Articulo de referencia

Planigon

Tres polígonos regulares , ocho planígonos, cuatro planígonos semirregulares y seis triángulos de planígonos no utilizables que no pueden participar en teselaciones uniformes du...

Tres polígonos regulares , ocho planígonos, cuatro planígonos semirregulares y seis triángulos de planígonos no utilizables que no pueden participar en teselaciones uniformes duales; todo a escala.

En geometría , un planígono es un polígono convexo que solo puede llenar el plano con copias de sí mismo ( isotópico a las unidades fundamentales de las teselaciones monoédricas ). En el plano euclidiano existen 3 planígonos regulares: triángulos equiláteros , cuadrados y hexágonos regulares ; 8 planígonos semirregulares ; y 4 planígonos demiregulares que solo pueden cubrir el plano con otros planígonos.

Todos los ángulos de un planígono son divisores enteros de 360°. Los teselados se forman mediante conexiones de borde a borde por las mediatrices de los bordes de la red uniforme original, o por los centroides a lo largo de los bordes comunes (coinciden).

Los teselados hechos con planígones pueden verse como teselados duales de los teselados regulares, semirregulares y demiregulares del plano por polígonos regulares .

Historia

En el libro de 1987, Tilings and patterns , Branko Grünbaum llama a los teselados uniformes en vértices Arquimedianos en paralelo a los sólidos Arquimedianos . Sus teselados duales se llaman teselados de Laves en honor al cristalógrafo Fritz Laves . [ 1 ] [ 2 ] También se les llama teselados de Shubnikov-Laves en honor a Shubnikov, Alekseĭ Vasilʹevich. [ 3 ] John Conway llama a los duales uniformes teselados de Catalan , en paralelo a los poliedros sólidos de Catalan .

Los teselados de Laves tienen vértices en los centros de los polígonos regulares y aristas que conectan los centros de los polígonos regulares que comparten una arista. Las teselas de los teselados de Laves se llaman planígonos . Esto incluye las 3 teselas regulares (triángulo, cuadrado y hexágono) y 8 irregulares. [ 4 ] Cada vértice tiene aristas espaciadas uniformemente a su alrededor. Los análogos tridimensionales de los planígonos se llaman estereoedros .

Estos mosaicos se clasifican según su configuración de caras , es decir, el número de caras en cada vértice. Por ejemplo, V4.8.8 (o V4.8 2 ) significa mosaicos de triángulos isósceles con una esquina que contiene cuatro triángulos y dos esquinas que contienen ocho triángulos.

Construcción

La operación de Conway de intercambio dual de caras y vértices. Tanto en sólidos arquimedianos como en teselaciones k -uniformes , el nuevo vértice coincide con el centro de cada cara regular , o el centroide . En el caso euclidiano (plano), para crear nuevas caras alrededor de cada vértice original, los centroides deben conectarse mediante nuevas aristas, cada una de las cuales debe intersecar exactamente una de las aristas originales. Dado que los polígonos regulares tienen simetría diedral , vemos que estas nuevas aristas centroide-centroide deben ser mediatrices de las aristas originales comunes (por ejemplo, el centroide se encuentra en todas las mediatrices de las aristas de un polígono regular). Por lo tanto, las aristas de las teselaciones k -uniformes coinciden con los segmentos de línea que unen el centroide con el punto medio de las aristas de todos los polígonos regulares en las teselaciones k -uniformes.

Utilizando el dodecagrama 12-5 (arriba)

Los 14 planígonos de vértice regulares uniformes utilizables también provienen [ 5 ] del dodecagrama 6-5 (donde cada segmento subtiende5π/6{\displaystyle 5\pi /6}radianes, o 150 grados).

El círculo inscrito de este dodecagrama demuestra que los 14 VRP son cocíclicos , como también lo muestran los empaquetamientos circulares . La relación entre el círculo inscrito y el círculo circunscrito es:

pecadoπ12=pecado15=6240,258819{\displaystyle \sin {\frac {\pi }{12}}=\sin 15^{\circ }={\frac {{\sqrt {6}}-{\sqrt {2}}}{4}}\approx 0.258819}

y la envoltura convexa es precisamente la de los dodecágonos regulares en el teselado k-uniforme . El triángulo equilátero, el cuadrado, el hexágono regular y el dodecágono regular se muestran arriba con los VRP.

