stringtranslate.com

Однородный многогранник

В геометрии однородный многогранник размерности три или выше — это вершинно-транзитивный многогранник, ограниченный однородными гранями . Здесь «вершинно-транзитивный» означает, что он имеет симметрии, переводящие каждую вершину в каждую другую вершину; то же самое должно быть верно и для каждой грани многогранника меньшей размерности. В двух измерениях (и для двумерных граней многогранников большей размерности) используется более сильное определение: только правильные многоугольники считаются однородными, что запрещает многоугольники, которые чередуются между двумя различными длинами ребер.

Это обобщение более старой категории полуправильных многогранников , но также включает в себя правильные многогранники . Кроме того, разрешены звездные правильные грани и вершинные фигуры ( звездные многоугольники ), что значительно расширяет возможные решения. Строгое определение требует, чтобы однородные многогранники были конечными, в то время как более обширное определение позволяет считать однородные соты (двумерные мозаики и соты более высокой размерности ) евклидова и гиперболического пространства также многогранниками.

Операции

Почти каждый однородный многогранник может быть сгенерирован конструкцией Витхоффа и представлен диаграммой Коксетера . Известные исключения включают большой дирромбоикосододекаэдр в трех измерениях и большую антипризму в четырех измерениях.

Эквивалентно, многогранники Витхоффа могут быть получены путем применения базовых операций к правильным многогранникам в этом измерении. Этот подход был впервые использован Иоганном Кеплером и является основой нотации многогранников Конвея .

Операторы ректификации

Правильные n-многогранники имеют n порядков спрямления . Нулевое спрямление является исходной формой. ( n −1)-е спрямление является двойственным . Спрямление сводит ребра к вершинам, биспрямление сводит грани к вершинам, триспрямление сводит ячейки к вершинам, квадриспрямление сводит 4-грани к вершинам, квинтириктивление сводит 5-грани к вершинам и т. д.

Для представления выпрямленных форм можно использовать расширенный символ Шлефли с одним нижним индексом:

Операторы усечения

Операции усечения, которые можно применять к правильным n -многогранникам в любой комбинации. Полученная диаграмма Коксетера имеет два кольцевых узла, а операция названа по расстоянию между ними. Усечение разрезает вершины, кантелляция разрезает ребра, ранцинация разрезает грани, стерификация разрезает ячейки. Каждая более высокая операция также разрезает и более низкие, поэтому кантелляция также разрезает вершины.

