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球體堆積


定義球體堆積的堆積密度 eta 為球體填充的體積的分數。在三個維度中,對於相同的球體,有三種週期性堆積:立方晶格、面心立方晶格和六方晶格。開普勒在 1611 年假設,密堆積(立方或六方,它們具有等效的堆積密度)是可能的最密堆積,這一論斷被稱為開普勒猜想。因此,尋找球體最密堆積(不一定是週期性的)的問題被稱為開普勒問題,其中

 eta_(Kepler)=eta_(FCC)=eta_(HCP)=pi/(3sqrt(2)) approx 74.048%

(OEIS A093825; Steinhaus 1999, p. 202; Wells 1986, p. 29; Wells 1991, p. 237)。

1831 年,高斯成功證明了面心立方晶格是三維空間中最密集的晶格堆積(Conway 和 Sloane 1993, p. 9),但一般猜想仍懸而未決數十年。

雖然開普勒猜想在直覺上是顯而易見的,但證明仍然出人意料地難以捉摸。該問題的一位著名研究者 Rogers (1958) 評論說,“許多數學家相信,所有物理學家都知道”實際答案是 74.048%(Conway 和 Sloane 1993, p. 3)。對於三維空間中的堆積,C. A. Rogers (1958) 表明,最大可能的堆積密度 eta_(max) 滿足

 eta_(max)<sqrt(18)(cos^(-1)1/3-1/3pi) approx 77.96355700%

(Le Lionnais 1983),隨後這一結果被改進為 77.844% (Lindsey 1986),然後是 77.836% (Muder 1988)。Hales 在一系列論文中最終於 1998 年完成了對完整猜想的證明。

有趣的是,橢球體堆積中的堆積密度可以超過 eta_(Kepler)

可以接觸等價球體(超球面)而不相交的等價球體(n 維超球面)的最大數量稱為 n親吻數

下表總結了幾種球體堆積的堆積密度。在 1972 年與 Martin Gardner 的一次私人交流中,Ulam 推測,在其最密堆積中,球體允許比任何其他相同的凸固體最密堆積更多的空隙空間(Gardner 2001, p. 135)。

堆積方式解析 etaeta參考
最鬆散的可能--0.0555Gardner (1966)
四面體晶格(pisqrt(3))/(16)0.3401Hilbert 和 Cohn-Vossen (1999, pp. 48-50)
立方晶格pi/60.5236
六方晶格pi/(3sqrt(3))0.6046
隨機--0.6400Jaeger 和 Nagel (1992)
面心立方密堆積pi/(3sqrt(2))0.7405Steinhaus (1999, p. 202), Wells (1986, p. 29; 1991, p. 237)
體心立方密堆積(pisqrt(3))/80.6801
六方密堆積pi/(3sqrt(2))0.7405Steinhaus (1999, p. 202), Wells (1986, p. 29; 1991, p. 237)

已知的剛性堆積中密度最低的具有 eta approx 0.0555 (Gardner 1966),明顯低於 Hilbert 和 Cohn-Vossen (1999, p. 51) 報告的值。要保持剛性,每個球體必須接觸至少四個其他球體,並且這四個接觸點不能在單個半球中或全部在一個赤道上。

Hilbert 和 Cohn-Vossen (1999, pp. 48-50) 考慮了一種四面體晶格堆積,其中每個球體接觸四個相鄰球體,密度為 pisqrt(3)/16 approx 0.3401。這是金剛石中的碳原子形成的晶格 (Conway and Sloane 1993, p. 113)。

三維球體的隨機密堆積給出的堆積密度範圍為 0.06 到 0.65(Jaeger 和 Nagel 1992, Torquato et al. 2000)。壓縮隨機堆積會產生平均有 13.3 個面的多面體 (Coxeter 1958, 1961)。

對於立方體內的球體堆積,請參閱 Goldberg (1971)、Schaer (1966)、Gensane (2004) 和 Friedman。Gensane (2004) 的結果改進了 Goldberg 對於 n=11、12 以及所有從 nn=15n=26 的情況,除了 n=18,並且幾乎可以肯定是最佳的。


另請參閱

炮彈問題, 圓堆積, 立方密堆積, 立方八面體, 十二面體猜想, 橢球體堆積, 半球, 埃爾米特常數, 六方密堆積, 超球面, 超球面堆積, 開普勒猜想, 開普勒問題, 親吻數, 區域性密度, 區域性密度猜想, 隨機密堆積, 勒洛四面體, 空間填充多面體, 球體, 球面設計, 雙圓錐體, 星形八面體, 相切球體, 三角正雙圓柱, 晶胞

使用 探索

參考文獻

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在 中被引用

球體堆積

請這樣引用

Weisstein, Eric W. "球體堆積。" 來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/SpherePacking.html

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