχουν αναπτυχθεί εναλλακτικές λύσεις βασισμένες γεωμετρία των κύκλων και των σφαιρών και έχουν χρησιμοποιηθεί για περισσότερες διαστάσεις.[26][35]
Αμοιβαίως εφαπτόμενοι κύκλοι: Κύκλοι Soddy και το Θεώρημα του Καρτέσιου
Αν οι τρεις δοσμένοι κύκλοι είναι αμοιβαίως εφαπτόμενοι, το απολλώνιο πρόβλημα έχει πέντε λύσεις. Τρεις λύσεις είναι οι ίδιοι οι τρεις δοσμένοι κύκλοι, καθώς ο καθένας εφάπτεται στον εαυτό του και στους άλλους δύο. Οι υπόλοιπες δύο λύσεις (που φαίνονται με κόκκινο στο σχήμα 12) που αντιστοιχούν στον εγγεγραμμένο και τον περιγεγραμμένο κύκλο ονομάζονται και Κύκλοι του Soddy.[45] Αυτή η ειδική περίπτωση του προβλήματος είναι γνωστή και ως πρόβλημα των τεσσάρων νομισμάτων.[46] Οι τρεις δοσμένοι κύκλοι αυτού του προβλήματος σχηματίζουν μία Αλυσίδα Steiner που εφάπτεται στους δύο κύκλους Soddy.
Οποιοσδήποτε από τους κύκλους Soddy αν παρθεί μαζί με τους τρεις δοσμένους κύκλους παράγει ένα σύνολο κύκλων που είναι όλοι αμοιβαίως εφαπτόμενοι σε έξι σημεία. Οι ακτίνες αυτών των κύκλων σχετίζονται με μία εξίσωση που είναι γνωστή ως Θεώρημα του Καρτέσιου. Το 1643 σε ένα γράμμα του στην πριγκίπισσα Ελισάβετ της Βοημίας[47] ο Καρτέσιος έδειξε ότι:
όπου ks = 1/rs και rs είναι η καμπυλότητα και η ακτίνα του κύκλου-λύση αντίστοιχα και παρομοίως οι καμπυλότητες k1, k2 and k3 και οι ακτίνες r1, r2 and r3 των τριών δοσμένων κύκλων. Για κάθε σύνολο τεσσάρων αμοιβαίως εφαπτόμενων κύκλων υπάρχει ένα δεύτερο σύνολο τεσσάρων αμοιβαίως εφαπτόμενων κύκλων που εφάπτονται στα ίδια έξι σημεία. [2][48]
Το θεώρημα του Καρτέσιου ανακαλύφθηκε ανεξάρτητα το 1826 από τον Jakob Steiner,[49] το 1842 από τον Philip Beecroft,[2][48] και ξανά το 1936 από τον Frederick Soddy.[50] Ο Soddy εξέδωσε τα πορίσματά του στο επιστημονικό περιοδικό Nature ως ποίημα, The Kiss Precise (Το ακριβές φιλί). Η πρώτη στροφή περιγράφει τους κύκλους του Soddy ενώ η δεύτερη το θεώρημα του Καρτέσιου. Στο ποίημα δύο κύκλοι αναφέρεται ότι «φιλιούνται» (kiss) όταν εφάπτονται ενώ ο όρος «bend» αναφέρεται στην καμπυλότητα k του κύκλου.
