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Message from discussion Dreiecke mit ganzzahligem Inkreisradius und ganzzahligen Seiten
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Thomas Mautsch  
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 More options Jun 12 2006, 6:06 pm
Newsgroups: de.sci.mathematik
From: Thomas Mautsch <maut...@ethz.ch>
Date: 12 Jun 2006 23:06:06 +0100
Local: Mon, Jun 12 2006 6:06 pm
Subject: Re: Dreiecke mit ganzzahligem Inkreisradius und ganzzahligen Seiten
Hi Hugo! Hi alle anderen! ;-)
In <news:1150108808.633241.292110@c74g2000cwc.googlegroups.com>
schrieb HP <yae9...@netscape.net>:

> Thomas Mautsch wrote:
>> HP schrieb:
>> >> "Ulrich Diez" <eu_angel...@web.de.invalid> schrieb:
>> >> > Wie finde ich zu einem vorgegebenen ganzzahligen Inkreisradius alle
>> >> > Dreiecke mit ganzzahligen Seitenlängen?

>> [ ... ]
>> > Die entsprechende huebsche Folge "Zahl voneinander verschiedener
>> > Dreiecke mit ganzzahligen Seitenlaengen a<=b<c mit ganzzahligem
>> > Inkreisradius" hab ich auf Anhieb nicht in der OEIS gefunden.

... und daraufhin die neue Folge A120062 ins Leben gerufen. ;-)
Das war eigentlich das, worauf meine "Frage" abzielte:

>> Sagt uns die Folge

>>        1, 5, 13, 18, 15, 45, 24, 45, 51, 52, 26, 139, ...

>> etwas??

Apropos A120062 - waere es nicht an der Zeit, Deinen Eintrag
von gestern auf den neuesten Stand zu bringen? Ich bin eher ein
O.E.I.S.-Laie; da waere es schoen, wenn Du vielleicht so gut waerst,
die Folgen, die wir hier diskutieren, einzutragen.  

Apropos Laie: Besten Dank auch fuer den Hinweis auf "Superseeker". -
Liefert der bei den noch offenen Folgen (cmin etc.) brauchbare Ergebnisse?

>> > Daraus kann man dann weitere Folgen konstruieren, wie "minimal
>> > moegliche Laenge der laengsten Seite c eines der moeglichen Dreiecke
>> > mit ganzzahligen Seitenlaengen und gegebenem ganzzahligem Inkreisradius
>> > n"  bzw. analog "maximal moegliche Laenge ...."
[ ... ]
> Inzwischen hab ich Ergebnisse bis Inkreisradius 10,

[ ... ]

Das kapiere ich nicht ganz. - Mir hat Maple innerhalb einer knappen
Dreiviertelstunde saemtliche Daten bis Inkreisradius rho = 100 ausgespuckt.

Zur Zusammenfassung:

Fuer gegebenes rho in {1,2,3,...} haben wir die Mengen

        U(rho) := { (a,b,c) | es gibt ein Dreieck
                              mit ganzzahligen Seiten
                              a,b,c und Inkreisradius rho }

        S(rho) := { (a,b,c) in U(rho) |  a <= b <= c }

Man kann zeigen, dass zu (a,b,c) in U(rho) stets
positive ganze Zahlen x,y,z existieren, so dass gilt

        a = y + z,      b = z + x,      c = x + y;  

und die Bedingung an (a,b,c) laesst sich in (x,y,z) aequivalent
ausdruecken als

        x y z = rho^2 (x + y + z).

Die Bedingung a <= b <= c ist aequivalent zu z <= y <= x.

Jetzt kann man folgende Folgen bilden:

[1.] # U(rho):  Die ersten 42 Glieder der Folge lauten

        6, 30, 75, 105, 90, 267, 144, 267, 303, 309,
        156, 825, 186, 480, 654, 531, 198, 1101, 204, 864,
        1104, 618, 252, 1857, 390, 576, 837, 1347, 216, 2265,
        276, 1011, 1263, 696, 1035, 2976, 228, 738, 1257, 1959,
        264, 3351.

Die Folge ist nicht im O.E.I.S.

[2.] d := # S(rho):  Die ersten 100 Glieder der Folge lauten

        1, 5, 13, 18, 15, 45, 24, 45, 51, 52,
        26, 139, 31, 80, 110, 89, 33, 184, 34, 145,
        185, 103, 42, 312, 65, 96, 140, 225, 36, 379,
        46, 169, 211, 116, 173, 498, 38, 123, 210, 328,
        44, 560, 60, 280, 382, 134, 64, 592, 116, 228,
        230, 271, 47, 452, 229, 510, 276, 134, 54, 1036,
        44, 144, 611, 280, 181, 639, 51, 339, 264, 597,
        50, 1119, 68, 139, 470, 354, 334, 635, 51, 648,
        323, 162, 75, 1486, 198, 169, 258, 594, 64, 1215,
        331, 354, 313, 186, 255, 1066, 51, 369, 753, 622.

