A. 展開図とそこから折れる凸立体の研究 1. 複数の箱が折れる共通の展開図 2 通りの箱が折れる共通の展開図 3 通りの箱が折れる共通の展開図そして. 残された未解決問題たち 2. 正多面体の共通の展開図 3. 正多面体に近い立体と正 4 面体の共通の展開図 ( 予備 )

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Transcription:

A. 展開図とそこから折れる凸立体の研究 1. 複数の箱が折れる共通の展開図 2 通りの箱が折れる共通の展開図 3 通りの箱が折れる共通の展開図そして. 残された未解決問題たち この雑誌に載ってます! 2. 正多面体の共通の展開図 3. 正多面体に近い立体と正 4 面体の共通の展開図 ( 予備 ) このミステリー (?) の中でメイントリックに使われました!

主な文献 Dawei Xu, Takashi Horiyama, Toshihiro Shirakawa, Ryuhei Uehara: Common Developments of Three Incongruent Boxes of Area 30, COMPUTATIONAL GEOMETRY: Theory and Applications, Vol. 64, pp. 1-17, August 2017. Toshihiro Shirakawa and Ryuhei Uehara: Common Developments of Three Incongruent Orthogonal Boxes, International Journal of Computational Geometry and Applications, Vol. 23, No. 1, pp. 65-71, 2013. Zachary Abel, Erik Demaine, Martin Demaine, Hiroaki Matsui, Guenter Rote and Ryuhei Uehara: Common Developments of Several Different Orthogonal Boxes, Canadian Conference on Computational Geometry (CCCG' 11), pp. 77-82, 2011/8/10-12, Toronto, Canada. Jun Mitani and Ryuhei Uehara: Polygons Folding to Plural Incongruent Orthogonal Boxes, Canadian Conference on Computational Geometry (CCCG 2008), pp. 39-42, 2008/8/13. いくつかの展開図は以下で公開 : http://www.jaist.ac.jp/~uehara/etc/origami/nets/index-e.html

In, There were two developments that fold to two boxes; (a) (b) Are they exceptional? Is there any development that fold to 3 or more boxes?? (c) (d) [Biedl, Chan, Demaine, Demaine, Lubiw, Munro, Shallit, 1999]

Developments of two boxes In [Uehara, Mitani 2007], randomized algorithm that looks for such polygons by brute force; Polygons folding into 2 boxes: 1. There are many (~9000) (by supercomputer (SGI Altix 4700)) 2. Theoretically, infinitely many 4

Example: 1 1+1 5+1 5 =1 2+2 3+1 3 =11 (surface area: 22) Note: Polygons folding to 2 different orthogonal boxes 1 1 5 = a b c We fold/(cut) at an edge of unit squares Surface area: 2( ab + bc + ca) Necessary condition: ab + bc + ca = a ' b' + b' c ' + c ' a ' 1 2 3 = a b c It seems to be better to have many combinations 5

Note: Surface areas; Area Trios Area Trios If you try to find for three boxes, If you try to find for four boxes, 22 (1,1,5),(1,2,3) 46 (1,1,11),(1,2,7),(1,3,5) 30 (1,1,7),(1,3,3) 70 (1,1,17),(1,2,11),(1,3,8),(1,5,5) 34 (1,1,8),(1,2,5) 94 (1,1,23),(1,2,15),(1,3,11), known results (1,5,7),(3,4,5) 38 (1,1,9),(1,3,4) 118 (1,1,29),(1,2,19),(1,3,14), (1,4,11),(1,5,9),(2,5,7) 6

Developments of two boxes [Thm] There exists an infinitely many developments that fold to 2 boxes. [Proof] j 1. copy this area, and 2. paste it k times as in figure. 7

Developments of two boxes [Thm] There exists an infinitely many polygons... [Proof] 1 1 ((2j+2)k+11) 8

Developments of two boxes [Thm] There exists an infinitely many polygons... [Proof] 1 j (4k+5) 9

Developments of three boxes(?) A polygon that can fold to three distinct boxes? close solution 1 5 5 1 3 8 ±2 1 1 17 10

Developments of three boxes(?) In [Abel, Demaine, Demaine, Matsui, Rote, Uehara 2011], The number of developments that fold to 1 1 5 box and 1 2 3 box is 2263. the latest algorithm runs in around 10 hrs. Among them, there is only one pearl development

Developments of three boxes(?) In [Abel, Demaine, Demaine, Matsui, Rote, Uehara 2011], The number of developments that fold to 1 1 5 box and 1 2 3 box is 2263. the latest algorithm runs in around 10 hrs. Among them, there is only one pearl development 1 2 3

Developments of three boxes(?) In [Abel, Demaine, Demaine, Matsui, Rote, Uehara 2011], The number of developments that fold to 1 1 5 box and 1 2 3 box is 2263. the latest algorithm runs in around 10 hrs. Among them, there is only one pearl development 1 1 5

Developments of three boxes(?) おまけ問題 : 3 通り折ってみよう In [Abel, Demaine, Demaine, Matsui, Rote, Uehara 2011], The number of developments that fold to 1 1 5 box and 1 2 3 box is 2263. the latest algorithm runs in around 10 hrs. Among them, there is only one pearl development Is the box cheat having volume 0? Since each column has height 2 except both sides If you don t like ½, refine each square into 4 squares 1 11 0!

Developments of three boxes(!) In February 2012, Shirakawa (and I) finally found a polygon that folds to 3 boxes!! + + 2x13x58 7x14x38 7x8x56 [Basic Idea] From a development of 2 boxes, we make one more box. I put it at http://www.jaist.ac.jp/~uehara/etc/origami/nets/3box.pdf

Developments of three boxes(!) In February 2012, Shirakawa (and I) finally found a polygon that folds to 3 boxes!! b a a a/2 [Basic Idea] From a development of 2 boxes, we make one more box. I put it at http://www.jaist.ac.jp/~uehara/etc/origami/nets/3box.pdf

Developments of three boxes(!) In February 2012, Shirakawa (and I) finally found a polygon that folds to 3 boxes!! b a a a/2 [Basic Idea] From a development of 2 boxes, we make one more box. I put it at http://www.jaist.ac.jp/~uehara/etc/origami/nets/3box.pdf

Developments of three boxes(!) In February 2012, Shirakawa (and I) finally found a polygon that folds to 3 boxes!! a b [Basic Idea] From a development of 2 boxes, we make one more box. One more box is obtained by this squashing!? I put it at http://www.jaist.ac.jp/~uehara/etc/origami/nets/3box.pdf [No!!] This works iff a=2b, i.e., from 1 2 square to 2 1 square

Developments of three boxes(!) In February 2012, Shirakawa (and I) finally found a polygon that folds to 3 boxes!! a A B b c d B a A b c d (a) (b) [Basic Idea] From a development of 2 boxes, we make one more box. I put it at http://www.jaist.ac.jp/~uehara/etc/origami/nets/3box.pdf [Yes with a trick!] This idea works; move a part of the lid to 4 sides!

Developments of three boxes(!) In February 2012, Shirakawa (and I) finally found a polygon that folds to 3 boxes!! + + 2x13x58 7x14x38 7x8x56 [Basic Idea] From a development of 2 boxes, we make one more box. I put it at http://www.jaist.ac.jp/~uehara/etc/origami/nets/3box.pdf

Developments of three boxes(!) 8 10 12 In February 2012, Shirakawa (and I) finally found a polygon that folds to 3 boxes!! 7 11 15 [Basic Idea] From a development of 2 boxes, we make one more box. [Theorem] There exist an infinite number of polygons that fold into 3 different boxes. [Generalization!] Basic box is flexible for the edge lengths. Zig-zag pattern can be extended. I put it at http://www.jaist.ac.jp/~uehara/etc/origami/nets/3box.pdf

Future works Smallest development? The current smallest development requires 532 squares in this method. >> the smallest area 46 that may produce three boxes of size (1,1,11), (1,2,7), (1,3,5). (Remind: 2263 polygons of area 22 folding to (1,1,5), (1,2,3)) Is there a polygon that folds to 4 or more boxes?

