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페아노 곡선

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1. 개요

페아노 곡선은 단위 정사각형을 채우는 공간 채움 곡선의 일종이다. 정사각형들을 9개의 작은 정사각형으로 나누고, 각 정사각형의 중심을 연결하는 과정을 무한히 반복하여 구성할 수 있다. 린덴마이어 시스템(L-system)을 사용하여 구성할 수도 있으며, 힐베르트 곡선과 같은 변형이 존재한다.

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페아노 곡선
개요
유형공간 채움 곡선
발명가주세페 페아노
발명 연도1890년
상세 정보
설명평면의 모든 점을 통과하는 연속적인 곡선
수학적 특성
연속성연속적임
미분 가능성미분 불가능함
충전성공간 충전
예시
종류힐베르트 곡선
시에르핀스키 곡선
무어 곡선

2. 구성

페아노 곡선은 무한히 반복되는 단계를 통해 구성되는 공간 채움 곡선이다. 각 단계에서는 이전 단계의 정사각형들을 더 작은 정사각형들로 나누고, 이 작은 정사각형들의 중심점을 연결하여 새로운 곡선을 만든다.

이 과정은 무한히 반복될 수 있으며, i가 무한히 커질 때 곡선의 극한이 페아노 곡선이 된다. 각 단계의 곡선은 단위 구간에서 단위 정사각형으로 사상하는 함수이고, 이 함수들은 적절한 거리 함수가 주어진 완비 거리 함수 공간에서 코시 수열을 이루므로 페아노 곡선으로 수렴한다.[3][7]

2. 1. 단계별 구성

페아노 곡선이 구성되는 과정을 세 번째 단계까지 나타낸 그림. 이 과정을 무한히 적용한 것이 페아노 곡선이다.


페아노 곡선은 각 ''i''번째 단계마다 정사각형들의 집합 ''Si''와 이 정사각형들의 중심에 해당하는 점들의 집합 ''Pi''를 잡는 방식으로 구성할 수 있다. 먼저 단위 정사각형을 ''S0''로, 이 정사각형의 중심을 ''P0''로 잡는다.

각 ''i''번째 단계에서는 이전 단계의 ''Si-1''의 정사각형들을 각각 9개의 작은 정사각형들로 나누고, 이렇게 나눈 정사각형들의 집합을 ''Si''으로 둔다. 그리고 이 정사각형들의 중심들로 이루어진 집합을 ''Pi''로 둔다. 이때, ''Pi''의 인접한 점들을 1단계에서 2단계로 넘어가는 과정에서의 패턴처럼 연결하면, 하나의 연결된 곡선이 된다.

9개의 작은 정사각형을 3개의 열로 그룹화하고 각 열 내에서 중심점을 연속적으로 정렬한 다음, 정사각형의 한쪽에서 다른 쪽으로 열을 정렬하여 부분 수열의 각 연속된 점 쌍 사이의 거리가 작은 정사각형의 변의 길이와 같도록 형성한다. 이러한 정렬은 다음과 같이 4가지가 가능하다.[3][7]

  • 왼쪽 3개의 중심점을 아래에서 위로, 중간 3개의 중심점을 위에서 아래로, 오른쪽 3개의 중심점을 아래에서 위로
  • 오른쪽 3개의 중심점을 아래에서 위로, 중간 3개의 중심점을 위에서 아래로, 왼쪽 3개의 중심점을 아래에서 위로
  • 왼쪽 3개의 중심점을 위에서 아래로, 중간 3개의 중심점을 아래에서 위로, 오른쪽 3개의 중심점을 위에서 아래로
  • 오른쪽 3개의 중심점을 위에서 아래로, 중간 3개의 중심점을 아래에서 위로, 왼쪽 3개의 중심점을 위에서 아래로


이러한 4가지 정렬 중에서 ''s''에 대한 정렬은 정렬의 첫 번째 점과 ''Pi''에서의 이전 점 사이의 거리가 작은 정사각형의 변의 길이와 같도록 선택된다.

이렇게 각 단계별로 곡선을 만들 수 있고, 이 과정을 무한히 반복했을 때(즉, ''i''가 무한히 커질 때) 곡선의 극한이 페아노 곡선이 된다.

2. 2. 린덴마이어 시스템 (L-system) 구성

서론의 페아노 곡선은 린덴마이어 시스템(L-system)을 사용하여 만들 수 있다. L-system은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

변수X Y F
상수+ −
시작X
규칙(X → XFYFX+F+YFXFY−F−XFYFX), (Y → YFXFY−F−XFYFX+F+YFXFY)



여기서 "F"는 "앞으로 그리기", "+"는 "시계 방향으로 90° 회전", "−"는 "시계 반대 방향으로 90° 회전"을 뜻한다.