Διάφορες επεκτάσεις στο θεώρημα του Καρτέσιου έχουν βρεθεί από τον Daniel Pedoe.[51]
Γενικεύσεις
Το απολλώνιο πρόβλημα μπορεί να επεκταθεί στην κατασκευή όλων των κύκλων που τέμνουν τρεις δοσμένους κύκλους με μία συγκεκριμένη γωνία θ ή με τρεις συγκεκριμένες γωνίες θ1, θ2 και θ3;[49], το σύνηθες πρόβλημα αντιστοιχεί στην ειδική περίπτωση στην οποία ή γωνία τομής είναι μηδέν για όλους τους δοσμένους κύκλους. Μια άλλη γενίκευση είναι η δυαδική της πρώτης επέκτασης, και συνίσταται στην κατασκευή κύκλων με τρεις συγκεκριμένες αποστάσεις επαφής από τρεις δοσμένους κύκλους.[26]
Το απολλώνιο πρόβλημα μπορεί να επεκταθεί από το επίπεδο σε σφαιρική επιφάνεια και άλλες δευτεροβάθμιες επιφάνειες. Για την σφαίρα, το πρόβλημα συνίσταται στην κατασκευή όλων των κύκλων (όρια των σφαιρικών τομών) που εφάπτονται σε τρεις δοσμένους κύκλους επί της σφαίρας.[24][52][53] Αυτό το σφαιρικό πρόβλημα μπορεί να μετασχηματιστεί σε επίπεδο πρόβλημα χρησιμοποιώντας στερεογραφική προβολή. Αφού κατασκευαστούν οι λύσεις στο επίπεδο πρόβλημα μπορούν να καθοριστούν οι λύσεις του του σφαιρικού προβλήματος με αντιστροφή της στερεογραφικής προβολής. Ακόμα γενικότερα, μπορεί να θεωρηθεί το πρόβλημα τεσσάρων εφαπτόμενων καμπυλών που προκύπτουν από την τομή τυχαίων δευτεροβάθμιων επιφανειών με τέσσερα επίπεδα, όπως προτάθηκε για πρώτη φορά από τον Charles Dupin.[9]
Λύνοντας το απολλώνιο πρόβλημα επαναληπτικά για την εύρεση των εγγεγραμμένων κύκλων, τα κενά μεταξύ των εφαπτόμενων κύκλων μπορούν να πληρωθούν αυθαίρετα, σχηματίζοντας το απολλώνιο έμβυσμα, γνωστή και ως Leibniz packing ή Apollonian packing.[54] Αυτό το έμβυσμα είναι φράκταλ, όντας αυτοόμοιο και έχοντας διάσταση Hausdorff d η οποία δεν είναι μεν γνωστή με ακρίβεια αλλά είναι της τάξης του 1,3,,[55] το οποίο είναι μεγαλύτερη από από μία κανονική (ή πεπερασμένου μήκους) καμπύλη (d = 1) αλλά μικρότερη από από αυτή του επιπέδου (d = 2). Το απολλώνιο έμβυσμα περιγράφηκε για πρώτη φορά από τον Γκότφριντ Βίλχελμ Λάιμπνιτς τον 17ο αιώνα, και είναι καμπύλος πρόδρομος του τριγώνου Sierpiński.[56] Το απολλώνιο έμβυσμα έχει στενούς δεσμούς με άλλα πεδία των μαθηματικών, για παράδειγμα, είναι το οριακό σύνολο των συνόλων Klein.[57]
Η διάταξη με ένα κύκλο να εφάπτεται σε τέσσερις κύκλους στο επίπεδο έχει ειδικές ιδιότητες, οι οποίες διερευνήθηκαν από τον Larmor (1891)[58] και τον Lachlan (1893).[59] Αυτή η διάταξη είναι και η βάση του θεωρήματος του Casey,[17] όντας ταυτόχρονα και γενίκευση του θεωρήματος του Πτολεμαίου.[37]
