В геометрии бипирамида , дипирамида или двойная пирамида — это многогранник , образованный путем слияния двух пирамид друг с другом по основанию . Поэтому многоугольное основание каждой пирамиды должно быть одинаковым, и, если не указано иное, вершины основания обычно копланарны , а бипирамида обычно симметрична , то есть две пирамиды являются зеркальными отражениями в их общей плоскости основания. Когда каждая вершина ( мн. вершины, вершины вне основания) бипирамиды находится на линии, перпендикулярной основанию и проходящей через ее центр, это правильная бипирамида; [a] в противном случае оно является косым . Если основанием является правильный многоугольник , бипирамиду также называют правильной .
Определение и свойства
Треугольная бипирамида, октаэдр и пятиугольная бипирамида.
Бипирамида — это многогранник, построенный путем слияния двух пирамид , имеющих одно и то же многоугольное основание ; [1] пирамида, в свою очередь, строится путем соединения каждой вершины ее основания с одной новой вершиной ( вершиной ), не лежащей в плоскости основания, для -угольного основания, образующего в дополнение к базовой грани треугольные грани. Таким образом, -угольная бипирамида имеет грани, ребра и вершины. [2]
Когда две пирамиды являются зеркальными отражениями, бипирамида называется симметричной . Он называется правильным, если его основанием является правильный многоугольник. [1] Если основанием является правильный многоугольник, а вершины лежат на перпендикуляре, проходящем через его центр ( правильная правая бипирамида ), то все его грани представляют собой равнобедренные треугольники ; иногда название бипирамида относится конкретно к симметричным правильным правым бипирамидам, [3] Примерами таких бипирамид являются треугольная бипирамида , октаэдр (квадратная бипирамида) и пятиугольная бипирамида . В случае, если все их ребра равны по длине, эти фигуры состоят из граней равностороннего треугольника , что делает их дельтаэдрами ; [4] [5] треугольная бипирамида и пятиугольная бипирамида являются телами Джонсона , а правильный октаэдр является платоновым телом . [6]
Октаэдр двойственен кубу.
Симметричные правильные правые бипирамиды обладают призматической симметрией , двугранной группой порядка : их внешний вид симметричен за счет вращения вокруг оси симметрии и отражения через плоскость зеркала. [7] Они являются двойственным многогранником призм , а призмы также являются двойственными бипирамидам: вершины бипирамид соответствуют граням призмы, а ребра между парами вершин одной соответствуют ребрам между парами граней призмы. другой, и наоборот; [8] призмы имеют ту же симметрию, что и бипирамиды. [9] Правильный октаэдр еще более симметричен, поскольку его базовые вершины и вершины неразличимы и могут меняться местами за счет отражений или вращений: октаэдр и двойственный ему куб обладают октаэдрической симметрией . [10]
В более общем смысле, правильная пирамида — это пирамида, вершины которой находятся на перпендикуляре, проходящем через центр тяжести произвольного многоугольника или центр тангенциального многоугольника , в зависимости от источника. [а] Точно так же правая бипирамида — это многогранник, построенный путем соединения двух симметричных оснований правой бипирамиды; бипирамиды, вершины которых не лежат на этой линии, называются косыми бипирамидами . [2]
Вогнутая бипирамида имеет основание вогнутого многоугольника , и одним из примеров является вогнутая тетрагональная бипирамида или неправильный вогнутый октаэдр. Бипирамиду с произвольным многоугольным основанием можно считать правой бипирамидой, если вершины находятся на линии, перпендикулярной основанию, проходящей через центр тяжести основания .
Асимметричные бипирамиды
Асимметричная бипирамида имеет вершины, которые не зеркально отражаются от базовой плоскости; для правой бипирамиды это происходит только в том случае, если каждая вершина находится на разном расстоянии от основания.
Правильная несимметричная правоn - угольная бипирамида имеет группу симметрии Cnv порядка 2n .
Бипирамиды разностороннего треугольника
Пример: дитетрагональная бипирамида ( 2 n = 2×4 )
Изотоксальная правая (симметричная) би- n -угольная бипирамида — это правая (симметричная) 2 n -угольная бипирамида с изотоксальным плоским многоугольным основанием: ее 2 n базальные вершины компланарны, но чередуются по двум радиусам .