De hecho, cualquier grupo de planígones puede construirse a partir de los bordes de un2k-(k1){\displaystyle 2k{\text{-}}(k-1)}poligrama , dondek=mcd(norte1,,nortemetro){\displaystyle k=\gcd(n_{1},\dots ,n_{m})}ynortei{\displaystyle n_{i}}es el número de lados en el RP adyacentes a cada figura de vértice involucrada. Esto se debe a que el radio circunscrito12cscπnortei{\displaystyle {\frac {1}{2}}\csc {\frac {\pi }{n_{i}}}}de cualquier regularnortei{\displaystyle n_{i}}-gono (desde el vértice hasta el centroide) es igual a la distancia desde el centro del poligrama hasta sus segmentos de línea que se intersecan en el ángulo2π/nortei{\displaystyle 2\pi /n_{i}}, ya que todos2k-(k1){\displaystyle 2k{\text{-}}(k-1)}Los poligramas admiten círculos de radios1/2{\displaystyle 1/2}tangente a todos sus lados.

Vértices regulares

En Tilings and Patterns , Grünbaum también construyó los teselados de Laves utilizando teselas monoédricas con vértices regulares . Un vértice es regular si todos los ángulos que parten de él son iguales. En otras palabras: [ 1 ]

  1. Todos los vértices son regulares,
  2. Todos los planigonos de Laves son congruentes.

De esta forma, todos los teselados de Laves son únicos, excepto el teselado cuadrado (1 grado de libertad), el teselado pentagonal de granero (1 grado de libertad) y el teselado hexagonal (2 grados de libertad):

Cuando se aplica a teselaciones co-uniformes duales de orden superior, todos los planígonos corregulares duales pueden distorsionarse excepto los triángulos ( similitud AAA ), con los ejemplos que se muestran a continuación:

Derivación de todos los posibles planígones

Para los teselados euclidianos de borde a borde, los ángulos interiores de los polígonos convexos que se encuentran en un vértice deben sumar 360 grados. Un n -gono regular tiene un ángulo interno(12norte)180{\displaystyle \left(1-{\frac {2}{n}}\right)180^{\circ }}grados. Hay diecisiete combinaciones de polígonos regulares cuyos ángulos internos suman 360 grados, cada una denominada especie de vértice; en cuatro casos hay dos órdenes cíclicos distintos de los polígonos, lo que da como resultado veintiún tipos de vértice.

De hecho, con los ángulos del vértice (interior)60,90,108,120,12847,135,140,144,147311,150,{\displaystyle 60^{\circ },90^{\circ },108^{\circ },120^{\circ },128{\frac {4}{7}}^{\circ },135^{\circ },140^{\circ },144^{\circ },147{\frac {3}{11}}^{\circ },150^{\circ },\puntos }Podemos encontrar todas las combinaciones de ángulos de esquina admisibles según las siguientes reglas:

  1. Cada vértice tiene al menos grado 3 (un vértice de grado 2 debe tener dos ángulos llanos o un ángulo reflejo);
  2. Si el vértice tiene gradod{\displaystyle d}, el más pequeñod1{\displaystyle d-1}Los ángulos de los vértices del polígono suman más de180{\displaystyle 180^{\circ }};
  3. Los ángulos del vértice suman360{\displaystyle 360^{\circ }}y deben ser ángulos de polígonos regulares de lados enteros positivos (de la secuencia60,90,108,120,12847,135,140,144,147311,150,{\displaystyle 60^{\circ },90^{\circ },108^{\circ },120^{\circ },128{\frac {4}{7}}^{\circ },135^{\circ },140^{\circ },144^{\circ },147{\frac {3}{11}}^{\circ },150^{\circ },\puntos }).

Al aplicar estas reglas se genera la siguiente lista:

Grupos de planígonos que no pueden cubrir el plano. Nótese que el grupo de 8 de V3.8.24 y el grupo de 10 de V3.10.15 implican superposiciones para los polígonos de 24 y 15 polígonos, respectivamente. Además, V4.5.20 y V5 2 .10 pueden generar líneas y curvas, pero estas no se pueden completar sin superposición.

