Sébastien Labbé

Le chapeau est une tuile apériodique découverte par David Smith, Joseph Samuel Myers, Craig S. Kaplan, et Chaim Goodman-Strauss le 20 mars 2023. Suite à un exposé donné le 26 mars au National Museum of Mathematics, la nouvelle s'est vite répandue. En effet, cette découverte a été mentionnée les jours suivants dans des blogues puis dans Le New York Times le 28 mars, Le Monde le 29 mars, puis The Guardian et QuantaMagazine le 4 avril. Un vidéo de 20 minutes, réalisé par Passe-Science et publié début le 3 mai, explique le résultat et son contexte.

Déjà des articles proposant des résultats plus approfondis sur la tuile par des experts du domaine sont parus sur arXiv en mai 2023. Ils interprêtent les pavages comme des coupes et projection de réseaux de dimension supérieure. Le deuxième propose même une partition de la fenêtre de l'espace interne, un peu comme pour les pavages de Jeandel-Rao, à la différence qu'ici la partition a des bords fractales ce qui est pour moi une grande surprise.

Comme je faisais une intervention dans l'école de mon garçon à Bègles le 3 mai et au Lycée Kastler de Talence le 4 mai, j'ai réalisé un projet de découpe laser sur la tuile apériodique afin de partager cette récente découverte.

La première question était de construire un pavage d'un rectangle assez grand avec la pièce apériodique. Pour ce faire, j'ai ajouté un nouveau module dans mon package optionel au logiciel SageMath.

Le module réalise une réduction à une instance du problème de la couverture universelle, qui peut être résolu dans SageMath en utilisant l'algorithme des liens dansants de Donald Knuth, les solveurs SAT ou les programmes d'optimisation linéaire (solveur MILP). Le code utilise le système de coordonnées défini dans le fichier validate/kitegrid.pdf qui se trouve dans le code source associé à l'article.

Voici un exemple de construction d'un pavage avec la tuile apériodique. Le calcul est fait dans le logiciel SageMath muni de la version de développement de mon package optionnel slabbe qui peut être installé avec la commande sage -pip install slabbe. Ici, j'utilise le solveur SAT Glucose, développé au LaBRI. On peut installer glucose dans SageMath avec la commande sage -i glucose.

sage: from slabbe.aperiodic_monotile import MonotileSolver
sage: s = MonotileSolver(16, 17)
sage: G = s.draw_one_solution(solver='glucose')
sage: G.save('solution_16x17.png')
sage: G

Dans la manière de résoudre la question ci-haut, le problème est représenté par un problème de couverture exacte qui consiste à recouvrir exactement les entiers de 1 à n avec des sous-ensembles choisis dans une liste de sous-ensembles déterminés. Ici, on représente l'espace à recouvrir de manière discrète en comptant 6 points du plan par hexagone (un point pour chaque kite contenu dans un hexagone). Rappelons que la pièce Chapeau qui nous intéresse est formée d'une union d'exactement 8 de ces kites.

sage: s.plot_domain()

Ensuite, on construit une matrice de 0 et de 1 avec autant de colonnes que de points ci-haut (16 * 17 * 2 * 6 = 3264) et autant de lignes qu'il y a de copies isométriques de la pièce intersectant le domaine. Pour chaque copie de la pièce, une ligne dans la matrice contient des 1 exactement dans les colonnes associées aux kites occupés par la pièce.

sage: s.the_dlx_solver()
Dancing links solver for 3264 columns and 7116 rows

Le calcul ci-haut qui a construit la matrice (sparse) indique qu'il y a 7116 copies isométriques de la pièce qui intersectent (complètement ou partiellement) le domaine. Quand on voudra dessiner une solution, on ignorera les pièces incomplètes.

On peut maintenant résoudre le problème.

sage: s = MonotileSolver(8,8)
sage: %time L = s.one_solution()   # l'algo des liens dansants de Knuth est utilisé par défaut
CPU times: user 798 ms, sys: 32.2 ms, total: 830 ms
Wall time: 1min 20s

Le contenu d'une solution est une liste de nombres indiquant les lignes de la matrice de 0/1 à considérer pour former une solution. C'est-à-dire que la sous-matrice restreinte aux lignes données comporte exactement un 1 dans chaque colonne:

sage: L
[81,
 85,
 125,
 128,
 ...
 1772,
 1783,
 1794,
 1815]

Ici, il se trouve que les solveurs SAT sont plus efficaces que l'algo des liens dansants pour trouver une solution:

sage: %time L = s.one_solution(solver='glucose')
CPU times: user 326 ms, sys: 16.1 ms, total: 342 ms
Wall time: 526 ms
sage: %time L = s.one_solution(solver='kissat')
CPU times: user 335 ms, sys: 3.64 ms, total: 339 ms
Wall time: 461 ms

En effet, Glucose se comporte plutôt bien pour résoudre des problèmes de pavages du plan lorsqu'il existe une solution. Mais lorsqu'il n'y a pas de solution, l'algo des liens dansants de Knuth est parfois mieux. Aussi, l'algo des liens dansants de Knuth est très efficace pour énumérer toutes les solutions.

Le solveur Kissat a été ajouté dans SageMath par moi-même comme package optionnel cette année suite à une discussion avec Laurent Simon au café du LaBRI. On peut installer le solveur kissat dans SageMath avec la commande sage -i kissat.

Ici on extrait le contour des pièces d'une solution (tel que chaque arête est dessinée une seule fois afin d'éviter que la découpeuse laser passe deux fois par chaque arête ce qui peut endommager ou brûler le bord des pièces en bois) et on crée un fichier pdf ou svg. Je choisis une taille de 16 double-hexagones horizontalement et 17 verticalement, car cela crée un fichier qui correspond à une taille de 1m x 60cm. C'est la taille de la découpeuse laser à notre disposition:

sage: s = MonotileSolver(16, 17)
sage: tikz = s.one_solution_tikz(solver='glucose')
sage: tikz.pdf('solution_16x17.pdf')
sage: tikz.svg('solution_16x17.svg')     # or

Avec l'aide de David Renault, mon collègue du LaBRI qui enseigne à l'ENSEIRB et qui m'a déjà accompagné dans la réalisation de projets de découpe laser, nous avons découpé le fichier ci-haut le jeudi 27 avril au EirLab, l'atelier de fabrication numérique (FabLab) de l'ENSEIRB-MATMECA:

Comme toujours, il faut quelque peu modifier le fichier svg dans Inkscape avant de lancer la découpe laser. Voici le fichier modifié juste avant la découpe.

Maintenant, on peut s'amuser avec les pièces:

Avec mes garçons, nous avons trouvé une forme intéressante qui recouvre le plan périodiquement à l'exception d'un trou hexagonal. Il se trouve que la même forme peut-être créée de deux façons différentes: sur l'image ci-bas la forme à droite est la globalement la même, mais elle n'est pas obtenue de la même façon que celle en haut à gauche. Pourtant, toutes deux ont le même contour extérieur et le même trou hexagonal.

Cette observation, déjà faite par d'autres, a mené au recouvrement d'une sphère avec la pièce et un trou pentagonal: