Тетраэдр

Многогранник с четырьмя гранями

3D модель правильного тетраэдра

В геометрии тетраэдр ( мн.: тетраэдры или тетраэдры ) , также известный как треугольная пирамида , представляет собой многогранник , состоящий из четырех треугольных граней , шести прямых ребер и четырех вершин . Тетраэдр — самый простой из всех обычных выпуклых многогранников . ^[1]

Тетраэдр — это трехмерный случай более общего понятия евклидова симплекса , поэтому его также можно назвать 3-симплексом .

Тетраэдр — одна из разновидностей пирамиды , представляющая собой многогранник с плоским многоугольным основанием и треугольными гранями, соединяющими основание с общей точкой. В случае тетраэдра основанием является треугольник ( основанием можно считать любую из четырех граней), поэтому тетраэдр еще называют «треугольной пирамидой».

Как и все выпуклые многогранники , тетраэдр можно сложить из одного листа бумаги. У него есть две такие сети . ^[1]

Для любого тетраэдра существует сфера (называемая описанной сферой ), на которой лежат все четыре вершины, и другая сфера ( сфера ) , касающаяся граней тетраэдра. ^[2]

Правильный тетраэдр

Правильный тетраэдр — это тетраэдр, у которого все четыре грани представляют собой равносторонние треугольники . Другими словами, все его грани имеют одинаковый размер и форму (конгруэнтны), а все ребра имеют одинаковую длину. Выпуклый многогранник , у которого все грани представляют собой равносторонние треугольники, называется дельтаэдром . Всего имеется восемь выпуклых дельтаэдров, один из которых — правильный тетраэдр. ^[3]

Правильный тетраэдр также является одним из пяти правильных платоновых тел , набора многогранников, в которых все грани являются правильными многоугольниками . ^[4] Известное с древности платоновское тело названо в честь греческого философа Платона , который связал эти четыре твердых тела с природой. Правильный тетраэдр считался классическим элементом огня , поскольку его интерпретация его самого острого угла была наиболее проникающей. ^[5]

Правильный тетраэдр самодуален, то есть ему двойственным является другой правильный тетраэдр. Сложная фигура, состоящая из двух таких двойных тетраэдров, образует звездчатый октаэдр или стеллу октангулу . Его внутренность — октаэдр , и соответственно правильный октаэдр — результат отрезания от правильного тетраэдра четырех правильных тетраэдров половины линейного размера (т. е. спрямления тетраэдра).

Сами по себе правильные тетраэдры не образуют мозаику (заполняют пространство), но если их чередовать с правильными октаэдрами в соотношении два тетраэдра к одному октаэдру, они образуют чередующиеся кубические соты , которые представляют собой мозаику. Некоторые тетраэдры, которые не являются правильными, включая ортосхему Шлефли и тетраэдр Хилла , могут образовывать мозаику.

Измерение

Учитывая, что правильный тетраэдр с длиной ребра . Площадь поверхности правильного тетраэдра в четыре раза больше площади равностороннего треугольника: ^[6] Высота правильного тетраэдра равна . ^[7] Объем правильного тетраэдра можно определить так же, как и других пирамид, по одной трети основания и его высоте. Поскольку основание равностороннее, оно: ^[6] Его объем также можно получить, разделив куб на три части. ^[8] ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle A}$ $${\displaystyle A=4\cdot \left({\frac {\sqrt {3}}{4}}a^{2}\right)=a^{2}{\sqrt {3}}.}$$ ${\textstyle {\frac {\sqrt {6}}{3}}a}$ $${\displaystyle V={\frac {1}{3}}\cdot \left({\frac {\sqrt {3}}{4}}a^{2}\right)\cdot {\frac {\sqrt {6}}{3}}a={\frac {a^{3}}{6{\sqrt {2}}}}.}$$

Его двугранный угол — угол между двумя плоскостями — и угол между линиями из центра правильного тетраэдра между двумя вершинами ^[a] соответственно: ^[9] $${\displaystyle {\begin{aligned}\arccos \left({\frac {1}{3}}\right)&=\arctan \left(2{\sqrt {2}}\right)\approx 70.529^{\circ },\\\arccos \left(-{\frac {1}{3}}\right)&=2\arctan \left({\sqrt {2}}\right)\approx 109.471^{\circ }.\end{aligned}}}$$

Правильный тетраэдр ABCD и описанная ему сфера.

