Penrosen laatat

pienoiskuva|right|Penrosen laattoja.

Penrosen laatat ovat tapa peittää taso jaksottomasti pienellä joukolla erilaisia monikulmioita. Ne ovat saaneet nimensä tällaisia laatoituksia 1970-luvulla tutkineen matemaatikko Roger Penrosen mukaan.Ball, s. 165-170

Jaksottomalla peittämisellä tarkoitetaan sitä, ettei minkään samanlaisen pienen laattaryhmän suurempi ympäristö ole missään muualla aivan samanlainen vertailukohtansa kanssa. Toinen tapa havainnollistaa jaksottomuutta on piirtää alueen yli satunnaisesti asemoitu suora ja todeta suoralla olevia laattoja tarkastelemalla, ettei siinä esiinny toistamiseen samaa kuviota missään kohtaa suoraa.

Taso voidaan peittää Penrosen laatoilla monilla tavoilla. Kaikki tällaiset tavat ovat jaksottomia, mutta ne saattavat olla symmetrisiä jonkin akselin suhteen tai niillä voi olla viisinkertainen rotaatiosymmetria, kuten oheisessa kuvassa. Jaksottomuus merkitsee sitä, että Penrosen laatoituksella ei ole siirtosymmetriaa. Toisin sanoen tasolta ei voida valita kahta sellaista kohtaa, että kummastakin mitattuna olisi aina samalla etäisyydellä ja samassa suunnassa saman­laiset ja samassa asennossa olevat laatat. Penrosen laattoja voidaan pitää kvasikiteen kaksi­ulotteisena vastineena.

Tausta ja historia

Penrosen laatat ovat yksinkertaisimpia esimerkkejä tason jakamisesta osiin epäjaksollisesti.Gardner 1997, s. 1-30Grünbaum, Shephard 1998, s. 520-549Senechal 1996, s. 170-206 Yleisesti laatoituksella tarkoitetaan tason jakoa osiin, jotka eivät osittainkaan peitä toisiansa eivätkä jätä väliinsä aukkoja. Yleensä edellytetään myös, että käytetään vain äärellistä määrää erilaisia muotoja. Tunnetuimmat laatoitukset, esimerkiksi tason jako neliöiksi tai tasa­sivuisiksi kolmioiksi, ovat jaksollisia. Toisin sanoen on olemassa sellainen etäisyys, jonka verran tiettyyn suuntaan siirryttäessä laatoitus toistuu aina samanlaisena. Tätä etäisyyttä sanotaan laatoituksen jaksoksi. Jos tällaista jaksoa ei ole, laatoitusta sanotaan jaksottomaksi.Grünbaum, Spehpard 1987, s. 520

thumb|left|150px|Wangin dominot muodostavat jaksottoman laatoituksen.Culik, Kari 1997

Kysymys jaksottomista laatoituksista sai osakseen uutta mielenkiintoa 1960-luvulla, kun loogikko Hao Wang havaitsi yhteyden niiden ja päätöksenteko-ongelmien kanssa.Wang 1961 Hän käsitteli erityisesti neliömäsiä laattoja, joiden sivut olivat väritettyjä. Tällaisia sanotaan nykyään Wangin dominoiksi. Wang esitti kysymyksen: "Millä edellytyksellä taso voidaan peittää annetulla joukolla tällaisia laattoja siten, että vierekkäisten laattojen samanväriset reunat aina koskettavat toisiaan?" Hän osoitti, että jos ongelmaa ei voida ratkaista rekursiivisesti, on olemassa keino peittää taso jaksottomasti Wangin dominoilla. Tuohon aikaan tämä vaikutti kuitenkin epäuskottavalta, minkä vuoksi Wang esitti konjektuurin, ettei sellainen laatoitus ole mahdollinen.

thumb|right|Robinsonin kuusi laattaa.