  1. t 0,1 или t : Усечение — применяется к многоугольникам и выше. Усечение удаляет вершины и вставляет новую грань на место каждой прежней вершины. Грани усекаются, удваивая свои ребра. (Термин, придуманный Кеплером , происходит от латинского truncare 'отрезать'.)
    • Существуют также более высокие усечения: битрукция t 1,2 или 2t , тритрукция t 2,3 или 3t , квадритрукция t 3,4 или 4t , квинтитрукция t 4,5 или 5t и т. д.
  2. t 0,2 или rr : Кантелляция — применяется к многогранникам и выше. Ее можно рассматривать как выпрямление ее выпрямления . Кантелляция усекает как вершины, так и ребра и заменяет их новыми гранями. Ячейки заменяются топологически расширенными копиями самих себя. (Термин, придуманный Джонсоном, происходит от глагола cant , как bevel , что означает резать наклонной гранью.)
    • Существуют также более высокие кантеллляции: бикантеллляция t 1,3 или r2r , трикантеллляция t 2,4 или r3r , квадрикантеллляция t 3,5 или r4r и т. д.
    • t 0,1,2 или tr : Кантитрункация — применяется к многогранникам и выше. Ее можно рассматривать как усечение ее ректификации . Кантитрункация усекает как вершины, так и ребра и заменяет их новыми гранями. Ячейки заменяются топологически расширенными копиями самих себя. (Составной термин объединяет кантелляцию и усечение)
      • Существуют также более высокие кантелляции: бикантитрукция t 1,2,3 или t2r , трикантитрукция t 2,3,4 или t3r , квадрантитрукция t 3,4,5 или t4r и т. д.
  3. t 0,3 : Runcination — применяется к однородному 4-многограннику и выше. Runcination усекает вершины, ребра и грани, заменяя каждую из них новыми гранями. 4-грани заменяются топологически расширенными копиями самих себя. (Термин, придуманный Джонсоном, происходит от латинского runcina ' плоскость плотника '.)
    • Существуют также более высокие рунцинации: бирунцинация t 1,4 , трирунцинация t 2,5 и т. д.
  4. t 0,4 или 2r2r : Стерификация — применяется к однородным 5-многогранникам и выше. Ее можно рассматривать как двойное выпрямление ее двойного выпрямления. Стерификация усекает вершины, ребра, грани и ячейки, заменяя каждую из них новыми гранями. 5-грани заменяются топологически расширенными копиями самих себя. (Термин, придуманный Джонсоном, происходит от греческого stereos — «твердый».)
    • Существуют также более высокие стерификации: бистерификация t 1,5 или 2r3r , тристеризация t 2,6 или 2r4r и т. д.
    • t 0,2,4 или 2t2r : Стерикантеллирование - применяется к однородным 5-многогранникам и выше. Его можно рассматривать как бит-усечение его биректификации.
      • Существуют также более высокие степени стерификации: бистерикантеллация t 1,3,5 или 2t3r , тристерикантеллация t 2,4,6 или 2t4r и т. д.
  5. t 0,5 : Пентелляция — применяется к однородным 6-многогранникам и выше. Пентелляция усекает вершины, ребра, грани, ячейки и 4-грани, заменяя каждую из них новыми гранями. 6-грани заменяются топологически расширенными копиями самих себя. (Пентелляция происходит от греческого pente 'пять'.)
    • Существуют также более высокие пентелляции: бипентелляция t 1,6 , трипентелляция t 2,7 и т. д.
  6. t 0,6 или 3r3r : Гексификация — применяется к однородным 7-многогранникам и выше. Ее можно рассматривать как триректификацию ее триректификации. Гексификация усекает вершины, ребра, грани, ячейки, 4-грани и 5-грани, заменяя каждую новыми гранями. 7-грани заменяются топологически расширенными копиями самих себя. (Гексификация происходит от греческого hex 'шесть'.)
    • Существуют также более высокие гексагональные связи: бигексагональная связь : t 1,7 или 3r4r , тригексагональная связь : t 2,8 или 3r5r и т. д.
    • t 0,3,6 или 3t3r : Hexiruncinated - применяется к однородным 7-многогранникам и выше. Его можно рассматривать как три-усечение его три-ректификации.
      • Существуют также более высокие гексагональные цепочки: бигексагональные : t 1,4,7 или 3t4r , тригексагональные : t 2,5,8 или 3t5r и т. д.
  7. t 0,7 : Гептеллирование — применяется к однородным 8-многогранникам и выше. Гептеллирование усекает вершины, ребра, грани, ячейки, 4-грани, 5-грани и 6-грани, заменяя каждую новыми гранями. 8-грани заменяются топологически расширенными копиями самих себя. (Гептеллирование происходит от греческого hepta 'семь'.)
    • Существуют также более высокие гептелляции: бигептелляция t 1,8 , тригептелляция t 2,9 и т. д.
  8. t 0,8 или 4r4r : Октелляция — применяется к однородным 9-мерным многогранникам и выше.
  9. t 0,9 : Эннекация — применяется к однородным 10-мерным многогранникам и выше.

Кроме того, могут быть выполнены комбинации усечений, которые также генерируют новые однородные многогранники. Например, runcitruncation — это runcination и truncation, применяемые вместе.

Если все усечения применяются одновременно, операцию можно в более общем смысле назвать омни-усечением .

Чередование

Чередование усеченного кубооктаэдра дает плосконосый куб .

Одна специальная операция, называемая чередованием , удаляет чередующиеся вершины из многогранника, имеющего только четные грани. Чередующийся всеусеченный многогранник называется снубом .

Полученные многогранники всегда могут быть построены и, как правило, не являются отражающими, а также, как правило, не имеют однородных многогранных решений.

Набор многогранников, образованных чередованием гиперкубов , известен как полукубы . В трех измерениях это дает тетраэдр ; в четырех измерениях это дает 16-ячейковый или полутессеракт .

Вершинная фигура

Однородные многогранники могут быть построены из их вершинной фигуры , расположения ребер, граней, ячеек и т. д. вокруг каждой вершины. Однородные многогранники, представленные диаграммой Коксетера , маркирующей активные зеркала кольцами, обладают отражательной симметрией и могут быть просто построены рекурсивными отражениями вершинной фигуры.

Меньшее число нерефлективных однородных многогранников имеют одну вершинную фигуру, но не повторяются простыми отражениями. Большинство из них можно представить с помощью операций, подобных чередованию других однородных многогранников.

Вершинные фигуры для однокольцевых диаграмм Коксетера могут быть построены из диаграммы путем удаления кольцевого узла и кольцевания соседних узлов. Такие вершинные фигуры сами по себе являются вершинно-транзитивными.

Многокольцевые многогранники могут быть построены с помощью немного более сложного процесса построения, и их топология не является однородным многогранником. Например, вершинная фигура усеченного правильного многогранника (с 2 кольцами) является пирамидой. Всеусеченный многогранник (все узлы окольцованы) всегда будет иметь неправильный симплекс в качестве своей вершинной фигуры.

