home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Sunny 1,000 Collection / SUNNY1000.iso / Files / Dos / Boardak / INETPUZ.ZIP / GEOMETRY.TXT < prev    next >
Text File  |  1995-02-05  |  74KB  |  1,760 lines

  1. Archive-name: puzzles/archive/geometry/part1
  2. Last-modified: 17 Aug 1993
  3. Version: 4
  4.  
  5.  
  6. ==> geometry/K3,3.p <==
  7. Can three houses be connected to three utilities without the pipes crossing?
  8.  
  9.             _______          _______          _______
  10.             | oil |          |water|          | gas |
  11.             |_____|          |_____|          |_____|
  12.  
  13.  
  14.             _______          _______          _______
  15.             |HOUSE|          |HOUSE|          |HOUSE|
  16.             | one |          | two |          |three|
  17.  
  18. ==> geometry/K3,3.s <==
  19. The problem you describe is to draw a bipartite graph of 3 nodes
  20. connected in all ways to 3 nodes, all embedded in the plane.  The graph
  21. is called K3,3.  A famous theorem of Kuratowsky says that all graphs
  22. can be embedded in the plane, EXCEPT those containing a subgraph that
  23. is topologically equivalent to K3,3 or K5 (the complete graph on 5
  24. vertices, i.e., the graph with 5 nodes and 10 edges).  So your problem
  25. is a minimal example of a graph that cannot be embedded in the plane.
  26.  
  27. The proofs that K5 and K3,3 are non-planar are really quite easy, and
  28. only depend on Euler's Theorem that F-E+V=2 for a planar graph.  For
  29. K3,3 V is 6 and E is 9, so F would have to be 5. But each face has at
  30. least 4 edges, so E >= (F*4)/2 = 10, contradiction.  For K5 V is 5 and
  31. E is 10, so F = 7. In this case each face has at least 3 edges, so E >=
  32. (F*3)/2 = 10.5, contradiction.
  33.  
  34. The difficult part of Kuratowsky is the proof in the other direction!
  35.  
  36. A quick, informal proof by contradiction without assuming Euler's Theorem:
  37. Using a map in which the houses are 1, 2, and 3 and the utilities are
  38. A, B, and C, there must be continuous lines that connect the buildings and
  39. divide the area into three sections bounded by the loops A-1-B-2-A,
  40. A-1-B-3-A, and A-2-B-3-A.  (One of the areas is the infinite plane *around*
  41. whichever loop is the outer edge of the network.)  C must be in one of these
  42. three areas; whichever area it is in, either 1, or 2, or 3, is *not* part of
  43. the loop that rings its area and hence is inaccessible to C.
  44.  
  45. The usual quibble is to solve the puzzle by running one of the pipes
  46. underneath one of houses on its way to another house; the puzzle's
  47. instructions forbid crossing other *pipes*, but not crossing other *houses*.
  48.  
  49. ==> geometry/bear.p <==
  50. If a hunter goes out his front door, goes 50 miles south, then goes 50 
  51. miles west, shoots a bear, goes 50 miles north and ends up in front of
  52. his house.  What color was the bear?
  53.  
  54. ==> geometry/bear.s <==
  55. The hunter's door is in one of two locations.  One is a foot or so from the
  56. North Pole, facing north, such that his position in front of the door is
  57. precisely upon the North Pole.  Since that's a ridiculous place to build a
  58. house and since bears do not roam within fifty miles of the pole, the bear
  59. is either imaginary or imported, and there is no telling what color it is.
  60.  
  61. There is another place (actually a whole set) on earth from which one
  62. can go fifty miles south, fifty miles west, and fifty miles north and
  63. end up where one started.  Consider the parallel of latitude close
  64. enough to the South Pole that its length is 50/n miles, for some
  65. integer n.
  66.  
  67. Take any point on that parallel of latitude and pick the point fifty miles
  68. north of it.  Situate the hunter's front porch there.  The hunter goes fifty
  69. miles south from his porch and is at a point we'll call A.  He travels fifty
  70. miles west, circling the South Pole n times, and is at A again, where he shoots
  71. the bear.  Fifty miles north from A he is back home.  Since bears are not
  72. indigenous to the Antarctic, again the bear is either imaginary or imported
  73. and there is no telling what color it might be.
  74.  
  75. ==> geometry/bisector.p <==
  76. Prove if two angle bisectors of a triangle are equal, then the triangle is
  77. isosceles (more specifically, the sides opposite to the two angles
  78. being bisected are equal).
  79.  
  80. ==> geometry/bisector.s <==
  81. PROVE: <ABC = <BCA (i.e. triangle ABC is an isosceles triangle)
  82.  
  83.                        A
  84.                       / \
  85.                      /   \
  86.                     D     E            XP normal to AB
  87.                    / \   / \           XQ normal to AC
  88.                 P /----X----\ Q
  89.                  /   /   \   \
  90.                 /  /       \  \
  91.                / /           \ \
  92.               B/_______________\C
  93.  
  94.  
  95. PROOF :
  96.   Let XP and XQ be normals to AC and AB.
  97.   Since the three angle bisectors are concurrent, AX bisects angle A
  98.   also and therefore XP = XQ.
  99.  
  100.   Let's assume XD > XE.
  101.   Then ang(PDX) < ang(QEX)
  102.   Now considering triangles BXD and CXE,
  103.     the last condition requires that
  104.        ang(DBX) > ang(ECX)
  105. OR     ang(XBC) > ang(XCB)
  106. OR        XC    >  XB
  107.  
  108.    Thus our assumption leads to :
  109.         XC + XD >  XE + XB
  110. OR         CD  > BE
  111.   which is a contradiction.
  112.  
  113.  
  114.   Similarly, one can show that XD < XE leads to a contradiction too.
  115.  
  116. Hence  XD = XE  => CX = BX
  117. From which it is easy to prove that the triangle is isosceles.
  118.  
  119. --  Manish S Prabhu (mprabhu@magnus.acs.ohio-state.edu)
  120.  
  121. ==> geometry/calendar.p <==
  122. Build a calendar from two sets of cubes.  On the first set, spell the
  123. months with a letter on each face of three cubes.  Use lowercase
  124. three-letter English abbreviations for the names of all twelve months
  125. (e.g., "jan", "feb", "mar").  On the second set, number the days with a
  126. digit on each face of two cubes (e.g., "01", "02", etc.).
  127.  
  128. ==> geometry/calendar.s <==
  129.         First note that there are *nineteen* different letters in the
  130. month abbreviations (abcdef gjlmno prstuv y) so to get them all on the
  131. eighteen faces of 3 cubes, you know right away you're going to have to
  132. resort to trickery.
  133.  
  134.         So I wrote them all down and looked at which ones could be
  135. reversed to make another letter in the set.  The only pair that jumped
  136. out at me was the d/p pair.  Now I knew that it was at least feasible,
  137. as long as it wasn't necessary to duplicate any letters.
  138.  
  139.         Then I scanned the abbreviations to find ones that had a lot of
  140. common letters.  The jan-jun-jul series looked like a good place to
  141. start:
  142.         j       a       n
  143.                 u       l
  144.                                 was a good beginning but I realized
  145. right away that I had no room for duplicate letters and the second cube
  146. had both a and u so aug was going to be impossible.  In fact I almost
  147. posted that answer.  Then I realized that if Martin Gardner wrote about
  148. it, it must have a solution.  :-)  So I went back to the letter list.
  149.  
  150.         I don't put tails on my u's so it didn't strike me the first
  151. time through that n and u could be combined.
  152.       Cube 1  Cube 2  Cube 3
  153.         j       a       n/u
  154.                 n/u     l
  155.                                 would let me get away with putting the g
  156. on the first cube to get aug, so I did.
  157.         j       a       n/u
  158.         g       n/u     l       (1)
  159.  
  160.         Now came the fun part.  The a was placed so I had to work around
  161. it for the other months that had an a in them (mar, apr, may).
  162.         m       a       r
  163.         d/p             y       (2)
  164.  
  165.         Now the d/p was placed so I had to work around that for sep and dec.
  166. This one was easy since they shared an e as well.
  167.         d/p     e       s
  168.                         c       (3)
  169.  
  170.         Now the e was placed so feb had to be worked in.
  171.         f       e       b       (4)
  172.  
  173.         The two months left (oct, nov) were far more complex.  Not only
  174. did they have two "set" letters (c, n/u), there were two possible n/u's
  175. to be set with.  That's why I left them for last.
  176.         o       t       c
  177.                 n/u     v       (5)
  178.  
  179.         So now I had five pieces to fit together, so that no set would
  180. have more than six letters in it.  Trial and error provided:
  181.  
  182.         j       a       n/u                     a       b       e
  183.         g       n/u     l       or,             c       d/p     g
  184.         r       s       m       alphabetically: f       l       j
  185.         y       c       d/p                     n/u     m       o
  186.         e       v       t                       s       n/u     r
  187.         o       f       b                       v       t       y
  188.  
  189.  
  190.   Without some gimmick the days cannot be done.  Because of the dates 11 and
  191. 22, there must be a 1 and a 2 on each cube. Thus there are 8 remaining spaces
  192. for the 8 remaining numbers, and because of 30, we put 3 and 0 on different
  193. cubes. I don't think the way you allocate the others matter. Now 6 numbers on
  194. each cube can produce at most 36 distinct pairs, and we need 31 distinct pairs
  195. to represent all possible dates. But since 3 each of {4,5,6,7,8,9} are on each
  196. cube, there are at least 9 representable numbers which can't be dates.
  197. Therefore there are at most 27 distinct numbers which are dates on the two
  198. cubes, and it can't be done. In particular, not all of {04,05,06,07,08,09} can
  199. be represented.
  200.  
  201.   The gimmick solution would be to represent the numbers in a stylised format
  202. (like say, on a digital clock or on a computer screen) such that the 6 can be
  203. turned upside down to be a 9. Then you can have 012 on both cubes, and three
  204. each of {3,4,5,6,7,8} on the other faces. Done.
  205.   
  206.   Example: 012468 012357
  207.  
  208. ==> geometry/circles.and.triangles.p <==
  209. Find the radius of the inscribed and circumscribed circles for a triangle.
  210.  
  211. ==> geometry/circles.and.triangles.s <==
  212. Let a, b, and c be the sides of the triangle.  Let s be the
  213. semiperimeter, i.e. s = (a + b + c) / 2.  Let A be the area
  214. of the triangle, and let x be the radius of the incircle.
  215.  
  216. Divide the triangle into three smaller triangles by drawing
  217. a line segment from each vertex to the incenter.  The areas
  218. of the smaller triangles are ax/2, bx/2, and cx/2.  Thus,
  219. A = ax/2 + bx/2 + cx/2, or A = sx. 
  220.  