Η επέκταση του απολλώνιου προβλήματος σε τρεις διαστάσεις, δηλαδή το πρόβλημα εύρεσης σφαίρας που να εφάπτεται σε τέσσερις δοσμένες σφαίρες, μπορεί να λυθεί με ανάλογες μεθόδους.[9] Για παράδειγμα, οι δοσμένες και η σφαίρα-λύση μπορούν να αλλάξουν μέγεθος έτσι ώστε μία δεδομένη σφαίρα να ελαττωθεί σε σημείο διατηρώντας τις επαφές όλων των σφαιρών.[38] Η αντιστροφή σε αυτό το σημείο, μετασχηματίζει το πρόβλημα σε αυτό της εύρεσης ενός επιπέδου που να είναι εφαπτόμενο σε τρεις δοσμένες σφαίρες. Υπάρχουν εν γένει οκτώ τέτοια επίπεδα, τα οποία δίνουν τις λύσεις του αρχικού προβλήματος αναστρέφοντας την αντιστροφή και επαναφέροντας το μέγεθος. Το πρόβλημα αντιμετωπίστηκε πρώτη φορά από τον Πιέρ ντε Φερμά,[60] ενώ έχουν αναπτυχθεί διάφορες εναλλακτικές μέθοδοι ανά τους αιώνες.[61]
Το απολλώνιο πρόβλημα μπορεί να επεκταθεί σε d διαστάσεις, ώστε να ζητείται η κατασκευή υπερσφαιρών εφαπτόμενων σε ένα σύνολο d + 1 υπερσφαιρών.[40] Μετά την δημοσίευση του Frederick Soddy μιας νέας απόδειξης του θεωρήματος του Καρτέσιου το 1936, αρκετοί έλυσαν (ανεξάρτητα) την περίπτωση των αμοιβαίως εφαπτόμενων αντικειμένων που αντιστοιχεί στους κύκλους Soddy d διαστάσεων.[62]
Εφαρμογές
Η κύρια εφαρμογή του απολλώνιου προβλήματος, όπως διατυπώθηκε από τον Ισαάκ Νιούτον, είναι ο υπερβολικός τριπλευρισμός, ο οποίος έχει στόχο τον καθορισμό της θέσεις από τις διαφορές αποστάσεων μεταξύ τουλάχιστον τριών σημείων.[8] Για παράδειγμα ένα πλοίο μπορεί να ζητά να καθορίσει την θέση του από τις διαφορές στον χρόνο άφιξης σημάτων από τρεις συγχρονισμένους μεταδότες. Λύσεις του απολλώνιου προβλήματος χρησιμοποιήθηκαν στον Α' Παγκόσμιο Πόλεμο για να καθοριστεί η θέσει ενός στοιχείου πυροβολικού από τον χρόνο που χρειάστηκε για να ακουστεί μια βολή σε τρεις διαφορετικές θέσεις,[9] ενώ ο υπερβολικό τριπλευρισμός είναι η αρχή που χρησιμοποιούν το Σύστημα πλοήγησης Decca και το LORAN.[7] Παρομοίως η θέση ενός αεροσκάφους μπορεί να καθοριστεί από τις διαφορές στον χρόνο άφιξης του σήματος του αναμεταδότη του σε τέσσερις σταθμούς λήψης. Αυτό το πρόβλημα πολυπλευρισμού είναι ανάλογο με την γενίκευση του απολλώνιου προβλήματος σε τρεις διαστάσεις και έχει εφαρμογές σε παγκόσμιου εντοπισμού θέσης όπως το GPS.[31] Χρησιμοποιείται ακόμα για τον καθορισμό της θέσης ζώων (πουλιά και φάλαινες) αν και δεν λαμβάνεται υπόψη στο πρόβλημα το γεγονός της διαφοράς στην ταχύτητα του ήχου ανάλογα με την διεύθυνση (το μέσο διάδοσης δεν είναι ισότροπο).[63]
Το απολλώνιο πρόβλημα έχει και άλλες εφαρμογές. Στα Principia (Βιβλίο 1, Πρόταση 21) ο Ισαάκ Νιούτον χρησιμοποίησε την λύση του απολλώνιου προβλήματος για να κατασκευάσει μία τροχιά στην ουράνια μηχανική από το κέντρο έλξης και παρατηρήσεις των εφαπτόμενων ευθειών στην τροχιά που αντιστοιχούν σε στιγμιαίες ταχύτητες.[9] Η ειδική περίπτωση του προβλήματος στην οποία οι τρεις δοσμένοι κύκλοι εφάπτονται μεταξύ τους βρίσκει εφαρμογή στην μέθοδο κύκλου Hardy–Littlewood της αναλυτικής θεωρίας αριθμών για την κατασκευή της καμπύλης Hans Rademacher για την μιγαδική ολοκλήρωση, που δίνεται από τα όρια ενός απειροσυνόλου κύκλων Ford, που καθένας εξ αυτών εφάπτεται με μερικούς άλλους.[64] Τέλος, το απολλώνιο πρόβλημα έχει εφαρμογές σε μερικούς τύπους προβλημάτων συσκευασίας τα οποία προκύπτουν σε διάφορα πεδία όπως στον κώδικα διόρθωσης σφαλμάτων που χρησιμοποιείται στα DVD και στον σχεδιασμό φαρμακευτικών παρασκευασμάτων που συνδέονται με ένα συγκεκριμένο ένζυμο κάποιου παθογενούς βακτηρίου.[65]