*El90-135-135 (×1){\displaystyle 90^{\circ }{\text{-}}135^{\circ }{\text{-}}135^{\circ }~(\times 1)}no puede coexistir con ningún otro tipo de vértice.

La solución al problema de desafío 9.46, Geometría (Rusczyk), [ 6 ] está en la columna Vértice de grado 3 de arriba. Un triángulo con un hendecagono (11-gono) produce un 13.2-gono, un cuadrado con un heptágono (7-gono) produce un 9.3333-gono, y un pentágono con un hexágono produce un 7.5-gono). Por lo tanto, hay1(1)+(1(2)+1)+(3(2)+1)+10=21{\displaystyle 1(1)+(1(2)+1)+(3(2)+1)+10=21}combinaciones de polígonos regulares que se unen en un vértice.

Planígones en el plano

En un teselado de Laves de planígones solo pueden darse once de estas combinaciones de ángulos.

En particular, si tres polígonos se encuentran en un vértice y uno tiene un número impar de lados, los otros dos polígonos deben ser iguales. Si no lo son, tendrían que alternarse alrededor del primer polígono, lo cual es imposible si su número de lados es impar. Debido a esta restricción, estos seis polígonos no pueden aparecer en ningún teselado k-dual-uniforme:

Seis planígonos que no pueden participar en ningún teselado k-dual-uniforme.

Por otro lado, estos cuatro se pueden utilizar en teselaciones k -duales-uniformes:

Hay un dual semirregular para cada planígono V3 2 .4.12, V3.4.3.12, V3 2 .6 2 , V3.4 2 .6. Y todos los cuadriláteros pueden teselar el plano .

Finalmente, suponiendo una longitud de lado unitaria, todos los polígonos regulares y planígones utilizables tienen longitudes de lado y áreas como se muestra a continuación en la tabla:

Número de revestimientos uniformes dobles

Cada teselado uniforme doble guarda una correspondencia 1:1 con el teselado uniforme correspondiente, mediante la construcción de los planígones superiores y la superposición.

Estos recubrimientos periódicos pueden clasificarse según el número de órbitas de vértices, aristas y teselas. Si hay k órbitas de planígonos, un recubrimiento se conoce como k -dual-uniforme o k -isoédrico; si hay t órbitas de vértices duales, como t- isogonal; si hay e órbitas de aristas, como e -isotoxal.

Los recubrimientos k -duales-uniformes con las mismas caras de vértice se pueden identificar además por su simetría de grupo de papel tapiz , que es idéntica a la del recubrimiento k -uniforme correspondiente.

Los teselados 1-dual-uniformes incluyen 3 teselados regulares y 8 teselados de Laves, con 2 o más tipos de vértices de grado regular. Hay 20 teselados 2-dual-uniformes, 61 teselados 3-dual-uniformes, 151 teselados 4-dual-uniformes, 332 teselados 5-dual-uniformes y 673 teselados 6-dual-uniformes. Cada uno puede agruparse por el número m de figuras de vértice distintas , que también se denominan teselados m- arquimedianos. [ 8 ]

Finalmente, si el número de tipos de planigones es igual a la uniformidad ( m = k a continuación), entonces se dice que el teselado es de Krotenheerdt dual . En general, la uniformidad es mayor o igual que el número de tipos de vértices ( mk ), ya que los diferentes tipos de planigones necesariamente tienen órbitas diferentes, pero no al revés. Estableciendo m = n = k , hay 11 teselados duales de este tipo para n = 1; 20 teselados duales de este tipo para n = 2; 39 teselados duales de este tipo para n = 3; 33 teselados duales de este tipo para n = 4; 15 teselados duales de este tipo para n = 5; 10 teselados duales de este tipo para n = 6; y 7 teselados duales de este tipo para n = 7.