Все его грани представляют собой равные разносторонние треугольники , и он равногранен . Его можно рассматривать как еще один тип правосимметричного двуугольного скаленоэдра с изотоксальным плоским многоугольным основанием.
Изотоксальная правая (симметричная) двуугольная бипирамида имеет n осей двукратного вращения через противоположные базальные вершины, n плоскостей отражения через противоположные апикальные ребра, n - ось вращения через вершины, плоскость отражения через основание и n -кратная ось вращения-отражения через вершины, [11] представляющая группу симметрии D n h , [ n ,2], (*22 n ) порядка 4 n . (Отражение от базовой плоскости соответствует отражению вращения на 0 ° . Если n четное, то существует инверсионная симметрия относительно центра, соответствующая отражению вращения на 180 ° .)
Пример с 2 n = 2×3 :
Изотоксальная правая (симметричная) дитригональная бипирамида имеет три одинаковые вертикальные плоскости симметрии, пересекающиеся по (вертикальной) оси вращения 3 -го порядка; перпендикулярно им — четвертая плоскость симметрии (горизонтальная); на пересечении трех вертикальных плоскостей с горизонтальной плоскостью находятся три одинаковые (горизонтальные) оси 2 -кратного вращения; нет центра инверсионной симметрии, [12] , но есть центр симметрии : точка пересечения четырех осей.
Пример с 2 n = 2×4 :
Изотоксальная правая (симметричная) дитетрагональная бипирамида имеет четыре вертикальные плоскости симметрии двух видов, пересекающиеся по (вертикальной) оси вращения 4 -го порядка; перпендикулярно им — пятая плоскость симметрии (горизонтальная); на пересечении четырех вертикальных плоскостей с горизонтальной плоскостью расположены четыре (горизонтальные) оси 2 -кратного вращения двух видов, каждая из которых перпендикулярна плоскости симметрии; две вертикальные плоскости делят пополам углы между двумя горизонтальными осями; и есть центр инверсионной симметрии. [13]
При не более чем двух частных значениях грани такого разностороннего треугольника-бипирамиды могут быть равнобедренными . [ нужна цитата ]
Двойной пример:
Бипирамида с изотоксальными вершинами основания 2×2 -угольника U, U', V, V' и правосимметричными вершинами A, A'.
имеет равнобедренные лица. Действительно:
Длина верхнего апикального края:
Длина базовой кромки:
Длина нижнего апикального края (равна длине верхнего края):
Бипирамида с теми же вершинами в основании, но с правосимметричными вершинами.
также имеет равнобедренные лица. Действительно:
Длина верхнего апикального края:
Длина базовой кромки (равна предыдущему примеру):
Длина нижнего апикального края (равна длине верхнего края):
Примеры ромбических бипирамид
В кристаллографии существуют изотоксальные правосторонние (симметричные) дидигональные [b] (8-гранные), дитригональные (12-гранные), дитетрагональные (16-гранные) и дигексагональные (24-гранные) бипирамиды. [11] [14]
Скаленоэдры
Пример: дитригональный скаленоэдр ( 2 n = 2×3 )
Скаленоэдр подобен бипирамиде ; разница в том, что скаленоэдры имеют зигзагообразный рисунок на средних гранях. [15]
Он имеет две вершины и 2 n базальных вершин, 4 n граней и 6 n ребер; топологически она идентична 2n - угольной бипирамиде , но ее 2n базальные вершины чередуются в двух кольцах выше и ниже центра. [14]
Все его грани представляют собой равные разносторонние треугольники , и он равногранен . Ее можно рассматривать как еще один тип правосимметричной двуугольной бипирамиды с основанием из правильного зигзагообразного перекошенного многоугольника.
Правильный правосимметричный двуугольный скаленоэдр имеет n осей двойного вращения через противоположные базальные средние ребра, n плоскостей отражения через противоположные вершинные ребра, n - ось вращения через вершины и 2 n -кратное вращение-отражение. оси через вершины (относительно которых 1 n вращений-отражений глобально сохраняют тело), [11] представляющих группу симметрии D n v = D n d , [2 + ,2 n ], (2* n ), порядка 4 n . (Если n нечетно, то существует инверсионная симметрия относительно центра, соответствующая вращению-отражению на 180 ° .)