Παραπομπές
- ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 Dörrie H (1965). «The Tangency Problem of Apollonius». 100 Great Problems of Elementary Mathematics: Their History and Solutions. New York: Dover. σελίδες 154–160 (§32).
- ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 Coxeter HSM (01 Jan 1968). «The Problem of Apollonius». The American Mathematical Monthly 75 (1): pp. 5–15. doi:. ISSN 00029890.
- ↑ 3,0 3,1 Coolidge JL (1916). A Treatise on the Circle and the Sphere. Oxford: Clarendon Press. σελίδες 167–172.
- ↑ 4,0 4,1 4,2 Coxeter HSM, Greitzer SL (1967). Geometry Revisited. Washington: MAA. ISBN 978-0883856192.
- ↑ Coxeter, HSM (1969). "Introduction to Geometry" (2nd έκδοση). New York: Wiley. ISBN 978-0471504580.
- ↑ Needham, T (2007). "Visual Complex Analysis". New York: Oxford University Press. σελίδες 140–141. ISBN 978-0-19-853446-4.
- ↑ 7,0 7,1 Hofmann-Wellenhof B, Legat K, Wieser M, Lichtenegger H (2003). Navigation: Principles of Positioning and Guidance. Springer. ISBN 978-3211008287.
- ↑ 8,0 8,1 Schmidt, RO (1972). «A new approach to geometry of range difference location». IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems AES-8: 821–835. doi:.
- ↑ 9,0 9,1 9,2 9,3 9,4 9,5 9,6 Althiller-Court N (1961). «The problem of Apollonius». The Mathematics Teacher 54: 444–452.
- ↑ Gabriel-Marie F (1912). Exercices de géométrie, comprenant l'esposé des méthodes géométriques et 2000 questions résolues. Tours: Maison A. Mame et Fils. σελίδες 18–20, 673–677. (Γαλλικά)
- ↑ 11,0 11,1 Πάππος (1876). F Hultsch, επιμ. Pappi Alexandrini collectionis quae supersunt (3 volumes έκδοση). (Λατινικά)
- ↑ 12,0 12,1 12,2 12,3 12,4 12,5 Bruen A, Fisher JC, Wilker JB (1983). «Apollonius by Inversion». Mathematics Magazine 56: 97–103.
- ↑ 13,0 13,1 van Roomen A (1596). Problema Apolloniacum quo datis tribus circulis, quaeritur quartus eos contingens, antea a…Francisco Vieta…omnibus mathematicis…ad construendum propositum, jam vero per Belgam…constructum (στα latin). Würzburg: Typis Georgii Fleischmanni. (Λατινικά)
- ↑ 14,0 14,1 Newton I (1974). DT Whiteside, επιμ. The Mathematical Papers of Isaac Newton, Volume VI: 1684–1691. Cambridge: Cambridge University Press. σελ. 164. ISBN 0-521-08719-8.
- ↑ 15,0 15,1 Newton I (1687). Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica. Book I, Section IV, Lemma 16.