Azulejos regulares y Laves

Se muestran los 3 mosaicos regulares y los 8 semirregulares de Laves, con los planígones coloreados según el área como en la construcción:

Azulejos dobles uniformes de mayor altura

Inserciones de planígones duales en vértices de grado superior

Una alcantarilla en Central Park con azulejos CH (V3 2 .4.3.4,V3 6 ).
  • Un vértice de grado seis puede ser reemplazado por un hexágono regular central y seis aristas que emanan del mismo;
  • Un vértice de grado doce puede ser reemplazado por seis deltoides (un hexágono deltoidal central) y doce aristas que emanan del mismo;
  • Un vértice de grado doce puede ser reemplazado por seis pentágonos de El Cairo, un hexágono central y doce aristas que emanan del mismo (al diseccionar el vértice de grado 6 en el centro del ejemplo anterior).

Esto se hace arriba para el dual del teselado 3-4-6-12. El proceso uniforme correspondiente es la disección , y se muestra aquí .

2-Doble-Uniforme

Hay 20 teselaciones formadas por 2 tipos de planígones, el dual de teselaciones 2-uniformes (Krotenheerdt Duals):

3-Doble-Uniforme

Hay 39 teselaciones formadas por 3 tipos de planígones (Krotenheerdt Duals):

4-Doble-Uniforme

Hay 33 teselaciones formadas por 4 tipos de planígones (Krotenheerdt Duals):

5-Doble-Uniforme

Hay 15 teselaciones dobles uniformes de 5 con 5 planígones únicos:

Krotenheerdt se enfrenta a seis planígones

Hay 10 teselaciones dobles 6-uniformes con 6 planígones únicos:

Krotenheerdt se duplica con siete planigones

Hay 7 teselaciones dobles uniformes de 7 con 7 planígones únicos:

Los dos últimos mosaicos duales uniformes de 7 vértices tienen los mismos tipos de vértices, aunque no se parezcan en nada.

Denorte8{\displaystyle n\geq 8}En adelante, no hay n teselaciones uniformes con n tipos de vértices, ni n duales uniformes con n (semi)planígonos distintos. [ 9 ]

Fractalización de teselaciones dobles k -uniformes

Hay muchas maneras de generar nuevos teselados k-duales-uniformes a partir de otros teselados k-uniformes. Tres maneras son escalar por1+3,2+3,3+3{\displaystyle 1+{\sqrt {3}},2+{\sqrt {3}},3+{\sqrt {3}}}como se muestra a continuación:

Fractalización grande

Para ampliar los planígonos V3 2 .4.12 y V3.4.3.12 utilizando el método trihexagonal truncado, un factor de escala de2(3+3){\displaystyle 2(3+{\sqrt {3}})}Debe aplicarse:

Fractalización a gran escala

Mediante dos teselaciones uniformes de 9 en [ 10 ] se logra una gran fractalización con un factor de escala de 3 en todos los planígonos. En el caso de s,C,B,H, su propio planígono se encuentra en el centro exacto:

A continuación se muestran los dos teselados 9-uniformes, fractalizaciones de los semirregulares DC y DB , y un ejemplo general en S 2 TC :

Misceláneas

Construcción centroide-centroide

Teselaciones couniformes duales (rojo) junto con los originales (azul) de teselaciones seleccionadas. [ 7 ] [ 11 ] Generado por la construcción del punto medio del centroide-arista mediante la detección del vértice del centroide del polígono, redondeando el ángulo de cada co-arista al múltiplo de 15 grados más cercano. Dado que el tamaño unitario de las teselaciones varía de 15 a 18 píxeles y cada polígono regular difiere ligeramente, [ 7 ] hay cierta superposición o rupturas de aristas duales (un generador de tamaño de 18 píxeles genera incorrectamente co-aristas a partir de cinco teselaciones de tamaño de 15 píxeles, clasificando algunos cuadrados como triángulos).

Otras comparaciones de construcción de borde a borde

Otras comparaciones de construcción de borde a borde. Gira cada 3 segundos.

A continuación se muestran los planígonos formados por correspondencia borde con borde a partir de configuraciones de vértices en los respectivos teselados uniformes. [ 7 ] Todos los bordes de los planígonos son perfectos, es decir, no hay superposiciones ni protuberancias (pero posiblemente estiramientos):

Expansiones lineales afines

A continuación se muestran expansiones lineales afines de otros teselados uniformes, desde el original al dual y viceversa:

El primer teselado uniforme de 12 elementos contiene todos los planígonos con tres tipos de vértices, y el segundo teselado uniforme de 12 elementos contiene todos los tipos de aristas.

