В геометрии октаэдр ( мн. ч . октаэдры или октаэдры ) — многогранник с восемью гранями. Особым случаем является правильный октаэдр , Платоново тело , состоящее из восьми равносторонних треугольников , четыре из которых встречаются в каждой вершине. Правильные октаэдры встречаются в природе в виде кристаллических структур. Также существует множество типов неправильных октаэдров, включая как выпуклые , так и невыпуклые формы.
Правильный октаэдр — это трехмерный случай более общей концепции кросс-политопа .
Правильный октаэдр — это октаэдр, который является правильным многогранником . Все грани правильного октаэдра — равносторонние треугольники одинакового размера, и в каждой вершине сходятся ровно четыре треугольника. Правильный октаэдр является выпуклым, что означает, что для любых двух точек внутри него отрезок прямой , соединяющий их, полностью лежит внутри него.
Это один из восьми выпуклых дельтаэдров , потому что все его грани — равносторонние треугольники . [1] Это составной многогранник, образованный путем присоединения двух равносторонних квадратных пирамид . [2] [3] Его двойственный многогранник — куб , и они имеют одну и ту же трехмерную группу симметрии — октаэдрическую симметрию . [3]
Правильный октаэдр — одно из Платоновых тел , набор многогранников, грани которых являются конгруэнтными правильными многоугольниками , и одинаковое количество граней сходится в каждой вершине. [4] Этот древний набор многогранников был назван в честь Платона , который в своем диалоге « Тимей» связал эти тела с природой. Одно из них, правильный октаэдр, представляло классический элемент ветра . [5]
После того, как Платон приписал его природе, Иоганн Кеплер в своей книге Harmonices Mundi набросал каждое из Платоновых тел. [5] В своей книге Mysterium Cosmographicum Кеплер также предложил Солнечную систему , используя Платоновы тела, помещая их в другое и разделяя их шестью сферами, напоминающими шесть планет. Упорядоченные тела начинались от самых внутренних к самым внешним: правильный октаэдр, правильный икосаэдр , правильный додекаэдр , правильный тетраэдр и куб . [6]
Многие октаэдры, представляющие интерес, являются квадратными бипирамидами . [7] Квадратная бипирамида — это бипирамида, построенная путем присоединения двух квадратных пирамид основаниями друг к другу. Эти пирамиды покрывают свои квадратные основания, поэтому полученный многогранник имеет восемь треугольных граней. [1]
Квадратная бипирамида называется правильной, если квадратные пирамиды симметрично правильные и обе их вершины находятся на прямой, проходящей через центр основания; в противном случае она наклонная. [8] Полученная бипирамида имеет трехмерную точечную группу диэдральной группы шестнадцати: внешний вид симметричен при вращении вокруг оси симметрии, проходящей через вершины и центр основания вертикально, и имеет зеркальную симметрию относительно любой биссектрисы основания; она также симметрична при отражении ее относительно горизонтальной плоскости. [9] Следовательно, эта квадратная бипирамида является гранетранзитивной или изоэдральной. [10]
Если все ребра квадратной бипирамиды имеют одинаковую длину, то эта квадратная бипирамида является правильным октаэдром.
Площадь поверхности правильного октаэдра можно определить, суммируя все его восемь равносторонних треугольников, тогда как его объем в два раза больше объема квадратной пирамиды; если длина ребра равна , [11] Радиус описанной сферы (той, которая касается октаэдра во всех вершинах), радиус вписанной сферы (той, которая касается каждой из граней октаэдра) и радиус средней сферы (той, которая касается середины каждого ребра) равны: [12]
Двугранный угол правильного октаэдра между двумя соседними треугольными гранями равен 109,47°. Это можно получить из двугранного угла равносторонней квадратной пирамиды: ее двугранный угол между двумя соседними треугольными гранями равен двугранному углу равносторонней квадратной пирамиды между двумя соседними треугольными гранями, а ее двугранный угол между двумя соседними треугольными гранями на ребре, в котором прикреплены две равносторонние квадратные пирамиды, равен удвоенному двугранному углу равносторонней квадратной пирамиды между ее треугольной гранью и ее квадратным основанием. [13]
Октаэдр с длиной ребра можно поместить так, чтобы его центр находился в начале координат, а вершины — на осях координат; декартовы координаты вершин следующие: В трехмерном пространстве октаэдр с координатами центра и радиусом представляет собой множество всех точек, таких что .
