Куб можно представить разными способами, одним из которых является граф, известный как кубический граф . Его можно построить, используя декартово произведение графов . Куб был обнаружен еще в древности. Платон , основатель платоновского твердого тела, связал его с природой земли . Она использовалась как часть Солнечной системы , предложенная Иоганном Кеплером . Его можно вывести по-другому, чтобы создать больше многогранников, и у него есть приложения для построения нового многогранника путем присоединения других. Его можно обобщить как тессеракт в четырехмерном пространстве.
Характеристики
Куб — это частный случай прямоугольного кубоида , у которого ребра равны по длине. [1] Как и другие кубоиды, каждая грань куба имеет четыре вершины, каждая из которых соединяется тремя конгруэнтными прямыми. Эти ребра образуют квадратные грани, в результате чего двугранный угол куба между каждыми двумя соседними квадратами является внутренним углом квадрата, равным 90 °. Следовательно, куб имеет шесть граней, двенадцать ребер и восемь вершин. [2] Из-за таких свойств его классифицируют как одно из пяти Платоновых тел — многогранника , в котором все правильные многоугольники конгруэнтны и в каждой вершине сходится одинаковое количество граней. [3]
Измерение и другие свойства метрик
Учитывая, что куб с длиной ребра . Диагональ грани куба — это диагональ квадрата , а пространственная диагональ куба — это линия, соединяющая две вершины, не находящиеся в одной грани, сформулированная как . Обе формулы можно определить с помощью теоремы Пифагора . Площадь поверхности куба в шесть раз превышает площадь квадрата: [4]
Объем кубоида — это произведение длины, ширины и высоты. Поскольку все ребра куба имеют одинаковую длину, это: [4]
Единичный куб — это особый случай, когда длина каждого ребра куба составляет 1 единицу. Площадь поверхности и объем единичного куба равны 1. [5] [6] Он обладает свойством Руперта , что означает, что многогранник того же или большего размера может пройти в отверстие единичного куба. Куб принца Руперта , названный в честь принца Руперта Рейнского , является самым большим кубом, который может поместиться внутри, его размер на 6% больше. [7]
Геометрическая задача удвоения куба , также известная как проблема Делоса , требует построения куба, объем которого в два раза превышает исходный, с использованием исключительно циркуля и линейки . Древние математики не могли решить эту старую задачу, пока французский математик Пьер Ванцель в 1837 году не доказал, что это невозможно. [8]
Отношение к сферам
При длине ребра вписанная сфера куба — это сфера, касающаяся граней куба в их центроидах с радиусом . Средняя сфера куба — это сфера, касающаяся ребер куба радиусом . Описанная сфера куба — это сфера, касающаяся вершин куба радиусом . [9]
Для куба, описанная сфера которого имеет радиус , и для данной точки в его трехмерном пространстве с расстояниями от восьми вершин куба, это: [10]
Симметрия
Куб обладает октаэдрической симметрией . Он состоит из отражательной симметрии , симметрии, возникающей при разрезании плоскости на две половины. Всего существует девять симметрий отражения: пять разрезают куб по серединам его ребер, а четыре — по диагонали. Он также состоит из вращательной симметрии , симметрии, возникающей за счет вращения вокруг оси, благодаря чему внешний вид взаимозаменяем. Он имеет октаэдрическую симметрию вращения : три оси проходят через центроид противоположных граней куба, шесть - через средние точки противоположных ребер куба и четыре - через противоположные вершины куба; каждая из этих осей имеет соответственно четырехкратную вращательную симметрию (0 °, 90 °, 180 ° и 270 °), двухкратную вращательную симметрию (0 ° и 180 °) и трехкратную вращательную симметрию (0 °, 120 °). ° и 240°). [11] [12] [13]
Двойственный многогранник может быть получен из каждой вершины многогранника, касающейся плоскости, с помощью процесса, известного как полярное возвратно-поступательное движение . [14] Одним из свойств двойственных многогранников обычно является то, что многогранник и его двойственный многогранник имеют общую трехмерную точечную группу симметрии . В этом случае двойственным многогранником кубу является правильный октаэдр , и оба этих многогранника имеют одинаковую симметрию — октаэдрическую симметрию. [15]
