Введение
Площадка плоскости пятиугольниками В геометрии пятиугольная плитка - это плитка плоскости, где каждая отдельная часть имеет форму пятиугольника. Регулярная пятиугольная плитка на евклидовой плоскости невозможна, потому что внутренний угол регулярного пятиугольника, 108°, не является делителем 360°, меру угла целого поворота. Однако регулярные пятиугольники могут наклеивать гиперболическую плоскость с четырьмя пятиугольниками вокруг каждой вершины (или более) и сферу с тремя пятиугольниками; последний производит наклеивание, топологически эквивалентное додекаэдру.
In geometry, a pentagonal tiling is a tiling of the plane where each individual piece is in the shape of a pentagon. A regular pentagonal tiling on the Euclidean plane is impossible because the internal angle of a regular pentagon, 108°, is not a divisor of 360°, the angle measure of a whole turn. However, regular pentagons can tile the hyperbolic plane with four pentagons around each vertex (or more) and sphere with three pentagons; the latter produces a tiling that is topologically equivalent to the dodecahedron.
Моногедральные выпуклые пятиугольные плитки
Известно пятнадцать типов выпуклых пятиугольников, которые могут быть использованы для моногедрального (то есть с одним типом плитки) нанесения плитки на плоскость. Последний был обнаружен в 2015 году. Этот список был завершен к (результат подлежит экспертной оценке). показал, что существует только восемь концов извилистых типов, результат, полученный независимо от Michaël Rao из École normale supérieure de Lyon, утверждал в мае 2017 года, что он нашел доказательство того, что на самом деле нет выпуклых пятиугольников, которые выходят за пределы этих 15 типов. По состоянию на 11 июля 2017 года первая половина доказательства Рао была независимо проверена (доступен компьютерный код) Томасом Хейлсом, профессором математики в Университете Питтсбурга. По состоянию на декабрь 2017 года доказательство еще не было полностью рассмотрено экспертами. Каждая перечисленная семья плит содержит пятиугольники, которые не относятся к другому типу; однако некоторые отдельные пятиугольники могут принадлежать нескольким типам. Кроме того, некоторые пятиугольники в известных типах плитки также позволяют использовать альтернативные шаблоны плитки, выходящие за рамки стандартной плитки, используемой всеми членами своего типа. Боковые линии длины a, b, c, d, e находятся по часовой стрелке от углов в вершинах A, B, C, D, E соответственно. (Таким образом, A, B, C, D, E противоположны d, e, a, b, c соответственно.) Эти свободы включают изменения внутренних углов и длины краев. В пределе, края могут иметь длины, приближающиеся к нулю или углы, приближающиеся к 180°. Типы 1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 13 позволяют использовать параметрические возможности с невыпуклыми прототилами. Периодические плитки характеризуются их симметрией группы обоев, например, p2 (2222) определяется четырьмя точками вращения 2x. Эта номенклатура используется на диаграммах ниже, где плитки также окрашены по их k изогедральным позициям в пределах симметрии. Примитивная единица - это участок плитки, который генерирует всю плитку, используя только переводы, и максимально мал.
Michaël Rao of the École normale supérieure de Lyon claimed in May 2017 to have found the proof that there are in fact no convex pentagons that tile beyond these 15 types. As of 11 July 2017, the first half of Rao's proof had been independently verified (computer code available) by Thomas Hales, a professor of mathematics at the University of Pittsburgh. As of December 2017, the proof was not yet fully peer reviewed. Each enumerated tiling family contains pentagons that belong to no other type; however, some individual pentagons may belong to multiple types. In addition, some of the pentagons in the known tiling types also permit alternative tiling patterns beyond the standard tiling exhibited by all members of its type. The sides of length a, b, c, d, e are directly clockwise from the angles at vertices A, B, C, D, E respectively. (Thus,
A, B, C, D, E are opposite to d, e, a, b, c respectively.) + 15 monohedral pentagonal tiles12345B + C = 180°A + D + E = 360°c = eB + D = 180°a = b, d = c + eA = C = D = 120°b = c, d = eB = D = 90°a = b, d = eA = 60°, D = 120°678910a = d = e, b = cB + D = 180°, 2B = Eb = c = d = eB + 2E = 2C + D = 360°b = c = d = e2B + C = D + 2E = 360°b = c = d = e2A + C = D + 2E = 360°a = b = c + eA = 90°, B + E = 180°B + 2C = 360°11121314152a + c = d = eA = 90°, C + E = 180°2B + C = 360°2a = d = c + eA = 90°, C + E = 180°2B + C = 360°d = 2a = 2eB = E = 90°2A + D = 360°2a = 2c = d = eA = 90°, B ≈ 145.34°, C ≈ 69.32°D ≈ 124.66°, E ≈ 110.68°(2B + C = 360°, C + E = 180°)a = c = e, b = 2aA = 150°, B = 60°, C = 135°D = 105°, E = 90°
Many of these monohedral tile types have degrees of freedom. These freedoms include variations of internal angles and edge lengths. In the limit, edges may have lengths that approach zero or angles that approach 180°. Types 1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, and 13 allow parametric possibilities with nonconvex prototiles. Periodic tilings are characterised by their wallpaper group symmetry, for example p2 (2222) is defined by four 2 fold gyration points. This nomenclature is used in the diagrams below, where the tiles are also colored by their k isohedral positions within the symmetry. A primitive unit is a section of the tiling that generates the whole tiling using only translations, and is as small as possible.
