この記事は 日曜数学 Advent Calendar 2016 の21日目の記事です。昨日、20日目の記事はキグロさんの「√2が無理数であることの別証明」でした。
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1 はじめに

早いもので、昨年の日曜数学 Advent Calendar2015から1年が経ってしまいました*1。この1年間わたしは何をやっていたのだろう。

相変わらず、数学イベントには色々と参加しています。今年度4月から9月までの半年で36件のイベントに参加しました。年間72件ペース。昨年度の年間45件という記録を塗り替える勢いのハイペースです。日曜数学会では何を発表したのだったか。2016年に入ってからで数えるとウィア=フェラン構造の話とか、板東さんの夢のタイル張り定理の話とか、十字手裏剣の求積問題とか、1種類のタイルによる敷き詰め模様の話とか、スターンの二原子数列を聴く話とか、そんな色々を話して歩いた1年でした。楽しかったなあ。

それと、今年の3月末からパズル懇話会の幹事を務めています。パズル懇話会は数理パズルの愛好者の集まりです。会員のみなさんは色々な数理パズルの研究をして楽しく交流しています。数理パズルとは何か。説明が難しいところですが、パズル懇話会は英語名がAcademy of Recreational Mathematics, Japan。つまり「数理パズル≒レクリエーションの数学」と思うことにすると誤解が少ないのではないかと思います。

今日はそんなパズル懇話会の活動の一端を紹介してみたいと思います。テーマは裁ち合わせパズルの問題。正方形と正方形を合わせて正方形を作る問題です。

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2 パズル懇話会でのひとこま

裁ち合わせパズルとは、ある図形をいくつかの部分に分解して並べ替えることで(面積の等しい)別の図形を作るものです。詳しくはwikipediaをご覧ください。

2016年11月19日(土)パズル懇話会の例会で会長の小谷善行が次のような問題を紹介しました*2。

問題1 「正方形を合同な図形に4分割し、それをつないで、内部に正方形の穴がある大きい正方形を作る」次の4つのパターンがあると思う。これ以外見つからなかったが、あるだろうか。

解答例(数字は各正方形の辺の長さを表しています。左端の正方形が穴になります)

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どうなのだろう。あるのかな。ちょっと面白いなと思ったものの、そのまま忘れてしまいました。

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3 ハッカーズバーにて

2016年12月7日(水)六本木のハッカーズバーにパズル懇話会の面々が集まりました。このとき、先の問題が話題になりました。岩井さんはこんなアニメを作っていました。同じようなアニメを自分も昔作ったことがあったのを思い出しました。これがあの問題の解(4)になっているとは気づいていなかったのです。

会員の加藤さんがギザギザした解があるはずだと言いました。みんな半信半疑。でも、スマホで次のような図を見せてくれて、本当かもしれないと思いました。*3

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4 自分で描いてみた

帰宅後、自分でも図を描いて確かめてみました。本当だ。ちゃんと成り立っている!

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どうしてこんなことができるんだろう。不思議だなあ。他にはできるのないかしら。整数比に限るなら、どの正方形も平方数個の単位正方形を含んでいる訳だから、a^2+b^2=c^2みたいな等式が成り立つな。ピタゴラス数だと上手く行くかもしれない。(a,b,c)=(7,24,25)で試してみよう。

(試行錯誤)あ、できた。

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できるんだ。面白い。

ピタゴラス数は一般に、互いに素なm, n(ただし0 < n < m,m - n は奇数)を使って、(a, b, c) = (m^2 - n^2, 2mn, m^2 + n^2)という風に書けるけれど、m-n=1のとき上手く行くみたいだ。なるほどなあ。

一見ややこしそうだけど、図解するとこんな感じです。

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気になる人は、ちゃんと上手く行っているか確かめてみてください。こちらは、ギザギザ解が可能な、正方形の組合せ一覧です。

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5 許可を取る。調べる。

加藤さん、小谷さん。これ、わたしのブログで紹介してよいでしょうか。いいよ。ありがとうございます。

このとき加藤さんが新しいことを教えてくれました。この問題、小谷さんの出題で初めて知ったのではなく、1993年に解いていたそうなのです。それはCubism For Funという雑誌(通称CFF)の懸賞問題でした。CFFの31号"Holey Polygons"という記事でのAnton Hanegraafさんの出題。

問題2
(a) 次の(7)と(8)は5ピースで裁ち合わせできる。どうやればいいか。
(b) 特別な比率では5ピース未満の裁ち合わせを見つけることができるか?

