아폴로 개스킷

Apollonian gasket
아폴로니아 가스켓의 예

수학에서, 아폴로니아 개스킷 또는 아폴로니아 망은 각각 다른 두 개의 접점에 있는 세 개의 원으로 시작해서, 각각 다른 세 개의 접점에 있는 더 많은 원을 연속적으로 채움으로써 생성되는 프랙탈이다.그것은 그리스의 수학자 페르가[1]아폴로니우스이름을 따서 지어졌다.

건설

서로 접하는 원.서로 접하는 세 개의 원(검은색)이 주어지면 일반적으로 서로 접하는 두 개의 다른 원(빨간색)이 있습니다.

Apolian 개스킷의 시공은 각각 다른 두 의 원과 맞닿아 있는 C1 C_ 그림의 검은색)로 시작하지만, 단 한 점의 삼중 접선점도 없습니다.이 원들은 서로 크기가 다를 수 있으며, 두 개는 세 번째 안에 들어가거나 세 개는 모두 서로 바깥에 있을 수 있습니다.아폴로니우스가 발견한 것처럼 C4 C_ )가 두 개 더 존재하며, 이 두 아폴로니아 원이라고 합니다.이들 5개의 원은 6개의 곡선 삼각형 영역에 의해 서로 분리되어 있으며, 각각은 3개의 쌍으로 접선된 원의 호로 둘러싸여 있습니다.세 변에 접하는 여섯 개의 곡선 삼각형 각각에 하나씩 여섯 개의 원을 더함으로써 공사는 계속됩니다.그러면 18개의 곡선의 삼각형이 더 생성되고, 다시 접선원, 즉 무한으로 채워짐으로써 공사는 계속됩니다.

이와 같이 단계별로 진행되는 이 공사는(\에서 2(\displaystyle 3 새로운 원을 하여n단계(\ n 후에 3 원을 합니다.한계에서, 이 원의 집합은 아폴로 개스킷입니다.그 안에서 접선원의 각 쌍은 쌍 내의 두 원에 접선하는 원의 무한 파퍼스 사슬을 가진다.

제한 케이스(0,0,1,1)에서는 가장 큰 2개의 원이 평행 직선으로 치환된다.이것은 포드 서클의 패밀리를 낳는다.

각각의 새로운 원의 크기는 데카르트의 정리에 의해 결정되는데, 데카르트의 정리는 상호 접선 원 네 개에 대해 원의 반지름(\가 방정식을 따른다는 것이다.

이 방정식은 음의 반지름을 갖는 해를 가질 수 있습니다. 즉, 원 중 하나(음의 반지름을 갖는 원)가 나머지 세 개를 둘러싼다는 것을 의미합니다.이 구조의 초기 원 중 하나 또는 두 개 또는 이 구조의 결과로 생긴 원은 직선으로 퇴화할 수 있으며, 이는 무한 반경의 원이라고 생각할 수 있습니다.선이 두 개일 때는 평행해야 하며 무한대의 점에서 접선으로 간주됩니다.개스킷에 2개의 라인과그 위에 1개의 유닛이 있고 을 둔 두 라인에 접하는 단위 직경의 원이 포함되어 있는 경우 접하는 원은 Ford 원이며, 이는 수론적으로 중요합니다

아폴로니아 가스켓의 하우스도르프 치수는 약 1.3057입니다.[2][3]이것은 명확하게 정의된 분수 차원을 가지고 있기 때문에, 정밀하게 자기 유사하지는 않지만, 프랙탈이라고 생각할 수 있다.

대칭

평면의 뫼비우스 변환은 원의 모양과 접선을 보존하고, 따라서 아폴로 개스킷의 구조를 보존합니다.아폴로 개스킷 내의 서로 접하는 원의 3배는 뫼비우스 변환에 의해 서로 매핑될 수 있으며, 2개의 아폴로 개스킷은 뫼비우스 변환에 의해 서로 매핑될 수 있다.특히 아폴로니아 개스킷의 두 접선원에 대해 접선점(Möbius 변환의 특수한 경우)을 중심으로 한 원의 반전은 이 두 원을 두 개의 평행선으로 변환하고 나머지 개스킷을 두 개의 평행선 사이의 특수한 개스킷 형태로 변환합니다.이러한 반전의 구성은 임의의 두 접선점을 서로 변환하는 데 사용할 수 있습니다.뫼비우스 변환은 또한 쌍곡면의 등각성이기 때문에 쌍곡기하학에서 모든 아폴로 개스킷은 합동이다.따라서 어떤 의미에서 아폴로 개스킷은 (고압) 등각까지 1개뿐입니다.

아폴로 개스킷은 클라이니아 [4]군으로 알려진 뫼비우스 변환 그룹의 한계 집합입니다.

