В математике пластическое отношение — это геометрическая пропорция, близкая к 53/40 . Его истинное значение — это действительное решение уравнения x 3 = x + 1.
Прилагательное «пластический» относится не к искусственному материалу , а к формообразующим и скульптурным качествам этого соотношения, как в пластических искусствах .
Определение
Три величины a > b > c > 0 находятся в пластическом соотношении, если
.
Отношение обычно обозначается
Пусть и , тогда
.
Отсюда следует, что коэффициент пластичности находится как единственное действительное решение кубического уравнения. Десятичное разложение корня начинается как (последовательность A060006 в OEIS ).
Результатом итерации является непрерывный обратный квадратный корень
Разделив определяющий трехчлен на , получаем , а сопряженные элементы равны
с и
Характеристики
Пластическое отношение и золотое сечение являются единственными морфическими числами: действительными числами x > 1 , для которых существуют натуральные числа m и n такие, что
и . [3]
Морфические числа могут служить основой для системы мер.
Свойства (m=3 и n=4) связаны со свойствами (m=2 и n=1). Например, пластическое отношение удовлетворяет продолженному радикальному
,
в то время как золотое сечение удовлетворяет аналогичному
Пластическое отношение может быть выражено через само себя как бесконечная геометрическая прогрессия
и
по сравнению с золотым сечением тождества
и наоборот .
Кроме того, в то время как
Для каждого целого числа имеется
Алгебраическое решение приведенного уравнения пятой степени можно записать в терминах квадратных корней, кубических корней и радикала Бринга . Если , то . Так как
Пластическое отношение — это наименьшее число Пизо . [4] Поскольку абсолютное значение алгебраических сопряженных чисел меньше 1, степени генерируют почти целые числа . Например: После 29 шагов вращения фазы вовнутрь спирально закручивающейся сопряженной пары — изначально близкие к — почти совпадают с мнимой осью.
В своем стремлении к ощутимой ясности голландский монах-бенедиктинец и архитектор Дом Ханс ван дер Лаан (1904-1991) спросил о минимальной разнице между двумя размерами, чтобы мы ясно воспринимали их как отдельные. Кроме того, каково максимальное соотношение двух размеров, чтобы мы все еще могли соотносить их и воспринимать близость. Согласно его наблюдениям, ответы — 1/4 и 7/1 , охватывающие один порядок размера . [8] Требуя пропорциональной непрерывности, он построил геометрический ряд из восьми мер ( типов размера ) с общим отношением 2 / (3/4 + 1/7 1/7 ) ≈ ρ . Представленная в рациональной форме, эта архитектоническая система меры построена из подмножества чисел, которые носят его имя.
Числа Ван дер Лана тесно связаны с последовательностями Перрена и Падована . В комбинаторике количество композиций n на части 2 и 3 подсчитывается n-м числом Ван дер Лана.
Первые несколько членов — 1, 0, 1, 1, 1, 2, 2, 3, 4, 5, 7, 9, 12, 16, 21, 28, 37, 49, 65, 86,... (последовательность A182097 в OEIS ). Предельное отношение между последовательными членами — это пластическое отношение.
Первые 14 индексов n, для которых является простым числом, это n = 5, 6, 7, 9, 10, 16, 21, 32, 39, 86, 130, 471, 668, 1264 (последовательность A112882 в OEIS ). [9] Последнее число имеет 154 десятичных цифры.
Последовательность может быть расширена до отрицательных индексов с помощью
Характеристическое уравнение рекуррентности имеет вид . Если три решения представляют собой действительный корень и сопряженную пару и , числа Ван дер Лаана можно вычислить с помощью формулы Бине [11]
, с действительными и сопряженными и корнями .
Так как и , то число является ближайшим целым числом к , при этом n > 1 и 0,31062 88296 40467 07776 19027...
Коэффициенты приводят к формуле Бине для соответствующей последовательности .
Первые несколько членов — 3, 0, 2, 3, 2, 5, 5, 7, 10, 12, 17, 22, 29, 39, 51, 68, 90, 119,... (последовательность A001608 в OEIS ).
Эта последовательность Перрена обладает свойством Ферма : если p — простое число, . Обратное утверждение неверно, но небольшое количество псевдопростых чисел делает последовательность особенной. [12] Единственные 7 составных чисел ниже 10 8 , прошедших тест, — это n = 271441, 904631, 16532714, 24658561, 27422714, 27664033, 46672291. [13]
и инициатор . Ряд слов , полученный путем итерации подстановки, обладает тем свойством, что количество c, b и a равно последовательным числам Ван дер Лаана. Их длины равны
С этим процессом переписывания строк связан набор, состоящий из трех перекрывающихся самоподобных плиток, называемый фракталом Рози , который визуализирует комбинаторную информацию, содержащуюся в последовательности букв с несколькими поколениями. [14]
Геометрия
Существует ровно три способа разбить квадрат на три подобных прямоугольника: [15] [16]
Тривиальное решение, представленное тремя равными прямоугольниками с соотношением сторон 3:1.
