Растения

В геометрии планигон , — это выпуклый многоугольник который может заполнять плоскость только копиями самого себя ( изотопными фундаментальным единицам моноэдральных мозаик ). В евклидовой плоскости имеется 3 правильных плоскоугольника; равносторонний треугольник , квадраты и правильные шестиугольники ; и 8 полуправильных планигонов; и 4 полуправильных планигона, которые могут замостить плоскость только другими планигонами.
Все углы плоского треугольника являются целыми делителями 360°. Тайлинги создаются путем соединения ребер с ребрами биссектрисами ребер исходной однородной решетки или центроидами по общим ребрам (они совпадают).
Плитки, сделанные из планигонов, можно рассматривать как двойственные мозаики к правильным, полуправильным и полуправильным мозаикам плоскости правильными многоугольниками .
История
[ редактировать ]В книге 1987 года « Плитки и шаблоны » Бранко Грюнбаум называет вершинно-однородные мозаики архимедовыми , параллельными архимедовым телам . Их двойственные мозаики названы мозаиками Лавеса в честь кристаллографа Фрица Лавеса . [1] [2] They're also called Shubnikov–Laves tilings after Shubnikov, Alekseĭ Vasilʹevich. [3] Джон Конвей называет однородные двойственные каталонские мозаики параллельно каталонским сплошным многогранникам.
Мозаики Лавеса имеют вершины в центрах правильных многоугольников и ребра, соединяющие центры правильных многоугольников, имеющих общее ребро. Плитки мозаики Лавеса называются планигонами . Сюда входят 3 обычных плитки (треугольник, квадрат и шестиугольник) и 8 неправильных плиток. [4] Каждая вершина имеет ребра, равномерно расположенные вокруг нее. Трехмерные аналоги планигонов называются стереоэдрами .
Эти мозаики перечислены по конфигурации граней — количеству граней в каждой вершине грани. Например V4.8.8 (или V4.8 2 ) означает плитки с равнобедренными треугольниками, в одном углу которых находится четыре треугольника, а в двух углах - восемь треугольников.
Строительство
[ редактировать ]Операция Конвея по двойной перестановке граней и вершин. Как в архимедовых телах , так и в k -однородных мозаиках новая вершина совпадает с центром каждой правильной грани или центроидом . В евклидовом (плоском) случае; чтобы вокруг каждой исходной вершины образовались новые грани, центроиды должны быть соединены новыми ребрами, каждое из которых должно пересекать ровно одно из исходных ребер. Поскольку правильные многоугольники обладают двугранной симметрией , мы видим, что эти новые ребра центроид-центроид должны быть серединными перпендикулярами общих исходных ребер (например, центроид лежит на всех серединных перпендикулярах ребер правильного многоугольника). Таким образом, ребра k -дуальных однородных мозаик совпадают с отрезками от центроида до середины ребра всех правильных многоугольников в k -однородных мозаиках.
Центроид-центроид | 12-5 Додекаграмма |
---|---|
![]() | ![]() |
Использование додекаграммы 12-5 (вверху)
[ редактировать ]Все 14 однородных и пригодных для использования правильных вершинных плоскостей также имеют [5] из додекаграммы 6-5 (где каждый сегмент стягивает радианы или 150 градусов).
Окружность этой додекаграммы показывает , что все 14 VRP являются коциклическими , что альтернативно показано упаковками кругов . Отношение вписанной окружности к описанной:
а выпуклая оболочка — это в точности правильные двенадцатиугольники в k-равномерном замощении . Равносторонний треугольник, квадрат, правильный шестиугольник и правильный двенадцатиугольник; показаны выше с VRP.
Фактически, любую группу планигонов можно составить из ребер полиграмма , где и — количество сторон сторон в РП, примыкающих к каждой задействованной вершинной фигуре. Это потому, что радиус описанной окружности любого регулярного -угольник (от вершины до центроида) равен расстоянию от центра полиграммы до ее отрезков, пересекающихся под углом , поскольку все полиграммы допускают вписанные в радиусы окружности касательная ко всем его сторонам.
Обычные вершины
[ редактировать ]В книге «Плитки и узоры » Грюнбаум также построил мозаику Лавеса, используя одногранные плитки с правильными вершинами . Вершина называется правильной, если все выходящие из нее углы равны. Другими словами: [1]
- Все вершины правильные,
- Все планигоны Лавеса конгруэнтны.