Скелет правильного октаэдра можно представить в виде графа согласно теореме Штейница , при условии, что граф является плоским — его ребра графа соединены с каждой вершиной, не пересекая другие ребра — и 3 -связным графом — его ребра остаются соединенными, когда удаляются две из более чем трех вершин графа. [14] [15] Его граф называется октаэдрическим графом , платоновым графом . [4]
Октаэдрический граф можно рассматривать как полный трехдольный граф , граф, разделенный на три независимых множества, каждое из которых состоит из двух противоположных вершин. [16] В более общем смысле, это граф Турана .
Октаэдрический граф является 4-связным , что означает, что для разъединения оставшихся вершин требуется удаление четырех вершин. Это один из четырех 4-связных симплициальных хорошо покрытых многогранников, что означает, что все максимальные независимые множества его вершин имеют одинаковый размер. Другие три многогранника с этим свойством — это пентагональная дипирамида , плосконосый двуклиноид и неправильный многогранник с 12 вершинами и 20 треугольными гранями. [17]
Внутренняя часть соединения двух двойных тетраэдров представляет собой октаэдр, и это соединение, называемое stella octangula , является его первой и единственной звёздчатой формой . Соответственно, правильный октаэдр является результатом отрезания от правильного тетраэдра четырёх правильных тетраэдров половинного линейного размера (т.е. выпрямления тетраэдра). Вершины октаэдра лежат в серединах рёбер тетраэдра, и в этом смысле он соотносится с тетраэдром таким же образом, как кубооктаэдр и икосододекаэдр соотносятся с другими Платоновыми телами.
Можно также разделить ребра октаэдра в отношении золотого сечения , чтобы определить вершины правильного икосаэдра . Это делается путем размещения векторов вдоль ребер октаэдра таким образом, чтобы каждая грань была ограничена циклом, а затем аналогичным образом разбиения каждого ребра на золотое сечение вдоль направления его вектора. Пять октаэдров определяют любой заданный икосаэдр таким образом, и вместе они определяют правильное соединение . Правильный икосаэдр, полученный таким образом, называется плосконосым октаэдром . [18]
Правильный октаэдр можно рассматривать как антипризму , призмоподобный многогранник, в котором боковые грани заменены чередующимися равносторонними треугольниками. Его также называют тригональной антипризмой . [19] Поэтому он обладает свойством квазиправильного многогранника, в котором две различные многоугольные грани чередуются и встречаются в вершине. [20]
Октаэдры и тетраэдры могут чередоваться, образуя вершинную, ребристую и гране-однородную мозаику пространства . Эта мозаика и правильная мозаика кубов являются единственными такими однородными сотами в трехмерном пространстве.
Равномерный тетрагемигексаэдр — это тетраэдрическая симметрия огранки правильного октаэдра, имеющая общее расположение ребер и вершин . Он имеет четыре треугольные грани и 3 центральных квадрата.
Правильный октаэдр — это 3-шар в метрике Манхэттена ( ℓ 1 ) .
Как и все правильные выпуклые многогранники, октаэдр можно разбить на целое число непересекающихся ортосхем , все из которых имеют одинаковую форму, характерную для многогранника. Характерная ортосхема многогранника является фундаментальным свойством, поскольку многогранник генерируется отражениями в гранях его ортосхемы. Ортосхема встречается в двух хиральных формах, которые являются зеркальными отражениями друг друга. Характерная ортосхема правильного многогранника — это четырехпрямоугольный неправильный тетраэдр .
Грани характерного тетраэдра октаэдра лежат в зеркальных плоскостях симметрии октаэдра . Октаэдр уникален среди Платоновых тел тем, что имеет четное число граней, сходящихся в каждой вершине. Следовательно, он является единственным членом этой группы, обладающим среди своих зеркальных плоскостей некоторыми, которые не проходят ни через одну из его граней. Группа симметрии октаэдра обозначается B 3 . Октаэдр и его двойственный многогранник , куб , имеют одну и ту же группу симметрии, но разные характерные тетраэдры.
