równodysekcja

6-równy przekrój kwadratu

W geometrii równorozcięcie to podział wielokąta na trójkąty o równej powierzchni . _ Badanie równych przekrojów rozpoczęło się pod koniec lat 60. XX wieku od twierdzenia Monsky'ego , które mówi, że kwadrat nie może być równo podzielony na nieparzystą liczbę trójkątów. W rzeczywistości większości wielokątów nie można w ogóle podzielić na równe części.

Znaczna część literatury ma na celu uogólnienie twierdzenia Monsky'ego na szersze klasy wielokątów. Ogólne pytanie brzmi: które wielokąty można równo podzielić na ile części? Szczególną uwagę zwrócono na trapezy , latawce , wielokąty foremne , wielokąty centralnie symetryczne , poliomino i hipersześciany .

Equidissections nie ma wielu bezpośrednich zastosowań. Uważa się je za interesujące, ponieważ początkowo wyniki są sprzeczne z intuicją, a dla problemu geometrii z tak prostą definicją teoria wymaga zaskakująco wyrafinowanych narzędzi algebraicznych. Wiele wyników opiera się na rozszerzeniu wartościowań p -adycznych na liczby rzeczywiste i rozszerzeniu lematu Spernera na bardziej ogólne kolorowe wykresy .

Przegląd

Definicje

Rozwarstwienie wielokąta P to skończony zbiór trójkątów, które nie zachodzą na siebie i których sumą jest cały P . Rozbiór na n trójkątów nazywany jest rozbiorem n i jest klasyfikowany jako rozbiór parzysty lub nieparzysty w zależności od tego, czy n jest parzyste, czy nieparzyste .

Równowaga to dyssekcja, w której każdy trójkąt ma takie samo pole . W przypadku wielokąta P zbiór wszystkich n , dla których istnieje n -równorozbiór P , nazywany jest widmem P i oznaczany jako S ( P ) . Ogólnym celem teoretycznym jest obliczenie widma danego wielokąta.

Rozwarstwienie nazywamy uproszczonym , jeśli trójkąty stykają się tylko wzdłuż wspólnych krawędzi. Niektórzy autorzy ograniczają swoją uwagę do uproszczonych sekcji, zwłaszcza w literaturze wtórnej, ponieważ łatwiej się z nimi pracuje. Na przykład zwykłe stwierdzenie lematu Spernera ma zastosowanie tylko do uproszczonych rozbiorów. Często uproszczone rozbiory nazywane są triangulacjami , chociaż wierzchołki trójkątów nie są ograniczone do wierzchołków lub krawędzi wielokąta. Uproszczone równorzędne dyssekcje są zatem nazywane również triangulacjami o równej powierzchni .

Terminy można rozszerzyć na politopy o wyższych wymiarach : równorzędny to zbiór simpleksów o tej samej objętości n .

Czynności wstępne

Łatwo jest znaleźć n -równy przekrój trójkąta dla wszystkich n . W rezultacie, jeśli wielokąt ma m -równe rozcięcie, to ma również mn -równe rozcięcie dla wszystkich n . W rzeczywistości często widmo wielokąta składa się dokładnie z wielokrotności pewnej liczby m ; w tym przypadku zarówno widmo, jak i wielokąt nazywane są głównymi , a widmo oznaczane. . Na przykład widmo trójkąta wynosi . Prostym przykładem wielokąta innego niż główny jest czworokąt z wierzchołkami (0, 0), (1, 0), (0, 1), (3/2, 3/2); jego widmo obejmuje 2 i 3, ale nie 1.

Transformacje afiniczne płaszczyzny są przydatne do badania równych sekcji, w tym translacji , jednolitego i niejednorodnego skalowania , odbić , obrotów , ścinania i innych podobieństw oraz map liniowych . Ponieważ transformacja afiniczna zachowuje linie proste i proporcje obszarów, wysyła równe rozcięcie do równorzędnych. Oznacza to, że można zastosować dowolną transformację afiniczną do wielokąta, która może nadać mu łatwiejszą do zarządzania formę. Na przykład często wybiera się takie współrzędne, że trzy wierzchołki wielokąta to (0, 1), (0, 0) i (1, 0).

