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Relación de plástico

En matemáticas, la razón plástica es una proporción geométrica próxima a 53/40 . Su valor verdadero es la solución real de la ecuación x 3 = x + 1.

El adjetivo plástico no se refiere al material artificial , sino a las cualidades formativas y escultóricas de esta relación, como en las artes plásticas .

Los cuadrados con lados en razón ρ forman una espiral cerrada

Definición

Tres cantidades a > b > c > 0 están en la razón plástica si

.

La relación se denota comúnmente como

Sea ⁠ ⁠ y ⁠ ⁠ , entonces

.

De ello se deduce que la razón plástica se encuentra como la única solución real de la ecuación cúbica. La expansión decimal de la raíz comienza como (secuencia A060006 en la OEIS ).

Resolviendo la ecuación con la fórmula de Cardano ,

o, utilizando el coseno hiperbólico , [2]

⁠ ⁠ es el punto fijo superestable de la iteración .

La iteración da como resultado la raíz cuadrada recíproca continua.

Dividiendo el trinomio definitorio por se obtiene , y los elementos conjugados de son

con y

Propiedades

Los rectángulos en proporciones de aspecto ρ , ρ 2 , ρ 3 (arriba) y ρ 2 , ρ , ρ 3 (fila inferior) forman mosaicos en el cuadrado.

La razón plástica y la proporción áurea son los únicos números mórficos: números reales x > 1 para los cuales existen números naturales m y n tales que

y . [3]

Los números mórficos pueden servir como base para un sistema de medida.

Las propiedades de ⁠ ⁠ (m=3 y n=4) están relacionadas con las de ⁠ ⁠ (m=2 y n=1). Por ejemplo, la relación plástica satisface la regla radical continua

,

mientras que la proporción áurea satisface la analogía

La relación plástica puede expresarse en términos de sí misma como la serie geométrica infinita

y

en comparación con la identidad de la proporción áurea

y viceversa .

Además, mientras que

Para cada entero se tiene

La solución algebraica de una ecuación quintica reducida se puede escribir en términos de raíces cuadradas, raíces cúbicas y el radical Traer . Si entonces . Dado que

Patrón de fracción continua de unas pocas potencias bajas

( 25/33 )
( 45/34 )
( 58/33 )
( 79/34 )
( 40/13 )
( 53/13 ) ...
( 93/13 ) ...
( 88/7 )

La razón plástica es el número de Pisot más pequeño . [4] Debido a que el valor absoluto de los conjugados algebraicos es menor que 1, las potencias de generan casi números enteros . Por ejemplo: después de 29 pasos de rotación, las fases del par conjugado en espiral hacia adentro, inicialmente cerca de , casi se alinean con el eje imaginario.

El polinomio mínimo de la razón plástica tiene discriminante . El cuerpo de la clase de Hilbert del cuerpo cuadrático imaginario se puede formar adjuntando . Con argumento un generador para el anillo de números enteros de , se tiene el valor especial del cociente eta de Dedekind

. [5]

Expresado en términos del invariante de clase de Weber-Ramanujan G n

. [6]

Las propiedades del invariante j de Klein relacionado ⁠ ⁠ dan como resultado una identidad cercana . La diferencia es < 1/12659 .

El valor singular integral elíptico [7] para tiene expresión en forma cerrada

(que es menos de 1/3 de la excentricidad de la órbita de Venus).

Secuencia de Van der Laan

Un abanico de baldosas plásticas Rauzy con áreas en proporción Ⴔ. El límite fractal tiene una dimensión de conteo de cajas de 1,11

En su búsqueda de claridad perceptible, el monje benedictino holandés y arquitecto Dom Hans van der Laan (1904-1991) preguntó cuál era la diferencia mínima entre dos tamaños, de modo que los percibiéramos claramente como distintos. Además, cuál era la razón máxima entre dos tamaños, de modo que todavía pudiéramos relacionarlos y percibir su proximidad. Según sus observaciones, las respuestas son 1/4 y 7/1 , abarcando un solo orden de tamaño . [8] Al exigir una continuidad proporcional, construyó una serie geométrica de ocho medidas ( tipos de tamaño ) con razón común 2 / (3/4 + 1/7 1/7 ) ≈ ρ . Expresado en forma racional, este sistema arquitectónico de medida se construye a partir de un subconjunto de los números que llevan su nombre.

