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解法:史密斯–迈尔斯–卡普兰–古德曼-施特劳斯的非周期单块瓷砖:hat 与 Spectre(2023年)

第 1/8 步:“hat”:由八个风筝形拼成的13边多边形
通俗地说

考虑一种由完全相同的风筝形(四边形,形状类似孩子放的纸风筝)构成的标准平面镶嵌,每个顶点周围按重复图案排列 44 个风筝形。现在按特定方式把恰好八个这样的风筝形粘合成一个单一的 1313 边轮廓,这个粘合而成的图形就是“hat”。

令人惊讶的是,这个看起来平平无奇的单一图形能够毫无缝隙、毫无重叠地铺满整个无限平面,但无论如何排列它的副本,都绝不可能通过平移使图案重复——它永远不具有平移对称性。

That=K1∪K2∪⋯∪K8(kites from the [3.4.6.4] Laves tiling)T_{\text{hat}} = K_1 \cup K_2 \cup \cdots \cup K_8 \quad (\text{kites from the } [3.4.6.4] \text{ Laves tiling})
详细分析

“帽子”是一个 polykite:其边界是 Laves [3.4.6.4][3.4.6.4] 铺砌中筝形块(阿基米德 (3.4.6.4)(3.4.6.4) 铺砌——每个顶点被一个三角形、两个正方形和一个六边形环绕——的对偶)边的并。八个这样的筝形拼成 1313 边、沿 60∘60^\circ 格对齐的形状 That=K1∪⋯∪K8T_{\text{hat}} = K_1 \cup \cdots \cup K_8;其所有边方向都落在三角格的 1212 个方向之内,这使它的铺砌可以做组合而非度量的分析。

这一发现先是经验的、而后才是严格的:David Smith 用 Myers 的 polyform 铺砌软件与 Kaplan 的 Heesch 数程序生成大拼块。不能铺满平面的砖有有限的 Heesch 数(它能支撑的同心冠层数);帽子的拼块已突破此前 66 层的纪录,而要迫使周期铺砌则需至少 6464 的 isohedral 数——任一观察单独都预示着一块非凡的砖。

关于帽子所证的一切都相对于所用铺砌约定:砖可旋转、平移和镜像。下述证明分为两部分:证明不存在周期铺砌的几何论证(第三步),与证明铺砌存在且被迫进入唯一非重复结构的层次替换论证(第四至六步);两半在逻辑上相互独立。

本步骤中的术语
多风筝形(polykite)
由固定的风筝形镶嵌中若干个风筝形(两对相邻边分别相等的四边形)沿边拼接而成的图形。
希施数与等边数(isohedral number)
一个形状的希施数,是能够无缝围绕它的完整同心圈副本的最大数目(若它能铺满平面则为无穷大);一个镶嵌的等边数,是在该镶嵌对称群作用下其瓷砖所分成的最少轨道类数目。
本步骤用到的知识