Радиус окружности

Однородные многогранники имеют равные длины ребер, а все вершины находятся на одинаковом расстоянии от центра, называемом радиусом описанной окружности .

Однородные многогранники, радиус описанной окружности которых равен длине ребра, могут использоваться в качестве вершинных фигур для однородных сот . Например, правильный шестиугольник делится на 6 равносторонних треугольников и является вершинной фигурой для правильной треугольной мозаики . Также кубооктаэдр делится на 8 правильных тетраэдров и 6 квадратных пирамид ( полуоктаэдр ), и является вершинной фигурой для чередующихся кубических сот .

Однородные многогранники по размерности

Полезно классифицировать однородные многогранники по размерности. Это эквивалентно числу узлов на диаграмме Коксетера или числу гиперплоскостей в конструкции Витхоффа. Поскольку ( n +1)-мерные многогранники являются мозаиками n -мерного сферического пространства, мозаики n -мерного евклидова и гиперболического пространства также считаются ( n +1)-мерными. Следовательно, мозаики двумерного пространства группируются с трехмерными телами.

Одно измерение

Единственный одномерный многогранник — это отрезок прямой. Он соответствует семейству Коксетера A 1 .

Два измерения

В двух измерениях существует бесконечное семейство выпуклых однородных многогранников, правильных многоугольников , простейшим из которых является равносторонний треугольник . Усеченные правильные многоугольники становятся двухцветными геометрически квазиправильными многоугольниками с удвоенным числом сторон, t{p}={2p}. Первые несколько правильных многоугольников (и квазиправильных форм) показаны ниже:

Существует также бесконечное множество звездчатых многоугольников (по одному на каждое рациональное число больше 2), но они невыпуклые. Простейшим примером является пентаграмма , которая соответствует рациональному числу 5/2. Правильные звездчатые многоугольники {p/q} можно усечь до полуправильных звездчатых многоугольников, t{p/q}=t{2p/q}, но они становятся двойными покрытиями, если q четное. Усечение также можно сделать с помощью многоугольника обратной ориентации t{p/(pq)}={2p/(pq)}, например t{5/3}={10/3}.

Правильные многоугольники, представленные символом Шлефли {p} для p-угольника. Правильные многоугольники являются самодвойственными, поэтому ректификация даёт тот же самый многоугольник. Операция равномерного усечения удваивает стороны до {2p}. Операция усечения, чередующая усечение, восстанавливает исходный многоугольник {p}. Таким образом, все однородные многоугольники также являются правильными. Следующие операции могут быть выполнены над правильными многоугольниками для получения однородных многоугольников, которые также являются правильными многоугольниками:

Три измерения

В трех измерениях ситуация становится интереснее. Существует пять выпуклых правильных многогранников, известных как Платоновы тела :

В дополнение к ним существует также 13 полуправильных многогранников, или архимедовых тел , которые можно получить с помощью построений Витхоффа или путем выполнения таких операций, как усечение, над платоновыми телами, как показано в следующей таблице:

Существует также бесконечное множество призм , по одной для каждого правильного многоугольника, и соответствующее множество антипризм .

Однородные звездчатые многогранники включают еще 4 правильных звездчатых многогранника, многогранники Кеплера-Пуансо , и 53 полуправильных звездчатых многогранника. Также существуют два бесконечных набора, звездчатые призмы (по одному для каждого звездчатого многоугольника) и звездчатые антипризмы (по одному для каждого рационального числа, большего 3/2).

Конструкции

Однородные многогранники и мозаики Витхоффа можно определить с помощью их символа Витхоффа , который определяет фундаментальную область объекта. Расширение нотации Шлефли , также используемое Коксетером , применяется ко всем измерениям; оно состоит из буквы «t», за которой следует ряд подстрочных чисел, соответствующих окольцованным узлам диаграммы Коксетера , а затем символ Шлефли правильного затравочного многогранника. Например, усеченный октаэдр представлен с помощью нотации: t 0,1 {3,4}.

Четыре измерения

В четырех измерениях имеется 6 выпуклых правильных 4-многогранников , 17 призм на Платоновых и Архимедовых телах (исключая кубическую призму, которая уже была подсчитана как тессеракт ) , и два бесконечных множества: призмы на выпуклых антипризмах и дуопризмы . Имеется также 41 выпуклый полуправильный 4-многогранник, включая не-Витхоффову большую антипризму и плосконосый 24-ячейник . Оба этих специальных 4-многогранника состоят из подгрупп вершин 600-ячейника .