Решение, в котором два из трех прямоугольников равны, а третий имеет длину стороны в два раза больше, чем два других, причем прямоугольники имеют соотношение сторон 3:2.
Решение, в котором все три прямоугольника имеют разные размеры и имеют соотношение сторон ρ 2 . Соотношения линейных размеров трех прямоугольников равны: ρ (большой:средний); ρ 2 (средний:маленький); и ρ 3 (большой:маленький). Внутреннее длинное ребро самого большого прямоугольника (линия разлома квадрата) делит два из четырех ребер квадрата на два сегмента, каждый из которых находится в соотношении ρ. Внутреннее совпадающее короткое ребро среднего прямоугольника и длинное ребро маленького прямоугольника делят одно из двух других ребер квадрата на два сегмента, которые находятся в соотношении ρ 4 .
Тот факт, что прямоугольник с соотношением сторон ρ 2 может быть использован для разбиения квадрата на подобные прямоугольники, эквивалентен алгебраическому свойству числа ρ 2 , связанному с теоремой Рауса–Гурвица : все его сопряженные числа имеют положительную действительную часть. [17] [18]
Дан прямоугольник высотой 1 , длиной и длиной диагонали (согласно ). Треугольники на диагонали имеют высоты, каждая перпендикулярная ножка делит диагональ в отношении .
С левой стороны отрежьте квадрат со стороной 1 и отметьте пересечение с падающей диагональю. Оставшийся прямоугольник теперь имеет соотношение сторон (согласно ). Разделите исходный прямоугольник на четыре части вторым, горизонтальным разрезом, проходящим через точку пересечения. [20]
Исходный ро-квадратный прямоугольник и две масштабированные копии вдоль диагонали имеют линейные размеры в соотношениях Площади прямоугольников, противоположных диагонали, оба равны , с соотношениями сторон (внизу) и (вверху).
Если диаграмму далее разделить перпендикулярными линиями, проходящими через основания высот, то длины диагонали и ее (на данный момент) семи отдельных подсекторов находятся в соотношениях , где соответствует расстоянию между обоими основаниями.
Вложенные ро-квадратные прямоугольники с диагоналями в отношениях сходятся на расстоянии от точки пересечения. Это равно единственному положительному узлу, который оптимизирует кубическую интерполяцию Лагранжа на интервале [−1,1] . При оптимальном наборе узлов T = {−1,−t, t, 1 } функция Лебега оценивается как минимальная кубическая константа Лебега в критической точке [21] Поскольку , это также расстояние от точки сходимости до верхней левой вершины.
История и имена
впервые был изучен Акселем Туэ в 1912 году и Г. Х. Харди в 1919 году. [4] Французский старшеклассник Жерар Кордонье открыл это соотношение для себя в 1924 году. В своей переписке с Гансом ван дер Лааном несколько лет спустя он назвал его радиантным числом ( фр . le nombre radiant ). Ван дер Лаан изначально называл его фундаментальным соотношением ( голланд . de grondverhouding ), используя пластическое число ( голланд . het plastische getal ) с 1950-х годов. [22] В 1944 году Карл Зигель показал, что ρ является наименьшим возможным числом Пизо–Виджаярагхавана , и предложил назвать его в честь Туэ.
В отличие от названий золотых и серебряных сечений , слово «пластик» ван дер Лаан не подразумевал для обозначения конкретного вещества, а скорее в его прилагательном смысле, означающем что-то, чему можно придать трехмерную форму. [23] Это, по мнению Ричарда Падована , происходит потому, что характерные соотношения числа, 3/4 и 1/7 , относятся к пределам человеческого восприятия в отношении одного физического размера к другому. Ван дер Лаан спроектировал церковь аббатства Св. Бенедиктусберга 1967 года с учетом этих пластических числовых пропорций. [24]
Пластиковое число также иногда называют серебряным числом, название ему дал Мидхат Дж. Газале [25] и впоследствии использовал Мартин Гарднер [26] , но это название чаще используется для серебряного отношения 1 + √ 2 , одного из отношений из семейства металлических средних, впервые описанного Верой В. де Спинадель . Гарднер предложил называть ρ 2 «высоким фи», а Дональд Кнут создал специальный типографский знак для этого названия, вариант греческой буквы фи («φ») с приподнятым центральным кругом, напоминающим грузинскую букву пари («Ⴔ»).