Его радиус описанной сферы , внутренней сферы , средней сферы и эксферы составляет: ^[6] Для правильного тетраэдра с длиной стороны радиусом описанной сферы и расстояниями от произвольной точки в трехмерном пространстве до его четырех вершин это: ^[10] ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle r_{\mathrm {M} }}$ ${\displaystyle r_{\mathrm {E} }}$ $${\displaystyle {\begin{aligned}R={\frac {\sqrt {6}}{4}}a,&\qquad r={\frac {1}{3}}R={\frac {a}{\sqrt {24}}},\\r_{\mathrm {M} }={\sqrt {rR}}={\frac {a}{\sqrt {8}}},&\qquad r_{\mathrm {E} }={\frac {a}{\sqrt {6}}}.\end{aligned}}}$$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle d_{i}}$ $${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {d_{1}^{4}+d_{2}^{4}+d_{3}^{4}+d_{4}^{4}}{4}}+{\frac {16R^{4}}{9}}&=\left({\frac {d_{1}^{2}+d_{2}^{2}+d_{3}^{2}+d_{4}^{2}}{4}}+{\frac {2R^{2}}{3}}\right)^{2},\\4\left(a^{4}+d_{1}^{4}+d_{2}^{4}+d_{3}^{4}+d_{4}^{4}\right)&=\left(a^{2}+d_{1}^{2}+d_{2}^{2}+d_{3}^{2}+d_{4}^{2}\right)^{2}.\end{aligned}}}$$

По отношению к базовой плоскости наклон грани (2 √ 2 ) в два раза больше наклона ребра ( √ 2 ), что соответствует тому факту, что горизонтальное расстояние, пройденное от основания до вершины вдоль ребра, в два раза больше, чем вдоль ребра. медиана лица. Другими словами, если C — центр тяжести основания, расстояние от C до вершины основания в два раза больше, чем от C до середины ребра основания. Это следует из того, что медианы треугольника пересекаются в его центроиде, и эта точка делит каждый из них на два отрезка, один из которых вдвое длиннее другого (см. доказательство ).

Декартовы координаты

Один из способов построить правильный тетраэдр — использовать следующие декартовы координаты , определяющие четыре вершины тетраэдра с длиной ребра 2, центром в начале координат и двухуровневыми ребрами: $${\displaystyle \left(\pm 1,0,-{\frac {1}{\sqrt {2}}}\right)\quad {\mbox{and}}\quad \left(0,\pm 1,{\frac {1}{\sqrt {2}}}\right)}$$

Симметрично выраженные четырьмя точками на единичной сфере с центроидом в начале координат и нижней гранью, параллельной плоскости , вершины: с длиной ребра . ${\displaystyle xy}$ $${\displaystyle {\begin{aligned}\left({\sqrt {\frac {8}{9}}},0,-{\frac {1}{3}}\right),&\quad \left(-{\sqrt {\frac {2}{9}}},{\sqrt {\frac {2}{3}}},-{\frac {1}{3}}\right),\\\left(-{\sqrt {\frac {2}{9}}},-{\sqrt {\frac {2}{3}}},-{\frac {1}{3}}\right),&\quad (0,0,1)\end{aligned}}}$$ ${\textstyle {\frac {2{\sqrt {6}}}{3}}}$