2012 年 10 月 23 日 : 白川さんからのメール 面積 30 で 1x1x7 と 5x 5x 5 の 2 通りの箱を折れる展開図を見つけました この面積は 1x3x3 も作れるので 斜めを許した場合 3 通りの箱が折れる最小のポリオミノになる可能性があります おまけ問題 : 2 通り折ってみよう

If you try to find for three boxes, Note: Surface areas; If you try to find for four boxes, Area Trios Area Trios 22 (1,1,5),(1,2,3) 46 (1,1,11),(1,2,7),(1,3,5) 30 (1,1,7),(1,3,3) 70 (1,1,17),(1,2,11),(1,3,8),(1,5,5) 34 (1,1,8),(1,2,5) 94 (1,1,23),(1,2,15),(1,3,11), known results (1,5,7),(3,4,5) 38 (1,1,9),(1,3,4) 118 (1,1,29),(1,2,19),(1,3,14), (1,4,11),(1,5,9),(2,5,7) 2011 年当時の松井君のプログラム : 面積 30は微妙な数字 面積 22の展開図を全探索 : 1 1 5と1 2 3の箱を折る2263 個の展開図 実行時間はパソコンで10 時間 24

Dawei 君の結果 (2014 年 6 月 ) 面積 30 の展開図の全探索に成功![Xu, Horiyama, Shirakawa, Uehara 2015] 大雑把な結果 JAIST のスパコン (Cray XC 30) で二ヶ月 1 1 7 の箱と 1 3 3 の箱が折れる共通の展開図は 1080 個 そのうち 5 5 5 の三つ目の箱が折れる展開図は 9 個 (1) (2) (3) (4) 追記 : その後 BDD の使用により [PC で 10 日 ] というレベルの驚愕の高速化に成功. 演習問題 (?) (2) だけ特別です (5) (6) (7) (8) (9)

Dawei 君の博士号公聴会 (2017 年 6 月 15 日 ) のスライド原稿より どうやって見つけるのか?

If you try to find for three boxes, まとめと課題 Surface areas; If you try to find for four boxes, Area Trios Area Trios 22 (1,1,5),(1,2,3) 46 (1,1,11),(1,2,7),(1,3,5) 30 (1,1,7),(1,3,3) 70 (1,1,17),(1,2,11),(1,3,8),(1,5,5) 34 (1,1,8),(1,2,5) 94 (1,1,23),(1,2,15),(1,3,11), known results (1,5,7),(3,4,5) 38 (1,1,9),(1,3,4) 118 (1,1,29),(1,2,19),(1,3,14), (1,4,11),(1,5,9),(2,5,7) 2011 年, 面積 22 の展開図の全探索は PC で 10 時間. 2014 年, 面積 30 の展開図の全探索はスパコンで 2 ヶ月. BDD を使うと PC で 10 日間. この調子で 46 まで行くのは難しいと言わざるをえないが? 29

後日談 Dawei 君の博士論文の一部より 回転対称な展開図に限定すれば (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)

後日談 Dawei 君の博士論文の一部より 回転対称な展開図に限定すれば 1. 対称形に限定することで 探索対象を大幅に減らせる 2. 展開図は半分サイズだけ覚えればよい 3. 面積は 2 ずつ増やせる ( 残念な ) 結論 : 面積 46 54 ではダメでした 46: 1 1 11, 1 2 7, 1 3 5 のうち どの 2 つも折れる展開図があるけれど 54: 1 1 13, 1 3 6, 3 3 3 も同様

未解決問題 面積 46や54で 3つの箱が折れる展開図はあるのか? 4つ以上の箱が折れる展開図は存在するのか? [k 個以上の箱は折れない ] という有限の上界はあるのか?( 例えば 10000 通りの箱が折れる展開図などは想像しがたいけれど ) おまけ情報 : 異なるポリオミノの数 は面積 45 まで既知 (by 白川さん on OEIS)

演習問題 (2) だけ特別なことを確かめてみよう (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) ここで紹介した以外のアルゴリズムを考案してみよう (BDD など )

発展問題 ここで紹介しなかった問題へのアルゴリズムを考案してみよう : 問題 : 多角形 P が与えられたとき そこから箱 Q が折れるか? 既知 (?) の結果 : 一般の多角形 P と凸多面体 Q の擬多項式時間アルゴリズムがあることはある O(n 456.5 ) 時間アルゴリズム!(Kane, et al, 2009) Q が 大きさ a b c の箱 で P は n 多角形で糊付けも与えられたとき O((n+m)log n) 時間アルゴリズム 変数 m は 一つの辺が m 個にばらけている という未知のパラメータ (Horiyama, Mizunashi 2017) a,b,c が不明のときはどうか?