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解法: スミス=マイヤーズ=カプラン=グッドマン=ストラウスによる非周期単一タイル:ハットとスペクター(2023年)

ステップ 2/8: ハットは関連する図形の連続体 Tile(a,b)\mathrm{Tile}(a,b) の中に位置する
ざっくり言うと

ハットの境界はちょうど二種類の長さの辺からなり、それらは互いに対応する平行な対をなしている——人の両腕が異なる方向を向いていても対応する一対をなしているのと同じように。この二つの長さの一方をもう一方とは独立に伸縮させることが許されるなら、すべて同じ組合せ的な仕方で組み合わさる図形の族全体が得られる。この族は二つの辺の長さ aa と bb を用いて Tile(a,b)\mathrm{Tile}(a,b) と表され、ハットはその中の一つの特定のメンバーにすぎない。

この族のほとんどすべてのメンバーが、ハットと同じように非周期単一タイルであることが分かる。ただし二つの長さが特別に対称な形を作る三つの特別なメンバーだけは、代わりに周期的にタイル張りする。そしてこの三つの例外こそが、残りが非周期的であることを証明するのにまさに必要な図形であることが分かる。

Tile(a,b),hat=Tile(1,3),turtle=Tile(3,1)\mathrm{Tile}(a,b), \quad \text{hat} = \mathrm{Tile}(1, \sqrt{3}), \quad \text{turtle} = \mathrm{Tile}(\sqrt{3}, 1)
詳しい解説

ハットは [3.4.6.4][3.4.6.4] タイル張りのカイトから作られ、その辺は 11 と 3\sqrt{3} という二つの長さを取ることができ(長さ 22 の辺は長さ 11 の連続する二辺として数える)、これらの辺は平行な対をなして現れる。二つの長さ a,b≥0a, b \ge 0(両方が同時にゼロではない)を独立に変化させると、すべて組合せ的に同一な図形の連続体 Tile(a,b)\mathrm{Tile}(a,b) が得られる(Smith, Myers, Kaplan & Goodman-Strauss 2023年, 第2節)。ハットは Tile(1,3)\mathrm{Tile}(1, \sqrt{3}) であり、スミスが独立に発見した二つ目の図形「タートル」(1010 枚のカイトから成るポリカイト)は同じ族の Tile(3,1)\mathrm{Tile}(\sqrt{3}, 1) である。

三つの特別なメンバーは、非周期的ではなく単純な周期的タイル張りを許す:「シェブロン」Tile(0,1)\mathrm{Tile}(0,1)(44 枚の正三角形から成るテトリアモンド)、「コメット」Tile(1,0)\mathrm{Tile}(1,0)(88 枚の正三角形から成るオクティアモンド)、そして正三角形状の Tile(1,1)\mathrm{Tile}(1,1) である。連続体の他のすべてのメンバー、ハット自身を含めて、非周期単一タイルである。

シェブロンとコメットは単なる余談ではない:任意のハットのタイル張りにおいて一方の長さの辺をすべてゼロに縮約するとシェブロンのタイル張りになり、もう一方の長さを縮約するとコメットのタイル張りになるため、これら二つの周期的な近縁種は次のステップの非周期性の証明で使われる道具となる。

このステップで使う知識