  221. We use Heron's formula, which is A = sqrt(s(s-a)(s-b)(s-c)).
  222. This gives us x = sqrt((s-a)(s-b)(s-c)/s).
  223.  
  224. The radius of the circumscribed circle is given by R = abc/4A.
  225.  
  226. ==> geometry/coloring/cheese.cube.p <==
  227. A cube of cheese is divided into 27 subcubes.  A mouse starts at one
  228. corner and eats each subcube, one at a time.  Can it finish in the middle?
  229.  
  230. ==> geometry/coloring/cheese.cube.s <==
  231. Give the subcubes a checkerboard-like coloring so that no two adjacent
  232. subcubes have the same color.  If the corner subcubes are black, the
  233. cube will have 14 black subcubes and 13 white ones.  The mouse always
  234. alternates colors and so must end in a black subcube.  But the center
  235. subcube is white, so the mouse can't end there.
  236.  
  237. ==> geometry/coloring/triominoes.p <==
  238. There is a chess board (of course with 64 squares). You are given 21
  239. "triominoes" of size 3-by-1 (the size of an individual square on a
  240. chess board is 1-by-1). Which square on the chess board can you cut out
  241. so that the 21 triominoes exactly cover the remaining 63 squares? Or is
  242. it impossible?
  243.  
  244. ==> geometry/coloring/triominoes.s <==
  245. ||||||||
  246. ||||||||
  247. ||||||||
  248. ---***+*
  249. ---...+*
  250. ---*+O+*
  251. ---*+...
  252. ---*+***
  253.  
  254. There is only one way to remove a square, aside from rotations and
  255. reflections.  To see that there is at most one way, do this:  Label
  256. all the squares of the chessboard with A, B or C in sequence by rows
  257. starting from the top:
  258.  
  259.                 ABCABCAB
  260.                 CABCABCA
  261.                 BCABCABC
  262.                 ABCABCAB
  263.                 CABCABCA
  264.                 BCABCABC
  265.                 ABCABCAB
  266.                 CABCABCA
  267.  
  268. Every triomino must cover one A, one B and one C.  There is one extra
  269. A square, so an A must be removed.  Now label the board again by
  270. rows starting from the bottom:
  271.  
  272.                 CABCABCA
  273.                 ABCABCAB
  274.                 BCABCABC
  275.                 CABCABCA
  276.                 ABCABCAB
  277.                 BCABCABC
  278.                 CABCABCA
  279.                 ABCABCAB
  280.  
  281. The square removed must still be an A.  The only squares that got
  282. marked with A both times are these:
  283.  
  284.                 ........
  285.                 ........
  286.                 ..A..A..
  287.                 ........
  288.                 ........
  289.                 ..A..A..
  290.                 ........
  291.                 ........
  292.  
  293. ==> geometry/construction/4.triangles.6.lines.p <==
  294. Can you construct 4 equilateral triangles with 6 toothpicks?
  295.  
  296. ==> geometry/construction/4.triangles.6.lines.s <==
  297. Use the toothpicks as the edges of a tetrahedron.
  298.  
  299. ==> geometry/construction/5.lines.with.4.points.p <==
  300. Arrange 10 points so that they form 5 rows of 4 each.
  301.  
  302. ==> geometry/construction/5.lines.with.4.points.s <==
  303. Draw a 5 pointed star, put a point where any two lines meet.
  304.  
  305. ==> geometry/construction/square.with.compass.p <==
  306. Construct a square with only a compass and a straight edge.
  307.  
  308. ==> geometry/construction/square.with.compass.s <==
  309. Draw a circle (C1 at P1).  Now draw a diameter D1 (intersects at P2 and
  310. P3).  Set the compass larger than before.  From each of points P2 and
  311. P3 draw another larger circle (C2 and C3).  Where these two circles
  312. cross, draw a line (D2).  This line should go through the center of
  313. circle C1 at a right angle to the original diameter line.  This line
  314. should cross circle C1 at P4 and P5.  Points P2, P4, P3, P5 form a
  315. square.
  316.  
  317. For extra credit:
  318.  
  319. Reset the compass to its original size.  From P2 and P4 draw a circle
  320. (C4 and C5).  These circles intersect at P6 and P1.  Connect P6, P2,
  321. P1, P4 for a square of the same size as the original compass setting.
  322.  
  323. ==> geometry/corner.p <==
  324. A hallway of width A turns through 90 degrees into a hallway of width
  325. B. A ladder is to be passed around the corner. If the movement is
  326. within the horizontal plane, what is the maximum length of the ladder?
  327.  
  328. ==> geometry/corner.s <==
  329. ------\---------
  330. B   /  \.......|..B/sin(theta)
  331.    theta\      |
  332. ---|-----X     |
  333.          |\    |
  334.          | \...|..A/cos(theta)
  335.          |  \  |
  336.          |   \ |
  337.          | A  \|
  338.  
  339.  
  340. Theta is the angle off horizontal.
  341.  
  342. Minimize length = A/cos(theta) + B/sin(theta)
  343.  
  344.     d(length)/d(theta)
  345.            = A*sin(theta)/cos(theta)^2 - B*cos(theta)/sin(theta)^2 (?)
  346.            = 0
  347.     A*sin(theta)/cos(theta)^2 = B*cos(theta)/sin(theta)^2
  348.  
  349.     B/A = sin(theta)^3/cos(theta()^3 = tan(theta)^3
  350.  
  351.     theta = inverse_tan(cube_root(B/A))
  352.  
  353. If you use the trigonometric formulas  cos^2 x = 1/(1 + tan^2 x)
  354. and  sin x = tan x cos x, and plug through the algebra, I believe
  355. that the formula for the length reduces to
  356.  
  357. (A^(2/3) + B^(2/3))^(3/2)
  358.  
  359. At any rate this is symmetric in A and B as one would expect, and
  360. has the right values at A=B and as either A-->0 or B-->0.
  361.  
  362. ==> geometry/cover.earth.p <==
  363. A thin membrane covers the surface of the (spherical) earth.  One
  364. square meter is added to the area of this membrane to form a larger
  365. sphere.  How much is added to the radius and volume of this membrane?
  366.  
  367. ==> geometry/cover.earth.s <==
  368. We know that V = (4/3)*pi*r^3 and A = 4*pi*r^2.
  369. We need to find out how much V increases if A increases by 1 m^2.
  370.  
  371.   dV / dr = 4 * pi * r^2
  372.   dA / dr = 8 * pi * r
  373.   dV / dA = (dV / dr) / (dA / dr)
  374.           = (4 * pi * r^2) / (8 * pi * r)
  375.           = r/2
  376.           = 3,250,000 m
  377.  
  378. If the area of the cover is increased by 1 square meter,
  379. then the volume it contains is increased by about 3.25 million cubic meters.
  380.  
  381. We seem to be getting a lot of mileage out of such a small square of cotton.
  382. However, the new cover would not be very high above the surface of the
  383. planet -- about 6 nanometers (calculate dr/dA).
  384.  
  385. ==> geometry/cycle.polynomial.p <==
  386. What are the cycle polynomials for the Platonic solids?
  387.  
  388. ==> geometry/cycle.polynomial.s <==
  389. For future reference, here are the cycle polynomials for the five platonic
  390. solids (and I threw in the tesseract for good measure).  Most combinatoric
  391. coloring problems are simple plug-ins to these polynomials.  For details,
  392. see any book on combinatorics that presents Polya counting theory.
  393.  
  394. tetrahedron: (x1^4+3x2^2+8x1*x3)/12
  395. cube: (x1^6+6x2^3+3x1^2*x2^2+8x3^2+6x1^2*x4)/24
  396. octahedron: (x1^8+9x2^4+8x1^2*x3^2+6x4^2)/24
  397. dodecahedron: (x1^12+15x2^6+20x3^4+24x1^2*x5^2)/60
  398. icosahedron: (x1^20+15x2^10+20x1^2*x3^6+24x5^4)/60
  399. tesseract: (32x6^4+x2^12+48x8^3+x1^24+24x1^2*x2^11+12x2^2*x4^5+32x3^8+12x4^6
  400.     +18x1^4*x2^10+12x1^4*x4^5)/192
  401.  
  402.  
  403.  
  404.  
  405. ==> geometry/dissections/disk.p <==
  406. Can a disk be cut into similar pieces without point symmetry about the
  407. midpoint?  Can it be done with a finite number of pieces?
  408.  
  409. ==> geometry/dissections/disk.s <==
  410. Yes.  Draw a circle inside the circumference of the disk, sharing a
  411. common point on the right.  Now draw another circle inside the second,
  412. sharing a point at the left.  Now draw another inside the third,
  413. sharing a point at the right.  Continue in this way, coloring in every
  414. other region thus generated.  Now, all the colored regions touch, so
  415. count this as one piece and the uncolored regions as a second piece.
  416. So the circle has been divided into two similar pieces and there is no
  417. point symmetry about the midpoint.  Maybe it is cheating to call these
  418. single pieces, though.
  419.  
  420. ==> geometry/dissections/hexagon.p <==
  421. Divide the hexagon into:
  422. 1) 3 identical rhombuses.
  423. 2) 6 identical kites(?).
  424. 3) 4 identical trapezoids (trapeziums in Britain).
  425. 4) 8 identical shapes (any shape).
  426. 5) 12 identical shapes (any shape).
  427.  
  428. ==> geometry/dissections/hexagon.s <==
  429. What is considered 'identical' for these questions?  If mirror-image shapes
  430. are allowed, these are all pretty trivial.  If not, the problems are rather
  431. more difficult...
  432.  
  433.         1. Connect the center to every second vertex.
  434.         2. Connect the center to the midpoint of each side.
  435.         3. This is the hard one.  If you allow mirror images, it's trivial:
  436.            bisect the hexagon from vertex to vertex, then bisect with a 
  437.            perpendicular to that, from midpoint of side to midpoint of side.
  438.         4. This one's neat.  Let the side length of the hexagon be 2 (WLOG).
  439.            We can easily partition the hexagon into equilateral triangles 
  440.            with side 2 (6 of them), which can in turn be quartered into 
  441.            equilateral triangles with side 1.  Thus, our original hexagon
  442.            is partitioned into 24 unit equilateral triangles.  Take the
  443.            trapezoid formed by 3 of these little triangles.  Place one such
  444.            trapezoid on the inside of each face of the original hexagon, so
  445.            that the long side of the trapezoid coincides with the side of the
  446.            hexagon.  This uses 6 trapezoids, and leaves a unit hexagon in the
  447.            center as yet uncovered.  Cover this little hexagon with two of
  448.            the trapezoids.  Voila.  An 8-identical-trapezoid partition.
