시어핀스키 사각형

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1. 개요2. 상세3. 관련 문서

1. 개요[편집]

Sierpinski carpet ・ Sierpinski 四角形
시어핀스키 사각형의 모습

시어핀스키 사각형은 폴란드의 수학자 바츨라프 시어핀스키(Waclaw Sierpinski, 1882~1969)가 창작한 프랙탈 도형이며, 그의 이름을 따 시어핀스키 사각형('시어핀스키 카펫'이라고도 한다.)이라고 한다.

멩거 스펀지의 2차원 버전이라고 할 수 있다. 멩거 스펀지의 한 면은 정확히 시어핀스키 사각형이다.

2. 상세[편집]

  • 1단계: 한 변의 길이가 1인 정사각형을 가로, 세로를 3등분하여, 9등분하고, 가운데 한 등분을 지운다.
  • 2단계: 남은 8등분의 정사각형에 대하여 1단계와 같이 행한다.
  • 이후의 단계는 전 단계에 남은 정사각형에 대하여 1단계와 같이 행하면 된다.

2.1. 성질[편집]

아무런 조작을 하지 않은 처음의 정사각형을 0단계이라고 하자. 앞서 말한 조작을 한 번 하는 것을 하나의 '단계'로 하자. 그러면 다음과 같이 된다.
단계
해당 단계에서 제거되는 정사각형
해당 단계까지 제거되는
총 넓이
한 개의 넓이
총 개수
00
00
00
11
11
19\displaystyle\frac{1}{9}
11
1−89\displaystyle{1-\frac{8}{9}}
22
(19)2\displaystyle\left(\frac{1}{9}\right)^2
88
1−(89)2\displaystyle{1-\left(\frac{8}{9}\right)^2}
33
(19)3\displaystyle\left(\frac{1}{9}\right)^3
828^2
1−(89)3\displaystyle{1-\left(\frac{8}{9}\right)^3}
⋮\vdots
nn
(19)n\displaystyle\left(\frac{1}{9}\right)^n
8n−18^{n-1}
1−(89)n\displaystyle{1-\left(\frac{8}{9}\right)^n}

각 단계에서 제거되는 정사각형들은 모두 합동이므로, 정사각형 한 개의 넓이와 총 개수를 곱하면 총 넓이가 된다. 따라서, nn단계에서 제거되는 총 넓이는

(19)n⋅8n−1=(89)n⋅18 \displaystyle \left(\frac{1}{9}\right)^{n}·8^{n-1}=\left(\frac{8}{9}\right)^{n}·\frac{1}{8}

이다. 이에 따라, 처음부터 n\boldsymbol{n}단계까지 제거되는 총 넓이 ΔSn\Delta S_{n}를 구할 수 있다. 이는

ΔSn=∑k=1n[(89)k⋅18]=18⋅89⋅1−(89)n​1−89=1−(89)n \displaystyle \begin{aligned} \Delta S_{n}&=\sum_{k=1}^n\left[\left(\frac{8}{9}\right)^{k}·\frac{1}{8}\right] \\&=\frac{1}{8}·\frac{8}{9}·{\cfrac{1-\left( \dfrac{8}{9} \right)^{n}​}{1-\dfrac{8}{9} }} \\& =1-\left(\frac{8}{9}\right)^n \end{aligned}

따라서 0단계의 총 넓이 1에서 ΔSn\Delta S_{n}를 빼면, 단계 nn의 총 넓이

Sn=1−ΔSn=(89)n \displaystyle \begin{aligned} S_{n}&=1-\Delta S_{n}\\&=\left(\frac{8}{9}\right)^n \end{aligned}

해당 단계를 무한히 반복하면,

lim⁡n→∞Sn=0 \displaystyle \lim_{n \to \infty}S_{n}=0

이므로, 결국 시어핀스키의 사각형은 조작을 무한히 거듭한다면 넓이가 0에 수렴한다.

2.2. 하우스도르프 차원[편집]

  • 시어핀스키 사각형의 하우스도르프 차원은 다음과 같다.

    ln⁡8ln⁡3≃1.8928 \displaystyle \frac{\ln{8}}{\ln{3}} \simeq 1.8928

3. 관련 문서[편집]