Смотрите также
Решения уравнений, подобных :
Золотое сечение – единственное положительное решение уравнения
^ Воэт, Кэролайн [на голландском языке] (2019). «1:7 и серия 8». Цифровой кабинет Дома Ханса ван дер Лаана . Фонд Ван дер Лаана . Проверено 28 ноября 2023 г.
^ V n = Pa n+3
^ ab (последовательность A182097 в OEIS )
^ ab (последовательность A000931 в OEIS )
^ Адамс, Уильям; Шэнкс, Дэниел (1982). «Сильные тесты на простоту, которые недостаточны». Math. Comp . 39 (159). AMS: 255–300. doi : 10.2307/2007637 . JSTOR 2007637.
^ (последовательность A013998 в OEIS )
^ Сигел, Энн; Таким образомвальднер, Йорг М. (2009). «Топологические свойства фракталов Рози». Мемуары математического общества Франции . 2. 118 : 1–140. дои : 10.24033/msmf.430.
^ Стюарт, Ян (1996). «Рассказы о забытом числе». Scientific American . 274 (6): 102–103. Bibcode : 1996SciAm.274f.102S. doi : 10.1038/scientificamerican0696-102. Архивировано из оригинала 20.03.2012.Отзыв в: Стюарт, Ян (1996). «Руководство по компьютерным знакомствам». Scientific American . 275 (5): 118. Bibcode : 1996SciAm.275e.116S. doi : 10.1038/scientificamerican1196-116.
^ Spinadel, Vera W. de ; Redondo Buitrago, Antonia (2009), «К пластическому числу ван дер Лаана на плоскости» (PDF) , Journal for Geometry and Graphics , 13 (2): 163–175
^ Фрейлинг, К.; Ринне, Д. (1994), «Замощение квадрата подобными прямоугольниками», Mathematical Research Letters , 1 (5): 547–558, doi : 10.4310/MRL.1994.v1.n5.a3 , MR 1295549
↑ Аналог конструкции в: Crilly, Tony (1994). «Сверхзолотой прямоугольник». The Mathematical Gazette . 78 (483): 320–325. doi :10.2307/3620208. JSTOR 3620208.
^ Rack, Heinz-Joachim (2013). "Повторный пример оптимальных узлов для интерполяции". В Anastassiou, George A.; Duman, Oktay (ред.). Advances in applied Mathematics and Approximation Theory 2012 . Springer Proceedings in Mathematics and Statistics. Vol. 41. pp. 117–120. doi :10.1007/978-1-4614-6393-1. ISBN978-1-4614-6393-1.
↑ Voet 2016, примечание 12.
^ Шеннон, AG; Андерсон, PG; Хорадам, AF (2006). «Свойства чисел Кордонье, Перрена и Ван дер Лаана». Международный журнал математического образования в области науки и технологий . 37 (7): 825–831. doi :10.1080/00207390600712554. S2CID 119808971.
^ Падован, Ричард (2002), «Дом Ханс ван дер Лаан и пластиковое число», Nexus IV: Архитектура и математика , Фучеккио (Флоренция): Книги Кима Уильямса: 181–193.
^ Газале, Мидхат Дж. (1999). «Глава VII: Серебряное число». Гномон: от фараонов до фракталов . Принстон, Нью-Джерси: Princeton University Press. С. 135–150.
^ Гарднер, Мартин (2001). «Шесть сложных задач по препарированию» (PDF) . Тренировка Гарднера . Натик, Массачусетс: AK Peters. стр. 121–128.(Ссылка на статью в журнале Quantum 1994 года без постскриптума Гарднера.)
Дальнейшее чтение
Лаан, ван дер, Ганс (1960), Le nombre plastique, Quinze leçons sur l'ordonnance Architecturetonique , Лейден: Брилл.
Падован, Ричард ; Эк, Кэролайн ван ; Шипмейкер, HJ (1994), Дом Ханс ван дер Лаан: Современный примитив , Амстердам: Архитектура и природа.
Voet, Caroline [на голландском] (2016), «Между взглядом и созданием: разгадка пластикового числа Дома Ханса ван дер Лаана», Architectural Histories , 4 (1), Лондон: Европейская сеть истории архитектуры.
Внешние ссылки
Пластиковый прямоугольник и последовательность Падована в Тартапелаго, Джорджо Пьетрокола.
Цифровой кабинет Дома Ханса ван дер Лаана в Архиве Ван дер Лаана.
Харрис, Эдмунд (15 марта 2019 г.), «The Plastic Ratio» (видео) , youtube , Брэди Харан , заархивировано из оригинала 21.12.2021 г. , извлечено 15 марта 2019 г..