  449.         5. Easy.  Do the rhombus partition in #1.  Quarter each rhombus by
  450.            connecting midpoints of opposite sides.  This produces 12 small
  451.            rhombi, each of which is equivalent to two adjacent small triangles
  452.            as in #4.
  453.  
  454. Except for #3, all of these partitions can be achieved by breaking up the
  455. hexagon into unit equilateral triangles, and then building these into the
  456. shapes desired.  For #3, though, this would require (since there are 24 small
  457. triangles) trapezoids formed from 6 triangles each.  The only trapezoid that
  458. can be built from 6 identical triangles is a parallelogram; I assume that the
  459. poster wouldn't have asked for a trapezoid if you could do it with a special
  460. case of trapezoid.  At any rate, that parallelogram doesn't work.
  461.  
  462. ==> geometry/dissections/largest.circle.p <==
  463. What is the largest circle that can be assembled from two semicircles cut from
  464. a rectangle with edges a and b?
  465.  
  466. ==> geometry/dissections/largest.circle.s <==
  467. There are two methods:
  468.  
  469. Method M1:
  470. The  diameters of the semicircles have to be on the longer sides,
  471. starting at an endpoint of the rectangle.  The two semicircles touch
  472. each other in the middle M of the rectangle.
  473.  
  474.                     a
  475.        D._______________________.C
  476.         |                       |
  477.         |                       |
  478.       b |           . M         |
  479.         |                       |
  480.         |                       |
  481.         |_______.___.___________|
  482.         A       R   X           B
  483.  
  484. R should be the center of the semicircle, and because of RA = RM,
  485. it holds that:
  486.                 r^2 = (a/2 - r)^2 + (b/2)^2
  487.  
  488. Solving for r gives:
  489.  
  490.                 r = min[b,(a^2+b^2)/(4a)], where a >= b.
  491.  
  492. Method M2:
  493. We'll cut on the line y = c x, where c will turn out to be slightly
  494. less than d, the slope of the diagonal.  We describe the semicircle
  495. lying above the line y = c x, having this line as the straight part of
  496. the semi-circle.  The center P of the semicircle will be taken on the
  497. line y = d - x, and will be tangent to the left and top of the
  498. rectangle.  Clearly the lower down P is on this line, the better.  The
  499. naive solution is not optimal because the upper place where the
  500. semicircle meets the diagonal is interior to the rectangle.  So we try
  501. to determine c in such a way that this latter point actually lies
  502. slightly down from the top, on the right side of the rectangle.  This
  503. involves solving the quartic:
  504. 4r^4 - (4a+16b)r^3 + (16b^2+a^2+8ab)r^2 - (6b^3+4ab^2+2ba^2)r + b^4+(ab)^2 = 0,
  505. where r < b, the details of which will be left to the reader.
  506.  
  507. The other semicircle is the reflection of the first through the origin.
  508.  
  509. After a few calculations, we find that the value of r given
  510. by M2 is greater than the one given by M1 only if 1 < a/b < 2.472434.
  511.  
  512. ==> geometry/dissections/square.70.p <==
  513. Since 1^2 + 2^2 + 3^2 + ... + 24^2 = 70^2, can a 70x70 square be dissected into
  514. 24 squares of size 1x1, 2x2, 3x3, etc.?
  515.  
  516. ==> geometry/dissections/square.70.s <==
  517. Martin Gardner asked this in his Mathematical Games column in the
  518. September 1966 issue of Scientific American.  William Cutler was the first
  519. of 24 readers who reduced the uncovered area to 49, using all but the 7x7
  520. square.  All the patterns were the same except for interchanging the
  521. squares of orders 17 and 18 and rearranging the squares of orders 1, ...,
  522. 6, 8, 9, and 10.  Nobody proved that the solution is minimal.
  523.  
  524. +----------------+-------------+----------------------+---------------------+
  525. |                |             |                      |                     |
  526. |                |             |                      |                     |
  527. |                |      11     |                      |                     |
  528. |                |             |                      |                     |
  529. |       16       |             |                      |                     |
  530. |                +-----+--+----+         22           |         21          |
  531. |                |     | 2|    |                      |                     |
  532. |                |  5  +--+----+                      |                     |
  533. |                |     |       |                      |                     |
  534. +----------------+--+--+   6   |                      |                     |
  535. |                   | 3|       |                      |                     |
  536. |                   ++-+-------+                      |                     |
  537. |                   ||         |                      ++--------------------+
  538. |                   ||    8    +----------------------++                    |
  539. |        18         ||         |                       |                    |
  540. |                   ||         |                       |                    |
  541. |                   ++---------+                       |                    |
  542. |                   |          |                       |         20         |
  543. |                   |     9    |                       |                    |
  544. +------------------++          |          23           |                    |
  545. |                  ||          |                       |                    |
  546. |                  ++----------+                       |                    |
  547. |                  |           |                       +---++---------------+
  548. |                  |           |                       |   ||               |
  549. |        17        |     10    |                       | 4 ||               |
  550. |                  |           +---------------+-------+---++               |
  551. |                  +-+---------+---------------+            |      15       |
  552. |                  | |                         |            |               |
  553. |                  | |                         |     12     |               |
  554. +------------------+-+                         |            +-+-------------+
  555. |                    |                         |            |1|             |
  556. |                    |                         +------------+-+             |
  557. |                    |           24            |              |             |
  558. |                    |                         |              |             |
  559. |        19          |                         |     13       |     14      |
  560. |                    |                         |              |             |
  561. |                    |                         |              |             |
  562. |                    |                         |              |             |
  563. +--------------------+-------------------------+--------------+-------------+
  564.  
  565. ==> geometry/dissections/square.five.p <==
  566. Can you dissect a square into 5 parts of equal area with just a straight edge?
  567.  
  568. ==> geometry/dissections/square.five.s <==
  569. 1. Prove you can reflect points which lie on the sides of the square
  570. about the diagonals.
  571.  
  572. 2. Construct two different rectangles whose vertices lie on the square
  573. and whose sides are parallel to the diagonals.
  574.  
  575. 3. Construct points A, A', B, B' on one (extended) side of the square
  576. such that A/A' and B/B' are mirror image pairs with respect to another
  577. side of the square.
  578.  
  579. 4. Construct the mirror image of the center of the square in one
  580. of the sides.
  581.  
  582. 5. Divide the original square into 4 equal squares whose sides are
  583. parallel to the sides of the original square.
  584.  
  585. 6. Divide one side of the square into 8 equal segments.
  586.  
  587. 7. Construct a trapezoid in which one base is a square side and one
  588. base is 5/8 of the opposite square side.
  589.  
  590. 8. Divide one side of the square into 5 equal segments.
  591.  
  592. 9. Divide the square into 5 equal rectangles.
  593.  
  594. ==> geometry/dissections/tesseract.p <==
  595. If you suspend a cube by one corner and slice it in half with a
  596. horizontal plane through its centre of gravity, the section face is a
  597. hexagon.  Now suspend a tesseract (a four dimensional hypercube) by one
  598. corner and slice it in half with a hyper-horizontal hyperplane through
  599. its centre of hypergravity.  What is the shape of the section
  600. hyper-face?
  601.  
  602. ==> geometry/dissections/tesseract.s <==
  603. The 4-cube is the set of all points in [-1,1]^4 .
  604. The hyperplane { (x,y,z,w) : x + y + z + w = 0 } cuts the 4-cube
  605. in the desired manner.
  606.  
  607. Now, { (.5,.5,-.5,-.5), (.5,-.5,.5,-.5), (.5,-.5,-.5,.5) } is an
  608. orthonormal basis for the hyperplane.  Let (a,b,c) be a point on the
  609. hyperplane with respect to this basis.  (a,b,c) is in the 4-cube if and
  610. only if |a| + |b| + |c| <= 2.   The shape of the intersection is a
  611. regular octahedron.
  612.  
  613. ==> geometry/duck.and.fox.p <==
  614. A duck is swimming about in a circular pond.  A ravenous fox (who cannot 
  615. swim) is roaming the edges of the pond, waiting for the duck to come close.  
  616. The fox can run faster than the duck can swim.  In order to escape, 
  617. the duck must swim to the edge of the pond before flying away.  Assume that 
  618. the duck can't fly until it has reached the edge of the pond.
  619.  
  620. How much faster must the fox run that the duck swims in order to be always
  621. able to catch the duck?
  622.  
  623. ==> geometry/duck.and.fox.s <==
  624. Assume the ratio of the fox's speed to the duck's is a, and the radius
  625. of the pond is r.  The duck's best strategy is:
  626.  
  627. 1.  Swim around a circle of radius (r/a - delta) concentric with the
  628. pond until you are diametrically opposite the fox (you, the fox, and
  629. the center of the pond are colinear).
  630.  
  631. 2.  Swim a distance delta along a radial line toward the bank opposite
  632. the fox.
  633.  
  634. 3.  Observe which way the fox has started to run around the circle.
  635. Turn at a RIGHT ANGLE in the opposite direction (i.e. if you started
  636. swimming due south in step 2 and the fox started running to the east,
  637. i.e. clockwise around the pond, then start swimming due west).  (Note:
  638. If at the beginning of step 3 the fox is still in the same location as
  639. at the start of step 2, i.e.  directly opposite you, repeat step 2
  640. instead of turning.)
  641.  
  642. 4.  While on your new course, keep track of the fox.  If the fox slows
  643. down or reverses direction, so that you again become diametrically
  644. opposite the fox, go back to step 2.  Otherwise continue in a straight
  645. line until you reach the bank.
  646.  
  647. 5.  Fly away.
  648.  
  649. The duck should make delta as small as necessary in order to be able
  650. to escape the fox.
  651.  
  652. The key to this strategy is that the duck initially follows a
  653. radial path away from the fox until the fox commits to running either
  654. clockwise or counterclockwise around the pond.  The duck then turns onto
  655. a new course that intersects the circle at a point MORE than halfway
  656. around the circle from the fox's starting position.  In fact, the duck
  657. swims along a tangent of the circle of radius r/a.  Let 
  658.  
  659.   theta = arc cos (1/a)
  660.  
  661. then the duck swims a path of length
  662.  
  663.   r sin theta + delta
  664.  
  665. but the fox has to run a path of length
  666.  
  667.   r*(pi + theta) - a*delta
  668.  
  669. around the circle.  In the limit as delta goes to 0, the duck will
  670. escape as long as
  671.  
  672.   r*(pi + theta) < a*r sin theta
  673.  
  674. that is,
  675.  
  676.   pi + arc cos (1/a) - a * sqrt(a^2 - 1) < 0
  677.  
  678. Maximize a in the above:  a = 4.6033388487517003525565820291030165130674...
  679. The fox can catch the duck as long as he can run about 4.6 times as fast as
  680. the duck can swim.
  681.  