- ↑ Newton I (1974). DT Whiteside, επιμ. The Mathematical Papers of Isaac Newton, Volume VI: 1684–1691. Cambridge: Cambridge University Press. σελίδες 162–165, 238–241. ISBN 0-521-08719-8.
- ↑ 17,0 17,1 Casey J (1886) [1881]. A sequel to the first six books of the Elements of Euclid. Hodges, Figgis & co. σελ. 122. ISBN 978-1418166090.
- ↑ Courant R, Robbins H (1943). What is Mathematics? An Elementary Approach to Ideas and Methods. London: Oxford University Press. σελίδες 125–127, 161–162. ISBN 0195105192.
- ↑ Bold B (1982). Famous problems of geometry and how to solve them. Dover Publications. σελίδες 29–30. ISBN 0486242978.
- ↑ 20,0 20,1 Viète F. (1600). «Apollonius Gallus. Seu, Exsuscitata Apolloni Pergæi Περι Επαφων Geometria». Στο: Frans van Schooten. Francisci Vietae Opera mathematica (στα latin). ex officina B. et A. Elzeviriorum (Lugduni Batavorum) (δημοσιεύτηκε 1646). σελίδες 325–346. (Λατινικά)
- ↑ Boyer CB, Merzbach UC (1991). «Apollonius of Perga». A History of Mathematics (2nd έκδοση). John Wiley & Sons, Inc. σελ. 322. ISBN 0-471-54397-7.
- ↑ Simson R (1734) Mathematical Collection, volume VII, p. 117.
Zeuthen HG (1886). Die Lehre von den Kegelschnitten im Altertum. Copenhagen: Unknown. σελίδες 381–383. (Γερμανικά)
Heath TL. A History of Greek Mathematics, Volume II: From Aristarchus to Diophantus. Oxford: Clarendon Press. σελίδες 181–185, 416–417. - ↑ Poncelet J-V (January 1811). «Solutions de plusieurs problêmes de géométrie et de mécanique». Correspondance sur l'École Impériale Polytechnique 2 (3): pp. 271–273. (Γαλλικά)
- ↑ 24,0 24,1 Gergonne J (1813–1814). «Recherche du cercle qui en touche trois autres sur une sphère». Ann. Math. Pures appl. 4. (Γαλλικά)
- ↑ Petersen J (1879). Methods and Theories for the Solution of Problems of Geometrical Constructions, Applied to 410 Problems. London: Sampson Low, Marston, Searle & Rivington. σελίδες 94–95 (Example 403).
- ↑ 26,0 26,1 26,2 26,3 26,4 Zlobec BJ, Kosta NM (2001). «Configurations of Cycles and the Apollonius Problem». Rocky Mountain Journal of Mathematics 31: 725–744. doi:.
- ↑ Euler L (1790). «Solutio facilis problematis, quo quaeritur circulus, qui datos tres circulos tangat» (PDF). Nova Acta Academiae Scientarum Imperialis Petropolitinae 6: 95–101. http://www.math.dartmouth.edu/~euler/docs/originals/E648.pdf. (Λατινικά) Reprinted in Euler's Opera Omnia, series 1, volume 26, pp. 270–275.
- ↑ 28,0 28,1 Gauss CF (1873). Werke, 4. Band (reprinted in 1973 by Georg Olms Verlag (Hildesheim) έκδοση). Göttingen: Königlichen Gesellschaft der Wissenschaften. σελίδες 399–400. ISBN 3-487-04636-9. (Γερμανικά)
- ↑ Carnot L (1801). De la corrélation dans les figures de géométrie. Paris: Unknown publisher. σελίδες No. 158–159. (Γαλλικά)
Carnot L (1803). Géométrie de position. Paris: Unknown publisher. σελίδες 390, §334. (Γαλλικά) - ↑ Cauchy AL (July 1806). «Du cercle tangent à trois cercles donnés». Correspondance sur l'École Polytechnique 1 (6): pp. 193–195. (Γαλλικά)
- ↑ 31,0 31,1 Hoshen J (1996). «The GPS Equations and the Problem of Apollonius». IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems 32: 1116–1124. doi:.