Los números de Van der Laan tienen una estrecha relación con las sucesiones de Perrin y Padovan . En combinatoria, el número de composiciones de n en las partes 2 y 3 se cuenta mediante el n- ésimo número de Van der Laan.

La secuencia de Van der Laan está definida por la relación de recurrencia de tercer orden

para n > 2 ,

con valores iniciales

.

Los primeros términos son 1, 0, 1, 1, 1, 2, 2, 3, 4, 5, 7, 9, 12, 16, 21, 28, 37, 49, 65, 86,... (secuencia A182097 en la OEIS ). La razón límite entre términos consecutivos es la razón plástica.

El corte Cordonnier de 1924. Con S 1 = 3, S 2 = 4, S 3 = 5 , la media armónica de S 2/S 1 , S1 + S2/S 3 y S 3/S 2 es 3 / ( 3/4 + 5/7 + 4/5 ) ​​≈ ρ + 1/4922.

Los primeros 14 índices n para los cuales ⁠ ⁠ es primo son n = 5, 6, 7, 9, 10, 16, 21, 32, 39, 86, 130, 471, 668, 1264 (secuencia A112882 en la OEIS ). [9] El último número tiene 154 dígitos decimales.

La secuencia se puede extender a índices negativos utilizando

.

La función generadora de la secuencia de Van der Laan está dada por

para [10]

La secuencia está relacionada con las sumas de coeficientes binomiales por

. [11]

La ecuación característica de la recurrencia es . Si las tres soluciones son raíz real y par conjugado y , los números de Van der Laan se pueden calcular con la fórmula de Binet [11]

, con reales ⁠ ⁠ y conjugados ⁠ ⁠ y ⁠ ⁠ las raíces de .

Dado que y , el número es el entero más cercano a , con n > 1 y 0,31062 88296 40467 07776 19027...

Los coeficientes dan como resultado la fórmula de Binet para la secuencia relacionada .

Los primeros términos son 3, 0, 2, 3, 2, 5, 5, 7, 10, 12, 17, 22, 29, 39, 51, 68, 90, 119,... (secuencia A001608 en la OEIS ).

Esta secuencia de Perrin tiene la propiedad de Fermat : si p es primo, . La inversa no se cumple, pero el pequeño número de pseudoprimos hace que la secuencia sea especial. [12] Los únicos 7 números compuestos por debajo de 10 8 que pasan la prueba son n = 271441, 904631, 16532714, 24658561, 27422714, 27664033, 46672291. [13]

Un fractal plástico de Rauzy: la superficie combinada y las tres piezas separadas tienen áreas en las proporciones ρ 5  : ρ 2  : ρ  : 1.

Los números de Van der Laan se obtienen como potencias integrales n > 2 de una matriz con valor propio real ⁠ ⁠ [10]

El rastro de ⁠ ⁠ da los números de Perrin.

Alternativamente, ⁠ ⁠ se puede interpretar como una matriz de incidencia para un sistema Lindenmayer D0L en el alfabeto ⁠ con la regla de sustitución correspondiente

y el iniciador ⁠ ⁠ . La serie de palabras ⁠ ⁠ producidas al iterar la sustitución tienen la propiedad de que el número de c, b y a son iguales a los números de Van der Laan sucesivos. Sus longitudes son

Asociado a este proceso de reescritura de cadenas hay un conjunto compuesto por tres mosaicos autosimilares superpuestos llamado fractal de Rauzy , que visualiza la información combinatoria contenida en una secuencia de letras de múltiples generaciones. [14]

Geometría

Tres particiones de un cuadrado en rectángulos similares, 1 = 3· 1/3 = 2/3 + 2· 1/6 = 1/ρ2 + 1/ρ 4 + 1/ρ8 .

