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圓堆積


圓堆積是指在給定邊界內排列圓,使得沒有兩個圓重疊,並且一些(或全部)圓彼此相切。推廣到球體稱為球體堆積密鋪正多邊形對應於特定的圓堆積(Williams 1979,第 35-41 頁)。在離散共形對映的背景下,存在完善的圓堆積理論(Stephenson)。

CirclePacking

平面上最密集的圓堆積是蜂巢的六邊形網格(右圖;Steinhaus 1999,第 202 頁),其堆積密度

 eta_h=1/6pisqrt(3) approx 0.9068996821
(1)

(OEIS A093766;Wells 1986,第 30 頁)。高斯證明了六邊形網格是平面最密集的網格堆積,1940 年,L. Fejes Tóth 證明了六邊形網格確實是所有可能的平面堆積中最密集的。

令人驚訝的是,圓形圓盤不是平面堆積中最不經濟的區域。 “最差”的堆積形狀尚不清楚,但在中心對稱平面區域中,推測的候選者是所謂的平滑八邊形

Wells(1991,第 30-31 頁)考慮了在單位球體表面上堆積 n 個相同圓的最大可能尺寸。

CircleTriplets

使用離散共形對映單位圓內部上述堆積中圓的半徑可以確定為多項式方程的根

 a^6+378a^5+3411a^4-8964a^3-10233a^2+3402a-27=0
(2)
 169b^6+24978b^5+2307b^4-14580b^3+3375b^2+162b-27=0
(3)
 c^6+438c^5+19077c^4-15840c^3-360c^2+2592c-432=0
(4)

其中

a approx 0.266746
(5)
b approx 0.321596
(6)
c approx 0.223138.
(7)

下表給出了對應於正規和半正規平面密鋪的圓堆積的堆積密度 eta(Williams 1979,第 49 頁)。

密鋪eta 精確值eta 近似值
{3,6}1/(12)sqrt(12)pi0.9069
{4,4}1/4pi0.7854
{6,3}1/9sqrt(3)pi0.6046
3^2.4^2(2-sqrt(3))pi0.8418
3^2.4.3.4(2-sqrt(3))pi0.8418
3.6.3.61/8sqrt(3)pi0.6802
3^4.61/7sqrt(2)pi0.7773
3.12^2(7sqrt(3)-12)pi0.3907
4.8^2(3-2sqrt(2))pi0.5390
3.4.6.41/2(2sqrt(3)-3)pi0.7290
4.6.121/3(2sqrt(3)-3)pi0.4860
CirclesInCircles

對於可以將 n 個單位直徑圓堆積進去的最小直徑的解,對於 n=1 到 10 已經被證明是最佳的(Kravitz 1967)。最佳已知結果總結在下表中,前幾個案例在上面進行了說明(Friedman)。

nd 精確值d 近似值
111.00000
222.00000
31+2/3sqrt(3)2.15470...
41+sqrt(2)2.41421...
51+sqrt(2(1+1/sqrt(5)))2.70130...
633.00000
733.00000
81+csc(pi/7)3.30476...
91+sqrt(2(2+sqrt(2)))3.61312...
103.82...
11
124.02...
CirclesInSquares

下表給出了將 n 個相等圓堆積到單位正方形內部的最密集堆積的圓的直徑 d,其中前幾個在上面進行了說明(Friedman)。所有 n=1 到 20 的解(以及所有 n=k^2 的解)已被證明是最佳的(Friedman)。Peikert (1994) 使用了一種歸一化,其中直徑為 mn 個圓的中心被堆積到邊長為 1 的正方形中。 Friedman 讓圓具有單位半徑,並給出最小的正方形邊長 s。 Friedman 給出了 n=1 到 25 個圓的解析 s 的表格和圖表。 Nurmela 和 Östergård (1997) 給出了最佳堆積的座標。

nd approx dm approx m
111.000000
22/(2+sqrt(2))0.585786sqrt(2)1.414214
34/(4+sqrt(2)+sqrt(6))0.508666sqrt(6)-sqrt(2)1.035276
41/20.50000011.000000
5sqrt(2)-10.4142141/2sqrt(2)0.707107
61/(23)(6sqrt(13)-13)0.3753611/6sqrt(13)0.600925
72/(13)(4-sqrt(3))0.3489154-2sqrt(3)0.535898
82/(2+sqrt(2)+sqrt(6))0.3410811/2(sqrt(6)-sqrt(2))0.517638
91/30.3333331/20.500000
100.2964080.421280