Правильный тетраэдр можно вложить внутрь куба двумя способами: каждая вершина является вершиной куба, а каждое ребро — диагональю одной из граней куба. Для одного такого вложения декартовы координаты вершин равны. Это дает тетраэдр с длиной ребра , с центром в начале координат. Для другого тетраэдра (двойственного первому ) поменяйте местами все знаки. Объединение вершин этих двух тетраэдров представляет собой вершины куба, демонстрируя, что правильный тетраэдр представляет собой 3- демикуб , многогранник, который представляет собой чередующийся куб. Эта форма имеет диаграмму Кокстера. $${\displaystyle {\begin{aligned}(1,1,1),&\quad (1,-1,-1),\\(-1,1,-1),&\quad (-1,-1,1).\end{aligned}}}$$ ${\displaystyle 2{\sqrt {2}}}$ и символ Шлефли . ${\displaystyle \mathrm {h} \{4,3\}}$

Симметрия

Куб и тетраэдр

Вершины куба можно сгруппировать в две группы по четыре штуки, каждая из которых образует правильный тетраэдр, показывая один из двух тетраэдров в кубе. Симметрии правильного тетраэдра наполовину соответствуют симметрии куба: те, которые отображают тетраэдры в себя, а не друг в друга. Тетраэдр — единственное платоновское тело, которое не отображается в самом себе посредством точечной инверсии .

Собственные вращения (поворот третьего порядка на вершине и грани и порядок 2 на двух ребрах) и плоскость отражения (через две грани и одно ребро) в группе симметрии правильного тетраэдра.

Правильный тетраэдр имеет 24 изометрии, образующие группу симметрии , известную как полная тетраэдрическая симметрия . Эта группа симметрии изоморфна симметрической группе . Их можно классифицировать следующим образом: ${\displaystyle \mathrm {T} _{\mathrm {d} }}$ ${\displaystyle S_{4}}$

• Имеет вращательную тетраэдрическую симметрию . Эта симметрия изоморфна знакопеременной группе — единице и 11 собственным вращениям — со следующими классами сопряженности (в скобках указаны перестановки вершин или, соответственно, граней, и представление единичного кватерниона ): ${\displaystyle \mathrm {T} }$ ${\displaystyle A_{4}}$
  • личность (личность; 1)
  • вращение вокруг оси через вершину, перпендикулярную противоположной плоскости, на угол ±120°: 4 оси, по 2 на ось, вместе 8 ((1 2 3) и т. д.; ⁠1 ± я ± j ± к/2⁠ )
  • поворот на угол 180° так, что край сопоставляется с противоположным краем: 3 ((1 2)(3 4) и т. д.; i , j , k )
• отражения в плоскости, перпендикулярной краю: 6
• отражения в плоскости в сочетании с поворотом на 90° вокруг оси, перпендикулярной плоскости: 3 оси, по 2 на каждую ось, всего 6; эквивалентно, это повороты на 90 ° в сочетании с инверсией ( x отображается в − x ): повороты соответствуют поворотам куба вокруг осей лицом к лицу.

Ортогональные проекции правильного тетраэдра

Правильный тетраэдр имеет две специальные ортогональные проекции : одна с центром в вершине или, что то же самое, на грани, а другая с центром на ребре. Первый соответствует плоскости Кокстера _А2 .

Сечение правильного тетраэдра

Центральное сечение правильного тетраэдра представляет собой квадрат .

Два косо перпендикулярных противоположных края правильного тетраэдра определяют набор параллельных плоскостей. Когда одна из этих плоскостей пересекает тетраэдр, полученное сечение представляет собой прямоугольник . ^[11] Когда пересекающая плоскость находится рядом с одним из краев, прямоугольник получается длинным и тонким. На полпути между двумя краями пересечение представляет собой квадрат . Соотношение сторон прямоугольника меняется на противоположное, когда вы проходите эту половину пути. Для пересечения квадрата средней точки результирующая граничная линия аналогично пересекает каждую грань тетраэдра. Если тетраэдр разделить пополам в этой плоскости, обе половины станут клиньями .

Тетрагональный дисфеноид, если смотреть перпендикулярно двум зеленым краям.