- ↑ 32,0 32,1 32,2 Altshiller-Court N (1952). College Geometry: An Introduction to the Modern Geometry of the Triangle and the Circle (2nd edition, revised and enlarged έκδοση). New York: Barnes and Noble. σελίδες 222–227. ISBN 978-0486458052.
Hartshorne, Robin (2000). Geometry: Euclid and Beyond. New York: Springer Verlag. σελίδες 346–355, 496, 499. ISBN 978-0387986500.
Rouché, Eugène (1883). Traité de géométrie (5th edition, revised and augmented έκδοση). Paris: Gauthier-Villars. σελίδες 252–256. OCLC 252013267. Unknown parameter|coauthors=ignored (|author=suggested) (βοήθεια) (Γαλλικά) - ↑ Coaklay GW (1860). «Analytical Solutions of the Ten Problems in the Tangencies of Circles; and also of the Fifteen Problems in the Tangencies of Spheres». The Mathematical Monthly 2: 116–126.
- ↑ 34,0 34,1 Pedoe D (1970). «The missing seventh circle». Elemente der Mathematik 25: 14–15.
- ↑ 35,0 35,1 Knight RD (2005). «The Apollonius contact problem and Lie contact geometry». Journal of Geometry 83: 137–152. doi:.
- ↑ Salmon G (1879). A Treatise on Conic Sections, Containing an Account of Some of the Most Important Modern Algebraic and Geometric Methods. London: Longmans, Green and Co. σελίδες 110–115, 291–292. ISBN 0828400989.
- ↑ 37,0 37,1 37,2 Johnson RA (1960). Advanced Euclidean Geometry: An Elementary treatise on the geometry of the Triangle and the Circle (reprint of 1929 edition by Houghton Mifflin έκδοση). New York: Dover Publications. σελίδες 117–121 (Apollonius' problem), 121–128 (Casey's and Hart's theorems). ISBN 978-0486462370.
- ↑ 38,0 38,1 38,2 Ogilvy CS (1990). Excursions in Geometry. Dover. σελίδες 48–51 (Apollonius' problem), 60 (extension to tangent spheres). ISBN 0-486-26530-7.
- ↑ Σφάλμα αναφοράς: Σφάλμα παραπομπής: Λανθασμένο
<ref>. Δεν υπάρχει κείμενο για τις παραπομπές με όνομαbruen 1983. - ↑ 40,0 40,1 Dreschler K, Sterz U (1999). «Apollonius' contact problem in n-space in view of enumerative geometry». Acta Mathematica Universitatis Comenianae 68 (1): 37–47. http://www.emis.de/journals/AMUC/_vol-68/_no_1/_drechsl/drechsle.html.
- ↑ Muirhead RF (1896). «On the Number and nature of the Solutions of the Apollonian Contact Problem». Proceedings of the Edinburgh Mathematical Society 14: 135–147, attached figures 44–114. doi:.
- ↑ 42,0 42,1 Stoll V (1876). «Zum Problem des Apollonius». Mathematische Annalen 6: 613–632. doi:. (Γερμανικά)
- ↑ Study E (1897). «Das Apollonische Problem». Mathematische Annalen 49: 497–542. doi:. (Γερμανικά)
- ↑ Fitz-Gerald JM (1974). «A Note on a Problem of Apollonius». Journal of Geometry 5: 15–26. doi:.
- ↑ Eppstein D (01 Jan 2001). «Tangent Spheres and Triangle Centers». The American Mathematical Monthly 108 (1): 63–66. doi:. ISSN 00029890.
- ↑ Oldknow A (01 Apr 1996). «The Euler-Gergonne-Soddy Triangle of a Triangle». The American Mathematical Monthly 103 (4): 319–329. doi:. ISSN 00029890.