Рейнхардт (1918)
Найдено первые пять типов пятиугольной плитки. Все пять могут создавать изогедральные плитки, что означает, что симметрии плитки могут принимать любую плитку в любую другую плитку (более формально, группа автоморфизма действует транзитивно на плитки). Б. Грунбаум и Г. С. Шепард показали, что существует ровно двадцать четыре различных "типа" изогедральных плиток плоскости пятиугольников в соответствии с их схемой классификации. Все используют плитку Рейнхардта, обычно с дополнительными условиями, необходимыми для плитки. Есть две плитки всех типов 2, и одна для каждого из четырех других типов. Пятнадцать из остальных восемнадцати плиток являются особыми случаями плиток типа 1. Девять из двадцати четырех плиток сдвинуты с краев. Есть также 2 изогедральных плитки по особым случаям плитки типа 1, типа 2 и типа 4 и 3 изогедральные плитки, все от края к краю, по особым случаям плитки типа 1. Нет верхней границы для k изоэдрических плиток, которые являются как типа 1 так и типа 2, и, следовательно, ни на количество плиток в примитивной единице. Симетрия группы обоев для каждой плитки приведена, с орбитальной обозначением в скобках. Вторая группа симметрии дается, если существует хиральность плитки, где зеркальные изображения считаются различными. В этих случаях они показаны как желтые и зеленые плитки.
Стайн (1985) Тип 14
14-й выпуклый пятиугольник был найден Рольфом Штайн в 1985 году. Плитка 3-изогедральная и не имеет краев. Она имеет полностью определенные плитки, без степеней свободы. Точные пропорции определяются углом B и тупым с другими отношениями, которые могут быть легко выведены. Первобытные единицы содержат шесть плиток соответственно. Она имеет p2 (2222) симметрию. + Тип 142a=2c=d=eA=90°, B≈145.34°, C≈69.32°, D≈124.66°, E≈110.68°
Больше никаких пятиугольников с периодическими плитками.
В июле 2017 года Михаэль Рао завершил компьютерное доказательство, показывающее, что нет других типов выпуклых пятиугольников, которые могут наклеить плоскость. Полный список выпуклых многоугольников, которые могут быть нанесены на плоскость, включает в себя вышеуказанные 15 пятиугольников, три типа шестиугольников и все четырехугольники и треугольники. Следствием этого доказательства является то, что не существует выпуклого многоугольника, который плитки плоскости только апериодически, так как все вышеуказанные типы позволяют периодическое плитки.