Fakt, że transformacje afiniczne zachowują równe rozwarstwienie, oznacza również, że pewne wyniki można łatwo uogólnić. Wszystkie wyniki podane dla wielokąta foremnego obowiązują również dla wielokątów afiniczno-regularnych ; w szczególności wyniki dotyczące kwadratu jednostkowego odnoszą się również do innych równoległoboków, w tym prostokątów i rombów . Wszystkie wyniki podane dla wielokątów o całkowitych odnoszą się również do wielokątów o współrzędnych wymiernych lub wielokątów, których wierzchołki leżą na dowolnej innej sieci .

Najlepsze wyniki

Twierdzenie Monsky'ego mówi, że kwadrat nie ma nieparzystych równych przekrojów, więc jego widmo wynosi . Mówiąc bardziej ogólnie, wiadomo, że centralnie symetryczne wielokąty i wielokąty nie mają nieparzystych równych przekrojów. Przypuszczenie Shermana K. Steina sugeruje, że żaden specjalny wielokąt nie ma nieparzystego równego podziału, gdzie specjalny wielokąt to taki, którego klasy równoważności równoległych krawędzi sumują się do wektora zerowego . Kwadraty, centralnie symetryczne wielokąty , wielokąty wielokątne i wieloheksy są wielokątami specjalnymi.

Dla n > 4 widmo regularnego n -gonu wynosi . Dla n > 1 widmo n -wymiarowego sześcianu wynosi , gdzie n ! jest silnią n . _ a widmo n -wymiarowego cross-polytopu wynosi . To ostatnie wynika mutatis mutandis z dowodu ośmiościanu w

Niech T ( a ) będzie trapezem , gdzie a jest stosunkiem równoległych długości boków. Jeśli a jest liczbą wymierną , to T ( a ) jest liczbą główną. W rzeczywistości, jeśli r / s jest ułamkiem w najniższych wartościach, to . Mówiąc bardziej ogólnie, wszystkie wielokąty wypukłe o współrzędnych wymiernych można podzielić na równe części, chociaż nie wszystkie z nich są główne; zobacz powyższy przykład latawca z wierzchołkiem w (3/2, 3/2).

Z drugiej strony, jeśli a jest liczbą przestępną , to T ( a ) nie ma równego podziału. Mówiąc bardziej ogólnie, żaden wielokąt, którego współrzędne wierzchołków są algebraicznie niezależne , nie ma równego rozcięcia. Oznacza to, że prawie wszystkie wielokąty z więcej niż trzema bokami nie mogą być równe. Chociaż większości wielokątów nie można podzielić na trójkąty o równych polach, wszystkie wielokąty można podzielić na czworokąty o równych polach.

Jeśli a jest algebraiczną liczbą niewymierną , to T ( a ) jest trudniejszym przypadkiem. Jeśli a jest algebraiczne stopnia 2 lub 3 ( kwadratowe lub sześcienne), a wszystkie jego koniugaty mają dodatnie części rzeczywiste , to S ( T ( a )) zawiera wszystkie wystarczająco duże n takie, że n / (1 + a ) jest algebraiczną liczbą całkowitą . Przypuszcza się, że podobny warunek dotyczący stabilnych wielomianów może decydować o tym, czy widmo jest puste dla liczb algebraicznych a wszystkich stopni.

Historia

Idea równego rozcięcia wydaje się rodzajem elementarnej koncepcji geometrycznej, która powinna być dość stara. Aigner i Ziegler (2010) zauważają twierdzenie Monsky'ego: „można było odgadnąć, że z pewnością odpowiedź musiała być znana od dawna (jeśli nie Grekom)”. Ale badanie równorzędnych rozcięć rozpoczęło się dopiero w 1965 roku, kiedy Fred Richman przygotowywał się do magisterskiego na Uniwersytecie Stanowym Nowego Meksyku .