Existen exactamente tres maneras de dividir un cuadrado en tres rectángulos similares: [15] [16]

  1. La solución trivial dada por tres rectángulos congruentes con relación de aspecto 3:1.
  2. La solución en la que dos de los tres rectángulos son congruentes y el tercero tiene el doble de longitudes de lado que los otros dos, donde los rectángulos tienen una relación de aspecto de 3:2.
  3. Solución en la que los tres rectángulos tienen tamaños diferentes y una relación de aspecto de ρ 2 . Las relaciones de los tamaños lineales de los tres rectángulos son: ρ (grande:mediano); ρ 2 (mediano:pequeño); y ρ 3 (grande:pequeño). El borde largo interno del rectángulo más grande (la línea de falla del cuadrado) divide dos de los cuatro bordes del cuadrado en dos segmentos que se encuentran uno al otro en la relación ρ . El borde corto interno coincidente del rectángulo mediano y el borde largo del rectángulo pequeño divide uno de los otros dos bordes del cuadrado en dos segmentos que se encuentran uno al otro en la relación ρ 4 .

El hecho de que un rectángulo con una relación de aspecto ρ 2 pueda utilizarse para disecciones de un cuadrado en rectángulos similares es equivalente a una propiedad algebraica del número ρ 2 relacionada con el teorema de Routh-Hurwitz : todos sus conjugados tienen una parte real positiva. [17] [18]

El radio circunscrito del icosidodecadodecaedro romo para una longitud de arista unitaria es

. [19]

Rectángulo Rho-cuadrado

Rectángulos rho-cuadrados anidados con longitudes de lados en potencias de ρ .

Dado un rectángulo de altura 1 , longitud ⁠ ⁠ y longitud diagonal (según ). Los triángulos en la diagonal tienen alturas cada pie perpendicular divide la diagonal en razón .

En el lado izquierdo, corta un cuadrado de lado 1 y marca la intersección con la diagonal descendente. El rectángulo restante ahora tiene una relación de aspecto ⁠ ⁠ (según ). Divide el rectángulo original en cuatro partes mediante un segundo corte horizontal que pase por el punto de intersección. [20]

El gran rectángulo rho-cuadrado y las dos copias escaladas a lo largo de la diagonal tienen tamaños lineales en las proporciones Las áreas de los rectángulos opuestos a la diagonal son ambas iguales a , con relaciones de aspecto (abajo) y (arriba).

Si el diagrama se subdivide aún más mediante líneas perpendiculares a través de los pies de las alturas, las longitudes de la diagonal y sus (hasta ahora) siete subsecciones distintas están en proporciones donde corresponde a la distancia entre ambos pies.

Los rectángulos rho-cuadrados anidados con longitudes diagonales en proporciones convergen a una distancia del punto de intersección. Esto es igual al único nodo positivo que optimiza la interpolación cúbica de Lagrange en el intervalo [−1,1] . Con el conjunto de nodos óptimo T = {−1,−t, t, 1 }, la función de Lebesgue se evalúa como la constante de Lebesgue cúbica mínima en el punto crítico [21] Como , esta es también la distancia desde el punto de convergencia hasta el vértice superior izquierdo.

Historia y nombres

La iglesia de la abadía de St. Benedictusberg de 1967 diseñada por Hans van der Laan.

⁠ ⁠ fue estudiado por primera vez por Axel Thue en 1912 y por GH Hardy en 1919. [4] El estudiante de secundaria francés Gérard Cordonnier descubrió la razón por sí mismo en 1924. En su correspondencia con Hans van der Laan unos años más tarde, lo llamó el número radiante ( en francés : le nombre radiant ). Van der Laan se refirió inicialmente a él como la razón fundamental ( en holandés : de grondverhouding ), utilizando el número plástico ( en holandés : het plastische getal ) a partir de la década de 1950 en adelante. [22] En 1944 Carl Siegel demostró que ρ es el número de Pisot-Vijayaraghavan más pequeño posible y sugirió nombrarlo en honor a Thue.