> d ist die neue OEIS-Folge A120062,  

Man sollte dort nachtragen, dass die Glieder mit geradem Index
die Folge A007237 bilden. In der dort zitierten AMM-Aufgabe E3408
wird bewiesen, dass fuer gerades  rho = 2k  gilt  
        d(2k) < 8k^2 log(13k),
und VERMUTET, dass d(rho) sogar O(rho^2) ist.

[3.] min( a | (a,b,c) in S(rho) }:

> amin ist 2*rho+1
>> realisiert unter anderem durch rechtwinklige Dreiecke...

Ist klar: In *jedem* Dreieck gilt  a > 2*rho.
Der Wert a = 2*rho wird z.B. angenommen im rechtwinkligen Dreieck mit  

        x = rho,   y = rho + 1,   z = rho*(2*rho + 1)

aber nicht (immer) nur fuer diese Dreiecke.

[4.] max( a | (a,b,c) in S(rho) }:

VERMUTUNG:

> amax schaut ganz stark nach 2*rho^2+1 (OEIS A058331) aus.

max(a) wird wahrscheinlich nur im Dreieck mit

        x = 1,   y = 2*rho^2,   z = 2*rho^2 + 1

angenommen.

[5.] min( b | (a,b,c) in S(rho) }:

> bmin ist neu und noch erklaerungsbeduerftig.

Die ersten 100 Gleider lauten:

        4, 8, 10, 14, 20, 20, 28, 28, 30, 39,
        44, 40, 52, 56, 50, 56, 68, 60, 76, 70,
        70, 87, 92, 80, 100, 100, 90, 97, 116, 100,
        124, 112, 110, 136, 120, 120, 148, 152, 130, 140,
        164, 140, 172, 154, 150, 184, 188, 160, 196, 174,
        170, 182, 212, 180, 196, 189, 190, 232, 236, 200,
        244, 248, 210, 224, 225, 220, 268, 238, 230, 240,
        284, 240, 292, 296, 250, 266, 260, 260, 316, 269,
        270, 328, 332, 280, 292, 344, 290, 300, 356, 300,
        312, 322, 310, 376, 333, 320, 388, 392, 330, 348.

Ueber die Dreiecke, in denen b minimal wird, kann ich nicht viel sagen:  
Vielleicht versuchen die Dreieck "moeglichst gleichseitig" zu sein. -
Keine Ahnung!
Ein paar Beispiele im Format
        "rho, [[[z,y,x],[c,b,a]]]":

         1, [[[1, 2, 3], [5, 4, 3]]]
         2, [[[2, 4, 6], [10, 8, 6]]]
         3, [[[4, 6, 6], [12, 10, 10]]]
         4, [[[6, 7, 8], [15, 14, 13]]]
         5, [[[5, 10, 15], [25, 20, 15]]]
         6, [[[8, 12, 12], [24, 20, 20]]]
         7, [[[7, 14, 21], [35, 28, 21]]]
         8, [[[12, 14, 16], [30, 28, 26]]]
         9, [[[12, 18, 18], [36, 30, 30]]]
        10, [[[15, 15, 24], [39, 39, 30]]]
        11, [[[11, 22, 33], [55, 44, 33]]]
        12, [[[16, 24, 24], [48, 40, 40]]]

[6.] max( b | (a,b,c) in S(rho) }:

VERMUTUNG ODER OFFENSICHTLICH(?):

> bmax ist offensichtlich (rho^2+1)^2 (OEIS A082044).

Gleichheitsfaelle sollten die gleichen Dreiecke sein,
die auch c maximieren - siehe [8.].

[7.] min( c | (a,b,c) in S(rho) }:

> cmin ist neu und zu erklaeren,

Wieder eine mehr zahlentheoretische Folge:

        5, 10, 12, 15, 25, 24, 35, 30, 36, 39,
        55, 45, 65, 63, 53, 60, 85, 68, 95, 75,
        77, 88, 115, 85, 125, 130, 108, 105, 145, 106,
        155, 120, 132, 170, 137, 135, 185, 190, 156, 150,
        205, 154, 215, 165, 159, 230, 235, 170, 245, 195,
        204, 195, 265, 204, 200, 195, 228, 290, 295, 212,
        305, 310, 231, 240, 247, 264, 335, 255, 276, 267,
        355, 255, 365, 370, 265, 285, 281, 295, 395, 289,
        324, 410, 415, 299, 357, 430, 348, 330, 445, 318,
        327, 345, 372, 470, 371, 340, 485, 441, 396, 375, ...