Пример с 2 n = 2×3 :
Правильный правосимметричный дитригональный скаленоэдр имеет три одинаковые вертикальные плоскости симметрии, наклоненные друг к другу под углом 60° и пересекающиеся по (вертикальной) оси вращения 3 -го порядка, три аналогичные горизонтальные оси вращения 2 -го порядка, каждая из которых перпендикулярна плоскости симметрии. центр инверсионной симметрии [16] и вертикальная 6 -кратная ось вращения-отражения.
Пример с 2 n = 2×2 :
Правильный правосимметричный дидигональный скаленоэдр имеет только одну вертикальную и две горизонтальные оси вращения 2 -го порядка, две вертикальные плоскости симметрии, делящие пополам углы между горизонтальной парой осей, и вертикальную ось 4 -го вращения-отражения; [17] у него нет центра инверсионной симметрии.
Примеры дисфеноидов и 8 -гранного скаленоэдра.
При не более чем двух частных значениях грани такого лестничного эдра могут быть равнобедренными .
Двойной пример:
Скаленоэдр с правильным зигзагообразным скосом 2×2 -угольника в основании вершинами U, U', V, V' и правосимметричными вершинами A, A'.
имеет равнобедренные лица. Действительно:
Длина верхнего апикального края:
Длина базовой кромки:
Длина нижнего апикального края (равна замененной длине верхнего края):
Скаленоэдр с теми же вершинами в основании, но с правосимметричными вершинами.
также имеет равнобедренные лица. Действительно:
Длина верхнего апикального края:
Длина базовой кромки (равна предыдущему примеру):
Длина нижнего апикального края (равна замененной длине верхнего края):
В кристаллографии существуют правильные правосимметричные дидигональные ( 8 -гранные) и дитригональные ( 12 -гранные) скаленоэдры. [11] [14]
Наименьшие геометрические скаленоэдры имеют восемь граней и топологически идентичны правильному октаэдру . В этом случае ( 2 n = 2×2 ) в кристаллографии правильный правосимметричный дидигональный ( 8 -гранный) скаленоэдр называется тетрагональным скаленоэдром . [11] [14]
Остановимся временно на правильных правосимметричных 8 -гранных скаленоэдрах с h = r , т.е.
A, A',U, U', V, V'
z01
При z = 0 это правильный октаэдр; при z = 1 он имеет четыре пары копланарных граней, и объединение их в четыре конгруэнтных равнобедренных треугольника делает его дисфеноидом ; для z > 1 он вогнутый.
Если основание 2 n -угольника является одновременно изотоксальным входом-выходом и зигзагообразным скосом , то не все грани изотоксального правосимметричного скаленоэдра конгруэнтны.
Пример с пятью различными длинами кромок:
Скаленоэдр с изотоксальным зигзагообразным скосом внутрь-наружу, 2 × 2 -угольными базовыми вершинами U, U ', V, V' и правосимметричными вершинами A, A'.
имеет равные разносторонние верхние грани и равные разносторонние нижние грани, но не все его грани конгруэнтны. Действительно:
Длина верхнего апикального края:
Длина базовой кромки:
Длина нижнего апикального края:
Для некоторых конкретных значений z A = | z А' | Половины граней такого лестничного эдра могут быть равнобедренными или равносторонними .
Пример с тремя разными длинами кромок:
Скаленоэдр с изотоксальным зигзагообразным скосом внутрь-наружу, 2 × 2 -угольными базовыми вершинами U, U ', V, V' и правосимметричными вершинами A, A'.
имеет конгруэнтные неравносторонние верхние грани и конгруэнтные равносторонние нижние грани; таким образом, не все его грани конгруэнтны. Действительно:
EE – расстояние между соседними вершинами на экваторе (равное 1);
AE – длина ребра от вершины до экватора;
АА — расстояние между вершинами.
4-многогранник бипирамиды будет иметь вершины V A в местах пересечения вершин бипирамид N A. Он будет иметь вершины V E там, где встречаются вершины типа E бипирамид N E.
бипирамиды сходятся вдоль каждого ребра типа AE .
бипирамиды встречаются вдоль каждого ребра типа EE .
Ромб — это двумерный аналог правосимметричной бипирамиды.
Обобщенная n -мерная «бипирамида» — это любой n - многогранник , построенный из ( n − 1) -основания многогранника , лежащего в гиперплоскости , причем каждая вершина основания соединена ребром с двумя вершинами . Если ( n − 1) -многогранник является правильным многогранником и вершины равноудалены от его центра вдоль линии, перпендикулярной базовой гиперплоскости, он будет иметь одинаковые пирамидальные грани .
