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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

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参考文献

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球体堆积

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

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