Wangin oppilas Robert Berger todisti kuitenkin väitöskirjassaan vuonna 1964, että ongelmaa ei voitu ratkaista rekursiivisesti, joten Wangin konjektuuri on epätosi.Robert Berger: MathGenealogy, id=114475 Hän pystyikin muodostamaan jaksottoman laatoituksen 20426 Wangin dominosta.Austin 2005a Myöhemmin hän osoitti, että siihen riitti 104 sellaista laattaa.Berger 1996 Vuonna 1968 Donald Knuth osoitti, että 92 laattaakin riittää.Grünbaum, Shephard 1987, s. 584 Alkuperäisissä Wangin dominoissa ehtona oli, että Wangin dominoiden vierekkäisissä laatoissa samanväristen sivujen on kosketettava toisiaan. Tämä ehto voidaan myös korvata oletuksella, että laattojen reunat ovat eri tavoin kaarevia tavallisten palapelin palojen tapaan.Gardner 1997 s. 5 Vuonna 1971 Raphael Robinson osoitti tällä tavoin eräässä tutkielmassaan, että jo kuudesta erimuotoisesta laatasta voidaan muodostaa jaksoton laatoitus.Robinson 1971Grünbaum, Shephard 1987, s. 525

pienoiskuva|left|Viisikulmainen Penrosen laatoitus (P1) mustin laatoin, taustalla värillisten suunnikaslaattojen muodostama laatoitus (P3).Senechal 1996, s. 173-174

Ensimmäinen Penrosen laatoitus, jonka Roger Penrose esitti vuonna 1974 (P1 alla olevassa kuvassa), on myös jaksoton ja muodostuu kuudesta eri muotoisesta laatasta.Penrose 1974 Se ei muodostu neliöistä, vaan erilaisista viisikulmioista. Säännöllisillä viisi­kulmioilla ei koko tasoa voi peittää jättämättä väliin aukkoja, mutta jo vuonna 1619 Johannes Kepler osoitti teoksessaan Harmonices Mundi, että nämä aukot voidaan täyttää penta­grammeilla, kymmenkulmioilla tai niitä muistuttavilla moni­kulmioilla.Grünbaum, Shephard 1987, sktio 2.5 Penrose kehitti tätä ajatusta osoittamalla, että tällä tavoin laatoitus voitiin muodostaa jaksottomaksi, mikä täydensi Keplerin äärellisen Aa-mallinSenechal 1996, s. 171. Tähän hän sai vaikutteita myös eräistä Albert Dürerin teoksista.Luck 2000

Myöhemmin Penrose osoitti, että erilaisten laattojen lukumäärä voitiin vähentää kahteen, jolloin saatiin kaksi erilaista laatoitusta P2 ja P3 alla olevassa kuvassa.Gardner 1997, s. 6 Näistä jälkimmäisen, suunnikkaista muodostuvan laatoituksen, keksi hänestä riippumatta Robert Ammann vuonna 1976.Gardner 1997, s. 19 Penrose ja John H. Conway tutkivat tällaisten laatoitusten ominaisuuksia, ja heidän tutkimustuloksensa julkaisi Martin Gardner tammikuun 1977 Scientific American-lehdessä Mathematical Games-palstalla.Martin Gartner: Mathematical Games, Scientific American 1/1977

Penrosen laatat thumb|right|200px|Penrosen alkuperäisistä kuudesta peruslaatasta muodostettu laatoitus.

Erityyppiset Penrosen laatat, P1–P3, on jäljempänä kuvattu kukin erikseen, mutta niillä on joukko yhtäläisyyksiä. Kaikissa laatat on muodostettu osista, joista voidaan muodostaa myös säännöllinen viisikulmio, minkä vuoksi niihin liittyy läheisesti kultainen leikkaus. Lisäksi nämä laatoitukset voidaan kukin konstruoida toistensa avulla.