Это свойство также применимо к тетрагональным дисфеноидам при применении к двум специальным парам ребер.

Сферическая черепица

Тетраэдр также можно представить в виде сферической мозаики и спроецировать на плоскость посредством стереографической проекции . Эта проекция является равноугольной , сохраняя углы, но не площади или длины. Прямые линии на сфере проецируются на плоскость в виде дуг окружностей.

Спиральная укладка

Единственное кольцо из 30 тетраэдров Бурдейка – Кокстера внутри спирали из 600 ячеек , видно в стереографической проекции.

Правильные тетраэдры могут быть уложены лицом к лицу в киральную апериодическую цепочку, называемую спиралью Бурдейка – Кокстера .

В четырех измерениях все выпуклые правильные 4-многогранники с тетраэдрическими ячейками ( 5-ячеечный , 16-ячеечный и 600-ячеечный ) могут быть построены как мозаики 3-сферы с помощью этих цепочек, которые становятся периодическими в трехмерном пространстве. пространство граничной поверхности 4-многогранника.

Неправильные тетраэдры

Тетраэдры, у которых нет четырех равносторонних граней, классифицируются и называются в зависимости от симметрии, которой они обладают.

Если все три пары противоположных ребер тетраэдра перпендикулярны , то он называется ортоцентрическим тетраэдром . Когда только одна пара противоположных ребер перпендикулярна, он называется полуортоцентрическим тетраэдром .

Изодинамический тетраэдр — это тетраэдр, в котором чевианы , соединяющие вершины с центрами противоположных граней, совпадают .

Изогонический тетраэдр имеет совпадающие чевианы, соединяющие вершины с точками контакта противоположных граней с вписанной сферой тетраэдра.

Трехпрямоугольный тетраэдр

Рисунок Кеплера правильного тетраэдра, вписанного в куб, и одного из четырех трехпрямоугольных тетраэдров, окружающих его, заполняющих куб.

В трехпрямоугольном тетраэдре три грани при одной вершине являются прямыми углами , как в углу куба.

Кеплер открыл связь между кубом, правильным тетраэдром и трехпрямоугольным тетраэдром. ^[12]

дисфеноид

Заполняющий пространство тетраэдрический дисфеноид внутри куба. Два ребра имеют двугранные углы 90°, а четыре ребра имеют двугранные углы 60°.

Дисфеноид — это тетраэдр с четырьмя равными треугольниками в качестве граней ; у треугольников обязательно все углы острые. Правильный тетраэдр является частным случаем дисфеноида. Другие названия той же формы включают бисфеноид, равнобедренный тетраэдр и равносторонний тетраэдр.

Ортосхемы

Куб, разбитый на шесть характерных ортосхем.

3-ортосхема – это тетраэдр, все четыре грани которого представляют собой прямоугольные треугольники . 3-ортосхема не является дисфеноидом, поскольку ее противоположные края не имеют одинаковой длины. Невозможно построить дисфеноид с гранями прямоугольного или тупоугольного треугольника.

Ортосхема – это неправильный симплекс , представляющий собой выпуклую оболочку дерева , в котором все ребра взаимно перпендикулярны. В трехмерной ортосхеме дерево состоит из трех перпендикулярных ребер, соединяющих все четыре вершины по линейному пути, совершающему два поворота под прямым углом. 3-ортосхема представляет собой тетраэдр, имеющий по два прямых угла в каждой из двух вершин, поэтому другое ее название — двупрямоугольный тетраэдр . Его еще называют четырехпрямоугольным тетраэдром, потому что он содержит четыре прямых угла. ^[13]

Коксетер также называет четырехпрямоугольные тетраэдры «характеристическими тетраэдрами» из-за их неотъемлемой связи с правильными многогранниками и их группами симметрии. ^{[14] Например,} для куба характерен частный случай 3-ортосхемы с перпендикулярными ребрами одинаковой длины , что означает, что куб можно разделить на экземпляры этой ортосхемы. Если три его перпендикулярных ребра имеют единичную длину, то остальные ребра имеют длину два √ 2 и одно длиной √ 3 , поэтому все его ребра являются ребрами или диагоналями куба. Кубможно разбить на шесть таких 3-ортосхем.четырьмя разными способами, все шесть которых окружают одну и ту же диагональ куба √ 3 . Куб также можно разрезать на 48 меньших экземпляров той же самой характеристической 3-ортосхемы (только одним способом, по всем его плоскостям симметрии одновременно). Характерный тетраэдр куба является примером тетраэдра Герона .