將兩個單位圓(其中一個被弦分割成兩部分)堆積進去的最小正方形尚不清楚(Goldberg 1968,Ogilvy 1990)。

CirclesInTriangles

上面顯示了前幾個案例的等邊三角形中圓的最佳已知堆積(Friedman)。


另請參見

圓覆蓋笛卡爾圓定理四枚硬幣問題超球體堆積馬爾法蒂問題梅爾格良定理剛性圓堆積算額問題平滑八邊形索迪圓球體堆積正方形堆積相切圓三角形堆積晶胞

使用 探索

參考文獻

更新連結Boll, D. "堆積結果" http://www.frii.com/~dboll/packing.htmlBowers, P. L. 和 Stephenson, K. "透過圓堆積均勻化 Dessins 和 Belyĭ 對映。" 預印本。Casado, L. G. 和 Szabó, P. G. "正方形中的相等圓堆積。" http://www.inf.u-szeged.hu/~pszabo/Packing_circles.htmlCollins, C. R. 和 Stephenson, K. "圓堆積演算法。" 預印本。Conway, J. H. 和 Sloane, N. J. A. 球體堆積、網格和群,第 2 版。 紐約:施普林格出版社,1993 年。Croft, H. T.; Falconer, K. J.; 和 Guy, R. K. 幾何學中的未解決問題。 紐約:施普林格出版社,1991 年。Donovan, J. "正方形和圓形中的圓堆積頁面。" http://home.att.net/~donovanhse/Packing/Eppstein, D. "覆蓋和堆積。" http://www.ics.uci.edu/~eppstein/junkyard/cover.htmlFejes Tóth, G. Ebene、Kugel und Raum 中的 Lagerungen,第 2 版。 柏林:施普林格出版社,1972 年。Folkman, J. H. 和 Graham, R. "平面緊凸子集的堆積不等式。" 加拿大數學公報 12, 745-752, 1969 年。Friedman, E. "圓形中的圓。" http://www.stetson.edu/~efriedma/cirincir/Friedman, E. "正方形中的圓。" http://www.stetson.edu/~efriedma/squincir/Friedman, E. "三角形中的圓。" http://www.stetson.edu/~efriedma/triincir/Gardner, M. "數學遊戲:彼此相切的圓的多樣樂趣。" 科學美國人 240, 18-28, 1979 年 1 月。Gardner, M. "相切圓。" 第 10 章,見 來自《科學美國人》雜誌的分形音樂、超卡片和更多數學娛樂。 紐約:W. H. Freeman,第 149-166 頁,1992 年。Goldberg, M. "問題 E1924。" 美國數學月刊 75, 195, 1968 年。Goldberg, M. "正方形中相等圓的堆積。" 數學雜誌 43, 24-30, 1970 年。Goldberg, M. "圓形中 14、16、17 和 20 個圓的堆積。" 數學雜誌 44, 134-139, 1971 年。Graham, R. L. 和 Luboachevsky, B. D. "正方形中相等圓盤的密集堆積的重複模式。" 電子組合學雜誌 3, No. 1, R16, 1-17, 1996 年。 http://www.combinatorics.org/Volume_3/Abstracts/v3i1r16.htmlGraham, R. L.; Luboachevsky, B. D.; Nurmela, K. J.; 和 Östergård, P. R. J. "圓形中全等圓的密集堆積。" 離散數學 181, 139-154, 1998 年。Hannachi, N. "親吻圓。" http://perso.wanadoo.fr/math-a-mater/pack/packingcircle.htmKravitz, S. "圓柱形容器中圓柱體的堆積。" 數學雜誌 40, 65-70, 1967 年。Likos, C. N. 和 Henley, C. L. "二元硬碟混合物的複雜合金相。" 哲學雜誌 B 68, 85-113, 1993 年。