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球体堆积


定义球体堆积的堆积密度 eta 为球体填充的体积的分数。在三个维度中,对于相同的球体,有三种周期性堆积:立方晶格、面心立方晶格和六方晶格。开普勒在 1611 年假设,密堆积(立方或六方,它们具有等效的堆积密度)是可能的最密堆积,这一论断被称为开普勒猜想。因此,寻找球体最密堆积(不一定是周期性的)的问题被称为开普勒问题,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,高斯成功证明了面心立方晶格是三维空间中最密集的晶格堆积(Conway 和 Sloane 1993, p. 9),但一般猜想仍悬而未决数十年。

虽然开普勒猜想在直觉上是显而易见的,但证明仍然出人意料地难以捉摸。该问题的一位著名研究者 Rogers (1958) 评论说,“许多数学家相信,所有物理学家都知道”实际答案是 74.048%(Conway 和 Sloane 1993, p. 3)。对于三维空间中的堆积,C. A. Rogers (1958) 表明,最大可能的堆积密度 eta_(max) 满足

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

(Le Lionnais 1983),随后这一结果被改进为 77.844% (Lindsey 1986),然后是 77.836% (Muder 1988)。Hales 在一系列论文中最终于 1998 年完成了对完整猜想的证明。

有趣的是,椭球体堆积中的堆积密度可以超过 eta_(Kepler)

可以接触等价球体(超球面)而不相交的等价球体(n 维超球面)的最大数量称为 n亲吻数

下表总结了几种球体堆积的堆积密度。在 1972 年与 Martin Gardner 的一次私人交流中,Ulam 推测,在其最密堆积中,球体允许比任何其他相同的凸固体最密堆积更多的空隙空间(Gardner 2001, p. 135)。

堆积方式解析 etaeta参考
最松散的可能--0.0555Gardner (1966)
四面体晶格(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
随机--0.6400Jaeger 和 Nagel (1992)
面心立方密堆积pi/(3sqrt(2))0.7405Steinhaus (1999, p. 202), Wells (1986, p. 29; 1991, p. 237)
体心立方密堆积(pisqrt(3))/80.6801
六方密堆积pi/(3sqrt(2))0.7405Steinhaus (1999, p. 202), Wells (1986, p. 29; 1991, p. 237)

已知的刚性堆积中密度最低的具有 eta approx 0.0555 (Gardner 1966),明显低于 Hilbert 和 Cohn-Vossen (1999, p. 51) 报告的值。要保持刚性,每个球体必须接触至少四个其他球体,并且这四个接触点不能在单个半球中或全部在一个赤道上。

Hilbert 和 Cohn-Vossen (1999, pp. 48-50) 考虑了一种四面体晶格堆积,其中每个球体接触四个相邻球体,密度为 pisqrt(3)/16 approx 0.3401。这是金刚石中的碳原子形成的晶格 (Conway and Sloane 1993, p. 113)。

三维球体的随机密堆积给出的堆积密度范围为 0.06 到 0.65(Jaeger 和 Nagel 1992, Torquato et al. 2000)。压缩随机堆积会产生平均有 13.3 个面的多面体 (Coxeter 1958, 1961)。

对于立方体内的球体堆积,请参阅 Goldberg (1971)、Schaer (1966)、Gensane (2004) 和 Friedman。Gensane (2004) 的结果改进了 Goldberg 对于 n=11、12 以及所有从 nn=15n=26 的情况,除了 n=18,并且几乎可以肯定是最佳的。


另请参阅

炮弹问题, 圆堆积, 立方密堆积, 立方八面体, 十二面体猜想, 椭球体堆积, 半球, 埃尔米特常数, 六方密堆积, 超球面, 超球面堆积, 开普勒猜想, 开普勒问题, 亲吻数, 局部密度, 局部密度猜想, 随机密堆积, 勒洛四面体, 空间填充多面体, 球体, 球面设计, 双圆锥体, 星形八面体, 相切球体, 三角正双圆柱, 晶胞

