Кіріспе

Евклид геометриясында, желкен – диагональ арқылы көрініс симметриясына ие төртбұрыш. Осы симметрияның нәтижесінде, желкеннің екі тең бұрышы және екі жұп іргелес қабырғасы тең болады. Желкендер дельтоидтар деп те аталады, бірақ "дельтоид" сөзі дельтоид қисығын да білдіруі мүмкін, бұл төртбұрыштармен байланысты емес, кейде төртбұрыштармен байланысты зерттелетін геометриялық нысан. Желкен, әсіресе дөңес болмаса, жебе деп те аталуы мүмкін. Кез келген желкен ортодиагональды төртбұрыш (оның диагональдары тік бұрышпен қиылысады) және дөңес болған жағдайда, жанында жатқан төртбұрыш (оның қабырғалары ішкі шеңберге жанасады). Дөңес желкендер – ортодиагональды және жанында жатқан төртбұрыштардың біріктірілген түрі. Оларға екі қарама-қарсы тік бұрышы бар тікбұрышты желкендер, екі диагональді симметрия осі бар ромбтар және тікбұрышты желкендер мен ромбтардың ерекше жағдайлары болып табылатын квадраттар да кіреді. Диаметріне қарағанда периметрінің ең үлкен қатынасына ие төртбұрыш – 60°, 75° және 150° бұрыштармен желкен. Екі пішіндегі (бірі дөңес, екіншісі дөңес емес) желкендер Пенроз плиткасының бір түрінің прототильдерін құрайды. Желкендер бірнеше беттік симметриялы полиэдрлер мен теселлациялардың беттерін құрайды және динамикалық жүйелердің жоғары математикасындағы сыртқы бильярд мәселесімен байланысты зерттелді.

Анықтама және сыныптау

Құйрық – бір диагоналі бойынша көлеңкелі симметриясы бар төртбұрыш. Басқаша айтқанда, бұл төртбұрыштың төрт жағын екі жұп іргелес тең ұзындықтағы жақтарға топтастыруға болады. Құйрықты кез келген екі қиылысатын шеңбердің орталары мен қиылысу нүктелерінен құрастыруға болады. Мұнда сипатталған құйрықтар дөңес немесе ойыс болуы мүмкін, бірақ кейбір дереккөздер құйрық атауын тек дөңес құйрықтарға ғана қолданады. Төртбұрыш құйрық болып табылады, егер және тек қана келесі шарттардың біреуі орындалса: Төрт жағын екі жұп іргелес тең ұзындықтағы жақтарға бөлуге болады. Бір диагональ екінші диагональдің орта нүктесін тік бұрышпен қиып өтеді, осылай оның тік бөлгішін құрайды. (Ойыс жағдайда, бір диагональ арқылы өтетін түзу екіншісін екіге бөледі.) Бір диагональ – симметрия осі. Ол төртбұрышты бір-біріне айнадай келетін екі тең үшбұрышқа бөледі. Бір диагональ екі ұшындағы екі бұрышты да екіге бөледі. Ауада желмен ұшырылатын құйрықтар осы пішінге ұқсап, олардың аты құстың ұшуы мен оның шығаратын дыбысынан шыққан. Олаус Хенричидің сөзіне сүйенсек, Джеймс Джозеф Сильвестр осы пішіндерге «құйрық» деген атауды берген. Төртбұрыштар иерархиялық немесе бөлімдік түрде жіктелуі мүмкін. Иерархиялық жіктеуде, кейбір төртбұрыштар кластары басқа кластарды қамтиды, ал бөлімдік жіктеуде әр төртбұрыш тек бір класта болады. Иерархиялық түрде жіктелгенде, құйрықтарға ромб (төрт тең қабырғасы бар төртбұрыш) және квадрат жатады. Барлық тең қабырғалы құйрықтар ромб, ал барлық тең бұрышты құйрықтар квадрат болып табылады. Бөлімдік жіктеуде ромбтар мен квадраттар құйрықтар болып табылмайды, өйткені олар төртбұрыштардың басқа класына жатады; сонымен қатар, төменде талқыланатын тікбұрышты құйрықтар да құйрықтар болып табылмайды. Осы мақаланың қалған бөлігі иерархиялық жіктеуді ұстанады; ромбтар, квадраттар және тікбұрышты құйрықтардың барлығы құйрықтар болып есептеледі. Бұл жіктеу арнайы жағдайларды қарастыру қажеттілігін жойтады, соның салдарынан құйрықтар туралы кейбір фактілерді жеңілдетеді. Құйрық сияқты, параллелограмм да екі жұп тең ұзындықтағы қабырғаға ие, бірақ олар іргелес емес, бір-біріне қарама-қарсы орналасқан. Симметрия осі бар кез келген өзімен-өзі қиыспайтын төртбұрыш, диагональдық симметрия осі бар құйрық немесе екі қабырғасының ортасынан өтетін симметрия осі бар теңбұрышты трапеция болуы керек. Бұларға ромб пен тіктөртбұрыш, сондай-ақ екеуінің де арнайы жағдайы болып табылатын квадрат жатады. Өзімен-өзі қиысатын төртбұрыштар симметриялық төртбұрыштардың тағы бір класын қамтиды – антипараллелограммдар.