Wenn die Einschraenkung auf ganze Zahlen nicht waere,
wuerde das Minimum im gleichseitigen Dreieck mit
        a = b = c = rho * 2/sqrt(3)  
angenommen werden.
Die Dreiecke, in denen min(c) angenommen wird, sind also
"ganzzahlige Versionen von gleichseitigen Dreiecken
 mit Inkreisradius rho."

Wieder ein paar Beispiele fuer Gleichheitsfaelle:

        rho, [[[z,y,x],[c,b,a]]]

         1, [[[1, 2, 3], [5, 4, 3]]]
         2, [[[2, 4, 6], [10, 8, 6]]]
         3, [[[4, 6, 6], [12, 10, 10]]]
         4, [[[6, 7, 8], [15, 14, 13]]]
         5, [[[5, 10, 15], [25, 20, 15]]]
         6, [[[8, 12, 12], [24, 20, 20]]]
         7, [[[7, 14, 21], [35, 28, 21]]]
         8, [[[12, 14, 16], [30, 28, 26]]]
         9, [[[12, 18, 18], [36, 30, 30]]]
        10, [[[15, 15, 24], [39, 39, 30]]]
        11, [[[11, 22, 33], [55, 44, 33]]]
        12, [[[18, 21, 24], [45, 42, 39]]]

Man kann beweisen, dass, *wenn rho gleich 1 oder eine Primzahl ist*
(aber nicht nur in diesen Faellen), das optimale Dreieck
das (rechtwinklige(!)) "gleichseitige Dreieck fuer Arme"

        (a,b,c) = (rho*3, rho*4, rho*5)

ist  und  min(c) = 5*rho.

[8.] max( c | (a,b,c) in S(rho) }:

> cmax ist wie von Joseph Myers bewiesen hat rho^4+3*rho^2+1 (OEIS A057721).

Danke, dass Du mir den Beweis gemailt hast! - Mir ist aufgefallen,
dass ich meine Heuristik auch zu einem Beweis ausbauen kann:

Zuerst einmal bemerkt man, dass z zwischen 1 und rho*sqrt(3) liegen muss,
letzteres wegen

        z = rho / tan(gamma/2) <= rho / tan(Pi/6),

da gamma der groesste Winkel im Dreieck ist.

Aus der Gleichung

        xyz = rho^2 (x + y + z)

folgt

        (zx - rho^2) ( zy - rho^2) = rho^2 z^2 + rho^4;

und daraus, sofern (zx - rho^2) nicht negativ ist:

        (zx - rho^2) + (zy - rho^2)
         <= (zx - rho^2) ( zy - rho^2) + 1
          =   rho^2 z^2 + rho^4 + 1,

also

        c = x + y <= rho^2 z + ( rho^4 + 2 rho^2 + 1)/z.

Die rechte Seite dieser Ungleichung wird maximal
an einer der Extremstellen fuer z, also fuer z = 1
oder fuer z "=" rho*sqrt(3):

        c <= max( rho^2 + ( rho^4 + 2 rho^2 + 1),
                  rho^3*sqrt(3) + ( rho^3 + 2 rho + 1/rho)/sqrt(3) )  

Fuer rho > 1/sqrt(3), also *immer*,  
ist der erste Term groesser als der zweite.

Falls dagegen  (zy - rho^2) und  (zx - rho^2)  negativ sind,
folgt
        c = x + y < 2 rho^2 / z <= 2 rho^2

und damit erst recht:  

        +--------------------------+
        | c <= rho^4 + 3 rho^2 + 1 |
        +--------------------------+

mit Gleichheit genau dann, wenn

        z = 1,   zy - rho^2 = 1,   zx - rho^2 = rho^2 z^2 + rho^4.

>>         x = rho^2 + 1
>>         y = rho^2 + rho^4 + rho^2

>>        (a,b,c) = ( (rho^2 + 1)^2, rho^2 + 2, rho^4 + 3 rho^2 + 1 )

q.e.d.

[9.]-[12.] min bzw. max von x, y bzw. z ueber S(rho)

...

> Fazit: Der Tipp in schule.mathe, mal in unsere Gruppe rueberzuposten,
> war doch gar nicht so uebel ;-)

Fuer uns schon,  ;-)  aber fuer Ulrich weniger,
wenn er, wie ich vermute, eigentlich an der vollstaendigen
Loesungsmenge interessiert war.

Noch einen schoenen Abend
        Thomas


 
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