Twierdzenie Monsky'ego

Richman chciał uwzględnić na egzaminie pytanie z geometrii i zauważył, że trudno było znaleźć (jak to się teraz nazywa) nieparzyste równe rozcięcie kwadratu. Richman udowodnił sobie, że jest to niemożliwe dla 3 lub 5, że istnienie równego n pociąga za sobą istnienie równego przekroju ( n + 2) i że pewne czworoboki arbitralnie zbliżone do kwadratów mają nieparzyste równe rozwarstwienie. Jednak nie rozwiązał ogólnego problemu nieparzystych równych przekrojów kwadratów i opuścił go na egzaminie. Problemem zainteresował się przyjaciel Richmana, John Thomas; w jego wspomnieniu,

„Wszyscy, którym postawiono problem (w tym ja), powiedzieli coś w stylu:„ to nie moja dziedzina, ale pytanie z pewnością musiało zostać rozważone i odpowiedź jest prawdopodobnie dobrze znana ”. Niektórzy myśleli, że go widzieli, ale nie mogli sobie przypomnieć gdzie. Byłem zainteresowany, ponieważ przypominał mi Lemat Spernera w topologii , który ma sprytny dowód parzystości nieparzystej.

Thomas udowodnił, że nieparzyste równe rozcięcie jest niemożliwe, jeśli współrzędne wierzchołków są liczbami wymiernymi o nieparzystych mianownikach. Przesłał ten dowód do Mathematics Magazine , ale został on wstrzymany:

„Reakcja sędziego była przewidywalna. Myślał, że problem może być dość łatwy (chociaż nie mógł go rozwiązać) i prawdopodobnie był dobrze znany (chociaż nie mógł znaleźć do niego odniesienia)”.

Zamiast tego pytanie zostało podane jako problem zaawansowany w American Mathematical Monthly ( Richman i Thomas 1967 ). Kiedy nikt inny nie przedstawił rozwiązania, dowód został opublikowany w Mathematics Magazine ( Thomas 1968 ), trzy lata po jego napisaniu. Monsky (1970) następnie oparł się na argumencie Thomasa, aby udowodnić, że nie ma nieparzystych równych przekrojów kwadratu, bez żadnych założeń racjonalności.

Dowód Monsky'ego opiera się na dwóch filarach: wyniku kombinatorycznym , który uogólnia lemat Spernera, oraz wyniku algebraicznym , czyli istnieniu 2-adycznej oceny liczb rzeczywistych. Sprytne pokolorowanie płaszczyzny implikuje następnie, że we wszystkich przekrojach kwadratu przynajmniej jeden trójkąt ma pole o parzystym mianowniku, a zatem wszystkie równe przekroje muszą być równe. Istotę argumentu można znaleźć już u Thomasa (1968) , ale Monsky (1970) jako pierwszy zastosował wycenę 2-adyczną do pokrycia sekcji z dowolnymi współrzędnymi.

Uogólnienia

Monsky'ego był Mead (1979) , który udowodnił, że widmo n -wymiarowego sześcianu wynosi . Dowód ponownie przeanalizowali Bekker i Netsvetaev (1998) .

Uogólnienie na wielokąty foremne pojawiło się w 1985 roku podczas seminarium z geometrii prowadzonego przez GD Chakeriana na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis . Elaine Kasimatis , doktorantka, „szukała tematu algebraicznego, który mogłaby poruszyć” na seminarium. Sherman Stein zasugerował rozbiory kwadratu i sześcianu: „temat, który Chakerian niechętnie przyznał, był geometryczny”. Po jej przemówieniu Stein zapytała o pięciokąty foremne. Kasimatis odpowiedział Kasimatisem (1989) , udowadniając, że dla n > 5 widmo regularnego n -gonu wynosi . Jej dowód opiera się na dowodzie Monsky'ego, rozszerzając p -adyczną na liczby zespolone dla każdego pierwszego dzielnika n i stosując pewne elementarne wyniki z teorii pól cyklotomicznych . Jest to również pierwszy dowód na jawne użycie transformacji afinicznej w celu skonfigurowania wygodnego układu współrzędnych. Kasimatis i Stein (1990) sformułowali następnie problem znalezienia widma ogólnego wielokąta, wprowadzając terminy widmo i zasada . Udowodnili, że prawie wszystkie wielokąty nie mają równych przekrojów i że nie wszystkie wielokąty są główne.