Ерекше жағдайлар

Оң қанаттың екі қарама-қарсы тік бұрышы болады. Оң қанаттар – циклдік төртбұрыштар, яғни олардың барлық төбелерінен өтетін шеңбер бар. Циклдік төртбұрыштарды екі қарама-қарсы бұрышының қосындысы 180° болатын төртбұрыштар деп де анықтауға болады; егер бір жұп бұрыш қосындысы 180° болса, екінші жұп та солай болады. Сондықтан, оң қанаттар – екі қарама-қарсы бұрышының қосындысы 180° болатын, кез келген екі қарама-қарсы бұрыш жұбы үшін қанаттар. Оң қанаттар бір шеңберге сырттай оралып, екінші шеңберге іштей сыйысқандықтан, олар бицентрлі төртбұрыштар (әсіресе трицентрлі, себебі олардың жақтарының созылмаларына сырттан үшінші шеңбер де жанасады). Егер ішкі және сыртқы шеңберлердің мөлшері белгілі болса, онда олардың арасында орналасқан кез келген төртбұрыштардың ішінде оң қанаттың ауданы ең үлкен болады. Барлық төртбұрыштардың ішінде периметрінің диаметріне (екі кез келген нүкте арасындағы ең үлкен қашықтық) қатынасы ең жоғары болатын пішін – 60°, 75°, 150°, 75° бұрыштармен тең диагональды қанат. Оның төрт төбесі Реуло үшбұрышының үш бұрышында және бір қабырғасының ортасында орналасқан. Егер тең диагональды қанаттың қабырғалары оның диагональдарынан кіші немесе тең болса (мысалы, осы қанат немесе квадрат), онда ол диаметріне қатынасы ең үлкен ауданды төртбұрыштардың бірі болады. Үш 108° бұрышы және бір 36° бұрышы бар қанат Пифагор лирасының дөңгелек қабығын құрайды, ол ұяланған пентаграммалардан тұратын фрактал. Бұл қанаттың төрт қабырғасы дұрыс бесбұрыштың төрт қабырғасында орналасқан, ал бесінші қабырғасына алтын үшбұрыш тіркелген. Жазықтықтың қырларын жабатын сегіз ғана көпбұрыш бар, яғни кез келген көпбұрыштың кез келген қабырғасынан шағылыстырғанда басқа көпбұрыш пайда болады; мұндай орналасу қырлық мозаика деп аталады. Олардың бірі – 60°, 90° және 120° бұрыштармен оң қанат. Бұл мозаика дельтоидты гексагонды мозаиканы тудырады (қараңыз). Осы қанаттардың сегізінен жасалған протоплика жазықтықты тек апериодты түрде ғана жабады, бұл Эйнштейннің мәселесін шешуге қатысты болжамды шешімнің кілті. Эвклид емес геометрияда қанат үш тік бұрышқа және бір тік емес бұрышқа ие болуы мүмкін, бұл Ламберт төртбұрышының ерекше жағдайы. Төртінші бұрыш гиперболалық геометрияда сүйір, ал сфералық геометрияда доғал болады.

Дисекция

Эквидисекция мәселесі көпбұрыштарды барлық ауданы тең үшбұрыштарға бөлуге қатысты. Осы ретте, көпбұрыштың спектрі – көпбұрышты тең ауданы бар үшбұрыштарға бөлуге болатын сандар жиыны. Симметриясының арқасында, қапталқай спектрінде барлық жұп сандар кездеседі. Кейбір ерекше қапталқайлардың спектрінде тақ сандар да болады. Кез келген үшбұрышты оның ішкі шеңберінің центрінде түйісетін үш тікбұрышты қапталқайға бөлуге болады. Жалпы алғанда, шеңберлерді жинауға негізделген әдіс, қандай да бір *n* қабырғалы көпбұрышты қапталқайларға бөлу үшін қолданылуы мүмкін, олар қабырғаларымен біріктіріледі.