Alkuperäiset Penrosen laatat (P1)

Alkuperäinen Penrosen laatoitus muodostuu viisikulmiosta sekä kolmenlaisista muista erimuotoisista laatoista: viisi­sarakaraisista tähdistä (penta­grammeista), ”veneistä” sekä ”timanteista” eli ohuista suunnikkaista. Sen varmistamiseksi, että laatoituksesta tulee jaksoton, käytettiin tiettyjä sääntöjä sille, miten erilaiset laatat saavat koskettaa toisiaan. Eri viisikulmioille on kolme eri sääntöä ja tällöin eri sääntöjä noudattavat viisikulmiot voidaan tehdä erivärisiksi, kuten oheisessa kuvassa.Austin 2005aGrünbaum, Shephard 1987, kuva 1.3.1, näyttää reunojen muunnokset, joilla saadaan aikaan jaksoton laatoitus.

Leija- ja nuolilaatat (P2) thumb|Leija- ja nuolilaatat

Penrosen toinen laatoitus koostuu kahdenlaisista nelikulmioista, joita nimitetään leijoiksi ja nuoliksi. Nämä voidaan yhdistää suorakulmioksi, mutta käytettyjen sääntöjen mukaan niin ei saa tehdä, sillä suunnikkaista muodostettu laatoitus olisi jaksollinen. Sekä leija että nuoli voidaan toisaalta käsittää muodostetuksi kahdesta kolmiosta, joita sanotaan Robinsonin kolmioiksi niitä vuonna 1975 tutkineen Robinsonin mukaan.Grünbaum, Shephard 1987, s. 537 seur.

"Leija" on nelikulmio, jonka kulmista kolme on 72 ja neljäs 144 asteen suuruinen. Sillä on symmetria-akseli, joka jakaa sen kahteen teräväkulmaiseen Robinsonin kolmioon, joiden kulmat ovat 36, 72 ja 72 astetta. Tällainen kolmio tunnetaan myös kultaisena kolmiona. "Nuoli" on ei-kupera nelikulmio, jonka sisäpuoliset kulmat ovat 36, 72, 36 ja 216 astetta. Myös sillä on symmetria-akseli, joka jakaa sen kahdeksi tylppäkulmaiseksi Robinsonin kolmioksi, joiden kulmat ovat 36, 36 ja 108 astetta.

Suunnikaslaatat (P3)

Kolmas Penrosen laatoitus muodostuu kahdenlaisista suunnikkaista. Niistä kuitenkin voidaan muodostaa myös jaksollinen laatoitus, minkä vuoksi on noudatettava tiettyjä rajoittavia sääntöjä, jotta tuloksena olisi jaksoton laatoitus.

left|thumb|Penrosen suunnikaslaattojen yhdistelysäännöt ja niihin liittyvät sivujen muutokset. Laatoituksessa käytetään kahdenlaisia suunnikkaita, jotka molemmat voidaan myös jakaa kahdeksi Robinsonin kolmioksi. Ohuessa laatassa t kulmat ovat 36, 144, 36 ja 144 astetta. Sen lyhempi lävistäjä jakaa sen kahdeksi Robinsonin kolmioksi. Paksussa laatassa T kulmat ovat 72, 108, 72 ja 108 astetta. Sen pidempi lävistäjä jakaa sen kahdeksi tylppäkulmaiseksi Robinsonin kolmioksi.

Laattojen eri sivut oletetaan kuitenkin erilaisiksi, ja ne sijoitellaan siten, että vierekkäisten laattojen on noudatettava tiettyjä sääntöjä. Nämä säännöt voidaan kuvata eri tavoin, kuten käy ilmi oheisesta kuvasta. Esimerkiksi niiden sivuille merkittyjen kaarien on vastattava toisiaan väriltään ja asennoltaan tai niiden sivuille tehtyjen lovien on sovittava yhteen.

