■掛谷定数(その4)

  (5−2√2)π/24=0.2842582246・・・

は掛谷の定数として知られている最良の値である。長さ1の線分を180°回転してもとと重ねることがその内部でできるような単連結な領域の最小の面積がその定数である。

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 1917年,掛谷宗一は「長さが1である線分を1回転させるのに必要な最小面積の図形は何か」という問題を提出しました.

 この問題は多くの予想を生み出しました.たとえば,デルトイドでは長さが一定の線分をデルトイドに接しながらスムーズに1回転させることができるので,掛谷はデルトイド(面積π/8)が「掛谷の問題」の解であると予想したのです.

 しかしながら,2n+1個の尖点と円弧をもち,図形全体が内接している円に直交している星状領域(面積:Sn)を考えると,n→∞のとき

  Sn→(5−2√2)π/24<π/11

を示すことができます.この形はフーコーの振り子を何万回もらせたときの形になり,その面積はπ/11よりも小さくなります.

 このようにして,単連結となる最小の星状領域は,面積π/8のデルトイドではなく,別の星状図形であることがブルームとシェーンベルグにより発見されました(1963年).→コラム「デルトイドの幾何学(その2)」参照

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[まとめ]長さ1の線分を180°回転してもとと重ねることができるような単連結な領域の最小面積として知られている最良の値は

  Sn→(5−2√2)π/24(.2842582246・・・)<π/11(.285599)

であり,(5−2√2)π/24は「掛谷定数」として知られています.

 なお、正三角形の中央をくりぬいたシェルピンスキーのガスケットは面積0の図形であるが、そのフラクタル次元は1.585である。立方体の中央をくりぬいたメンガーのスポンジは体積0の図形であるが、そのフラクタル次元は2.73である。しかしながら…

 ベシコヴィッチ集合はあらゆる方向の針を含む面積0の図形であるが,そのフラクタル次元は2であることがディヴィスによって証明されている(1971年).

 3次元空間のあらゆる方向の針を含む体積0の図形のフラクタル次元は3であると予想されている(カッツ、ラバ、タオにより2.5より大きいことが証明されている。2000年).

 一般に,n次元空間のあらゆる方向の針を含む面積0の図形のフラクタル次元はnであると予想されている.

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