Двумерный аналог правосимметричной бипирамиды образуется путем соединения двух конгруэнтных равнобедренных треугольников по основаниям в ромб . В более общем смысле, воздушный змей — это двумерный аналог (возможно, асимметричной) правой бипирамиды, а любой четырехугольник — это двумерный аналог общей бипирамиды.
^ ab Центр правильного многоугольника однозначен, но источники неправильных многоугольников расходятся во мнениях. В некоторых источниках допускается, чтобы правильная пирамида имела в качестве основания только правильный многоугольник. Другие определяют правильную пирамиду как имеющую вершины на линии, перпендикулярной основанию и проходящей через ее центр тяжести . Пойа (1954) ограничивает правосторонние пирамиды пирамидами с тангенциальным многоугольником в основании, с вершинами на линии, перпендикулярной основанию и проходящей через центральную часть .
^ Наименьшие геометрические двуугольные бипирамиды имеют восемь граней и топологически идентичны правильному октаэдру . В этом случае ( 2 n = 2×2 ): изотоксальная правая (симметричная) дидигональная бипирамида называется ромбической бипирамидой , [11] [14] хотя все ее грани представляют собой разносторонние треугольники, поскольку ее плоское многоугольное основание представляет собой ромб.
^ Дано численно из-за более сложной формы.
^ Выпрямленные 16 ячеек — это обычные 24 ячейки, и все вершины эквивалентны — октаэдры представляют собой правильные бипирамиды.
Цитаты
^ аб Аартс, Дж. М. (2008). Плоская и объемная геометрия. Спрингер. п. 303. дои : 10.1007/978-0-387-78241-6. ISBN 978-0-387-78241-6.
^ аб Поля, Г. (1954). Математика и правдоподобные рассуждения: индукция и аналогия в математике. Издательство Принстонского университета. п. 138.
^ Флюссер, Ян; Сук, Томас; Зитофа, Барбара (2017). Анализ 2D и 3D изображений по моментам. Джон и сыновья Уайли. п. 126.
^ Сибли, Томас К. (2015). Мыслить геометрически: обзор геометрии. Математическая ассоциация Америки. п. 53.
^ Кинг, Роберт Б. (1994). «Многогранная динамика». В Бончеве Данаил Д.; Мекенян О.Г. (ред.). Теоретико-графовые подходы к химической реакционной способности . Спрингер. дои : 10.1007/978-94-011-1202-4. ISBN978-94-011-1202-4.
^ Армстронг, Массачусетс (1988). Группа и симметрия. Спрингер. п. 39. дои : 10.1007/978-1-4757-4034-9. ISBN978-1-4757-4034-9.
^ abcdef «Кристаллическая форма, зоны, кристаллическая привычка». Тулане.edu . Проверено 16 сентября 2017 г.
^ Спенсер 1911, 6. Шестиугольная система, ромбоэдрическое деление , класс дитригональных бипирамид, с. 581 (стр. 603 в Wikisource).
^ Спенсер 1911, 2. Теграгональная система, голосимметричный класс, рис. 46, с. 577 (стр. 599 в Wikisource).
^ abcde «48 особых кристаллических форм». 18 сентября 2013 года. Архивировано из оригинала 18 сентября 2013 года . Проверено 18 ноября 2020 г. .
^ Кляйн, Корнелис; Филпоттс, Энтони Р. (2013). Земные материалы: введение в минералогию и петрологию. Издательство Кембриджского университета. п. 108.
^ Спенсер 1911, 6. Шестиугольная система, ромбоэдрическое деление , голосимметричный класс, рис. 68, с. 580 (стр. 602 в Wikisource).
^ Спенсер 1911, с. 2. Тетрагональная система, скаленоэдрический класс, рис. 51, с. 577 (стр. 599 в Wikisource).
^ Рэнкин, Джон Р. (1988). «Классы многогранников, определяемые струйной графикой». Компьютеры и графика . 12 (2): 239–254. дои : 10.1016/0097-8493(88)90036-2.
Цитируемые работы
Энтони Пью (1976). Многогранники: визуальный подход . Калифорния: Издательство Калифорнийского университета в Беркли. ISBN 0-520-03056-7.Глава 4: Двойники архимедовых многогранников, призмы и антипризмы