Двойные однородные плитки
Есть три изогедральных пятиугольных плитки, сгенерированных как дуалы однородных плиток, те с 5 вершинами валентности. Они представляют собой особые случаи более высокой симметрии 15 моногедральных плиток выше. Однородные плитки и их дуалы все с краев на краях. Эти двойные плитки также называются плитками Лавеса. Симметрия однородных двойных плиток такая же, как и однородных плиток. Поскольку однородные плитки изотонические, дуалы - изогедральные. cmm (2*22)p4g (4*2)p6 (632) Призматическая пятиугольная плитка, экземпляр типа 1Плитка пятиугольная флоретка, экземпляр типов 1, 5 и 6120°, 120°, 120°, 90°, 90° V3.3.3.4.4120°, 120°, 90°, 120°, 90° V3.3.4.3.4120°, 120°, 120°, 120°, 60° V3.3.3.3.6
Пятиугольная/шестиугольная тесселяция
Пентагоны имеют особые отношения с шестиугольниками. Как показано ниже, некоторые типы шестиугольников могут быть подразделены на пятиугольники. Например, обычный шестиугольник делится на два пятиугольника первого типа. Подразделение выпуклых шестиугольников также возможно с тремя (тип 3), четырьмя (тип 4) и девятью (тип 3) пятиугольниками. Расширяя это отношение, плоскость может быть застрянута одной пятиугольной прототильной формой таким образом, чтобы создавать шестиугольные наложения. Например: плоская черепица с помощью одного пятиугольного прототиля (тип 1) с наложениями регулярных шестиугольников (каждый из которых состоит из 2 пятиугольников). Плоская черепица, состоящая из одного пятиугольного прототиля (тип 3) с наложениями регулярных шестиугольников (каждый из которых состоит из 3 пятиугольников). Плоскостная черепица, состоящая из одного пятиугольного прототиля (тип 4) с наложениями полурегулярных шестиугольников (каждый из которых состоит из 4 пятиугольников). Плоскостная черепица, выполненная из одного пятиугольного прототиля (тип 3) с наложениями двух размеров регулярных шестиугольников (состоит из 3 и 9 пятиугольников соответственно).
Planar tessellation by a single pentagonal prototile (type 1) with overlays of regular hexagons (each comprising 2 pentagons). Planar tessellation by a single pentagonal prototile (type 3) with overlays of regular hexagons (each comprising 3 pentagons). Planar tessellation by a single pentagonal prototile (type 4) with overlays of semiregular hexagons (each comprising 4 pentagons). Planar tessellation by a single pentagonal prototile (type 3) with overlays of two sizes of regular hexagons (comprising 3 and 9 pentagons respectively).
Невыпуклые пятиугольники
При пятиугольниках, которые не обязательно должны быть выпуклыми, возможны дополнительные типы плитки. Примером является плитка сфинкса, апериодная плитка, образованная пятиугольной реп плитой. Сфинкс также может периодически наносить плитку на плоскость, соединяя две плитки сфинкса вместе, чтобы сформировать параллелограмм, а затем наносить плитку на плоскость, переходя эту параллелограмм, модель, которая может быть расширена на любой не выпуклый пятиугольник, у которого два последовательных угла, складывающихся в 2. Можно разделить равносторонний треугольник на три совпадающих не выпуклых пятиугольника, встречающихся в центре треугольника, и наклеить плоскость на полученную трехугольную единицу. Аналогичный метод может быть использован для разделения квадратов на четыре совпадающих не выпуклых пятиугольника или регулярных шестиугольников на шесть совпадающих не выпуклых пятиугольников, а затем наклеить плоскость на полученную единицу.
Площадки с правильной пятиугольной формой в неевклидовой геометрии
Додекаэдр можно рассматривать как регулярную плитку из 12 пятиугольников на поверхности сферы, с символом Шлефли {5,3}, имеющим три пятиугольника вокруг каждой вершины. В гиперболической плоскости есть плитки регулярных пятиугольников, например, пятиугольная плитка порядка 4, {5,4}, имеющая четыре пятиугольника вокруг каждой вершины. Регулярные плитки высшего порядка {5,n} могут быть построены на гиперболической плоскости, заканчиваясь на {5,∞}. Сфера Гиперболическая плоскость
Нерегулярные гиперболические плоские пятиугольные плитки
Существует бесконечное количество двойных однородных плиток в гиперболической плоскости с изогональными нерегулярными пятиугольными поверхностями. У них есть лица конфигурации как V3.3. С.3. - Что? + Порядок p q floret пятиугольная плитка7 38 39 3 5 46 47 4 5V3.3.3.3.7V3.3.3.8V3.3.3.9 V3.3.4.3.5V3.3.4.3.6V3.3.4.3.7 V3.3.5.3.5 Версия бинарной плитки, с ее плитками, ограниченными гиперболическими сегментами линий, а не дугами гороциклов, образует пятиугольные плитки, которые должны быть непериодическими, в том смысле, что их группы симметрии могут быть одномерными, но не двумерными.
A version of the binary tiling, with its tiles bounded by hyperbolic line segments rather than arcs of horocycles, forms pentagonal tilings that must be non periodic, in the sense that their symmetry groups can be one dimensional but not two dimensional.