Четырехмерные однородные звездчатые многогранники не все были перечислены. Те, которые были перечислены, включают 10 правильных звездчатых (Шлефли-Гесс) 4-многогранников и 57 призм на однородных звездчатых многогранниках, а также три бесконечных семейства: призмы на звездчатых антипризмах, дуопризмы, образованные путем умножения двух звездчатых многоугольников, и дуопризмы, образованные путем умножения обычного многоугольника на звездчатый многоугольник. Существует неизвестное количество 4-многогранников, которые не вписываются в вышеуказанные категории; на данный момент обнаружено более тысячи.

Пример тетраэдра в кубической сотовой ячейке.
Есть 3 прямых двугранных угла (2 пересекающихся перпендикулярных зеркала):
ребра 1 к 2, 0 к 2 и 1 к 3.
Сводная таблица операций усечения

Каждый правильный многогранник можно рассматривать как изображения фундаментальной области в небольшом количестве зеркал. В 4-мерном многограннике (или 3-мерных кубических сотах) фундаментальная область ограничена четырьмя зеркалами. Зеркало в 4-мерном пространстве является трехмерной гиперплоскостью , но для наших целей удобнее рассматривать только ее двумерное пересечение с трехмерной поверхностью гиперсферы ; таким образом, зеркала образуют неправильный тетраэдр .

Каждый из шестнадцати правильных 4-мерных многогранников порождается одной из четырех групп симметрии следующим образом:

(Группы названы в нотации Коксетера .)

Восемь выпуклых однородных сот в евклидовом 3-пространстве аналогичным образом генерируются из кубических сот {4,3,4} путем применения тех же операций, которые использовались для генерации однородных 4-мерных многогранников Витхоффа.

Для данного симметрийного симплекса порождающая точка может быть размещена на любой из четырех вершин, 6 ребер, 4 граней или внутреннего объема. На каждом из этих 15 элементов есть точка, образы которой, отраженные в четырех зеркалах, являются вершинами однородного 4-политопа.

Расширенные символы Шлефли создаются с помощью t , за которым следует включение от одного до четырех нижних индексов 0,1,2,3. Если есть один нижний индекс, то генерирующая точка находится на углу фундаментальной области, т.е. в точке, где встречаются три зеркала. Эти углы обозначаются как

(Для двух самодвойственных 4-мерных многогранников «двойственный» означает аналогичный 4-мерный многогранник в двойственном положении.) Два или более нижних индекса означают, что порождающая точка находится между указанными углами.

Конструктивное резюме

Ниже приведены 15 конструктивных форм по семействам. Самодвойственные семейства перечислены в одном столбце, а другие — в двух столбцах с общими записями на симметричных диаграммах Коксетера . Последняя 10-я строка содержит плосконосые конструкции из 24 ячеек. Сюда входят все непризматические однородные 4-многогранники, за исключением не-Витхоффовой большой антипризмы , у которой нет семейства Коксетера.

Усеченные формы

В следующей таблице определены 15 форм усечения. Каждая форма может иметь от одного до четырех типов ячеек, расположенных в позициях 0,1,2,3, как определено выше. Ячейки помечены полиэдральной нотацией усечения.

Полуформы

Существуют половинные конструкции с дырками, а не с кольцевыми узлами. Ветви, соседствующие с дырками и неактивными узлами, должны быть четного порядка. Половинные конструкции имеют вершины идентично кольцевой конструкции.

Пять и более измерений

В пяти и более измерениях существует 3 правильных многогранника: гиперкуб , симплекс и кросс-политоп . Они являются обобщениями трехмерного куба, тетраэдра и октаэдра соответственно. В этих измерениях нет правильных звездчатых многогранников. Большинство однородных многогранников более высокой размерности получаются путем модификации правильных многогранников или путем взятия декартова произведения многогранников более низких размерностей.

В шести, семи и восьми измерениях в игру вступают исключительные простые группы Ли E 6 , E 7 и E 8 . Размещая кольца на ненулевом числе узлов диаграмм Коксетера , можно получить 39 новых 6-многогранников, 127 новых 7-многогранников и 255 новых 8-многогранников. Ярким примером является многогранник 4 21 .

Равномерные соты

С темой конечных однородных многогранников связаны однородные соты в евклидовых и гиперболических пространствах. Евклидовы однородные соты генерируются аффинными группами Коксетера , а гиперболические соты генерируются гиперболическими группами Коксетера . Две аффинные группы Коксетера можно умножать друг на друга.

Существует два класса гиперболических групп Коксетера: компактные и паракомпактные. Однородные соты, порожденные компактными группами, имеют конечные грани и вершинные фигуры и существуют в измерениях от 2 до 4. Паракомпактные группы имеют аффинные или гиперболические подграфы и бесконечные грани или вершинные фигуры и существуют в измерениях от 2 до 10.

Смотрите также

Ссылки

Внешние ссылки