'구성' 섹션의 곡선은 다음과 같이 구성할 수 있다.

변수F
상수+ −
시작F
규칙(F → F+F−F−FF−F−F−FF)



여기서 "F"는 "앞으로 그리기", "+"는 "시계 방향으로 90° 회전", "−"는 "시계 반대 방향으로 90° 회전"을 의미한다.[7]

3. 변형

페아노 곡선은 여러 가지 방식으로 변형될 수 있다. 그중 하나는 정사각형을 9등분하는 대신 4등분하여 힐베르트 곡선을 만드는 것이다.

중간선을 지운 페아노 곡선은 시에르핀스키 카펫을 생성한다.


페아노 곡선의 또 다른 변형으로는 각 정사각형의 중심을 연결하는 대신, 세 개의 정사각형 각 행의 중심이 서로 이어지도록 하는 방법이 있다.[3]

또한, 서로 다른 방향으로 서로 다른 수만큼 세분화하는 '다중 밑수' 변형을 통해 임의의 모양의 직사각형을 채울 수도 있다.[4]

3. 1. 중심점 연결 방식의 변형

페아노 곡선의 정의에서, 각 열의 정사각형 중심 대신 세 개의 정사각형 각 행의 중심이 인접하도록 일부 또는 모든 단계를 수행할 수 있다. 이러한 선택은 페아노 곡선의 많은 다른 변형을 낳는다.[3]

서로 다른 방향으로 서로 다른 수의 세분화를 가진 이 곡선의 "다중 밑수" 변형은 임의의 모양의 직사각형을 채우는 데 사용할 수 있다.[4]

힐베르트 곡선은 정사각형을 아홉 개의 동일한 작은 정사각형 대신 네 개의 동일한 작은 정사각형으로 세분하는 것을 기반으로 하는, 동일한 아이디어를 이용한 더 간단한 변형이다. 페아노 곡선의 정의에서, 일부 또는 모든 단계에서 세 개의 정사각형 각 행(열이 아닌)의 중심이 연속되도록 할 수도 있다. 이러한 선택에 따라 페아노 곡선의 많은 다른 변종이 얻어진다.[7]

3. 2. 시에르핀스키 카펫



페아노 곡선의 정의에서 각 열의 정사각형 중심 대신, 세 개의 정사각형 각 행의 중심이 인접하도록 일부 또는 모든 단계를 수행할 수 있다. 이러한 선택은 페아노 곡선의 많은 다른 변형을 낳는다.[3]

서로 다른 방향으로 서로 다른 수의 세분화를 가진 이 곡선의 "다중 밑수" 변형은 임의의 모양의 직사각형을 채우는 데 사용할 수 있다.[4]

힐베르트 곡선은 정사각형을 아홉 개의 동일한 작은 정사각형 대신 네 개의 동일한 작은 정사각형으로 세분하는 것을 기반으로 하는 동일한 아이디어의 더 간단한 변형이다.

3. 3. 힐베르트 곡선

힐베르트 곡선은 정사각형을 아홉 개의 동일한 작은 정사각형 대신 네 개의 동일한 작은 정사각형으로 세분하는 것을 기반으로 하는, 페아노 곡선과 같은 아이디어를 이용한 더 간단한 변형이다.[3] 페아노 곡선의 정의에서 일부 또는 모든 단계에서 세 개의 정사각형 각 행(열이 아닌)의 중심이 연속되도록 할 수도 있는데, 이러한 선택에 따라 페아노 곡선의 많은 다른 변종이 만들어진다.[7]

3. 4. 다중 밑수 변형

페아노 곡선의 정의에서, 각 열의 정사각형 중심 대신 세 개의 정사각형 각 행의 중심이 인접하도록 함으로써 일부 또는 모든 단계를 수행할 수 있다. 이러한 선택은 페아노 곡선의 많은 다른 변형을 낳는다.[3]

서로 다른 방향으로 서로 다른 수의 세분화를 가진 이 곡선의 "다중 밑수" 변형은 임의의 모양의 직사각형을 채우는 데 사용할 수 있다.[4]

참조

[1] 논문 Sur une courbe, qui remplit toute une aire plane
[2] 서적 Differential Geometry https://books.google[...] Courier Dover Publications
[3] 서적 Space-Filling Curves https://books.google[...] Springer
[4] 간행물 Halftoning without dither or edge enhancement 1991-09
[5] 논문 Sur une courbe, qui remplit toute une aire plane
[6] 서적 Differential Geometry https://books.google[...] Courier Dover Publications
[7] 서적 Space-Filling Curves https://books.google[...] Springer
[8] 논문 Sur une courbe, qui remplit toute une aire plane
[9] 서적 Differential Geometry https://books.google[...] Courier Dover Publications



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