  682. "But wait," I hear you cry, "When the duck heads off to that spot
  683. 'more than halfway' around the circle, why doesn't the fox just double
  684. back?  That way he'll reach that spot much quicker."  That is why the
  685. duck's strategy has instructions to repeat step 2 under certain
  686. circumstances.  Note that at the end of step 2, if the fox has started
  687. to run to head off the duck, say in a clockwise direction, he and the
  688. duck are now on the same side of some diameter of the circle.  This
  689. continues to be true as long as both travel along their chosen paths
  690. at full speed.  But if the fox were now to try to reach the duck's
  691. destination in a counterclockwise direction, then at some instant he
  692. and the duck must be on a diameter of the pond.  At that instant, they
  693. have exactly returned to the situation that existed at the end of step
  694. 1, except that the duck is a little closer to the edge than she was
  695. before.  That's why the duck always repeats step 2 if the fox is ever
  696. diametrically opposite her.  Then the fox must commit again to go one
  697. way or the other.  Every time the fox fails to commit, or reverses his
  698. commitment, the duck gets a distance delta closer to the edge.  This
  699. is a losing strategy for the fox.
  700.  
  701. The limiting ratio of velocities that this strategy works against
  702. cannot be improved by any other strategy, i.e., if the ratio of
  703. the duck's speed to the fox's speed is less than a then the duck
  704. cannot escape given the best fox strategy.
  705.  
  706. Given a ratio R of speeds less than the above a, the fox is sure to
  707. catch the duck (or keep it in water indefinitely) by pursuing the
  708. following strategy: 
  709. Do nothing so long as the duck is in a radius of R around the centre.
  710. As soon as it emerges from this circle, run at top speed around the
  711. circumference. If the duck is foolish enough not to position itself
  712. across from the center when it comes out of this circle, run "the short
  713. way around", otherwise run in either direction.
  714.  
  715. To see this it is enough to verify that at the circumference of the
  716. circle of radius R, all straight lines connecting the duck to points
  717. on the circumference (in the smaller segment of the circle cut out
  718. by the tangent to the smaller circle) bear a ratio greater than R
  719. with the corresponding arc the fox must follow. That this is enough
  720. follows from the observation that the shortest curve from a point on
  721. a circle to a point on a larger concentric circle (shortest among all
  722. curves that don't intersect the interior of the smaller circle) is
  723. either a straight line or an arc of the smaller circle followed by a
  724. tangential straight line.
  725.  
  726. ==> geometry/earth.band.p <==
  727. How much will a band around the equator rise above the surface if it is
  728. made one meter longer?  Assume the equator is a circle.
  729.  
  730. ==> geometry/earth.band.s <==
  731. The formula for the circumference of a circle is 2 * pi * radius.  Therefore,
  732. if you increase the circumference by 1 meter, you increase the radius by
  733. 1/(2 * pi) meters, or about 0.16 meters.
  734.  
  735. ==> geometry/fence.p <==
  736. A farmer wishes to enclose the maximum possible area with 100 meters of fence.
  737. The pasture is bordered by a straight cliff, which may be used as part of the
  738. fence.  What is the maximum area that can be enclosed?
  739.  
  740.  
  741. ==> geometry/fence.s <==
  742. A circle is the plane figure with highest ratio of area to perimeter.
  743. The cliff can be used to bisect a circle of radius 100/pi meters.  By
  744. symmetry, this will form the pen of largest area.  The resulting pen
  745. will contain 5000/pi meters squared.
  746.  
  747.  
  748. ==> geometry/ham.sandwich.p <==
  749. Consider a ham sandwich, consisting of two pieces of bread and one of
  750. ham.  Suppose the sandwich was dropped into a machine and spindled,
  751. torn and mutilated.  Is it still possible to divide the ham sandwich
  752. with a straight knife cut such that both the ham and each slice of
  753. bread are divided in two parts of equal volume?
  754.  
  755. ==> geometry/ham.sandwich.s <==
  756. Yes.  There is a theorem in topology called the Ham Sandwich Theorem,
  757. which says: Given 3 (finite) volumes (each may be of any shape, and in
  758. several pieces), there is a plane that cuts each volume in half.  You
  759. would learn about it typically in a first course in algebraic topology,
  760. or maybe in a course on introductory topology (if you studied the
  761. fundamental group).
  762.  
  763. ==> geometry/hike.p <==
  764. You are hiking in a half-planar woods, exactly 1 mile from the edge,
  765. when you suddenly trip and lose your sense of direction.  What's the
  766. shortest path that's guaranteed to take you out of the woods?  Assume
  767. that you can navigate perfectly relative to your current location and
  768. (unknown) heading.
  769.  
  770. ==> geometry/hike.s <==
  771. Go 2/sqrt(3) away from the starting point, turn 120 degrees and head
  772. 1/sqrt(3) along a tangent to the unit circle, then traverse an arc of
  773. length 7*pi/6 along this circle, then head off on a tangent 1 mile.
  774.  
  775. This gives a minimum of sqrt(3) + 7*pi/6 + 1 = 6.397...
  776.  
  777. It remains to prove this is the optimal answer.
  778.  
  779. ==> geometry/hole.in.sphere.p <==
  780. Old Boniface he took his cheer,
  781. Then he bored a hole through a solid sphere,
  782. Clear through the center, straight and strong,
  783. And the hole was just six inches long.
  784.  
  785. Now tell me, when the end was gained,
  786. What volume in the sphere remained?
  787. Sounds like I haven't told enough,
  788. But I have, and the answer isn't tough!
  789.  
  790. ==> geometry/hole.in.sphere.s <==
  791. The volume of the leftover material is equal to the volume of a 6" sphere.
  792.  
  793. First, lets look at the 2 dimensional equivalent of this problem.  Two
  794. concentric circles where the chord of the outer circle that is tangent
  795. to the inner circle has length D.  What is the annular area between the
  796. circles?
  797.  
  798. It is pi * (D/2)^2. The same area as a circle with that diameter.
  799. Proof:
  800.         big circle radius is R
  801.         little circle radius is r
  802.         
  803.                               2          2
  804.         area of donut = pi * R   - pi * r
  805.  
  806.                                2    2
  807.         =               pi * (R  - r )
  808.  
  809.  
  810. Draw a right triangle and apply the Pythagorean Theorem to see that
  811.                  2      2          2
  812.                 R  -   r   =  (D/2)
  813. so the area is
  814.                                   2
  815.         =               pi * (D/2)
  816.  
  817.  
  818. Start with a sphere of radius R (where R > 6"), drill out the 6"
  819. high hole.  We will now place this large "ring" on a plane.  Next to it 
  820. place a 6" high sphere.  By Archemedes' theorem, it suffices
  821. to show that for any plane parallel to the base plane, the cross-
  822. sectional area of these two solids is the same.
  823.  
  824. Take a general plane at height h above (or below) the center
  825. of the solids. The radius of the circle of intersection on the sphere is 
  826.  
  827.         radius = srqt(3^2 - h^2)
  828.  
  829. so the area is  
  830.  
  831.         pi * ( 3^2  - h^2 ) 
  832.  
  833.  
  834. For the ring, once again we are looking at the area between two concentric 
  835. circles.  The outer circle has radius sqrt(R^2 - h^2), 
  836. The area of the outer circle is therefore
  837.  
  838.                 pi (R^2 - h^2)
  839.  
  840. The inner circle has
  841. radius sqrt(R^2 - 3^2).  So the area  of the inner circle is
  842.  
  843.         pi * ( R^2  - 3^2 ) 
  844.  
  845. the area of the doughnut is therefore
  846.  
  847.                 pi(R^2 - h^2)  - pi( R^2  - 3^2 ) 
  848.                 
  849.         =       pi (R^2 - h^2 - R^2 + 3^2)
  850.  
  851.         =       pi (3^2  - h^2)
  852.  
  853. Therefore the areas are the same for every plane intersecting the solids.
  854. Therefore their volumes are the same.
  855. QED
  856.  
  857. There also is a meta-theoretic answer to this puzzle.  Assume the puzzle
  858. can be solved.  Then it must be solvable with a hole of any diameter, even
  859. zero.  But if you drill a hole of zero diameter that is six inches long,
  860. you leave behind the volume of a six inch diameter sphere.
  861.  
  862.  
  863. ==> geometry/hypercube.p <==
  864. How many vertices, edges, faces, etc. does a hypercube have?
  865.  
  866. ==> geometry/hypercube.s <==
  867. Take any vertex of the hypercube, and ask how many k-V's it
  868. participates in.  To make a k-V it needs to combine with k adjacent and
  869. orthogonal vertices, and there are (nCk) distinct ways of doing this
  870. [that is, choose k directions out of n possible ones].  Then multiply
  871. by 2^n, the total number of vertices.  But this involves multiple
  872. counting, since each k-V is shared by 2^k vertices.  So divide by 2^k,
  873. and this yields the answer: (nCk)*2^{n-k}.
  874.  
  875.  
  876. For example, 12d hypercube:
  877.  
  878.  0-v:   4,096
  879.  1-v:  24,576
  880.  2-v:  67,584
  881.  3-v: 112,640
  882.  4-v: 126,720
  883.  5-v: 101,376
  884.  6-v:  59,136
  885.  7-v:  25,344
  886.  8-v:   7,920
  887.  9-v:   1,760
  888. 10-v:     264
  889. 11-v:      24
  890. 12-v:       1
  891.  
  892.  
  893. ==> geometry/kissing.number.p <==
  894. How many n-dimensional unit spheres can be packed around one unit sphere?
  895.  
  896. ==> geometry/kissing.number.s <==
  897. From the Feb. 1992 issue of Scientific American:
  898.  
  899.           Kissing Numbers
  900.  
  901. Dimension    Lower limit   Upper limit
  902.    1*            2             2
  903.    2*            6             6
  904.    3*           12            12
  905.    4            24            25
  906.    5            40            46
  907.    6            72            82
  908.    7           126           140
  909.    8*          240           240
  910.    9           306           380
  911.   10           500           595
  912.   11           582           915
  913.   12           840         1,416
  914.   13         1,130         2,233
  915.   14         1,582         3,492
  916.   15         2,564         5,431
  917.   16         4,320         8,313
  918. ^S^Q  17         5,346        12,215
  919.   18         7,398        17,877
  920.   19        10,688        25,901
  921.   20        17,400        37,974
  922.   21        27,720        56,852
  923.   22        49,896        86,537
  924.   23        93,150       128,096
  925.   24*      196,560       196,560
  926.  
  927. * = dimensions for which the answer is known.
  928.  
  929. REFERENCES (from the Sci. Am. article)
  930.  