Maranas, C. D.; Floudas, C. A.; 和 Pardalos, P. M. "正方形中相等圓堆積的新結果。" 離散數學 142, 287-293, 1995 年。McCaughan, F. "圓堆積。" http://www.pmms.cam.ac.uk/~gjm11/cpacking/info.htmlMolland, M. 和 Payan, Charles. "正方形中十個相等圓的更好堆積。" 離散數學 84, 303-305, 1990 年。Nurmela, K. J. 和 Östergård, P. R. J. "正方形中最多 50 個相等圓的堆積。" 離散計算幾何 18, 111-120, 1997 年。更新連結Nurmela, K. J. 和 Östergård, P. R. J. packings/square/http://www.tcs.hut.fi/packings/square/Ogilvy, C. S. 幾何學遊覽。 紐約:多佛出版社,第 145 頁,1990 年。Peikert, R. "正方形中相等圓的堆積。" http://www.inf.ethz.ch/~peikert/personal/CirclePackings/Peikert, R. "正方形中相同圓的最密集堆積。" 數學基礎 49, 16-26, 1994 年。Peikert, R.; Würtz, D.; Monagan, M.; 和 de Groot, C. "正方形中的圓堆積:回顧和新結果。" 見 系統建模和最佳化,1991 年 9 月 2-6 日在蘇黎世大學舉行的第十五屆 IFIP 會議論文集 (Ed. P. Kall)。 柏林:施普林格出版社,第 45-54 頁,1992 年。Reis, G. E. "圓形內相等圓的密集堆積。" 數學雜誌 48, 33-37, 1975 年。Schaer, J. "正方形中九個圓的最密集堆積。" 加拿大數學公報 8, 273-277, 1965 年。Schaer, J. "正方形中十個相等圓的最密集堆積。" 數學雜誌 44, 139-140, 1971 年。Sloane, N. J. A. 序列 A093766,見“整數序列線上百科全書”。Specht, E. "單位正方形中相等圓的最佳已知堆積。" http://hydra.nat.uni-magdeburg.de/packing/csq.htmlSteinhaus, H. 數學快照,第 3 版。 紐約:多佛出版社,第 202 頁,1999 年。Stephenson, K. "圓堆積。" http://www.math.utk.edu/~kens/#PackingStephenson, K. "截至 1999 年 4 月的圓堆積書目。" http://www.math.utk.edu/~kens/CP-bib.psStephenson, K. "共形對映逼近中的圓堆積。" 美國數學學會公報 23, 407-416, 1990 年。Stephenson, K. "瑟斯頓關於圓堆積猜想的機率證明。" 米蘭數學物理研討會彙刊 66, 201-291, 1998 年。Stephenson, K. 圓堆積導論:離散解析函數理論。 紐約:劍橋大學出版社,2005 年。Valette, G. "正方形中十個相等圓的更好堆積。" 離散數學 76, 57-59, 1989 年。van Dam, E.; den Hertog, D.; Husslage, B.; 和 Rennen, G. "極大極小設計(維度:2)。" 2006 年 3 月 31 日。 http://www.spacefillingdesigns.nl/Wells, D. 企鵝好奇與有趣數字詞典。 英國米德爾塞克斯:企鵝圖書,第 30 頁,1986 年。Williams, R. "圓堆積、平面密鋪和網路。" §2.3,見 自然結構幾何基礎:設計源書。 紐約:多佛出版社,第 34-47 頁,1979 年。Wolfram, S. 一種新的科學。 伊利諾伊州香檳市:Wolfram Media,第 350987 頁,2002 年。

在 上引用

圓堆積

請引用為

Weisstein,Eric W. "圓堆積。" 來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/CirclePacking.html

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