Куб является транзитивным по граням , то есть его два квадрата одинаковы и могут быть отображены путем вращения и отражения. [16] Он вершинно-транзитивен , то есть все его вершины эквивалентны и могут быть отображены изометрически в соответствии с его симметрией. [17] Он также транзитивен по ребрам , что означает, что одни и те же грани окружают каждую из его вершин в одинаковом или обратном порядке, все две соседние грани имеют одинаковый двугранный угол . Следовательно, куб является правильным многогранником, поскольку он требует этих свойств. [18]
Классификации
Куб является особым случаем среди всех кубоидов . Как упоминалось выше, куб можно представить в виде прямоугольного кубоида с равными длинами ребер и всеми гранями, состоящими из квадратов. [1] Куб можно рассматривать как параллелепипед , в котором все его ребра равны. [19]
Куб — это плезиоэдр , особый вид заполняющего пространство многогранника, который можно определить как ячейку Вороного симметричного множества Делоне . [20] Плезиоэдры включают параллелоэдры , которые можно перемещать без вращения, чтобы заполнить пространство, называемое сотами , в котором каждая грань любой из его копий прикреплена к аналогичной грани другой копии. Существует пять видов параллелоэдров, один из которых — кубовидный. [21] Каждый трехмерный параллелоэдр является зоноэдром , центрально-симметричным многогранником, грани которого представляют собой центрально-симметричные многоугольники , [22]
Строительство
Простейший способ построить куб — использовать сетку . Сеть — это совокупность многоугольников, соединяющих края, образующих многогранник путем соединения по краям этих многоугольников. Здесь имеется одиннадцать различных сеток кубов. [23]
В аналитической геометрии куб может быть построен с использованием декартовых систем координат . Для куба с центром в начале координат, краями, параллельными осям, и длиной ребра, равной 2, декартовы координаты вершин равны . [24] Его внутренняя часть состоит из всех точек с для всех . Поверхность куба с длиной центра и ребра равна геометрическому месту всех точек таких, что
По теореме Стейница граф можно представить как остов многогранника; грубо говоря, каркас многогранника. Такой граф имеет два свойства. Он плоский , то есть ребра графа соединены с каждой вершиной, не пересекая другие ребра. Это также 3-связный граф , что означает, что всякий раз, когда в графе более трех вершин и две вершины удалены, ребра остаются связанными. [26] [27] Скелет куба можно представить в виде графа, и его называют кубическим графом , платоновым графом . У него такое же количество вершин и ребер, как у куба: двенадцать вершин и восемь ребер. [28]
Кубический граф является частным случаем графа гиперкуба или -куба , обозначаемого как , поскольку его можно построить с помощью операции, известной как декартово произведение графов . Проще говоря, его конструкция включает в себя два графа, соединяющие пару вершин с ребром, чтобы сформировать новый граф. [29] В случае кубического графа это произведение двух ; грубо говоря, это график, напоминающий квадрат. Другими словами, кубический граф строится путем соединения каждой вершины двух квадратов ребром. Условно кубический граф можно обозначить как . [30] Это график единичных расстояний . [31]
Как и другие графы кубоидов, кубический граф также классифицируется как призменный граф . [32]
В ортогональной проекции
Объект, освещенный параллельными лучами света, отбрасывает тень на плоскость, перпендикулярную этим лучам, называемую ортогональной проекцией . Многогранник считается эквипроективным , если для некоторого положения света его ортогональная проекция представляет собой правильный многоугольник. Куб эквипроективен, потому что, если свет параллелен одной из четырех линий, соединяющих вершину с противоположной вершиной, его проекция представляет собой правильный шестиугольник . Условно куб 6-эквипроективен. [33]
В качестве матрицы конфигурации