Характерный тетраэдр правильного октаэдра может быть найден путем канонического рассечения [21] правильного октаэдракоторый подразделяет его на 48 характерных ортосхемокружающие центр октаэдра. Три левосторонние ортосхемы и три правосторонние ортосхемы встречаются в каждой из восьми граней октаэдра, шесть ортосхем совместно образуют трипрямоугольный тетраэдр : треугольную пирамиду с гранью октаэдра в качестве равностороннего основания и ее кубоугольной вершиной в центре октаэдра. [22]
Если октаэдр имеет длину ребра 𝒍 = 2, шесть ребер его характеристического тетраэдра имеют длины , , вокруг его внешней прямоугольной грани (ребра, противоположные характеристическим углам 𝟀, 𝝉, 𝟁), [a] плюс , , (ребра, являющиеся характеристическими радиусами октаэдра). Путь из 3 ребер вдоль ортогональных ребер ортосхемы — это , , , сначала от вершины октаэдра к центру ребра октаэдра, затем поворот на 90° к центру грани октаэдра, затем поворот на 90° к центру октаэдра. Ортосхема имеет четыре разнородные прямоугольные треугольные грани. Внешняя грань — треугольник 90-60-30, который составляет одну шестую грани октаэдра. Три грани внутри октаэдра: треугольник 45-90-45 со сторонами , , , прямоугольный треугольник со сторонами , , , и прямоугольный треугольник со сторонами , , .
Существует 3 равномерных окраски октаэдра, названных по цветам треугольных граней, окружающих каждую вершину: 1212, 1112, 1111.
Группа симметрии октаэдра — Oh , порядка 48, трехмерная гипероктаэдрическая группа . Подгруппы этой группы включают D 3d (порядок 12), группу симметрии треугольной антипризмы ; D 4h (порядок 16), группу симметрии квадратной бипирамиды ; и T d (порядок 24), группу симметрии выпрямленного тетраэдра. Эти симметрии можно подчеркнуть с помощью различной раскраски граней.
Октаэдр может быть любым многогранником с восемью гранями. В предыдущем примере правильный октаэдр имеет 6 вершин и 12 ребер, минимум для октаэдра; неправильные октаэдры могут иметь до 12 вершин и 18 ребер. [24] Существует 257 топологически различных выпуклых октаэдров, исключая зеркальные изображения. Более конкретно, существует 2, 11, 42, 74, 76, 38, 14 для октаэдров с 6-12 вершинами соответственно. [25] [26] (Два многогранника являются «топологически различными», если они имеют внутренне различное расположение граней и вершин, так что невозможно исказить один в другой, просто изменив длины ребер или углы между ребрами или гранями.) Некоторые из многогранников действительно имеют восемь граней, помимо того, что являются квадратными бипирамидами в следующем:
Следующие многогранники комбинаторно эквивалентны правильному октаэдру. Все они имеют шесть вершин, восемь треугольных граней и двенадцать ребер, которые соответствуют один к одному его особенностям:
Пространственная рама из чередующихся тетраэдров и полуоктаэдров, полученная из тетраэдрально-октаэдрических сот, была изобретена Бакминстером Фуллером в 1950-х годах. Она обычно рассматривается как самая прочная строительная конструкция для сопротивления консольным напряжениям.
Правильный октаэдр можно расширить до тетраэдра, добавив 4 тетраэдра на чередующиеся грани. Добавление тетраэдров ко всем 8 граням создает звездчатый октаэдр .
Октаэдр — один из представителей семейства однородных многогранников, родственных кубу.
Это также один из простейших примеров гиперсимплекса — многогранника, образованного определенными пересечениями гиперкуба с гиперплоскостью .
Октаэдр топологически связан как часть последовательности правильных многогранников с символами Шлефли {3, n }, продолжающейся в гиперболическую плоскость .
Правильный октаэдр также можно считать выпрямленным тетраэдром – и его можно назвать тетратетраэдром . Это можно показать с помощью двухцветной модели грани. При такой раскраске октаэдр имеет тетраэдрическую симметрию .
Сравните эту последовательность усечения тетраэдра и его двойственного объекта:
Вышеуказанные формы также могут быть реализованы как срезы, ортогональные длинной диагонали тессеракта . Если эта диагональ ориентирована вертикально с высотой 1, то первые пять срезов выше находятся на высотах r , 3/8 , 1/2 , 5/8 и s , где r — любое число в диапазоне 0 < r ≤ 1/4 , а s — любое число в диапазоне 3/4 ≤ с < 1 .
Октаэдр как тетратетраэдр существует в последовательности симметрий квазиправильных многогранников и мозаик с конфигурациями вершин (3. n ) 2 , прогрессирующих от мозаик сферы до евклидовой плоскости и в гиперболическую плоскость. С симметрией орбифолдной нотации * n 32 все эти мозаики являются конструкциями Витхоффа в пределах фундаментальной области симметрии с точками генератора в прямоугольном углу области. [29] [30]
Как тригональная антипризма , октаэдр относится к семейству гексагональной диэдральной симметрии.
Усечение двух противоположных вершин приводит к образованию квадратного бифрустума .
Октаэдр можно сгенерировать как случай трехмерного суперэллипсоида, при этом все значения показателя степени будут равны 1.