Kasimatis i Stein (1990) rozpoczęli badanie widm dwóch szczególnych uogólnień kwadratów: trapezów i latawców. Trapezy były dalej badane przez Jepsena (1996) , Monsky'ego (1996) oraz Jepsena i Monsky'ego (2008) . Latawce były dalej badane przez Jepsena, Sedberry & Hoyer (2009) . Ogólne czworoboki badano w Su & Ding (2003) . Kilka artykułów zostało napisanych na Hebei Normal University , głównie przez profesora Ding Ren i jego uczniów Du Yatao i Su Zhanjun.

Próbując uogólnić wyniki dla n -kątów foremnych dla parzystych n , Stein (1989) wysunął przypuszczenie, że żaden centralnie symetryczny wielokąt nie ma nieparzystego równego podziału, i udowodnił przypadki n = 6 i n = 8. Pełne przypuszczenie zostało udowodnione przez Monsky'ego (1990) . Dziesięć lat później Stein dokonał czegoś, co opisuje jako „zaskakujący przełom”, przypuszczając, że żadne poliomino nie ma dziwnego równego rozcięcia. Udowodnił wynik poliomino z nieparzystą liczbą kwadratów w Stein (1999) . Pełne przypuszczenie zostało udowodnione, gdy Praton (2002) potraktował przypadek parzysty.

Temat równorzędnych rozbiorów został ostatnio spopularyzowany przez traktowanie w The Mathematical Intelligencer ( Stein 2004 ), tomie Carus Mathematical Monographs ( Stein & Szabó 2008 ) oraz w czwartej edycji Proofs from THE BOOK ( Aigner & Ziegler 2010 ).

Powiązane problemy

Sakai, Nara i Urrutia (2005) rozważają odmianę problemu: biorąc pod uwagę wypukły wielokąt K , jaka część jego powierzchni może być pokryta przez n nienakładających się trójkątów o równej powierzchni wewnątrz K ? Stosunek powierzchni o najlepszym możliwym pokryciu do powierzchni K jest oznaczony tn ( K ) . Jeśli K ma n -równy przekrój, to t n ( K ) = 1; w przeciwnym razie jest mniejszy niż 1. Autorzy pokazują , że dla czworoboku K t n ( K ) ≥ 4 n /(4 n + 1), gdzie t 2 ( K ) = 8/9 wtedy i tylko wtedy, gdy K jest kongruentny afinicznie do trapezu T (2/3). Dla pięciokąta t 2 ( K ) ≥ 2/3, t 3 ( K ) ≥ 3/4 i t n ( K ) ≥ 2 n /(2 n + 1) dla n ≥ 5.

Günter M. Ziegler zadał odwrotny problem w 2003 roku: Biorąc pod uwagę przekrój całego wielokąta na n trójkątów, jak blisko mogą być równe obszary trójkąta? W szczególności jaka jest najmniejsza możliwa różnica między polami najmniejszego i największego trójkąta? Niech najmniejszą różnicą będzie M ( n ) dla kwadratu i M ( a , n ) dla trapezu T ( a ). Wtedy M ( n ) wynosi 0 dla parzystego n i większe od 0 dla nieparzystego n . Mansow (2003) podał asymptotyczną górną granicę M ( n ) = O(1/ n 2 ) (patrz notacja Big O ). Schulze (2011) poprawia wiązanie do M ( n ) = O(1/ n 3 ) z lepszym rozbiorem i udowadnia, że ​​istnieją wartości a, dla których M ( a , n ) maleje dowolnie szybko. Labbé, Rote i Ziegler (2018) uzyskują górną granicę superwielomianu, wywodzącą się z jawnej konstrukcji wykorzystującej sekwencję Thue – Morse'a .

Bibliografia

Drugorzędne źródła
Podstawowe źródła

Linki zewnętrzne