Куб можно представить в виде матрицы конфигурации . Матрица конфигурации — это матрица , в которой строки и столбцы соответствуют элементам многогранника, таким как вершины, ребра и грани. Диагональ матрицы обозначает количество каждого элемента, который появляется в многограннике, тогда как недиагональ матрицы обозначает количество элементов столбца, которые встречаются в элементе строки или рядом с ним . Как упоминалось выше, куб имеет восемь вершин, двенадцать ребер и шесть граней; каждый элемент диагонали матрицы обозначается цифрами 8, 12 и 6. Первый столбец средней строки указывает, что на каждом ребре (т. е. на крайних точках) есть две вершины, обозначенные цифрой 2; средний столбец первой строки указывает, что в каждой вершине сходятся три ребра, обозначенные цифрой 3. Следующая матрица: [34]
Появления
В древности
Платоново тело – это набор многогранников, известный с античности. Он был назван в честь Платона в его диалоге «Тимей» , который приписывал эти твердые тела природе. Один из них, куб, представлял классический элемент земли из-за его устойчивости . [35] «Элементы » Евклида определили Платоновы тела, включая куб, и использовали эти тела для решения задачи, связанной с нахождением отношения диаметра описанной сферы к длине ребра. [36]
Куб может выступать в конструкции многогранника, а некоторые его виды могут быть выведены по-разному в следующем:
При огранке куба, то есть удалении части многоугольных граней без создания новых вершин куба, результирующим многогранником является звездчатый октаэдр . [38]
Каждую вершину куба можно обрезать , и полученный многогранник представляет собой архимедово тело , усеченный куб . [41] Когда его края усечены, это ромбокубооктаэдр . [42] Соответственно, ромбокубооктаэдр также можно построить, разделив грани куба и затем разложив его, после чего между ними добавляются другие треугольные и квадратные грани; это известно как «расширенный куб». Аналогично его можно построить и на основе двойственного кубу правильного октаэдра. [43]
Курносый куб — это архимедово тело, которое можно построить, отделив грань квадрата куба и заполнив их промежутки равносторонними треугольниками с закрученными углами; этот процесс известен как курносый . [44]
Поликуб – это многогранник, в котором соединены грани множества кубов. Аналогично его можно интерпретировать как полимино в трехмерном пространстве. [47] Когда четыре куба сложены вертикально, а остальные четыре прикреплены ко второму сверху кубу стопки, в результате получается поликуб — крест Дали , в честь Сальвадора Дали . Крест Дали представляет собой многогранник тайлового пространства, [48] [49] который можно представить как сеть тессеракта . Тессеракт — это четырехмерное пространство, аналогичное кубу , ограниченное двадцатью четырьмя квадратами и восемью кубами, известными как его ячейки . [50]
Ссылки
^ аб Миллс, Стив; Кольф, Хиллари (1999). Математический словарь. Хайнеманн. п. 16. ISBN 978-0-435-02474-1.
^ Джонсон, Норман В. (1966). «Выпуклые многогранники с правильными гранями». Канадский математический журнал . 18 : 169–200. дои : 10.4153/cjm-1966-021-8 . MR 0185507. S2CID 122006114. Збл 0132.14603.См. таблицу II, строка 3.
^ Херрманн, Дайан Л.; Салли, Пол Дж. (2013). Число, форма и симметрия: введение в теорию чисел, геометрию и теорию групп. Тейлор и Фрэнсис. п. 252. ИСБН978-1-4665-5464-1.
^ Геометрия: мастера переобучения . Холт Райнхарт и Уинстон. 2001. с. 74. ИСБН9780030543289.
^ Шрираман, Бхарат (2009). «Математика и литература (продолжение): воображение как путь к передовым математическим идеям и философии». В Шрирамане, Бхарат; Фрейман, Виктор; Лиретт-Питр, Николь (ред.). Междисциплинарность, творчество и обучение: математика с литературой, парадоксами, историей, технологиями и моделированием . Энтузиаст математики из Монтаны: серия монографий по математическому образованию. Том. 7. Information Age Publishing, Inc., стр. 41–54. ISBN9781607521013.
^ Лютцен, Йеспер (2010). «Алгебра геометрической невозможности: Декарт и Монтукла о невозможности удвоения куба и трисекции угла». Центавр . 52 (1): 4–37. дои : 10.1111/j.1600-0498.2009.00160.x.
^ Коксетер (1973) Таблица I (i), стр. 292–293. См. столбцы с пометками , и , обозначения Коксетера для радиуса описанной окружности, среднего радиуса и внутреннего радиуса соответственно, также отметив, что Коксетер использует в качестве длины ребра (см. стр. 2).
^ Сенешаль, Марджори (1989). «Краткое введение в тайлинги». В Яриче, Марко (ред.). Введение в математику квазикристаллов . Академическая пресса . п. 12.