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という訳で、加藤さんの解は、問題1と問題2(b)の題意をたまたま両方満たしていたわけですね。なお、ここでいう5ピースは(左の正方形を穴に見立てているので)灰色の部分の分割が何個になるかを言っています。また、小谷さんの問題と違って「各ピースが互いに合同であること」という制約はありません。

正三角形の問題(7)も気になりますね。

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6 そういえば、あの問題も。

なぜこの問題がこんなに気になったのか。じつはわたしが裁ち合わせの問題に取り組むのはこれが初めてではありません。むかしMINEさんとの共同研究でBoth Sides Nowというシリーズのパズルを発案したことがあったのです。別名、額縁ダイセクション。丸善『多角形百科』にわたしの書いた記事があります。

これがそうなのですが、今回の問題によく似ています。が、8ピース使っています。

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これらが最少のピース数かどうかはよく分からないのですが、相似比によって必要なピースの枚数が色々変るみたいで面白いなあと思います。とくに何の役に立つということもありませんが、色々調べたり遊んだりできて楽しかったです。パズル懇話会では日夜このようなやり取りが行われ、ときに白熱して、新しいパズルが生まれたりしています。

パズル懇話会にご興味のある方は、お気軽にお声かけください。例会へのゲスト参加が1回500円で可能です(ゲスト参加は2回までです)。

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予告:
日曜数学 Advent Calendar 2016 明日はcorollary2525さんの「長さ1の線分を一回転できる図形について」楽しみです!

*1 このブログのひとつ前の記事がその記事です。一年ぶりの更新となりました。

*2 小谷さんの許可を得て公開しています(パズル懇話会はクローズドな会です。会員のアイデア保護のため、発表者に無断で発表内容を公開することは禁止されています)。

*3 加藤さんの許可を得て公開しています。
by j344 | 2016-12-21 23:09 | パズル | Comments(0)

2015年7月29日にCasey Mannらによって発見された15番目の平面充填凸五角形(30年ぶりの新発見)について、以前ここで紹介した。このたび友人のニット作家、小倉美帆さんの力を借りて、これをモチーフにしたニット作品が完成したので、ご紹介したい。
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ジャーン。拡大すると、こんな感じである。正方形のパーツと正三角形のパーツが見える。
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じつは、小倉さんには、これまでもコラボ作品をいくつか作って頂いている。
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これらの図形シリーズは今月開催の作品展で見ることができるとのこと。ご興味ある方は、ぜひ!
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by j344 | 2015-11-18 21:38 | 紹介 | Comments(0)

Self-tiling tile setsについて

標題のSelf-tiling tile setsはたとえば、こんなことができるピースのセットのことである。
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オランダのLee Sallowsさんが2012年に命名した。

ピースが沢山あると、拡大操作を反復して非周期的な模様を作ることが出来る。たとえば、こんな感じになる。
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今年、図形パズル研究所というチームで探索を行い、Lee Sallowsさんの発見分以外に21種類のSelf-tiling tile setsを発見した(私も3種類発見した)。このたび図形パズル研究所+秋山久義さんの許可を得て、パズル懇話会の会誌(こんわかい・NEWS Vol.37 No.4)より記事を転載する。詳細、次のリンクを参照頂きたい。

by j344 | 2015-11-16 23:57 | パズル | Comments(1)

ピタゴラスで正20面体

2歳の息子の誕生祝いに、知育玩具のピタゴラスを貰った。息子も遊ぶのだが父親(私)の方が熱中している。辺同士が磁石でくっつく板(正三角形・正方形・直角二等辺三角形・辺長2:2:1の二等辺三角形の板)が沢山あって、いろんな平面図形や立体を作ることができる。

正多面体の中では正4面体、立方体、正8面体が簡単に作れるのだが、正20面体は難しい。完全に組み上がるまで、形が決まらずふにゃふにゃと不安定だからだ。試行錯誤の末、その正20面体を上手に組む方法を見つけたので、この記事で紹介したい。

まず、正三角形の板だけで組もうとせずに、正方形の板5枚で作った台(右)を用意する。これに正三角形の板5枚で作った、へこんだ屋根(左)を乗せる。
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こんな感じになる。写真だと分かりづらいが、中央は少しくぼんでいる。
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これにギザギザと正三角形を乗せる。
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その隙間に逆向きの三角形を乗せていく。
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最後に上の屋根。もう少し。
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これで、天井が閉じた。
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台の正方形の板を1~2枚外して、手を入れる。
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持ち上げて、正方形の板を1枚ずつ外していく。
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完成!
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一度できてしまえば、安定しているので、まあまあ崩れにくい。これで正20面体があなたの手に。ぜひトライを!