  931. The Problem of the Thirteen Spheres. John Leech in Mathematical Gazette,
  932.   Vol. 40, No. 331, pages 22-23; February 1956
  933. Sphere Packings, Lattics and Groups.  John Horton Conway and Neil J. A.
  934.   Sloane.  Springer-Verlag, 1988.
  935. Sphere Packings and Spherical Geometry--Kepler's Conjecture and Beyond,
  936.   preprint.  Wu-Yi Hsiang.  Center for Pure and Applied Mathematics,
  937.   University of California, Berkeley, July 1991.
  938. --
  939. David Radcliffe                                
  940. radcliff@csd4.csd.uwm.edu            
  941.  
  942. ==> geometry/konigsberg.p <==
  943. Can you draw a line through each edge on the diagram below without crossing
  944. any edge twice and without lifting your pencil from the paper?
  945.  
  946.              +---+---+---+
  947.              |   |   |   |
  948.              +---+-+-+---+
  949.              |     |     |
  950.              +-----+-----+
  951.  
  952.  
  953. ==> geometry/konigsberg.s <==
  954. This is solved in the same way as the famous "Seven Bridges of
  955. Konigsberg" problem first solved by Euler.  In that problem, the task
  956. was to find a closed path that crossed each of the seven bridges of
  957. Konigsberg (now Kaliningrad, Russia) exactly once.  For reasons given
  958. below, no such path existed.  In this version, you cannot draw such a
  959. line without cheating by:
  960.  
  961. (1) drawing a line along one of the edges, or
  962. (2) inscribing the diagram on a torus, or
  963. (3) defining a line segment as the entire length of each straight line, or
  964. (4) adding a vertex on one of the line segemnts, or
  965. (5) defining "crossing" as touching the endpoint of a segment.
  966.  
  967. The method for determining if paths exist in all similar problems is
  968. given below.
  969.  
  970. Turn each "room" into a point. Turn each line segment into a line
  971. ^Sconnecting the two points representing the rooms it abuts.  You should
  972. be able to see that drawing one continuous line across all segments in
  973. your drawing is equivalent to traversing all the edges in the resulting
  974. graph.  Euler's Theorem states that for a graph to be traversable, the
  975. number of vertices with an odd number of edges proceeding from them
  976. must be either zero or two.  For this graph, that number is four, and it
  977. cannot be traversed.
  978.  
  979.              +---+---+---+
  980.              | 1 | 2 | 3 |
  981.              +---+-+-+---+ 6 (outside)
  982.              |  4  |  5  |
  983.              +-----+-----+
  984.  
  985. Number of edges proceeding from each vertex:
  986.  
  987.    1: 4
  988.    2: 5  (*odd*)
  989.    3: 4
  990.    4: 5  (*odd*)
  991.    5: 5  (*odd*)
  992.    6: 9  (*odd*)
  993.  
  994. To prove Euler's Theorem, think of walking along the graph from vertex to
  995. vertex.  Each vertex must be entered as many times as it is exited, except
  996. for where you start and where you end.  So, each vertex must have an
  997. even number of edges, except possibly for two vertices.  And if there are
  998. two vertices with an odd number of edges, the path must start at one and
  999. end at the other.
  1000.  
  1001. ==> geometry/ladders.p <==
  1002. Two ladders form a rough X in an alley.  The ladders are 11 and 13 meters
  1003. long and they cross 4 meters off the ground.  How wide is the alley?
  1004.  
  1005. ==> geometry/ladders.s <==
  1006. Ladders 1 and 2, denoted L1 and L2, respectively, will rest along two
  1007. walls (taken to be perpendicular to the ground), and they will
  1008. intersect at a point O = (a,s), a height s from the ground.  Find the
  1009. largest s such that this is possible.  Then find the width of the
  1010. alley, w = a+b, in terms of L1, L2, and s.  This diagram is not to
  1011. scale.
  1012.  
  1013.                  B                     D
  1014.                   |\ L1           L2 /|
  1015.                   |  \             /  |           BC = length of L1  
  1016.                   |    \         /    |           AD = length of L2
  1017.                   |      \  O  /      |            s = height of intersection
  1018.                  x|        \ /        |y           A = (0,0)
  1019.                   |        /|\        |           AE = a 
  1020.                   |    m /  |  \ n    |           EC = b
  1021.                   |    /    |s   \    |           AO = m
  1022.                   |  /      |      \  |           CO = n
  1023.                   |/________|________\|     
  1024.          (0,0) = A    a     E    b     C
  1025.  
  1026. -----------------------------------------------------------------------------
  1027. Without loss of generality, let L2 >= L1.
  1028.  
  1029. Observe that triangles AOB and DOC are similar.  Let r be the ratio of
  1030. ^Qsimilitude, so that x=ry.  Consider right triangles CAB and ACD.  By
  1031. the Pythagorean theorem, L1^2 - x^2 = L2^2 - y^2.  Substituting x=ry,
  1032. this becomes y^2(1-r^2) = L2^2 - L1^2.  Letting L= L2^2 -L1^2 (L>=0),
  1033. and factoring, this becomes
  1034.  
  1035.     (*)   y^2 (1+r)(1-r) = L
  1036.  
  1037. Now, because parallel lines cut L1 (a transversal) in proportion, r =
  1038. x/y = (L1-n)/n, and so  L1/n = r+1.  Now, x/s = L1/n = r+1, so ry = x =
  1039. s(r+1).  Solving for r, one obtains the formula r = s/(y-s).
  1040. Substitute this into (*) to get
  1041.  
  1042.     (**)  y^2 (y) (y-2s) = L (y-s)^2
  1043.  
  1044. NOTE:  Observe that, since L>=0, it must be true that y-2s>=0.
  1045.  
  1046. Now, (**) defines a fourth degree polynomial in y.  It can be written in the
  1047. ^Sform (by simply expanding (**))
  1048.  
  1049.     (***)  y^4 - 2s_y^3 - L_y^2 + 2sL_y - Ls^2 = 0
  1050.  
  1051. L1 and L2 are given, and so L is a constant.  How large can s be?  Given L,
  1052. the value s=k is possible if and only if there exists a real solution, y',
  1053. to (***), such that 2k <= y' < L2.  Now that s has been chosen, L and s are
  1054. constants, and (***) gives the desired value of y.  (Make sure to choose the
  1055. value satisfying 2s <= y' < L2.  If the value of s is "admissible" (i.e.,
  1056. feasible), then there will exist exactly one such solution.)
  1057. Now, w = sqrt(L2^2 - y^2), so this concludes the solution.
  1058.  
  1059. L1 = 11, L2 = 13, s = 4.  L = 13^2-11^2 = 48, so (***) becomes
  1060.  
  1061.            y^4 - 8_y^3 - 48_y^2 + 384_y - 768 = 0
  1062.  
  1063. Numerically find root y ~= 9.70940555, which yields w ~= 8.644504.
  1064.  
  1065. ==> geometry/lattice/area.p <==
  1066. Prove that the area of a triangle formed by three lattice points is integer/2.
  1067.  
  1068. ==> geometry/lattice/area.s <==
  1069. The formula for the area is
  1070.  
  1071.         A = | x1*y2 + x2*y3 + x3*y1 - x1*y3 - x2*y1 - x3*y2 | / 2
  1072.  
  1073. If the xi and yi are integers, A is of the form (integer/2)
  1074.  
  1075. ==> geometry/lattice/equilateral.p <==
  1076. Can an equlateral triangle have vertices at integer lattice points?
  1077.  
  1078. ==> geometry/lattice/equilateral.s <==
  1079. ^QNo.  
  1080.  
  1081. Suppose 2 of the vertices are (a,b) and (c,d), where a,b,c,d are integers.
  1082. Then the 3rd vertex lies on the line defined by
  1083.  
  1084.         (x,y) = 1/2 (a+c,b+d) + t ((d-b)/(c-a),-1)    (t any real number)
  1085.  
  1086. and since the triangle is equilateral, we must have
  1087.  
  1088.         ||t ((d-b)/(c-a),-1)|| = sqrt(3)/2 ||(c,d)-(a,b)||
  1089.  
  1090. which yields t = +/- sqrt(3)/2 (c-a).  Thus the 3rd vertex is
  1091.  
  1092.         1/2 (a+c,b+d) +/- sqrt(3)/2 (d-b,a-c)
  1093.  
  1094. which must be irrational in at least one coordinate.
  1095.  
  1096. ==> geometry/manhole.cover.p <==
  1097. Why is a manhole cover round?
  1098.  
  1099. ==> geometry/manhole.cover.s <==
  1100. It will not fall into the hole, even if rotated, tipped, etc.
  1101. It gives maximal area for a given amount of material.
  1102. It does not have to be carried, but can be rolled.
  1103. Human beings are roughly round in horizontal cross section.
  1104. Orientation of the cover with the access hole is not of concern.
  1105. Orientation of the access hole with the ladder in the pipe below is not
  1106.     of concern.
  1107.  
  1108. ==> geometry/pentomino.p <==
  1109. Arrange pentominos in 3x20, 4x15, 5x12, 6x10, 2x3x10, 2x5x6 and 3x4x5 forms.
  1110.  
  1111. ==> geometry/pentomino.s <==
  1112. I've seen several different naming schemes used for pentominoes. This is
  1113. the system I'm using (I think only F & N require a bit of imagination):
  1114.  
  1115.  FF  I  L    N  PP  TTT  U U  V   V  W W W  X X   Y  ZZ
  1116. FF   I  L   NN  PP   T   UUU   V V    W W    X   YY   Z
  1117.  F   I  L   N   P    T          V           X X   Y   ZZ
  1118.      I  LL  N                                     Y
  1119.  
  1120. A 3x20 solution (the other solution is easily obtained by a rotation of 
  1121. the section from the Z to the L inclusive):
  1122.  
  1123.   UUXPPPZYYYYWTFNNNVVV
  1124.   UXXXPPZZZYWWTFFFNNLV
  1125.   UUXIIIIIZWWTTTFLLLLV
  1126.  
  1127. A 4x15 solution:
  1128.  
  1129.   IIIIINNLLLLTVVV
  1130.   UUXNNNFZZWLTTTV
  1131.   UXXXYFFFZWWTPPV
  1132.   UUXYYYYFZZWWPPP
  1133.  
  1134. 2 5x6 rectangles. Joined side-to-side, end-to-end, or stacked, these
  1135. enable construction of the 6x10 & 5x12 rectangles, and the 2x5x6 prism:
  1136.  
  1137.   NFVVV  YYYYI
  1138.   NFFFV  LLYZI
  1139.   NNFXV  LZZZI
  1140.   PNXXX  LZWTI
  1141.   PPUXU  LWWTI
  1142.   PPUUU  WWTTT
  1143.  
  1144.  
  1145. The 2x3x10 and 3x4x5 solutions are tricky to show - I hope these diagrams
  1146. make sense:
  1147.  
