Penrosen laatat

Penrosen laatat ovat tapa peittää taso jaksottomasti pienellä joukolla erilaisia monikulmioita. Ne ovat saaneet nimensä tällaisia laatoituksia 1970-luvulla tutkineen matemaatikko Roger Penrosen mukaan.
Jaksottomalla peittämisellä tarkoitetaan sitä, ettei minkään samanlaisen pienen laattaryhmän suurempi ympäristö ole missään muualla aivan samanlainen vertailukohtansa kanssa. Toinen tapa havainnollistaa jaksottomuutta on piirtää alueen yli satunnaisesti asemoitu suora ja todeta suoralla olevia laattoja tarkastelemalla, ettei siinä esiinny toistamiseen samaa kuviota missään kohtaa suoraa.
Taso voidaan peittää Penrosen laatoilla monilla tavoilla. Kaikki tällaiset tavat ovat jaksottomia, mutta ne saattavat olla symmetrisiä jonkin akselin suhteen tai niillä voi olla viisinkertainen rotaatiosymmetria, kuten oheisessa kuvassa. Jaksottomuus merkitsee sitä, että Penrosen laatoituksella ei ole siirtosymmetriaa. Toisin sanoen tasolta ei voida valita kahta sellaista kohtaa, että kummastakin mitattuna olisi aina samalla etäisyydellä ja samassa suunnassa saman­laiset ja samassa asennossa olevat laatat. Penrosen laattoja voidaan pitää kvasikiteen kaksi­ulotteisena vastineena.
Tausta ja historia.
Penrosen laatat ovat yksinkertaisimpia esimerkkejä tason jakamisesta osiin epäjaksollisesti. Yleisesti laatoituksella tarkoitetaan tason jakoa osiin, jotka eivät osittainkaan peitä toisiansa eivätkä jätä väliinsä aukkoja. Yleensä edellytetään myös, että käytetään vain äärellistä määrää erilaisia muotoja. Tunnetuimmat laatoitukset, esimerkiksi tason jako neliöiksi tai tasa­sivuisiksi kolmioiksi, ovat jaksollisia. Toisin sanoen on olemassa sellainen etäisyys, jonka verran tiettyyn suuntaan siirryttäessä laatoitus toistuu aina samanlaisena. Tätä etäisyyttä sanotaan laatoituksen "jaksoksi". Jos tällaista jaksoa ei ole, laatoitusta sanotaan jaksottomaksi.
Kysymys jaksottomista laatoituksista sai osakseen uutta mielenkiintoa 1960-luvulla, kun loogikko Hao Wang havaitsi yhteyden niiden ja päätöksenteko-ongelmien kanssa. Hän käsitteli erityisesti neliömäsiä laattoja, joiden sivut olivat väritettyjä. Tällaisia sanotaan nykyään Wangin dominoiksi. Wang esitti kysymyksen: "Millä edellytyksellä taso voidaan peittää annetulla joukolla tällaisia laattoja siten, että vierekkäisten laattojen samanväriset reunat aina koskettavat toisiaan?" Hän osoitti, että jos ongelmaa ei voida ratkaista rekursiivisesti, on olemassa keino peittää taso jaksottomasti Wangin dominoilla. Tuohon aikaan tämä vaikutti kuitenkin epäuskottavalta, minkä vuoksi Wang esitti konjektuurin, ettei sellainen laatoitus ole mahdollinen.
Wangin oppilas Robert Berger todisti kuitenkin väitöskirjassaan vuonna 1964, että ongelmaa ei voitu ratkaista rekursiivisesti, joten Wangin konjektuuri on epätosi. Hän pystyikin muodostamaan jaksottoman laatoituksen 20426 Wangin dominosta. Myöhemmin hän osoitti, että siihen riitti 104 sellaista laattaa. Vuonna 1968 Donald Knuth osoitti, että 92 laattaakin riittää. Alkuperäisissä Wangin dominoissa ehtona oli, että Wangin dominoiden vierekkäisissä laatoissa samanväristen sivujen on kosketettava toisiaan. Tämä ehto voidaan myös korvata oletuksella, että laattojen reunat ovat eri tavoin kaarevia tavallisten palapelin palojen tapaan. Vuonna 1971 Raphael Robinson osoitti tällä tavoin eräässä tutkielmassaan, että jo kuudesta erimuotoisesta laatasta voidaan muodostaa jaksoton laatoitus.
Ensimmäinen Penrosen laatoitus, jonka Roger Penrose esitti vuonna 1974 (P1 alla olevassa kuvassa), on myös jaksoton ja muodostuu kuudesta eri muotoisesta laatasta. Se ei muodostu neliöistä, vaan erilaisista viisikulmioista. Säännöllisillä viisi­kulmioilla ei koko tasoa voi peittää jättämättä väliin aukkoja, mutta jo vuonna 1619 Johannes Kepler osoitti teoksessaan "Harmonices Mundi", että nämä aukot voidaan täyttää penta­grammeilla, kymmenkulmioilla tai niitä muistuttavilla moni­kulmioilla. Penrose kehitti tätä ajatusta osoittamalla, että tällä tavoin laatoitus voitiin muodostaa jaksottomaksi, mikä täydensi Keplerin äärellisen "Aa"-mallin. Tähän hän sai vaikutteita myös eräistä Albert Dürerin teoksista.