A diferencia de los nombres de las proporciones áurea y plateada , van der Laan no pretendía que la palabra plástico se refiriera a una sustancia específica, sino más bien en su sentido adjetivo, es decir, algo a lo que se le puede dar una forma tridimensional. [ 23] Esto, según Richard Padovan , se debe a que las proporciones características del número,3/4 y 1/7 , se relacionan con los límites de la percepción humana al relacionar un tamaño físico con otro. Van der Laan diseñó la iglesia de la abadía de San Benedicto de 1967 según estas proporciones numéricas plásticas. [24]

El número de plástico también se denomina a veces número de plata, nombre que le dio Midhat J. Gazalé [25] y que posteriormente utilizó Martin Gardner [26] , pero ese nombre se utiliza más comúnmente para la relación de plata 1 + 2 , una de las relaciones de la familia de medios metálicos descrita por primera vez por Vera W. de Spinadel . Gardner sugirió referirse a ρ 2 como "phi alto", y Donald Knuth creó una marca tipográfica especial para este nombre, una variante de la letra griega phi ("φ") con su círculo central elevado, similar a la letra georgiana pari ("Ⴔ").

Véase también

Referencias

  1. ^ Sloane, N. J. A. (ed.). "Secuencia A072117". La enciclopedia en línea de secuencias de números enteros . Fundación OEIS.
  2. ^ Tabrizian, Peyam (2022). "¿Cuál es la proporción de plástico?". YouTube . Consultado el 26 de noviembre de 2023 .
  3. ^ Aarts, enero; Fokkink, Robbert; Kruijtzer, Godfried (2001). "Números mórficos" (PDF) . Nieuw Archief voor Wiskunde . 5. 2 (1): 56–58 . Consultado el 26 de noviembre de 2023 .
  4. ^ ab Panju, Maysum (2011). "Una construcción sistemática de números casi enteros" (PDF) . The Waterloo Mathematics Review . 1 (2): 35–43 . Consultado el 29 de noviembre de 2023 .
  5. ^ Weisstein, Eric W. "Constante plástica". MathWorld .
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  7. ^ Weisstein, Eric W. "Valor singular de la integral elíptica". MathWorld .
  8. ^ Voet, Caroline [en holandés] (2019). "1:7 y una serie de 8". La sala de estudio digital de Dom Hans van der Laan . Fundación Van der Laan . Consultado el 28 de noviembre de 2023 .
  9. ^ V n = Pa n+3
  10. ^ ab (secuencia A182097 en la OEIS )
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  13. ^ (secuencia A013998 en la OEIS )
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  15. ^ Stewart, Ian (1996). "Cuentos de un número desatendido". Scientific American . 274 (6): 102–103. Código Bibliográfico :1996SciAm.274f.102S. doi :10.1038/scientificamerican0696-102. Archivado desde el original el 20 de marzo de 2012.Comentarios en: Stewart, Ian (1996). "Una guía para la datación por ordenador". Scientific American . 275 (5): 118. Bibcode :1996SciAm.275e.116S. doi :10.1038/scientificamerican1196-116.
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  22. ^ Voet 2016, nota 12.
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  24. ^ Padovan, Richard (2002), "Dom Hans van der Laan y el número plástico", Nexus IV: Arquitectura y Matemáticas , Fucecchio (Florencia): Kim Williams Books: 181–193.
  25. ^ Gazalé, Midhat J. (1999). "Capítulo VII: El número de plata". Gnomon: De los faraones a los fractales . Princeton, NJ: Princeton University Press. pp. 135–150.
  26. ^ Gardner, Martin (2001). "Seis tareas de disección desafiantes" (PDF) . A Gardner's Workout . Natick, MA: AK Peters. págs. 121–128.(Enlace al artículo de Quantum de 1994 sin la posdata de Gardner.)

Lectura adicional

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