  1148. A 2x3x10 solution (shown as 2 layers; Y and L are shared between the
  1149. 2 layers):
  1150. ^S
  1151.   VVVZIIIIIF    UUXTTTWWPP
  1152.   VZZZNNNFFF    UXXXTWWPPP
  1153.   VZYYYYNNFL    UUXYTWLLLL
  1154.  
  1155. A 3x4x5 solution (3 layers, V F W & L shared between 2 or more layers): 
  1156.  
  1157.   VUUXF   VZFFF   VNYFW
  1158.   VUXXX   TZZZW   NNYPW
  1159.   VUUXW   TTTZW   NYYPP
  1160.   IIIII   TLLLL   NLYPP
  1161.  
  1162.  
  1163.  
  1164. --
  1165.  +-------------------  pete@bignode.equinox.gen.nz  -------------------+
  1166.  | The effort to understand the universe is one of the very few things |
  1167.  | that lifts human life above the level of farce, and gives it some   |  
  1168.  | of the grace of tragedy   -  Steven Weinberg                        |
  1169.  +---------------------------------------------------------------------+
  1170.  
  1171. ==> geometry/points.in.sphere.p <==
  1172. What is the expected distance between two random points inside a sphere?
  1173. Assume the points are uniformly and independently distributed.
  1174.  
  1175. ==> geometry/points.in.sphere.s <==
  1176. Use spherical polar coordinates, and w.l.o.g. choose the polar axis
  1177. through one of the points. Now the distance between the two points is
  1178.  
  1179.      sqrt ( r1^2 + r2^2 - 2 r1 r2 cos(theta))
  1180.  
  1181. and cos(theta) is (conveniently) uniformly distributed between -1 and
  1182. +1, while r1 and r2 have densities 3 r1^2 d(r1) and 3 r2^2 d(r2). Split
  1183. the total integral into two (equal) parts with r1 < r2 and r1 > r2, and
  1184. it all comes down to integrating polynomials.
  1185.  
  1186. More generally, the expectation of the n'th power of the distance
  1187. between the two points is
  1188.  
  1189.          2^n . 72 / ((n+3)(n+4)(n+6))
  1190.  
  1191. So the various means are:
  1192.  
  1193.      the (arithmetic) mean distance is  36/35      = 1.028571...
  1194.      the root mean square distance is   sqrt(6/5)  = 1.095445...
  1195.      the geometric mean distance is     2exp(-3/4) = 0.944733...
  1196.      the harmonic mean distance is      5/6        = 0.833333...
  1197.      the inverse root mean inverse square distance is
  1198.                                         2/3        = 0.666666...
  1199.  
  1200. ==> geometry/points.on.sphere.p <==
  1201. ^Q^SWhat are the odds that n random points on a sphere lie in the same hemisphere?
  1202.  
  1203. ==> geometry/points.on.sphere.s <==
  1204. 1 - [1-(1/2)^(n-2)]^n
  1205.  
  1206. where n is the # of points on the sphere.
  1207.  
  1208. The question will become a lot easier if you restate it as the following:
  1209.  
  1210. What is the probability in finding at least one point such that all the other
  1211. points on the sphere are on one side of the great circle going through this
  1212. point. 
  1213.  
  1214. When n=2, the probability= 1 ,
  1215. when n=infinity, it becomes 0.
  1216.  
  1217. In his Scientific American column which was titled "Curious Maps",
  1218. Martin Gardner ponders the fact that most of the land mass of the Earth
  1219. is in one hemisphere and refers to a paper which models continents
  1220. by small circular caps. He gives the above result.
  1221.  
  1222. See "The Probability of Covering a Sphere With N Circular Caps" by
  1223. E. N. Gilbert in Biometrika 52, 1965, p323.
  1224.  
  1225. ==> geometry/revolutions.p <==
  1226. A circle with radius 1 rolls without slipping once around a circle with radius
  1227. 3.  How many revolutions does the smaller circle make?
  1228.  
  1229. ==> geometry/revolutions.s <==
  1230. 4 if the smaller circle rolls on the outside of the larger circle; 2 if
  1231. it rolls on the inside.
  1232.  
  1233. Imagine you are rolling a wheel by pushing it along the equator of the
  1234. earth. Suppose the circumference of the wheel is one third of that of
  1235. the earth. By the time you return to your starting point, the wheel
  1236. ^Qfinishes 3 revolutions relative to you. But do not forget you yourself
  1237. also finishes 1 revolution in the same direction. As a result, the
  1238. number of absolute revolutions is 3+1=4.
  1239.  
  1240. But if the small circle is rolling inside the large circle, the answer
  1241. is then 3-1=2, because in this case the wheel makes a counter-revolution
  1242. as you walk once around.
  1243.  
  1244. ==> geometry/rotation.p <==
  1245. What is the smallest rotation that returns an object to its original state?
  1246.  
  1247. ==> geometry/rotation.s <==
  1248. 720 degrees.
  1249.  
  1250. Objects are made of bosons (integer-spin particles) and fermions
  1251. (half-odd-integer spin particles), and the wave function of a fermion
  1252. changes sign upon being rotated by 360 degrees.  To get it back to its
  1253. original state you must rotate by another 360 degrees, for a total of
  1254. 720 degrees.  This fact is the basis of Fermi-Dirac statistics, the
  1255. Pauli Exclusion Principle, electron orbits, chemistry, and life.
  1256.  
  1257. Mathematically, this is due to the continuous double cover of SO(2) by
  1258. SO(3), where SO(2) is the internal symmetry group of fermions and SO(3)
  1259. is the group of rotations in three dimensional space.
  1260.  
  1261. A fermion can be modeled by a sphere with strings attached.  It is
  1262. possible to see that a 360 degree rotation will entangle the strings,
  1263. which another 360 degree rotation will disentangle.  You can also
  1264. demonstrate this with a tray, which you hold in your right hand with
  1265. the arm lowered, then rotate twice as you raise your arm and end up
  1266. with the tray above your head, rotated twice about its vertical axis,
  1267. but without having twisted your arm.
  1268.  
  1269. Hospitals have machines which take out your blood, centrifuge it to take out
  1270. certain parts, then return it to your veins. Because of AIDS they must never
  1271. let your blood touch the inside of the machine which has touched others'
  1272. blood. So the inside is lined with a single piece of disposable branched
  1273. plastic tubing. This tube must rotate rapidly in the centrifuge where
  1274. several branches come out. Thus the tube should twist and tangle up the
  1275. ^Sbranches. But the machine untwists the branches as in the above discussion.
  1276. At several hundred rounds per minute!
  1277.  
  1278. References
  1279.     R. Penrose and W.  Rindler
  1280.     Spinors and Space-time, vol. 1, p. 43
  1281.     Cambridge University Press, 1984
  1282.  
  1283.     R. Feynman and S. Weinberg
  1284.     Elementary Particles and the Laws of Physics, p. 29
  1285.     Cambridge University Press, 1987
  1286.  
  1287.     M. Gardner
  1288.     The New Ambidextrous Universe, Revised (Third) Edition, pp. 329-332
  1289.     W. H. Freeman, 1990
  1290.  
  1291. ==> geometry/shephard.piano.p <==
  1292. What's the maximum area shape that will fit around a right-angle corner?
  1293.  
  1294. ==> geometry/shephard.piano.s <==
  1295. This problem is unsolved.  A simple solution called the "Shephard
  1296. ^Qpiano" has area 2.2074+, but this can be improved upon with local
  1297. modifications.  A solution exists with area 2.215649+.  It is known
  1298. that a maximum area exists, but not whether the shape achieving it is
  1299. symmetric, smooth, or even unique.
  1300.  
  1301. See Problem G5 in Croft, Falconer, and Guy, _Unsolved Porblems in
  1302. Geometry_, Springer-Verlag, 1991.
  1303.  
  1304. ==> geometry/smuggler.p <==
  1305. Somewhere on the high sees smuggler S is attempting, without much
  1306. luck, to outspeed coast guard G, whose boat can go faster than S's. G
  1307. is one mile east of S when a heavy fog descends. It's so heavy that
  1308. nobody can see or hear anything further than a few feet. Immediately
  1309. after the fog descends, S changes course and attempts to escape at
  1310. constant speed under a new, fixed course. Meanwhile, G has lost track
  1311. of S. But G happens to know S's speed, that it is constant, and that S
  1312. is sticking to some fixed heading, unknown to G.
  1313.  
  1314. How does G catch S? 
  1315.  
  1316. G may change course and speed at will. He knows his own speed and
  1317. course at all times. There is no wind, G does not have radio or radar,
  1318. there is enough space for maneuvering, etc.
  1319.  
  1320. ==> geometry/smuggler.s <==
  1321. One way G can catch S is as follows (it is not the fastest way). 
  1322.  
  1323. G waits until he knows that S has traveled for one mile. At that time, both
  1324. S and G are somewhere on a circle with radius one mile, and with its center
  1325. at the original position of S. G then begins to travel with a velocity that
  1326. has a radially outward component equal to that of S, and with a tangential
  1327. component as large as possible, given G's own limitation of total speed. By
  1328. doing so, G and S will always both be on an identical circle having its
  1329. center at the original position of S. Because G has a tangential component
  1330. whereas S does not, G will always catch S (actually, this is not proven
  1331. until you solve the o.d.e. associated with the problem).
  1332.  
  1333. If G can go at 40 mph and S goes at 20 mph, you can work out that it will
  1334. ^Stake G at most 1h 49m 52s to catch S.  On average, G will catch S in:
  1335.  
  1336. ( -2pi + sqrt(3) ( exp(2pi/sqrt(3)) - 1 )) / 40pi    hours,
  1337.  
  1338. which is, 27 min and 17 sec.
  1339.  
  1340. ==> geometry/spiral.p <==
  1341. How far must one travel to reach the North Pole if one starts from the
  1342. equator and always heads northwest?
  1343.  
  1344. ==> geometry/spiral.s <==
  1345. One can't reach the North Pole by going northwest.  If one could, then
  1346. one could leave the North Pole by going southeast.  But from the Pole
  1347. all directions are due south.
  1348.  
  1349. If one heads northwest continuously, one will spiral closer and closer
  1350. to the North Pole, until finally one can't turn that sharply.
  1351.  
  1352. ==> geometry/table.in.corner.p <==
  1353. Put a round table into a (perpendicular) corner so that the table top
  1354. touches both walls and the feet are firmly on the ground.  If there is
  1355. a point on the perimeter of the table, in the quarter circle between
  1356. the two points of contact, which is 10 cm from one wall and 5 cm from
  1357. the other, what's the diameter of the table?
  1358.  
  1359. ==> geometry/table.in.corner.s <==
  1360. Consider the +X axis and the +Y axis to be the corner.  The table has
  1361. radius r which puts the center of the circle at (r,r) and makes the
  1362. circle tangent to both axis.  The equation of the circle (table's
  1363. perimeter) is
  1364.  