Myöhemmin Penrose osoitti, että erilaisten laattojen lukumäärä voitiin vähentää kahteen, jolloin saatiin kaksi erilaista laatoitusta P2 ja P3 alla olevassa kuvassa. Näistä jälkimmäisen, suunnikkaista muodostuvan laatoituksen, keksi hänestä riippumatta Robert Ammann vuonna 1976. Penrose ja John H. Conway tutkivat tällaisten laatoitusten ominaisuuksia, ja heidän tutkimustuloksensa julkaisi Martin Gardner tammikuun 1977 Scientific American-lehdessä "Mathematical Games"-palstalla.
Penrosen laatat.
Erityyppiset Penrosen laatat, P1–P3, on jäljempänä kuvattu kukin erikseen, mutta niillä on joukko yhtäläisyyksiä. Kaikissa laatat on muodostettu osista, joista voidaan muodostaa myös säännöllinen viisikulmio, minkä vuoksi niihin liittyy läheisesti kultainen leikkaus. Lisäksi nämä laatoitukset voidaan kukin konstruoida toistensa avulla.
Alkuperäiset Penrosen laatat (P1).
Alkuperäinen Penrosen laatoitus muodostuu viisikulmiosta sekä kolmenlaisista muista erimuotoisista laatoista: viisi­sarakaraisista tähdistä (penta­grammeista), ”veneistä” sekä ”timanteista” eli ohuista suunnikkaista. Sen varmistamiseksi, että laatoituksesta tulee jaksoton, käytettiin tiettyjä sääntöjä sille, miten erilaiset laatat saavat koskettaa toisiaan. Eri viisikulmioille on kolme eri sääntöä ja tällöin eri sääntöjä noudattavat viisikulmiot voidaan tehdä erivärisiksi, kuten oheisessa kuvassa.
Leija- ja nuolilaatat (P2).
Penrosen toinen laatoitus koostuu kahdenlaisista nelikulmioista, joita nimitetään "leijoiksi" ja "nuoliksi". Nämä voidaan yhdistää suorakulmioksi, mutta käytettyjen sääntöjen mukaan niin ei saa tehdä, sillä suunnikkaista muodostettu laatoitus olisi jaksollinen. Sekä leija että nuoli voidaan toisaalta käsittää muodostetuksi kahdesta kolmiosta, joita sanotaan "Robinsonin kolmioiksi" niitä vuonna 1975 tutkineen Robinsonin mukaan.
Suunnikaslaatat (P3).
Kolmas Penrosen laatoitus muodostuu kahdenlaisista suunnikkaista. Niistä kuitenkin voidaan muodostaa myös jaksollinen laatoitus, minkä vuoksi on noudatettava tiettyjä rajoittavia sääntöjä, jotta tuloksena olisi jaksoton laatoitus. 
Laatoituksessa käytetään kahdenlaisia suunnikkaita, jotka molemmat voidaan myös jakaa kahdeksi Robinsonin kolmioksi.
Laattojen eri sivut oletetaan kuitenkin erilaisiksi, ja ne sijoitellaan siten, että vierekkäisten laattojen on noudatettava tiettyjä sääntöjä. Nämä säännöt voidaan kuvata eri tavoin, kuten käy ilmi oheisesta kuvasta. Esimerkiksi niiden sivuille merkittyjen kaarien on vastattava toisiaan väriltään ja asennoltaan tai niiden sivuille tehtyjen lovien on sovittava yhteen.
Kaikkiaan näiden laattojen kulmat voidaan asettaa 54 eri tavalla vierekkäin siten, että samassa kärkipisteessä toisensa kohtaavien laattojen väliin ei jää aukkoja. Näistä vain seitsemän tapaa on laatoituksen sääntöjen mukaan sallittuja, joskin yksi niistä voidaan toteuttaa kahdella eri tavalla.
Konstruointi ja ominaisuuksia.
Deflaatio.
Penrosen leija- ja nuolilaatoitus voidaan yksinkertaisimmin konstruoida deflaatioksi nimitetyllä menetelmällä. Lähtökohdaksi otetaan tietty äärellisen kokoinen laatoitus, jota nimitetään "aksioomaksi", ja siitä muodostetaan tiettyjen sääntöjen mukaan joukko peräkkäisiä laatoituksia, joita nimitetään "sukupolviksi". Yksin­kertaisimmassa tapauksessa "aksiooma" käsittää vain yhden laatan. Siirryttäessä seuraavaan "sukupolveen" jokainen laatta korvataan yhdellä tai useammalla uudella laatalla, jotka peittävät alku­peräisen laatan kokonaan. Täten uudet laatat ovat yhden­muotoisia alkuperäisten kanssa, mutta kooltaan pienempiä. Kun tämä toistetaan riittävän monta kertaa, saadaan lopulta laatoitus, joka sisältää sellaisen osan, joka on yhdenmuotoinen alkuperäisen "aksiooman" kanssa eikä ulotu kuvion reunoille. Tämä valitaan sitten uudeksi "aksioomaksi", ja koko prosessi toistetaan, jolloin saadaan kerta kerralta laajempi laatoitus, kunnes se lopulta peittää koko tason.