Weisstein, EW. «Four Coins Problem». MathWorld. Ανακτήθηκε στις 6 Οκτωβρίου 2008. - ↑ Descartes R, Œuvres de Descartes, Correspondance IV, (C. Adam and P. Tannery, Eds.), Paris: Leopold Cert 1901. (Γαλλικά)
- ↑ 48,0 48,1 Beecroft H (1842). «Properties of Circles in Mutual Contact». Lady’s and Gentleman’s Diary 139: 91–96.
Beecroft H (1846). «Unknown title». Lady’s and Gentleman’s Diary: 51. (MathWords online article) - ↑ 49,0 49,1 Steiner J (1826). «Einige geometrische Betrachtungen». Journal für die reine und angewandte Mathematik 1: 161–184, 252–288. http://www.digizeitschriften.de/no_cache/home/jkdigitools/loader/?tx_jkDigiTools_pi1%5BIDDOC%5D=512237.
- ↑ Soddy F (20 June 1936). «The Kiss Precise». Nature 137: 1021. doi:.
- ↑ Pedoe D (01 Jun 1967). «On a theorem in geometry». Amer. Math. Monthly 74 (6): 627–640. doi:. ISSN 00029890.
- ↑ Carnot L (1803). Géométrie de position. Paris: Unknown publisher. σελίδες 415, §356.
- ↑ Vannson (1855). «Contact des cercles sur la sphère, par la geométrie». Nouvelles Annales de Mathématiques XIV: 55–71. (Γαλλικά)
- ↑ Kasner E, Supnick F (Dec 1943). «The Apollonian packing of circles» (Free full text). Proc. Natl. Acad. Sci. USA 29 (11): 378–384. doi:. ISSN 0027-8424. PMID 16588629. http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=16588629.
- ↑ Boyd DW (1973). «Improved Bounds for the Disk Packing Constants». Aeq. Math. 9: 99–106. doi:.
Boyd DW (1973). «The Residual Set Dimension of the Apollonian Packing». Mathematika 20: 170–174.
McMullen, Curtis T (1998). «Hausdorff dimension and conformal dynamics III: Computation of dimension» (PDF). American Journal of Mathematics 120: 691–721. doi:. http://abel.math.harvard.edu/~ctm/papers/home/text/papers/dimIII/dimIII.pdf. - ↑ Mandelbrot B (1983). The Fractal Geometry of Nature. New York: W. H. Freeman. σελ. 170. ISBN 978-0716711865.
Aste T, Weaire D (2008). In Pursuit of Perfect Packing (2nd έκδοση). New York: Taylor and Francis. σελίδες 131–138. ISBN 978-1420068177. - ↑ Mumford D, Series C, Wright D (2002). Indra's Pearls: The Vision of Felix Klein. Cambridge: Cambridge University Press. σελίδες 196–223. ISBN 0-521-35253-3.
- ↑ Larmor A (1891). «Contacts of Systems of Circles». Proc. London Math. Soc. 23: 136–157. doi:.
- ↑ Lachlan R (1893). An elementary treatise on modern pure geometry. London: Macmillan. σελίδες §383–396, pp. 244–251. ISBN 1429700505. ASIN B0008CQ720.
- ↑ de Fermat P, Varia opera mathematica, p. 74, Tolos, 1679.
- ↑ Euler L (1810). «Solutio facilis problematis, quo quaeritur sphaera, quae datas quatuor sphaeras utcunque dispositas contingat» (PDF). Memoires de l'academie des sciences de St.-Petersbourg 2: 17–28. http://www.math.dartmouth.edu/~euler/docs/originals/E733.pdf. (Λατινικά) Reprinted in Euler's Opera Omnia, series 1, volume 26, pp. 334–343.