Kaikkiaan näiden laattojen kulmat voidaan asettaa 54 eri tavalla vierekkäin siten, että samassa kärkipisteessä toisensa kohtaavien laattojen väliin ei jää aukkoja. Näistä vain seitsemän tapaa on laatoituksen sääntöjen mukaan sallittuja, joskin yksi niistä voidaan toteuttaa kahdella eri tavalla.Senechal 1996, s. 178

Konstruointi ja ominaisuuksia Deflaatio Penrosen leija- ja nuolilaatoitus voidaan yksinkertaisimmin konstruoida deflaatioksi nimitetyllä menetelmällä.Gardner 1997, s. 8Austin 2005b, Lähtökohdaksi otetaan tietty äärellisen kokoinen laatoitus, jota nimitetään "aksioomaksi", ja siitä muodostetaan tiettyjen sääntöjen mukaan joukko peräkkäisiä laatoituksia, joita nimitetään "sukupolviksi". Yksin­kertaisimmassa tapauksessa "aksiooma" käsittää vain yhden laatan. Siirryttäessä seuraavaan "sukupolveen" jokainen laatta korvataan yhdellä tai useammalla uudella laatalla, jotka peittävät alku­peräisen laatan kokonaan. Täten uudet laatat ovat yhden­muotoisia alkuperäisten kanssa, mutta kooltaan pienempiä. Kun tämä toistetaan riittävän monta kertaa, saadaan lopulta laatoitus, joka sisältää sellaisen osan, joka on yhdenmuotoinen alkuperäisen "aksiooman" kanssa eikä ulotu kuvion reunoille. Tämä valitaan sitten uudeksi "aksioomaksi", ja koko prosessi toistetaan, jolloin saadaan kerta kerralta laajempi laatoitus, kunnes se lopulta peittää koko tason.

Esimerkki: Kolme sukupolvea neljästä aksioomasta

Tämä on esimerkki peräkkäisistä suku­polvista lähdettäessä neljästä erilaisesta "aksioomasta". "Auringon" ja "tähden" tapauksessa alkuperäisen kanssa yhden­muotoinen pienempi laatoitus saadaan jo toisessa sukupolvessa, "auringon" tapauksessa myös kolmannessa.

Nimi Sukupolvi 0 (aksiooma) Sukupolvi 1 Sukupolvi 2 Sukupolvi 3 Leijan puolikas 120px 120px 120px 120px Nuolen puolikas 120px 120px 120px 120px Aurinko 120px 120px 120px 120px Tähti 120px 120px 120px 120px

Penrosen laatat ja kultainen leikkaus

Moniin Penrosen laattojen ominaisuuksiin liittyy läheisesti kultainen leikkaus ja sen suhdeluku (noin 1,618). Tämä johtuu siitä, että laatoitus on lokaalisti viisinkertaisesti symmetrinen ja säännöllisessä viisikulmiossa halkaisijan ja sivun suhde on φ. Tämä on myös pidemmän ja lyhemmän sivun suhde molemmissa Robinsonin kolmioissa. Tästä seuraa, että leija- ja nuolilaatoissa pidemmän ja lyhyemmän sivun suhde on myös φ, samoin näiden laattojen pinta-alojen suhde, sivun ja lyhemmän lävistäjän suhde ohuessa suunnikaslaatassa sekä pidemmän lävistäjän ja sivun suhde paksussa suunnikaslaatassa.Senechal 1996, s. 173Grünbaum, Shephard 1987, s. 537–541

Deflaatioprosessissa leija jaetaan kahdeksi leijaksi ja yhdeksi nuoleksi, nuoli taas nuoleksi ja leijaksi. Leijojen ja nuolten lukumäärä prosessin n:nnessä suku­polvessa voidaan laskea matriisin n:nnen potenssin avulla:

missä Fn on Fibonaccin lukujonon n:s luku. Nuolten ja leijojen luku­määrien suhde missä tahansa riittävän laajassa Penrosen P2-laatoituksessa on tämän vuoksi lähellä kultaisen leikkauksen suhde­lukua φ.Gardner 1997, sivu 7 Vastaava tulos pätee myös paksujen ja ohuiden suunnikkaiden luku­määrälle P3-laatoituksessa."Austin 2005b ("However, we will see that the ratio of the number of thick rhombs to the number of thin rhombs is equal to the golden ratio"

Penrosen laattoja muistuttavia laatoituksia Kymmenkulmiolaatoitus ja kvasikiteet