일반적으로 뫼비우스 변환이 아닌 유클리드 대칭 변환의 경우, 아폴로니아 개스킷은 생성되는 세 개의 원의 대칭을 상속합니다.그러나 일부 원의 3배는 초기 3배보다 더 높은 대칭을 가진 아폴로니안 개스킷을 생성할 수 있습니다. 이는 동일한 개스킷이 생성 원의 다른 대칭 집합을 가지고 있을 때 발생합니다.특히 대칭적인 예로는 두 개의 평행선 사이의 아폴로 개스킷(무한 이면체 대칭), 등변 삼각형의 세 개의 합동 원에 의해 생성된 아폴로 개스킷(삼각형의 대칭), 반지름 2의 원으로 둘러싸인 반지름 1의 두 개의 원에 의해 생성된 아폴로 개스킷(t)이 있다.반사 대칭의 wo 라인).

적분 아폴로 원 채우기

아폴로 개스킷에서 서로 접하는 4개의 원이 모두 정수 곡률(반경의 역)을 가지면 개스킷의 모든 원은 정수 [5]곡률을 갖습니다.적분이든 아니든 아폴로 개스킷의 곡률에 관한 방정식이

따라서 새로운 마르코프 숫자를 찾을 때처럼 비에타 점프를 통해 곡선의 4배에서 다른 곡선으로 이동할 수 있다.이러한 통합형 아폴로 개스킷 중 처음 몇 개는 다음 표에 나열되어 있습니다.표에는 개스킷에서 가장 큰 원의 곡선이 나열되어 있습니다.각 개스킷을 완전히 설명하는 데 필요한 것은 처음 세 개의 곡선(표에 표시된 다섯 개 중)뿐이며, 다른 모든 곡선도는 이 세 개에서 도출할 수 있습니다.

적분 아폴로니아 원 채우기를 열거하는 중

( ( b, c, d) (a, a< 0 c d\ a < \ b \ c \ d일 경우 루트 4배(일부 일체형 원 패킹에서 가장 작음)입니다.( , , , ) { , , , d ) . displaystyle (, _, , m displaystyle ( x , d _ { 1 , d _ } )의 변수 를 행렬 방정식으로 정의합니다.

{ + {\ x}일 때 하게 데카르트의 방정식을 만족시키는 시스템을 제공합니다.정확할 때 gcd(x, d1, d2)=1{\displaystyle \gcd(x,d_{1},d_{2})=1}}=d_{1}d_{2}}. 게다가,(a, b, c, d){\displaystyle(a,b,c,d)}, 그리고(a, b, c, d){\displaystyle(a,b,c,d)}은 뿌리 4배 정확하게 때)원시적인<0≤ 2m≤ d1≤ d2{\displaystyle x<, 0\leq 2.m\leq [5]

이 관계를 사용하여 음의 x x를 갖는 모든 원시 루트 4배수를 찾을 수 있습니다.이 관계는 에서 d2 d2 d2 d2 로 이어집니다. 2 d 2 - { { 3 m^ { } \ { - {2}}。따라서 루트 4배수는 가능한 모든 m 을 반복하여 0 mx /합니다.}}) 모든 원시 루트 [6]4배수를 찾을 수 있습니다.다음 Python 코드는 위에 나열된 원시 루트 4배수를 생성하는 이 알고리즘을 보여줍니다.

수입품 수학   방어하다 get_module_module(n):     한다면 n == 0:         산출하다 0, 0, 1, 1         돌아가다     위해서 m  범위(수학.동작하다(n / 수학.sqrt(3))):         s = m**2 + n**2         위해서 d1  범위(맥스.(2 * m, 1), 수학.바닥.(수학.sqrt(s)) + 1):             d2, 남은 것 = divmod를 실행.(s, d1)             한다면 남은 것 == 0 그리고. 수학.gcd(n, d1, d2) == 1:                 산출하다 -n, d1 + n, d2 + n, d1 + d2 + n - 2 * m   위해서 n  범위(15):     위해서 구부러지다  get_module_module(n):         인쇄물(구부러지다) 

아폴로니아 원 패킹의 대칭성

원의 곡률에 따라 개스킷과 함께 발생할 수 있는 여러 유형의 이면체 대칭이 있습니다.

대칭 없음

첫 번째 5개의 곡선 내에 반복되는 곡선이 없는 경우 개스킷은 대칭1 그룹 C로 표현되는 대칭을 포함하지 않습니다. 예를 들어 곡선(-10, 18, 23, 27)으로 표현되는 개스킷이 있습니다.

D1 대칭

개스킷에서 가장 큰 5개의 원 중 2개가 동일한 곡률을 가질 때마다 해당 개스킷은 회전 대칭 없이 경계 원의 직경을 따른 반사에 해당하는 D 대칭을 갖게1 됩니다.

D2 대칭

두 개의 서로 다른 곡선이 처음 5개 내에서 반복될 경우 개스킷은 D 대칭을 갖습니다2. 이러한 대칭은 경계 원의 직경을 따라 두 개의 반사(서로 수직)로 구성되며 180°의 이중 회전 대칭이 됩니다.곡선(-1, 2, 2, 3)으로 설명된 개스킷은 (최대 스케일링 계수) D 대칭을 가진2 유일한 아폴로 개스킷입니다.