Таким образом, все мозаики Лавеса уникальны, за исключением квадратной мозаики (1 степень свободы), пятиугольной мозаики сарая (1 степень свободы) и шестиугольной мозаики (2 степени свободы):
Квадрат | Сарай Пентагон | Шестиугольник |
---|---|---|
![]() | ![]() | ![]() |
При применении к более высоким двойным однородным мозаикам все двойные сердцевинные планигоны могут быть искажены, за исключением треугольников ( сходство AAA ), примеры приведены ниже:
![]() С 2 ТКП | ![]() я 2 РФХ | ![]() ИРДЦ | ![]() ФХ (п6) | ![]() сБХ (короткометражный) | ![]() КБ (пгг) |
Вывод всех возможных планигонов
[ редактировать ]Для евклидовых мозаик от края до края внутренние углы выпуклых многоугольников, встречающихся в вершинах, должны составлять в сумме 360 градусов. Правильный n -угольник имеет внутренний угол градусов. Существует семнадцать комбинаций правильных многоугольников, сумма внутренних углов которых составляет 360 градусов, каждая из которых называется разновидностью вершины ; в четырех случаях существует два различных циклических порядка многоугольников, что дает двадцать один тип вершин.
В самом деле, при вершинных (внутренних) углах , мы можем найти все комбинации допустимых угловых углов по следующим правилам:
- Каждая вершина имеет как минимум степень 3 (вершина степени 2 должна иметь два прямых угла или один рефлекторный угол);
- Если вершина имеет степень , самый маленький Сумма углов вершин многоугольника превышает ;
- Углы при вершинах добавляются к , и должны быть углами правильных многоугольников с целыми положительными сторонами (последовательности ).
Использование правил генерирует список ниже:

Вершина степени 6 | Вершина степени 5 | Вершина степени 4 | Вершина степени 3 |
---|---|---|---|
* | |||
*The не может сосуществовать с другими типами вершин.
Решение задачи 9.46 «Геометрия» (Рущик), [6] находится в столбце «Вершина степени 3» выше. Треугольник с десятиугольником (11 угольников) дает 13,2 угольника, квадрат с семиугольником (7 угольников) дает 9,3333 угольника, а пятиугольник с шестиугольником дает 7,5 угольника). Следовательно, существуют комбинации правильных многоугольников, пересекающихся в вершинах.
Планигоны в самолете
[ редактировать ]Только одиннадцать из этих комбинаций углов могут встречаться в мозаике Лавеса из планигонов.
В частности, если три многоугольника встречаются в вершине и один из них имеет нечетное число сторон, два других многоугольника должны быть одинаковыми. В противном случае им пришлось бы чередоваться вокруг первого многоугольника, что невозможно, если число сторон у него нечетное. По этому ограничению эти шесть не могут появляться ни в одном мозаике правильных многоугольников:

С другой стороны, эти четыре можно использовать в k -дуально-однородных мозаиках:

Наконец, если предположить, что длина стороны равна единице, все правильные многоугольники и пригодные для использования планигоны имеют длины сторон и площади, как показано ниже в таблице:
Количество двойных однородных плиток
[ редактировать ]Каждая двойственная равномерная мозаика находится в соответствии 1:1 с соответствующей равномерной мозаикой благодаря построению вышеприведенных планогонов и наложению.
м -Каталавес | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | Общий | ||
k -двойственно-однородный | 1 | 11 | 11 | |||||
2 | 0 | 20 | 20 | |||||
3 | 0 | 22 | 39 | 61 | ||||
4 | 0 | 33 | 85 | 33 | 151 | |||
5 | 0 | 74 | 149 | 94 | 15 | 332 | ||
6 | 0 | 100 | 284 | 187 | 92 | 10 | 673 | |
Общий | 11 | ∞ | ∞ | ∞ | ∞ | ∞ | ∞ |
Такие периодические мозаики можно классифицировать по количеству орбит вершин, ребер и плиток. Если существует k орбит планигонов, замощение называется k -дуально-равномерным или k -изоэдральным; если существует t орбит двойственных вершин, то t -изогональна; если существует e орбит ребер, то e -изотоксал.
k -дуально-однородные мозаики с одинаковыми гранями вершин можно дополнительно идентифицировать по симметрии их группы обоев , которая идентична симметрии соответствующей k -однородной мозаики.
1-двойственно-однородные мозаики включают 3 правильных мозаики и 8 мозаик Лавеса с 2 или более типами вершин правильной степени. Имеется 20 2-дуальнооднородных замощений, 61 3-дуальнооднородных замощений, 151 4-дуальнооднородных замощений, 332 5-дуальнооднородных замощений и 673 6-дуальнооднородных замощений. Каждый из них может быть сгруппирован по числу m различных фигур вершин, которые также называются m -архимедовыми мозаиками. [8]
Наконец, если количество типов планигонов такое же, как и однородность ( m = k ниже), то мозаика называется двойственной Кротенхердтом . В общем, однородность больше или равна количеству типов вершин ( m ≥ k ), поскольку разные типы планигонов обязательно имеют разные орбиты, но не наоборот. Полагая m = n = k , существует 11 таких двойственных мозаик для n = 1; 20 таких двойственных мозаик для n = 2; 39 таких двойственных мозаик для n = 3; 33 таких двойственных мозаики для n = 4; 15 таких двойственных мозаик для n = 5; 10 таких двойственных мозаик для n = 6; и 7 таких двойственных мозаик для n = 7.