Mosaicos optimizados

Un teselado uniforme dual de 14 Catalaves usando p4g . Dichos teselados pueden asumir cualquier grupo de papel tapiz excepto p4m ya que p4m solo admite planígonos O, S, T, D, s, C, B, H. [ 10 ]

Sia{\displaystyle a}-b{\displaystyle b}alicatado significaa{\displaystyle a}uniforme doble,b{\displaystyle b}Teselado de Catalaves, luego existe un teselado 11-9, [ 7 ] un teselado 13-10, un teselado 15-11, un teselado 19-12, dos teselados 22-13 y un teselado 24-14. También existe un teselado de losa 13-8 y un teselado no de reloj 14-10. Finalmente, hay teselados 7-5 que utilizan todos los planígones de reloj: [ 10 ]

Empaquetado circular

Cada teselado uniforme corresponde a un empaquetamiento de círculos, en el que se colocan círculos de diámetro 1 en todos los vértices, correspondientes a los planígones. [ 11 ] A continuación se muestran los empaquetamientos de círculos de los teselados optimizados y del teselado de todos los bordes:

Los círculos se colorean según el tipo de vértice, y los huecos se colorean según el polígono regular.

5-dobles uniformes 4-catalaves teselados

Presentación de diapositivas con los 94 mosaicos uniformes de 5 caras con 4 planígones distintos. Cambia cada 6 segundos y se repite cada 60 segundos.

Azulejos de reloj

Todos los teselados con dodecágonos regulares en [ 7 ] se muestran a continuación, alternando entre uniforme y co-uniforme dual cada 5 segundos:

65 k -Revestimientos uniformes

Comparación de 65.000 teselaciones uniformes en teselaciones planas uniformes y sus teselaciones uniformes duales. Las dos filas inferiores coinciden y están a escala:

Comparación de 65 000 teselaciones uniformes en teselaciones planas uniformes y sus teselaciones uniformes duales. Las dos filas inferiores coinciden y están a escala.

Referencias

  1. 1 2 Grünbaum, Branko ; Shephard, GC (1987). Tilings and Patterns . WH Freeman and Company. págs. 59, 96. ISBN  0-7167-1193-1.
  2. Conway, John H.; Burgiel, Heidi; Goodman-Strauss, Chaim (18 de abril de 2008). «Capítulo 21, Nomenclatura de los poliedros y teselaciones arquimedianos y catalanes, teselaciones del plano euclidiano ». Las simetrías de las cosas . AK Peters / CRC Press . pág. 288. ISBN  978-1-56881-220-5Archivado del original el 19 de septiembre de 2010.
  3. Enciclopedia de Matemáticas: Órbita - Ecuación de Rayleigh , 1991
  4. Ivanov, AB (2001) [1994], "Planigon" , Enciclopedia de Matemáticas , EMS Press
  5. "EL GRAN SISTEMA DE LISTAS DE TESELAS DE POLÍGONOS REGULARES" . EL GRAN SISTEMA DE LISTAS DE TESELAS DE POLÍGONOS REGULARES . Consultado el 30 de agosto de 2019 .
  6. Rusczyk, Richard. (2006). Introducción a la geometría . Alpine, CA: AoPS Inc. ISBN 0977304523OCLC 68040014 
  7. 1 2 3 4 5 6 "Teselados n-uniformes" . probabilitysports.com . Consultado el 21 de junio de 2019 .
  8. Teselaciones k-uniformes por polígonos regulares Archivado el 30/06/2015 en Wayback Machine Nils Lenngren, 2009
  9. "11,20,39,33,15,10,7 - OEIS" . oeis.org . Consultado el 26 de junio de 2019 .
  10. 1 2 3 "Catálogo de teselaciones" . zenorogue.github.io . Consultado el 21 de marzo de 2022 .
  11. 1 2 J. E. Soto Sánchez, Sobre teselaciones periódicas con polígonos regulares , Tesis doctoral, IMPA, agosto de 2020.
  • Autómatas celulares de teselación de planigon Alexander Korobov, 30 de septiembre de 1999
  • BN Delone, “Teoría de los planigones” , Izv. Akád. Nauk SSSR Ser. Mat., 23:3 (1959), 365–386