D3 대칭

대칭이 D인 정수3 개스킷은 없습니다.

양의 곡률이 가장 작은 세 개의 원이 동일한 곡률을 갖는 경우, 개스킷은 D 대칭3 가지며, D 대칭은 경계 원의 직경(공간 120° 간격)을 따라 세 개의 반사에 해당하며 120°의 회전 대칭이 됩니다.이 경우 3개의 내부 원에 대한 경계 원의 곡률 비율은 23 - 3이며, 이 비율은 합리적이지 않기 때문에 많은 패킹이 근접하지만 일체형 아폴로 원 패킹은 3 D 대칭을 가지지 않는다.

거의3 D 대칭

(−15, 32, 32, 33)
(−15, 32, 32, 33)

왼쪽 그림은 D 대칭으로3 보이는 일체형 아폴로 개스킷입니다.오른쪽에는 동일한 그림이 표시되어 있으며 내부 원의 곡률을 나타내는 라벨이 부착되어 있어 개스킷이 실제로 다른 많은 일체형 아폴로니아 개스킷에 공통되는 D 대칭만을1 가지고 있음을 알 수 있습니다.

다음 표는 거의 D에 가까운3 아폴로니아 개스킷을 더 나열한 것입니다.시퀀스에는 몇 가지 흥미로운 특성이 있으며, 표에는 이전 집합에서 현재 집합으로 이동하는 데 필요한 승수와 함께 곡선의 인수 분해 목록이 나와 있습니다."a" 디스크의 곡선 절대값은 반복 관계 a(n) = 4a(n - 1) - a(n - 2)(OEIS의 시퀀스 A001353)를 따르며, 여기서 승수는 θ3 + 2 ≈ 3.732050807로 수렴한다.

D에 가까운3 대칭을 가진 일체형 아폴로 개스킷
곡률 요인들 승수
a b c d a b d a b c d
−1 2 2 3 1×1 1×2 1×3
−4 8 9 9 2×2 2×4 3×3 4.000000000 4.000000000 4.500000000 3.000000000
−15 32 32 33 3×5 4×8 3×11 3.750000000 4.000000000 3.555555556 3.666666667
−56 120 121 121 8×7 8×15 11×11 3.733333333 3.750000000 3.781250000 3.666666667
−209 450 450 451 11×19 15×30 11×41 3.732142857 3.750000000 3.719008264 3.727272727
−780 1680 1681 1681 30×26 30×56 41×41 3.732057416 3.733333333 3.735555556 3.727272727
−2911 6272 6272 6273 41×71 56×112 41×153 3.732051282 3.733333333 3.731112433 3.731707317
−10864 23408 23409 23409 112×97 112×209 153×153 3.732050842 3.732142857 3.732302296 3.731707317
−40545 87362 87362 87363 153×265 209×418 153×571 3.732050810 3.732142857 3.731983425 3.732026144

순차 곡선

네스트 아폴로 개스킷

임의의 정수 n > 0에 대해서, 다음의 곡선으로 정의되는 아폴로 개스킷이 존재한다.
(−n, n + 1, n(n + 1), n(n + 1) + 1).
예를 들어 (-2, 3, 6, 7), (-3, 4, 12, 13), (-8, 9, 72, 73) 및 (-9, 10, 90, 91)로 정의된 개스킷은 모두 이 패턴을 따릅니다.n + 1로 정의된 모든 내부 원이 다른 개스킷에서 경계 원(-n으로 정의됨)이 될 수 있으므로 이러한 개스킷은 내포될 수 있습니다.이는 오른쪽 그림에 나타나 있습니다. 이 그림에는 n개가 2에서 20까지 작동하는 순차 개스킷이 포함되어 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

메모들

  1. ^ 사티자, I. 이글레시아스 바세아스 세계의 나비: 가장 매력적인 양자 프랙탈의 이야기 (Bristol: IOP Publishing, 2016), 페이지 5.
  2. ^ Boyd, David W. (1973), "The residual set dimension of the Apollonian packing", Mathematika, 20: 170–174, doi:10.1112/S0025579300004745, MR 0493763
  3. ^ McMullen, Curtis T. (1998), "Hausdorff dimension and conformal dynamics, III: Computation of dimension" (PDF), American Journal of Mathematics, 120 (4): 691–721, doi:10.1353/ajm.1998.0031, MR 1637951
  4. ^ Hee Oh Brown의 Kleinian 그룹의 원과 에르고딕 이론.대학 2009년 12월
  5. ^ a b 로널드 L. 그레이엄, 제프리 C.라가리아스, 콜린 M. 말로즈, 앨런 R.Wilks, and Catherine H. Yan; "Apollonian Circle Packing:숫자 이론" J. 숫자 이론, 100(2003), 1-45
  6. ^ Bradford, Alden. "Revisiting Apollonian Gaskets". Retrieved 7 August 2022.

레퍼런스

외부 링크