能用哪些单一正多边形实现平面密铺?

文摘   2024-12-03 00:00   四川  

平面密铺,又称平面镶嵌或平面填充,是指用一些较小的平面几何图案填满平面而不留任何空隙。在数学上,密铺可以推广到更高的维度,称为空间填充。用同一种正多边形实现平面密铺是最简单的平面密铺方式,即通过正多边形的周期性排列,不重不漏地填充整个二维平面。那么,哪些正多边形能够实现平面密铺呢?

用单一正多边形实现平面密铺的三种情况(图片来自Wikipedia)


首先,在平面密铺的情况下,每一个正多边形的顶点处都是由多个相等的角拼成一个周角,因此360°必须是正多边形内角的整数倍。这样,就只有以下三种情况。


正三角形的内角为60°,这意味着围绕一个顶点,三个正三角形的内角之和正好是180°。通过平移和旋转,我们可以将这些三角形按边对边的方式拼接起来,形成一个无缝的覆盖结构。更进一步,多个正三角形可以组合成六边形排列,这种排列方式就像蜂窝一样,能够通过平移无限扩展,完全覆盖平面。正三角形的这种排列方式不仅简单,而且具有高度的对称性,适合用来构建各种平面铺设。

正方形是最直观的一种能够铺满平面的正多边形。它的内角为90°,四个正方形的内角就能拼成一个周角。


在平面上,正方形可以通过简单的边对边平移排列,形成规则的矩阵结构。无论是横向还是纵向排列,正方形都能完美地填满平面,覆盖每一个空隙。

正六边形也是一种能够铺满平面的正多边形。它的内角为120°,六个正六边形内角围成的角度恰好为360°,因此它们可以相互拼接,形成一个完整的平面。


在实际操作中,我们可以通过平移将正六边形按边对边拼接,形成一个无缝的排列。正六边形的这种排列方式在自然界中也有许多实例,比如蜂巢的形状就是由正六边形构成的。


然而,正五边形及更高的正多边形就无法实现平面密铺啦。以正五边形为例,其内角为108°,不能实现刚好用多个内角拼成周角。即使我们尝试平移这些五边形,拼接时也无法避免出现空隙或重叠。因此,正五边形、正七边形等无法通过周期性排列实现平面密铺。

平面铺满的性质还在很多实际应用中发挥着重要作用,比如在工程设计、艺术创作、材料科学等领域都有广泛应用


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