  1365.     (x-r)^2 + (y-r)^2 = r^2 .
  1366.  
  1367. This leads to 
  1368.  
  1369.      r^2 - 2(x+y) + x^2 + y^2 = 0
  1370.  
  1371. Using x = 10, y = 5 we get the solutions 25 and 5.  The former is the
  1372. radius of the table.  It's diameter is 50 cm.
  1373.  
  1374. The latter number is the radius of a table that has a point which
  1375. satisfies the conditions but is not on the quarter circle nearest
  1376. the corner.
  1377.  
  1378. ==> geometry/tetrahedron.p <==
  1379. Suppose you have a sphere of radius R and you have four planes that are
  1380. all tangent to the sphere such that they form an arbitrary tetrahedron
  1381. (it can be irregular).  What is the ratio of the surface area of the
  1382. tetrahedron to its volume?
  1383.  
  1384. ==> geometry/tetrahedron.s <==
  1385. For each face of the tetrahedron, construct a new tetrahedron with that
  1386. face as the base and the center of the sphere as the fourth vertex.
  1387. Now the original tetrahedron is divided into four smaller ones, each of
  1388. height R.  The volume of a tetrahedron is Ah/3 where A is the area of
  1389. the base and h the height; in this case h=R.  Combine the four
  1390. tetrahedra algebraically to find that the volume of the original
  1391. tetrahedron is R/3 times its surface area.
  1392.  
  1393. ==> geometry/tiling/count.1x2.p <==
  1394. Count the ways to tile an MxN rectangle with 1x2 dominos.
  1395. ^Q
  1396. ==> geometry/tiling/count.1x2.s <==
  1397. The number of ways to tile an MxN rectangle with 1x2 dominos is
  1398. 2^(M*N/2) times the product of
  1399.  
  1400. { cos^2(m*pi/(M+1)) + cos^2(n*pi/(N+1)) } ^ (1/4)
  1401.  
  1402. over all m,n in the range 0<m<M+1, 0<n<N+1.
  1403.  
  1404. [Exercises:
  1405.  0) Why does this work for M*N odd?
  1406.  1) When M<3 the count can be determined directly;
  1407.    check that it agrees with the above formula.
  1408.  2) Prove directly this formula gives an integer for all M,N, and
  1409.    further show that if M=N it is a perfect square when 4|N and
  1410.    twice a square otherwise.
  1411. ]
  1412.  
  1413. Where does this come from?  For starters note that, with the usual checker-
  1414. board coloring, each domino must cover one light and one dark square.  Assume
  1415. that M*N is even (but as it happens our formula will work also when both
  1416. M,N are odd --- see exercise 0 above).  Form a square matrix of size
  1417. M*N/2 whose rows and columns are indexed by the light and dark squares,
  1418. and whose (j,k) entry is 1 if the j-th light and k-th dark square are
  1419. adjacent and zero otherwise.  There are now three key ideas:
  1420.  
  1421. First, the number of tilings is the number of ways to match each light
  1422. square with an adjacent dark square; thus it is the _permanent_ of our
  1423. matrix (recall that the permanent of a rxr matrix is a sum of the same
  1424. ^S^Q^S^Q^S^Q^S^Qr! terms that occur in its determinant, except without the usual +1/-1
  1425. sign factors).
  1426.  
  1427. Second, that by modifying this matrix slightly we can convert the
  1428. permanent to a determinant; this is nice because determinants are generally
  1429. much easier to evaluate than permanents.  One way to do this is to replace
  1430. all the 1's that correspond to vertical adjacency to i's, and multiply the
  1431. whole thing by a suitable power of i (which will disappear when we raise
  1432. it to a fourth power).
  1433.  
  1434. [Exercise 3: check that this transformation actually works as advertised!]
  1435.  
  1436. Third, that we can diagonalize the resulting matrix A --- or, more
  1437. conveniently, the square matrix of A' order M*N whose order-(M*N/2)
  1438. blocks are 0,A;A-transpose,0 , whence det(A') = +-(det(A))^2.  Then
  1439. the rows and columns of A' are indexed by squares of either hue on our
  1440. generalized checkerboard, and its entries are 1 for horizontally adjacent
  1441. squares, i for vertically adjacent ones, and 0 for nonadjacent (including
  1442. coincident) squares.  This A' can be diagonalized by using the trigonometric
  1443. basis of vectors v_ab (a,b as in the formula above) whose coordinate at
  1444. the (m,n)-th square is  sin(a*m*pi/(M+1)) * sin(b*n*pi/(N+1)).
  1445.  
  1446. Exercise 4: verify that these are in fact orthogonal eigenvectors of A',
  1447. determine their eigenvalues, and complete the proof of the above formula.
  1448.  
  1449.  
  1450. (None of this is new, but it does not seem to be well-known: indeed
  1451. each of the above steps seems to have been discovered independently
  1452. several times, and I'm not sure whom to credit with the first discovery
  1453. of this particular application of the method.  For different approaches
  1454. to exactly solvable problems involving the enumeration of domino tilings,
  1455. see the two papers of G.Kuperberg, Larsen, Propp and myself on
  1456. "Alternating-Sign Matrices and Domino Tilings" in the first volume of
  1457. the _Journal of Algebraic Combinatorics_.)
  1458.  
  1459. --Noam D. Elkies (elkies@zariski.harvard.edu)
  1460.   Dept. of Mathematics, Harvard University
  1461.  
  1462.  
  1463.  
  1464.  
  1465.  
  1466. ==> geometry/tiling/rational.sides.p <==
  1467. A rectangular region R is divided into rectangular areas.  Show that if
  1468. each of the rectangles in the region has at least one side with
  1469. rational length then the same can be said of R.
  1470.  
  1471. ==> geometry/tiling/rational.sides.s <==
  1472. "Fourteen proofs of a result about tiling a rectangle" (Stan Wagon)
  1473. _The American Mathematical Monthly_, Aug-Sep 1987, Vol 94 #7.  There
  1474. was also a fifteenth proof published a few issues later, attributed to
  1475. a (University of Kentucky?) student.
  1476.  
  1477. From: chris@questrel.com (Chris Cole)
  1478. Date: 18 Aug 93 06:05:22 GMT
  1479. Newsgroups: rec.puzzles,news.answers,rec.answers
  1480. Subject: rec.puzzles Archive (geometry), part 14 of 35
  1481.  
  1482.  
  1483. ==> geometry/tiling/rectangles.with.squares.p <==
  1484. Given two sorts of squares, (axa) and (bxb), what rectangles can be tiled?
  1485.  
  1486. ==> geometry/tiling/rectangles.with.squares.s <==
  1487. A rectangle can be tiled with (axa) and (bxb) squares,   iff
  1488.  
  1489. (i) gcd(a,b)=1 , and any of the following hold:
  1490.  
  1491. either:  both sides of the rectangle are multiples of a;
  1492.     or:  both sides of the rectangle are multiples of b;
  1493.     or:  one side is a multiple of (ab), and the other is any length EXCEPT
  1494.          one of a finite number of "bad" lengths: those numbers which are
  1495.          NOT positive integer combinations of a & b. { By Sylvester's theorem
  1496.          there are (a-1)(b-1)/2 of these, the largest being (a-1)(b-1)-1. }
  1497.  
  1498. (ii) gcd(a,b) = d . 
  1499.      Then merely apply (i) to the problem with a,b replaced
  1500.      by a/d, b/d  and the rectangle lengths also divided by d.
  1501.      i.e.  all cells must appear in (dxd) subsquares.
  1502.  
  1503. ------
  1504. PROOF
  1505. It is clear that (ii) follows from (i), and that simple constructions give
  1506. the "if" part of (i). For the "only if" part, we prove that...
  1507.  
  1508. (S) If one side of the rectangle is not divisible by a, and the other is
  1509.     not divisible by b, then the tiling is impossible.
  1510.  
  1511. The results in (i) follow immediately from (S).
  1512.  
  1513. To prove (S):  ( Chakraborty-Hoey style ).
  1514.                  ~~~~~~~~~~~~~~~~
  1515. Let the width of the rectangle be a NON-(a-multiple). Then the number of
  1516. bxb squares starting (i.e. top edge) at row 1 must be a NON-a-multiple.
  1517. Thus the number of bxb starting at row 2 must BE an a-multiple. Similarly
  1518. for the number starting at rows 3,4,...,b . Then the number starting at
  1519. row (b+1) must be a NON-a-multiple again.
  1520.  
  1521. Similarly the number starting at rows (2b+1), (3b+1), (4b+1),... must all be
  1522. non-a-multiples. So if the number of rows is NOT a multiple of b, (call it
  1523. bx+r), then row (bx+1) must have a NON-a-multiple of bxb squares starting
  1524. there, i.e. at least one, and there is no room left to squeeze it in.     [QED]
  1525. ----
  1526.  
  1527. A Rickard-style proof of (S) is    ..BBB....BBWWW...WBBB....BBWWW...W(..etc)
  1528.   ~~~~~~~   also possible, by      ..BBB....BBWWW...WBBB....BBWWW...W
  1529. coloring the rectangle in          ..BBB....BBWWW...WBBB....BBWWW...W
  1530. vertical strips as shown here:       <-  a  ->< b-a ><-  a  ->< b-a >
  1531. ^S
  1532. Every square tile covers an a-multiple of black squares. But if the width
  1533. is a NON-b-multiple, and the number of rows is a NON-a-multiple, then there
  1534. are a NON-a-multiple of black squares in total.    [QED]
  1535.  
  1536. (Note: the coloring must have 1 column of blacks on the right, and any
  1537.  ====     spare columns of whites on the left.)
  1538.  
  1539. ===================
  1540.  
  1541. Bill Taylor.            wft@math.canterbury.ac.nz
  1542.  
  1543. >A Rickard-style proof of (S) is    ..BBB....BBWWW...WBBB....BBWWW...W(..etc)
  1544. >  ~~~~~~~   also possible, by      ..BBB....BBWWW...WBBB....BBWWW...W
  1545. >coloring the rectangle in          ..BBB....BBWWW...WBBB....BBWWW...W
  1546. >vertical strips as shown here:       <-  a  ->< b-a ><-  a  ->< b-a >
  1547. >
  1548. >Every square tile covers an a-multiple of black squares. But if the width
  1549. >is a NON-b-multiple, and the number of rows is a NON-a-multiple, then there
  1550. >are a NON-a-multiple of black squares in total.    [QED]
  1551. >
  1552. >(Note: the coloring must have 1 column of blacks on the right, and any
  1553. > ====     spare columns of whites on the left.)
  1554.  