Esimerkki: Kolme sukupolvea neljästä aksioomasta.
Tämä on esimerkki peräkkäisistä suku­polvista lähdettäessä neljästä erilaisesta "aksioomasta". "Auringon" ja "tähden" tapauksessa alkuperäisen kanssa yhden­muotoinen pienempi laatoitus saadaan jo toisessa sukupolvessa, "auringon" tapauksessa myös kolmannessa.
Penrosen laatat ja kultainen leikkaus.
Moniin Penrosen laattojen ominaisuuksiin liittyy läheisesti kultainen leikkaus ja sen suhdeluku formula_1 (noin 1,618). Tämä johtuu siitä, että laatoitus on lokaalisti viisinkertaisesti symmetrinen ja säännöllisessä viisikulmiossa halkaisijan ja sivun suhde on φ. Tämä on myös pidemmän ja lyhemmän sivun suhde molemmissa Robinsonin kolmioissa. Tästä seuraa, että leija- ja nuolilaatoissa pidemmän ja lyhyemmän sivun suhde on myös φ, samoin näiden laattojen pinta-alojen suhde, sivun ja lyhemmän lävistäjän suhde ohuessa suunnikaslaatassa sekä pidemmän lävistäjän ja sivun suhde paksussa suunnikaslaatassa.
Deflaatioprosessissa leija jaetaan kahdeksi leijaksi ja yhdeksi nuoleksi, nuoli taas nuoleksi ja leijaksi. Leijojen ja nuolten lukumäärä prosessin "n":nnessä suku­polvessa voidaan laskea matriisin n:nnen potenssin avulla:
formula_2
missä "F""n" on Fibonaccin lukujonon n:s luku. Nuolten ja leijojen luku­määrien suhde missä tahansa riittävän laajassa Penrosen P2-laatoituksessa on tämän vuoksi lähellä kultaisen leikkauksen suhde­lukua φ. Vastaava tulos pätee myös paksujen ja ohuiden suunnikkaiden luku­määrälle P3-laatoituksessa..
Penrosen laattoja muistuttavia laatoituksia.
Kymmenkulmiolaatoitus ja kvasikiteet.
Vuonna 1996, saksalainen matemaatikko Petra Gummelt osoitti, että taso voidaan peittää yhtenevillä säännöllisillä kymmen­kulmioilla, jos niiden sallitaan (Penrosen laatoituksesta poiketen) mennä osittain päällekkäin siten, että vain kahden muotoiset vierekkäisille kymmen­kulmioille yhteiset alueet sallitaan. Kymmen­kulmio jaetaan osiin, jotka väritetään tiettyjen sääntöjen mukaan, ja vain värityksen kanssa yhteen sopivien osien eri kymmen­kulmioissa sallitaan mennä päällekkäin. Jos kymmen­kulmio jaetaan tietyllä tavalla "nuoliksi" ja "leijoiksi", kuviointi muuttuu Penrosen laatoituksen P2 kaltaiseksi. Myös laatoitus P3 voidaan muodostaa sijoittamalla paksu suunnikas kymmen­kulmion sisään, jolloin jäljelle jäävä osa peittyy ohuilla suunnikkailla.
Näitä pidetään realistisina malleina sille, miten kvasikiteet kasvavat: osittain päällekkäiset kymmen­kulmiot ovat "kvasi­yksikkö­koppeja", jotka vastaavat tavallisten kiteiden yksikkö­koppeja, ja tällaisissa rakenteissa atomit pyrkivät pakkautumaan mahdollisimman tiheästi.
Käyttö taiteessa.
Laatoitusten esteettinen arvo on ollut kauan tunnustettu. Penrosen laatat herättävätkin yhä suurta mielen­kiintoa, joka kohdistuu suurelta osin pikemmkin niiden muodostamaan näkö­vaikutelmaan kuin niiden matemaattisiin ominaisuuksiin. Niiden onkin todettu muistuttavan Lähi-idässä käytettyä "girih"-koristekuvuointia, ja Peter Lu ja Paul Steinhardt ovat todenneet, että Penrosen laatoituskin esiintyy jo keski­aikaisessa islamilaisessa taiteessa.
Drop Cityn taiteilija Clark Richert käytti Penrosen suunnikkaita eräässä teoksessaan vuonna 1970. Taide­historioitsija Martin Kemp on todennut, että myös Albrecht Dürer on laatinut saman­kaltaisia sommitelmia näistä suunnikkaista.