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2015年9月23日(水)13:10追記

指摘を受け確認したところ、正三角形の板は1セットに14枚(穴あきのものを含めると16枚)しかありませんでした。正20面体を作るには2セット必要です。これから購入される方は、ご注意ください。

by j344 | 2015-09-23 08:31 | 多面体 | Comments(0)

最近凸五角形タイリングで大発見があった。なんと15番目のタイリングType15がアメリカの大学のチームによって発見されたのだ。14番目を発見したのはドイツの大学院生ロルフ・シュタイン(1985年)だったそうで、今回のタイリングは、じつに30年ぶりの新発見である。

Twitterなどでも話題騒然なのだが、ぱっと見、五角形の特徴が分かりにくいので、補助線を引いてみた。
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正方形と正六角形の半分が基礎になっている。敷き詰めてみると、こんな感じだ。
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けっこう雰囲気が変わる。編み物に応用したらどうかしらと、いま友人のニット作家の方といろいろ相談しているところ。ちなみに、この繋がり方だと自由度はゼロなので、これまで「凸五角形タイリング その1 」や「凸五角形タイリング その2 」で試みたような、どの瞬間も平面充填になっているようなアニメーションは作れない。

30年ぶりの新発見。これで打ち止めとは思いにくい。更なる新発見の序章となるか、ニュースの今後に注目して行きたい。

by j344 | 2015-08-03 01:01 | 幾何学模様大図鑑 | Comments(0)

いわいまさかさんとのコラボ。凸五角形アニメのその2である。

既にいわいさんのブログ

で詳しく取り上げられている。凸五角形アニメと言いながら、
じつは途中で凹んだ五角形になったり四角形になったりする。

こんなのや
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こんなのだ。
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分類上は、知られている14種類のうちのtype13に属する五角形である。後の方のアニメは途中で形がするするっと切り替わって騙されたような気がする。過去にも書いたことがあるが、こういう動きを見るとゲシュタルト心理学で言うところのプレグナンツの法則を思い出す。

by j344 | 2015-05-27 14:06 | 幾何学模様大図鑑 | Comments(0)

いわいまさか さんとのコラボ。今回も幾何学アニメだが、テーマはフラクタルから離れる。合同な凸五角形による平面充填である。

平面充填できる凸五角形には少なくとも14種類のタイプがあるらしい。http://katachi-jp.com/paper/26(2).pdfの4ページ目に記載がある。この14タイプの内、自由度がちょうど1の(パラメータ1つで描ける)ものは、9種類。この9種類は、パラメータを時間とともに変化させることで、自然にアニメーションにすることができる。ということで、いわいさんの力を借りてトライしてみたのが、Type3とType10のアニメ化である。ちなみに役割分担は、私が個々の五角形の座標計算を主に担当し、あとはいわいさんの方で形にしてもらった。
これがType3で
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これがType10
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静止したところでは、五角形ではなくて四角形になってしまっている(退化している)。Youtubeはこちら。
Type3 
Type10
Type10面積一定版

この他のタイプを自由度(アニメ向きかどうか)で分類すると、
自由度5× type1
自由度4× type2
自由度2△ type4
     type5
自由度1 type6
     type7
     type8
     type9
自由度1type3
     type10
     type11
     type12
     type13
自由度0× type14

こんな感じである。自由度1を◎と○に分けたのは、〇の4種類の計算にはarctan(タンジェントの逆関数)が出てきて、場合分けが面倒くさいので減点してみた。

さて。とりあえず、アニメができてよかったバンザイと喜んだのもつかの間。
https://www.youtube.com/watch?v=7G9dcEBXYY8
http://demonstrations.wolfram.com/PentagonTilings/
2009年にはこのような取り組みが、Ed Pegg, Jr. さんによって、すでに行われていたことを見つけてしまった。ただのアニメではなくて、インタラクティブな遊び方ができるので、ぜひ遊んでみてほしい。
さて、そうなると、これから何をするか。とりあえず、Type間の共通部分について調べてみたいと思っている。たとえば、Cairo pentagonal tilingはいくつかのTypeに重複して登場する。