Регулярные и низкие мозаики
[ редактировать ]Показаны 3 правильных и 8 полуправильных мозаик Лавеса с планигонами, раскрашенными в зависимости от площади, как при построении:
Высшие двойные равномерные мозаики
[ редактировать ]Вставки двойственных планигонов в вершины более высоких степеней
[ редактировать ]
- Вершину шестой степени можно заменить центральным правильным шестиугольником и шестью исходящими из него ребрами;
- Вершину двенадцатой степени можно заменить шестью дельтоидами (центральным дельтовидным шестиугольником) и двенадцатью исходящими из них ребрами;
- Вершину двенадцатой степени можно заменить шестью каирскими пятиугольниками, центральным шестиугольником и двенадцатью исходящими из него ребрами (путем рассечения вершины шестой степени в центре предыдущего примера).
![]() | ||||
---|---|---|---|---|
![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() |
Незначительный | Главный | Полный | Замены | |
Двойные процессы (вставки) |
Это сделано выше для двойной мозаики 3-4-6-12. Соответствующий однородный процесс – это рассечение , и он показан здесь .
2-двойная форма
[ редактировать ]Существует 20 мозаик, составленных из двух типов планигонов, двойственных 2-однородным мозаикам (Krotenheerdt Duals):
3-двойная униформа
[ редактировать ]Всего 39 мозаик составлены из трех типов планигонов (Krotenheerdt Duals):
4-двойная униформа
[ редактировать ]Всего 33 мозаики составлены из 4 типов планигонов (Krotenheerdt Duals):
5-двойная форма
[ редактировать ]Существует 15 5-однородных двойных мозаик с 5 уникальными планигонами:
Кротенхердт двойные с шестью планигонами
[ редактировать ]Существует 10 6-однородных двойных мозаик с 6 уникальными планигонами:
Кротенхердт двойные с семью планигонами
[ редактировать ]Существует 7 7-однородных двойных мозаик с 7 уникальными планигонами:
Последние два двойных мозаики Uniform-7 имеют одинаковые типы вершин, хотя они совершенно не похожи друг на друга!
От и далее не существует n однородных мозаик с n типами вершин или не существует однородных n двойственных элементов с n различными (полу)плоскогонами. [9]
Фрактализация двойных k -однородных мозаик
[ редактировать ]Существует много способов создания новых k-дуально однородных мозаик из других k-однородных мозаик. Три способа — масштабировать как показано ниже:
![]() | ||||
---|---|---|---|---|
Оригинал | Полуфрактализация | Усеченная шестиугольная плитка | Усеченная трехгексагональная плитка | |
Двойной Фрактализация | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() |
Большая фрактализация
[ редактировать ]Чтобы увеличить планигоны V3 2 .4.12 и V3.4.3.12 с использованием метода усеченного тригексагона, масштабный коэффициент необходимо применять:
Большая фрактализация
[ редактировать ]Двумя 9-однородными мозаиками в [10] большая фрактализация достигается масштабным коэффициентом 3 во всех планигонах. В случае s,C,B,H собственный планигон находится точно в центре:
Ниже показаны два 9-однородных мозаики, фрактализации полурегуляров DC и DB и общий пример на S. 2 ТК :
9-Униформа | С 2 ТК Большая Фрактализация |
---|---|
![]() 3Ир 3 Дс 2 Б (БД) 3Ир 4 DSC (округ Колумбия) | ![]() С 2 ТК Большая фрактализация |
Разнообразный
[ редактировать ]Конструкция центроид-центроид
[ редактировать ]Двойные однородные мозаики (красные) вместе с оригиналами (синими) выбранных мозаик. [7] [11] Создается путем построения средней точки центроида-ребра путем обнаружения полигона-центроида-вершины с округлением угла каждого смежного ребра до ближайших 15 градусов. Поскольку размер единицы тайлинга варьируется от 15 до 18 пикселей и каждый правильный многоугольник немного отличается, [7] имеются некоторые перекрытия или разрывы двойных ребер (генератор размера 18 пикселей неправильно генерирует совмещенные ребра из пяти мозаик размером 15 пикселей, классифицируя некоторые квадраты как треугольники).