Carnot L (1803). Géométrie de position. Paris: Imprimerie de Crapelet, chez J. B. M. Duprat. σελίδες 357, §416. (Γαλλικά)
Hachette JNP (September 1808). «Sur le contact des sphères; sur la sphère tangente à quatre sphères données; sur le cercle tangent à trois cercles donnés». Correspondance sur l'École Polytechnique 1 (2): pp. 27–28. (Γαλλικά)
Français J (January 1810). «De la sphère tangente à quatre sphères données». Correspondance sur l'École Impériale Polytechnique 2 (2): pp. 63–66. (Γαλλικά)
Français J (January 1813). «Solution analytique du problème de la sphère tangente à quatre sphères données». Correspondance sur l'École Impériale Polytechnique 2 (5): pp. 409–410. (Γαλλικά)
Dupin C (January 1813). «Mémoire sur les sphères». Correspondance sur l'École Impériale Polytechnique 2 (5): p. 423. (Γαλλικά)
Reye T (1879). Synthetische Geometrie der Kugeln (PDF). Leipzig: B. G. Teubner. (Γερμανικά)
Serret JA (1848). «De la sphère tangente à quatre sphères donnèes». Journal für die reine und angewandte Mathematik 37: 51–57. http://www.digizeitschriften.de/index.php?id=loader&tx_jkDigiTools_pi1%5BIDDOC%5D=510729. (Γαλλικά)
Coaklay GW (1859–1860). «Analytical Solutions of the Ten Problems in the Tangencies of Circles; and also of the Fifteen Problems in the Tangencies of Spheres». The Mathematical Monthly 2: 116–126.
Alvord B (01 Jan 1882). «The intersection of circles and intersection of spheres». American Journal of Mathematics 5 (1): 25–44, with four pages of Figures. doi:. ISSN 00029327.
- ↑ Gossett T (1937). «The Kiss Precise». Nature 139: 62. doi:.
- ↑ Spiesberger, JL (2004). «Geometry of locating sounds from differences in travel time: Isodiachrons». The Journal of the Acoustic Society of America 116: 3168–3177. doi:.
- ↑ Apostol TM (1990). Modular functions and Dirichlet series in number theory (2nd έκδοση). New York: Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-97127-8.
- ↑ Lewis RH, Bridgett S (2003). «Conic Tangency Equations and Apollonius Problems in Biochemistry and Pharmacology». Mathematics and Computers in Simulation 61: 101–114. doi:.
Εξωτερικοί σύνδεσμοι
- «Εισαγωγή στο απολλώνιο πρόβλημα». Μαθηματικό Εκκρεμές. Ανακτήθηκε στις 14 Οκτωβρίου 2009.
- «Το απολλώνιο πρόβλημα». Wolfram MathWorld. Ανακτήθηκε στις 14 Οκτωβρίου 2009. (Αγγλικά)
- «Apollonius' Tangency Problem». MathPages. Ανακτήθηκε στις 5 Μαΐου 2008. (Αγγλικά)
- «Το πρόβλημα του Απολλώνιου». Cut The Knot. Ανακτήθηκε στις 5 Μαΐου 2008. Text "cite web" ignored (βοήθεια) (Αγγλικά)
- Kunkel, Paul. «Εφαπτόμενοι κύκλοι». Whistler Alley. Ανακτήθηκε στις 5 Μαΐου 2008. (Αγγλικά)
- Austin, David (2006). «When kissing involves trigonometry (Όταν το φίλημα περιλαμβάνει τριγωνομετρία)». Άρθρο στον ιστότοπο της Αμερικανικής Μαθηματικής Εταιρίας. Ανακτήθηκε στις 5 Μαΐου 2008. Unknown parameter
|month=ignored (βοήθεια) (Αγγλικά)
 
|
Στο λήμμα αυτό έχει ενσωματωθεί κείμενο από το λήμμα Problem of Apollonius της Αγγλικής Βικιπαίδειας, η οποία διανέμεται υπό την GNU FDL και την CC-BY-SA 4.0. (ιστορικό/συντάκτες). |