それと、Ed Pegg, Jr.さんのツールでは除外されているけれど、パラメータを限界以上に変化させると凹五角形による平面充填ができる場合がある。落穂ひろいみたいな感じだが、この辺りをアニメ化してみても面白いかもしれない。

とりあえず、今日はここまで。

by j344 | 2015-05-14 00:05 | 幾何学模様大図鑑 | Comments(1)

先日、中川宏さんの積み木インテリアギャラリーに訪問した際、お土産に正五角形の板をたくさん頂いた。
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さてどうやって遊ぼうかしらと、よく思案もしないままパズル懇話会で紹介したところ、いわいまさかさんから、ぐるぐる巻いてはどうかと提案があった。それは面白そうだ。という訳で、やってみた。
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こんな感じで、同じ向きにぐるぐる巻きにしていく。正五角形同士は辺で繋ぎ、既に置いた正五角形の板に重ならないように、なるべく密に充填していく。これを続けていくとどんな形ができるだろう。

少し世代を進めると、こんな感じになる。何かパターンが見えるだろうか。
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隙間のひし形に注目する。向きに注意して、色を付けてみるとこんな感じ。
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どうも、横一列に並ぶ紫色のひし形を除けば、ひし形の向きは同じみたいだ。なんだか、対称性もある気がする。一周巻くごとに薄く色を付けてみよう。
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するとこんな感じになる。色付けした個所の形、ぼんやり眺めると六角形に見える(平行六辺形というのだろうか。もちろんよく見ると辺に相当する部分がギザギザしているので六角形ではないのだが)。巻く回数を増やすと、この六角形っぽい領域が、だんだん太くなっていくようだ。始めの方は不規則に見えたけれど、けっこう規則的である。

さて、そもそものきっかけ。頂いた正五角形の板から離れるが、これが正七角形だとどうなるだろう。
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最初のうちはこんな感じである。正五角形のときより不穏な感じがする。これを続けると、はたして。
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こうなる。が、いまいち規則性が見えない。この先どうなっていくのだろう。分かった人は教えてほしい。
by j344 | 2015-04-26 15:41 | スケッチ | Comments(1)

友人のいわいまさかさんにお願いして、幾何学アニメを形にしてもらいました。フラクタル図形が踊ります。
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元の記事(いわいさんのブログ)ではアプリが公開されています。

コラボは続きます。乞う、ご期待!

by j344 | 2014-10-09 23:36 | 動く壁紙 | Comments(0)

くるくる回る白いドット

最近、GIZMODOの「このくるくる回る白いドット、実は真っ直ぐ往復してるだけなんだぜ」という記事をTwitter他で紹介した。"Crazy Circle Illusion! "という、ふた通りの解釈ができるアニメーションの紹介記事である。

すると、友人の宮本尚さんから「これは、それぞれのドットの動くタイミングを変えるとどうなるんですか?」という質問があった。少し考えて「白いドットでできた図形が変形して行くのではないかと思います」と答えたのだが、そのときはどんなふうに変形するのかまでは想像が及ばなかった。今日は実際にアニメーションを作ってみたので、それをご紹介したい。

ひとつの白いドットの移動速度に注目すると、もともとの動画は速くなったり遅くなったりしている。大きな円の中心付近では速く、円周付近では遅い。まず考えたのは、この白いドットの移動速度を等速にしたらどうなるかということである。やってみたのが次のgifアニメ。
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確かに変形している。補助線を引くとこんな感じになる。
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それぞれの白いドットが等速で直線上を往復しているのが分かる。

さて、白いドットでできた図形。円は等速の往復運動で変形したが、等速の往復運動で変形しないような図形もある。どんな図形だろう。

たとえば、こんなのが考えられる。
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回転しているように見える。これも補助線を引いてみよう。
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中心付近がごちゃごちゃするが、直線上の等速往復運動である。

他にもタイミングを変える方法は色々考えられるが、まだトライしていない。いずれにしても、白いドットでできた図形の形が変わらないのは、なかなか稀なことのような気がする。

by j344 | 2014-07-27 17:15 | 数学 | Comments(0)