使用 探索

参考文献

Barlow, W. "Probable Nature of the Internal Symmetry of Crystals." Nature 29, 186-188, 1883.Conway, J. H. and Sloane, N. J. A. Sphere Packings, Lattices, and Groups, 2nd ed. New York: Springer-Verlag, 1993.Coxeter, H. S. M. "Close-Packing and so Forth." Illinois J. Math. 2, 746-758, 1958.Coxeter, H. S. M. "Close Packing of Equal Spheres." Section 22.4 in Introduction to Geometry, 2nd ed. New York: Wiley, pp. 405-411, 1961.Coxeter, H. S. M. "The Problem of Packing a Number of Equal Nonoverlapping Circles on a Sphere." Trans. New York Acad. Sci. 24, 320-331, 1962.Critchlow, K. Order in Space: A Design Source Book. New York: Viking Press, 1970.Cundy, H. and Rollett, A. Mathematical Models, 3rd ed. Stradbroke, England: Tarquin Pub., pp. 195-197, 1989.Eppstein, D. "Covering and Packing." http://www.ics.uci.edu/~eppstein/junkyard/cover.html.Fejes Tóth, G. "Über einen geometrischen Satz." Math. Z. 46, 78-83, 1940.Fejes Tóth, G. Lagerungen in der Ebene, auf der Kugel und in Raum, 2nd ed. Berlin: Springer-Verlag, 1972.Friedman, E. "Spheres in Cubes." http://www.stetson.edu/~efriedma/sphincub/.Gardner, M. "Packing Spheres." Ch. 7 in Martin Gardner's New Mathematical Diversions from Scientific American. New York: Simon and Schuster, pp. 82-90, 1966.Gardner, M. "Packing Spheres." Ch. 10 in The Colossal Book of Mathematics: Classic Puzzles, Paradoxes, and Problems. New York: W. W. Norton, pp. 128-136, 2001.Gauss, C. F. "Besprechung des Buchs von L. A. Seeber: Intersuchungen über die Eigenschaften der positiven ternären quadratischen Formen usw." Göttingsche Gelehrte Anzeigen (1831, July 9) 2, 188-196, 1876.Gensane, T. "Dense Packings of Equal Spheres in a Cube." Electronic J. Combinatorics 11, No. 1, R33, 2004. http://www.combinatorics.org/Volume_11/PDF/v11i1r33.pdf.Goldberg, M. "On the Densest Packing of Equal Spheres in a Cube." Math. Mag. 44, 199-208, 1971.Hales, T. C. "The Sphere Packing Problem." J. Comput. Appl. Math 44, 41-76, 1992.Hilbert, D. and Cohn-Vossen, S. Geometry and the Imagination. New York: Chelsea, pp. 45-53, 1999.Jaeger, H. M. and Nagel, S. R. "Physics of Granular States." Science 255, 1524, 1992.Le Lionnais, F. Les nombres remarquables. Paris: Hermann, p. 31, 1983.Lindsey, J. H. II. "Sphere Packing in R^3." Math. 33, 137-147, 1986.Muder, D. J. "Putting the Best Face of a Voronoi Polyhedron." Proc. London Math. Soc. 56, 329-348, 1988.Rogers, C. A. "The Packing of Equal Spheres." Proc. London Math. Soc. 8, 609-620, 1958.Rogers, C. A. Packing and Covering. Cambridge, England: Cambridge University Press, 1964.Schaer, J. "On the Densest Packing of Spheres in a Cube." Can. Math. Bul. 9, 265-270, 1966.Sigrist, F. "Sphere Packing." Math. Intell. 5, 34-38, 1983.Sloane, N. J. A. "The Packing of Spheres." Sci. Amer. 250, 116-125, 1984.Sloane, N. J. A. "The Sphere Packing Problem." Proc. Internat. Congress Math., Vol. 3 (Berlin, 1998). Doc. Math. Extra Volume ICM 1998, 387-396, 1998. http://www.research.att.com/~njas/doc/icm.ps.Sloane, N. J. A. Sequence A093825 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."Steinhaus, H. Mathematical Snapshots, 3rd ed. New York: Dover, pp. 202-203, 1999.Stewart, I. The Problems of Mathematics, 2nd ed. Oxford, England: Oxford University Press, pp. 69-82, 1987.Thompson, T. M. From Error-Correcting Codes Through Sphere Packings to Simple Groups. Washington, DC: Math. Assoc. Amer., 1984.Torquato, S.; Truskett, T. M.; and Debenedetti, P. G. "Is Random Close Packing of Spheres Well Defined?" Phys. Lev. Lett. 84, 2064-2067, 2000.van Dam, E.; den Hertog, D.; Husslage, B.; and Rennen, G. "Maximin Designs (Dimensions: 3)." Mar. 31, 2006. http://www.spacefillingdesigns.nl/.Weisstein, E. W. "Books about Sphere Packings." http://www.ericweisstein.com/encyclopedias/books/SpherePackings.html.Wells, D. The Penguin Dictionary of Curious and Interesting Numbers. Middlesex, England: Penguin Books, p. 29, 1986.Wells, D. The Penguin Dictionary of Curious and Interesting Geometry. London: Penguin, 237-238, 1991.Zong, C. and Talbot, J. Sphere Packings. New York: Springer-Verlag, 1999.

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球体堆积

请这样引用

Weisstein, Eric W. "球体堆积。" 来自 Web 资源。 https://mathworld.net.cn/SpherePacking.html

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