Плиткалар және полиэдрлер

Барлық айқын түстер жазықтықты шеттерінің орта нүктелерінен қайталама нүктелік симметрия арқылы, жалпы алғанда барлық төртбұрыштар сияқты, жабады. 72°, 72°, 72°, 144° және 36°, 72°, 36°, 216° бұрыштары бар айқын түстер мен садақтар, сәйкесінше, Роджер Пенроуз ашқан жазықтықтың апериодтық жабылуының – Пенроуз жабылуының бір түрінің протоплиткаларын құрайды. Егер айқын түстің бұрыштары оның төбесінде және бір қабырғасында оң бүтін санға тең болса, онда осы айқын түстің өлшемі өзгертілген көшірмелерін фракталдық розетканы құру үшін жазықтықты жабуға болады, онда орталық нүктеге қарай біртіндеп үлкейетін айқын түстердің сақиналары орналасады. Бұл розеткаларды серпімсіз соқтығыстарда қозғалатын бөлшектердің жүйесі бір ортақ нүктеде бірігетін серпімсіз құлау құбылысын зерттеу үшін пайдалануға болады. 60°, 90°, 120°, 90° бұрыштары бар айқын түс оның шеттерінен қайталама симметрия арқылы жазықтықты жаба алады; нәтижесіндегі жабылу, дельтоидты алтыбұрышты жабылу, жазықтықтың тұрақты алтыбұрыштар мен теңқабырғалы үшбұрыштар арқылы жабылуын қосады. Дельтоидты икоситетраэдр, дельтоидты гексоконтаэдр және трапецоэдр – конгруэнтті айқын түс пішіндес беттері бар көпжақтар, оларды балама түрде конгруэнтті сфералық айқын түстер арқылы сфераның жабылуы деп қарастыруға болады. Гиперболалық жазықтықтың беттік симметриялық жабылулары айқын түстер арқылы шексіз көп. Бұл көпжақтар (балама түрде, сфералық жабылулар), Эвклид жазықтығының шаршы және дельтоидты алтыбұрышты жабылулары және гиперболалық жазықтықтың кейбір жабылулары төмендегі кестеде беттік конфигурация бойынша белгіленген (әр жабылудың төрт төбесінің әрқайсысының көршілерінің саны). Кейбір көпжақтар мен жабылулар екі түрлі беттік конфигурацияда екі рет пайда болады. КөпжақтарЭвклидтікV4.3.4.3V4.3.4.4V4.3.4.5V4.3.4.6КөпжақтарЭвклидтікГиперболалық жабылуларV4.4.4.3V4.4.4.4V4.4.4.5V4.4.4.6КөпжақтарГиперболалық жабылуларV4.3.4.5V4.4.4.5V4.5.4.5V4.6.4.5ЭвклидтікГиперболалық жабылуларV4.3.4.6V4.4.4.6V4.5.4.6V4.6.4.6 Трапецоэдрлер – конгруэнтті айқын түс пішіндес беттері бар көпжақтар отбасысы. Бұл көпжақтарда, айқын түстің екі қабырға ұзындығының бірінің жиектері екі "полюс" төбесінде кездеседі, ал екінші ұзындықтың жиектері көпжақтың айналасында экваторлық зигзаг жолын құрайды. Олар біркелкі антипризмалардың дуалды көпжақтары. Көпшілікке танымал мысал – он жақты текшелерде қолданылатын бесбұрышты трапецоэдр. N-бұрышты трапецоэдрлер отбасысыАтауыДигональді трапецоэдр (Тетраэдр) ҮшбұрыштыТөртбұрыштыБесбұрыштыАлтыбұрыштыЖетібұрыштыСегізбұрыштыАпирогональдіКөпжақтарЖабылуБеттік конфигурацияV2.3.3.3V3.3.3.3V4.3.3.3V5.3.3.3V6.3.3.3V7.3.3.3V8.3.3.3V∞.3.3.3

Сыртқы бильярд

Математик Ричард Шварц желкендердегі сыртқы бильярдты зерттеді. Сыртқы бильярд – жазықтықтағы берілген тығыз дөңес жиынның сыртындағы нүктеден бастап, осы жиынға жүргізілген жанама сызық бойынша, жанама нүктеден бірдей қашықтықтағы екінші нүктеге қозғалып, содан кейін осы процесті қайталайтын динамикалық жүйе. 1950 жылдардан бері осылай анықталған кез келген жүйенің бастапқы нүктесінен кез келген қашықтыққа дейін жолдарды құру мүмкіндігі ашық мәселе болып келді. 2007 жылы Шварц 72°, 72°, 72°, 144° бұрыштармен желкенге шексіз бильярд жолдарын тауып, осы мәселені шешті – бұл бұрыштар Пеноз мозаикасында қолданылатын бұрыштармен сәйкес келеді. Кейіннен ол желкен пішіндері үшін сыртқы бильярдты жалпылай талдап, монография жазды. Бұл мәселе үшін желкеннің кез келген аффиндік түрленуі оның сыртқы бильярдының динамикалық қасиеттерін сақтайды, және кез келген желкенді үш төбесі және , ал төртіншісі ашық бірлік аралығында болатын пішінге түрлендіруге болады. Кез келген желкендегі сыртқы бильярдтың мінез-құлқы параметрге және әсіресе оның рационал саны болуына күшті түрде байланысты. Пеноз желкенінің жағдайында , иррационал сан, мұнда – алтын қатынас.