^ Эрдал, РМ (1999). «Зонотопы, кубики и гипотеза Вороного о параллелоэдрах». Европейский журнал комбинаторики . 20 (6): 527–549. дои : 10.1006/eujc.1999.0294 . МР 1703597.. Вороной предположил, что все разбиения пространств более высоких размерностей сдвигами одного выпуклого многогранника комбинаторно эквивалентны разбиениям Вороного, и Эрдал доказывает это в частном случае зонотопов . Но, как он пишет (стр. 429), гипотеза Вороного для размерностей не более четырех была доказана уже Делоне. О классификации трехмерных параллелоэдров на эти пять типов см. Grünbaum, Branko ; Шепард, GC (1980). «Плитки с одинаковыми плитками». Бюллетень Американского математического общества . Новая серия. 3 (3): 951–973. дои : 10.1090/S0273-0979-1980-14827-2 . МР 0585178.
^ Однако в более высоких измерениях существуют параллелопы, которые не являются зонотопами. См., например, Шепард, GC (1974). «Зонотопы, заполняющие пространство». Математика . 21 (2): 261–269. дои : 10.1112/S0025579300008652. МР 0365332.
^ Чон, Кёнсун (2009). «Математика прячется в сетях за КУБОМ». Обучение детей математике . 15 (7): 394–399. дои : 10.5951/TCM.15.7.0394. JSTOR 41199313.
^ Козачок, Марина (2012). «Совершенные призматоиды и гипотеза о числах граней центрально-симметричных многогранников». Ярославская международная конференция «Дискретная геометрия», посвященная 100-летию А.Д.Александрова (Ярославль, 13-18 августа 2012 г.) (PDF) . Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова, Международная лаборатория Б.Н. Делоне. стр. 46–49.
^ Рудольф, Майкл (2022). Математика конечных сетей: введение в теорию операторных графов. Издательство Кембриджского университета . п. 25. doi : 10.1007/9781316466919 (неактивен 17 июля 2024 г.). ISBN9781316466919.{{cite book}}: CS1 maint: DOI inactive as of July 2024 (link)
^ Харари, Ф .; Хейс, JP; Ву, Х.-Дж. (1988). «Обзор теории графов гиперкубов». Компьютеры и математика с приложениями . 15 (4): 277–289. дои : 10.1016/0898-1221(88)90213-1. hdl : 2027.42/27522 .
^ Чартран, Гэри; Чжан, Пин (2012). Первый курс теории графов. Дуврские публикации . п. 25.
^ Ливио, Марио (2003) [2002]. Золотое сечение: история Фи, самого удивительного числа в мире (1-е издание в мягкой обложке). Нью-Йорк: Broadway Books . п. 147. ИСБН978-0-7679-0816-0.
^ Инчбальд, Гай (2006). «Диаграммы фасетирования». Математический вестник . 90 (518): 253–261. дои : 10.1017/S0025557200179653. JSTOR 40378613.
^ Слободан, Мишич; Обрадович, Мария; Джуканович, Гордана (2015). «Композитные вогнутые купола как геометрические и архитектурные формы» (PDF) . Журнал геометрии и графики . 19 (1): 79–91.
^ Раджваде, Арканзас (2001). Выпуклые многогранники с условиями регулярности и третья проблема Гильберта. Тексты и чтения по математике. Книжное агентство Индостан. п. 84–89. дои : 10.1007/978-93-86279-06-4. ISBN978-93-86279-06-4.
^ Кромвель (1997), стр. 81–82.
^ Линти, Г. (2013). «Катенированные соединения - Группа 13 [Al, Ga, In, Tl]». В Ридейке, Дж.; Поппельммайер, К. (ред.). Комплексная неорганическая химия II: от элементов к приложениям. Ньюнес. п. 41. ИСБН978-0-08-096529-1.
^ Виана, Вера; Ксавье, Жоау Педро; Айрес, Ана Паула; Кампос, Хелена (2019). «Интерактивное разложение ахиральных многогранников». В Коккьярелле, Луиджи (ред.). ICGG 2018 — Материалы 18-й Международной конференции по геометрии и графике, посвященной 40-летию — Милан, Италия, 3-7 августа 2018 г. Достижения в области интеллектуальных систем и вычислений. Том. 809. Спрингер. п. 1123. дои : 10.1007/978-3-319-95588-9. ISBN978-3-319-95587-2.См. рис. 6.
^ Барнс, Джон (2012). Жемчужины геометрии (2-е изд.). Спрингер. п. 82. дои : 10.1007/978-3-642-30964-9. ISBN978-3-642-30964-9.
^ Ланнон, WF (1972). «Симметрия кубических и общих полимино». В Риде, Рональд К. (ред.). Теория графов и вычисления. Нью-Йорк: Академическая пресса . стр. 101–108. ISBN978-1-48325-512-5.