Другие сравнения конструкций Edge-Edge
[ редактировать ]Другие сравнения конструкции края и края. Вращается каждые 3 секунды.
СКБ | 3ИрБ | ТДДК | IIRF | РФБГ | ООООТ | 3SrFCBH | О3 3 Помешивать 2 С 2 Б |
---|---|---|---|---|---|---|---|
![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() |
Аффинные линейные разложения
[ редактировать ]Ниже приведены аффинные линейные разложения других однородных мозаик от исходного к двойственному и обратно:
8-Униформа 3STDC | 12-Униформа 3СТРрД | 12-Униформа O3STIRCB | 13-Униформа Все Плиты | 16-Униформа ОСТЕИрЦБ | 24-Униформа Все Планигоны |
---|---|---|---|---|---|
![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() |
Первая 12-однородная мозаика содержит все планигоны с тремя типами вершин, а вторая 12-однородная мозаика содержит все типы ребер.
Оптимизированные тайлинги
[ редактировать ]
Если - средства для укладки плитки двойная униформа, Замощение Каталавеса, то существует замощение 11-9, [7] плитка 13-10, плитка 15-11, плитка 19-12, две плитки 22-13 и плитка 24-14. Также существует плитка 13-8 и плитка без часов 14-10. Наконец, есть 7-5 мозаик, использующих все часовые планигоны: [10]
Круговая упаковка
[ редактировать ]Каждому однородному замощению соответствует упаковка кругов, в которой во всех вершинах расположены круги диаметром 1, соответствующие плоскостям. [11] Ниже приведены упаковки кругов оптимизированных плиток и мозаик по всем ребрам:

5-двойственно-однородные 4-разбиения Каталавеса
[ редактировать ]Слайд-шоу всех 94 5-двойных однородных мозаик с 4 различными планигонами. Меняется каждые 6 секунд, циклически каждые 60 секунд.
Часы
[ редактировать ]Все замощения с правильными двенадцатиугольниками в [7] показаны ниже, чередуя однородную и двойную однородную форму каждые 5 секунд:
65 k - Равномерные плитки
[ редактировать ]Сравнение 65k однородных замощений в однородных плоских замощениях и их двойственных однородных замощений. Два нижних ряда совпадают и приведены в масштабе:
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Грюнбаум, Бранко ; Шепард, GC (1987). Плитки и узоры . WH Фриман и компания. стр. 59, 96 . ISBN 0-7167-1193-1 .
- ^ Конвей, Джон Х .; Бургель, Хайди; Гудман-Штраус, Хаим (18 апреля 2008 г.). «Глава 21, Названия архимедовых и каталонских многогранников и мозаик, евклидовых плоских мозаик ». Симметрии вещей . АК Петерс / CRC Press . п. 288. ИСБН 978-1-56881-220-5 . Архивировано из оригинала 19 сентября 2010 г.
- ^ Энциклопедия математики: Орбита - уравнение Рэлея , 1991
- ^ Иванов, А.Б. (2001) [1994], «Планигон» , Энциклопедия Математики , EMS Press
- ^ «БОЛЬШАЯ СПИСОЧНАЯ СИСТЕМА РАЗБИВАНИЙ ПРАВИЛЬНЫХ МНОГОУГОЛЬНИКОВ» . СИСТЕМА БОЛЬШОГО СПИСКА РАЗБИВАНИЙ ПРАВИЛЬНЫХ МНОГОУГОЛЬНИКОВ . Проверено 30 августа 2019 г.
- ^ Рущик, Ричард. (2006). Введение в геометрию . Альпайн, Калифорния: ISBN AoPS Inc. 0977304523 . ОСЛК 68040014 .
- ^ Jump up to: а б с д и «n-равномерные мозаики» . Вероятностьспорт.com . Проверено 21 июня 2019 г.
- ^ k-однородные мозаики из правильных многоугольников. Архивировано 30 июня 2015 г. в Wayback Machine, Нильс Леннгрен, 2009 г. [ нужна проверка ]
- ^ «11,20,39,33,15,10,7 — ОЭИС» . oeis.org . Проверено 26 июня 2019 г.
- ^ Jump up to: а б с «Каталог тесселяции» . zenorogue.github.io . Проверено 21 марта 2022 г.
- ^ Jump up to: а б Дж. Э. Сото Санчес, О периодических мозаиках с правильными многоугольниками , докторская диссертация, IMPA, август 2020 г.
- Клеточные автоматы планигонной тесселяции Александр Коробов, 30 сентября 1999 г.
- Б. Н. Делоне, “Теория планигонов” , Изв. Акад. Наук СССР сер. Мат., 23:3 (1959), 365–386.