  1555. This statement of how to position the colouring isn't good enough, I'm
  1556. afraid. Take a=4, b=7 and consider e.g. a 19x10 rectangle. Coloured your
  1557. way, you get:
  1558.  
  1559.     BWWWBBBBWWWBBBBWWWB
  1560.     BWWWBBBBWWWBBBBWWWB
  1561.     :::::::::::::::::::
  1562.     BWWWBBBBWWWBBBBWWWB
  1563.     BWWWBBBBWWWBBBBWWWB
  1564.  
  1565. The result has 10*10=100 black squares in it, which *is* a multiple of a=4,
  1566. despite the fact that 19 is not a multiple of 7 and 10 is not a multiple of
  1567. 4.
  1568.  
  1569. Of course, there is an alternative offset for the pattern that does give you
  1570. the result you want:
  1571.  
  1572.     WWBBBBWWWBBBBWWWBBB
  1573.     WWBBBBWWWBBBBWWWBBB
  1574.     :::::::::::::::::::
  1575.     WWBBBBWWWBBBBWWWBBB
  1576.     WWBBBBWWWBBBBWWWBBB
  1577.  
  1578. To show this happens in general: because the width of the rectangle is a
  1579. non-multiple of b, it is possible to position it on the pattern so that the
  1580. leftmost column in the rectangle is white and the column just right of the
  1581. right edge of the rectangle is black. Suppose N columns are black with this
  1582. positioning. Then the rectangle contains N*H black cells, where H is the
  1583. height of the rectangle.
  1584.  
  1585. If we then shift the rectangle right by one, the number of black columns
  1586. increases by 1 and it contains (N+1)*H black cells. The difference between
  1587. these two numbers of black cells is H, which is not a multiple of a.
  1588. Therefore N*H and (N+1)*H cannot both be multiples of a, and so one of these
  1589. two positionings of the pattern will suit your purposes.
  1590.  
  1591. David Seal
  1592. dseal@armltd.co.uk
  1593.  
  1594. ==> geometry/tiling/scaling.p <==
  1595. A given rectangle can be entirely covered (i.e. concealed) by an
  1596. appropriate arrangement of 25 disks of unit radius.
  1597.  
  1598. Can the same rectangle be covered by 100 disks of 1/2 unit radius?
  1599.  
  1600. ==> geometry/tiling/scaling.s <==
  1601. Yes.  The same configuration of circles, when every distance is reduced
  1602. by half (including the diameters), will cover a similar rectangle whose
  1603. sides are one half of the original one.  The original rectangle is the
  1604. union of four such rectangles.
  1605.  
  1606. ==> geometry/tiling/seven.cubes.p <==
  1607. Consider 7 cubes of equal size arranged as follows. Place 5 cubes so
  1608. that they form a Swiss cross or a + (plus) (4 cubes on the sides and
  1609. 1 in the middle). Now place one cube on top of the middle cube and the
  1610. seventh below the middle cube, to effectively form a 3-dimensional
  1611. Swiss cross.
  1612.  
  1613. Can a number of such blocks (of 7 cubes each) be arranged so that they
  1614. are able to completely fill up a big cube (say 10 times the size of
  1615. the small cubes)? It is all right if these blocks project out of the
  1616. big cube, but there should be no holes or gaps.
  1617.  
  1618. ==> geometry/tiling/seven.cubes.s <==
  1619. Let n be a positive integer.  Define the function f from Z^n to Z by
  1620. f(x) = x_1+2x_2+3x_3+...+nx_n.  For x in Z^n, say y is a neighbor of x
  1621. if y and x differ by one in exactly one coordinate.  Let S(x) be the
  1622. set consisting of x and its 2n neighbors.  It is easy to check that
  1623. ^Qthe values of f(y) for y in S(x) are congruent to 0,1,2,...,2n+1 (mod
  1624. 2n+1) in some order.  Using this, it is easy to check that every y in
  1625. Z^n is a neighbor of one and only one x in Z^n such that f(x) is
  1626. congruent to 0 (mod 2n+1).  So Z^n can be tiled by clusters of the
  1627. form S(x), where f(x) is congruent to 0 mod 2n+1.
  1628.  
  1629. ==> geometry/topology/fixed.point.p <==
  1630. A man hikes up a mountain, and starts hiking at 2:00 in the afternoon
  1631. on a Friday.  He does not hike at the same speed (a constant rate), and
  1632. stops every once in a while to look at the view.  He reaches the top in
  1633. ^S^Q^S4 hours.  After spending the night at the top, he leaves the next day
  1634. on the same trail at 2:00 in the afternoon.  Coming down, he doesn't
  1635. hike at a constant rate, and stops every once in a while to look at the
  1636. view.  It takes him 3 hours to get down the mountain.
  1637.  
  1638. Q: What is the probability that there exists a point along the trail
  1639. that the hiker was at on the same time Friday as Saturday?
  1640.  
  1641. You can assume that the hiker never backtracked. 
  1642.  
  1643. ==> geometry/topology/fixed.point.s <==
  1644. 100%.  Superimpose the days:  Friday starts walking up at 2:00,
  1645. Saturday starts walking down at 2:00.   Since they are on the same
  1646. path, they must meet.
  1647.  
  1648. ==> geometry/touching.blocks.p <==
  1649. Can six 1x2x4 blocks be arranged so that each block touches n others, for all n
  1650. ?
  1651.  
  1652. ==> geometry/touching.blocks.s <==
  1653. n=0: 6 separate blocks
  1654. n=1: 3 pairs
  1655. n=2: 2 threesomes
  1656. n=3: a 3x3 grid
  1657. n=4: a box (each sides touches the four adjoining sides, but not the opposite)
  1658. n=5:
  1659.  
  1660. Crude ascii:
  1661. Front view:                  Side view:
  1662.  
  1663.          /\  /\               ----- 
  1664.         /  \/  \              | | |
  1665.        /   /\   \             | | |
  1666.       /   /  \   \            | | |
  1667.       \  /----\  /         ---|.|.|---
  1668.        \/|    |\/          |  | | |  |
  1669.       -----------          -----------
  1670.       |         |             |   |
  1671.       -----------             -----
  1672.  
  1673. -- 
  1674. stein.kulseth@tf.tele.no [X.400] stein.kulseth@nta.no [internet]
  1675.  
  1676. Place block A onto the x-y plane so that four of its corners are at
  1677. (0,0), (0,1), (4,0), (4,1) (I give x and y coordinates only because
  1678. the z coordinate will always be obvious).  Place block B so four of
  1679. its corners are at (2,1), (2,2), (6,1), (6,2).  Now place block C with
  1680. one 4x1 face on the x-y plane with one corner at (0,1) (tangent to
  1681. block A) and tangent to block B at (2,1).  Note that the angle between
  1682. block A and block C is arctan(1/2), and a corner of block C will be at
  1683. a point with approximate coordinates (3.5777, 2.7888).  Call this
  1684. point P.
  1685.  
  1686. Now place an identical configuration of blocks on top of the first
  1687. three as follows: block D with corners at (3.4,0.4), (4.4,0.4),
  1688. (3.4,4.4), (4.4,4.4), block E with corners at (2.4,2.4), (3.4,2.4),
  1689. (2.4,-1.6), (3.4,-1.6), and block F with one corner tangent to D at
  1690. (3.4,4.4) and one side tangent to E at (2.4,2.4).
  1691.  
  1692. If you have been plotting this on graph paper, then the following
  1693. will be clear:
  1694.  
  1695. Every block touches every other in its own layer.  And A and B each
  1696. touch D and E, and block C touches F.  Point P falls under block D, so
  1697. blocks C and D touch, and by symmetry so do blocks F and A.  And the
  1698. edge of block C intersects the edge of block E at (2.4,2.2) so blocks
  1699. C and E touch, and by symmetry so do blocks F and B.  Done!
  1700.  
  1701. -- David Karr (karr@cs.cornell.edu)
  1702.  
  1703. All the blocks are placed with their 2x4 face UP, although any face up
  1704. would have worked, as it turns out.  The blocks are called AAAA BBBB CCCC,
  1705. etc.
  1706.  
  1707.       AAAA
  1708.       AAAA /_______
  1709.       BBCC \
  1710.       BBCC
  1711.       BBCC
  1712.       BBCC
  1713.        /\
  1714.        ||
  1715.  
  1716. The two arrows point to the intersection of AC and BC.
  1717.  
  1718. Now take block "D" and place the top edge along the diagonal (between the
  1719. two arrows) so that the block extends SOUTH EAST of the line.  Likely now
  1720. the block does not touch either A or B.  So slide the block towards the
  1721. ^Q^SNORTH WEST so that it just touches A and B.  You can now easily place
  1722. blocks E and F perpendicular to block "D" so that they both touch all of
  1723. ABC.....QED
  1724. -- 
  1725. Guy Cousineau
  1726.  
  1727. ==> geometry/trigonometry/euclidean.numbers.p <==
  1728. For what numbers x is sin(x) expressible using only integers, +, -, *, / and
  1729. square root?
  1730.  
  1731. ==> geometry/trigonometry/euclidean.numbers.s <==
  1732. Numbers generated by +, -, *, /, and sqrt from the integers are the
  1733. Euclidean numbers, so called because they are those for which line
  1734. segments can be constructed by use of straightedge and compass the
  1735. ratio of whose lengths has that value.
  1736.  
  1737. Using degrees, sin (360*M/N) (where (M,N)=1) is Euclidean if and only
  1738. if the regular polygon with N sides can be constructed by straightedge
  1739. and compass. This is true if (Gauss) and only if (easier) N is a power
  1740. of 2 times the product of different Fermat primes (3, 5, 17, 257, 65537
  1741. and probably no more). So sin (3/17) = sin (360/(2^3*3*5*17)) is
  1742. Euclidean, for example.
  1743.  
  1744. Some particular values:
  1745.  
  1746. sin(54) = (1 + sqrt(5))/4  
  1747. sin(3) = sqrt(8 - sqrt(3) - sqrt(15) - sqrt(10 - 2*sqrt(5)))/4
  1748.  
  1749. ==> geometry/trigonometry/inequality.p <==
  1750. Show that (sin x)^(sin x) < (cos x)^(cos x) when 0 < x < pi/4.
  1751.  
  1752. ==> geometry/trigonometry/inequality.s <==
  1753. The function f(x) = x^(1/sqrt(1-x^2)) is monotonically increasing for
  1754. 0 < x < 1, easily verified by taking the derivative. 
  1755. Since 0 < sin x < cos x < 1 for 0 < x < pi/4, f(sin x) < f(cos x).
  1756. But f(sin x) = (sin x)^(1/cos x) and f(cos x) = (cos x)^(1/sin x).
  1757. Raising both sides to the power (cos x.sin x), we get the desired
  1758. result.
  1759.  
  1760.