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 | |
유형 | 공간 채움 곡선 |
발명가 | 주세페 페아노 |
발명 연도 | 1890년 |
상세 정보 | |
설명 | 평면의 모든 점을 통과하는 연속적인 곡선 |
수학적 특성 | |
연속성 | 연속적임 |
미분 가능성 | 미분 불가능함 |
충전성 | 공간 충전 |
예시 | |
종류 | 힐베르트 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 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.변수 | X Y F |
---|---|
상수 | + − |
시작 | X |
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.
변수 | F |
---|---|
상수 | + − |
시작 | F |
규칙 | (F → F+F−F−FF−F−F−FF) |
페아노 곡선은 여러 가지 방식으로 변형될 수 있다. 그중 하나는 정사각형을 9등분하는 대신 4등분하여 힐베르트 곡선을 만드는 것이다.
여기서 "F"는 "앞으로 그리기", "+"는 "시계 방향으로 90° 회전", "−"는 "시계 반대 방향으로 90° 회전"을 의미한다.[7]
3. 변형
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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