Каждый правильный многогранник, включая правильный тетраэдр, имеет свою характерную ортосхему . Существует 3-ортосхема, которая представляет собой «характеристический тетраэдр правильного тетраэдра». Правильный тетраэдрподразделяется на 24 экземпляра своего характерного тетраэдра.по своим плоскостям симметрии. 24 характеристических тетраэдра правильного тетраэдра встречаются в двух зеркальных формах, по 12 в каждой.

Если длина ребра правильного тетраэдра 𝒍 = 2, то шесть ребер его характерного тетраэдра имеют длину , , вокруг его внешней грани прямоугольного треугольника (ребра, противоположные характеристическим углам 𝟀, 𝝉, 𝟁), ^[b] плюс , , (ребра, которые — характерные радиусы правильного тетраэдра). Трехреберный путь вдоль ортогональных ребер ортосхемы равен , , : сначала от вершины тетраэдра к центру ребра тетраэдра, затем поворот на 90° к центру грани тетраэдра, затем поворот на 90° к центру тетраэдра. Ортосхема имеет четыре разные грани прямоугольного треугольника. Внешняя грань представляет собой треугольник 60-90-30, который составляет одну шестую грани тетраэдра. Три грани, внутренние к тетраэдру: прямоугольный треугольник с ребрами , , , прямоугольный треугольник с ребрами , , , и прямоугольный треугольник с ребрами , , . ${\displaystyle {\sqrt {\tfrac {4}{3}}}}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle {\sqrt {\tfrac {1}{3}}}}$ ${\displaystyle {\sqrt {\tfrac {3}{2}}}}$ ${\displaystyle {\sqrt {\tfrac {1}{2}}}}$ ${\displaystyle {\sqrt {\tfrac {1}{6}}}}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle {\sqrt {\tfrac {1}{3}}}}$ ${\displaystyle {\sqrt {\tfrac {1}{6}}}}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle {\sqrt {\tfrac {3}{2}}}}$ ${\displaystyle {\sqrt {\tfrac {1}{2}}}}$ ${\displaystyle {\sqrt {\tfrac {1}{3}}}}$ ${\displaystyle {\sqrt {\tfrac {1}{2}}}}$ ${\displaystyle {\sqrt {\tfrac {1}{6}}}}$ ${\displaystyle {\sqrt {\tfrac {4}{3}}}}$ ${\displaystyle {\sqrt {\tfrac {3}{2}}}}$ ${\displaystyle {\sqrt {\tfrac {1}{6}}}}$

Тетраэдры, заполняющие пространство

Заполняющий пространство тетраэдр упаковывается с прямо конгруэнтными или энантиоморфными ( зеркальными ) копиями самого себя в пространстве плитки. ^[16] Куб можно разбить на шесть 3-ортосхем, три левые и три правые (по одному на каждой грани куба), причем кубы могут заполнять пространство, поэтому характеристическая 3-ортосхема куба представляет собой тетраэдр, заполняющий пространство в этом смысле. (Характерной ортосхемой куба является один из тетраэдров Хилла , семейства тетраэдров, заполняющих пространство. Все тетраэдры, заполняющие пространство, соответствуют ножницам кубу.)

Дисфеноид может представлять собой заполняющий пространство тетраэдр в прямо конгруэнтном смысле, как в дисфеноидных тетраэдрических сотах . Однако правильные тетраэдры не могут заполнить пространство сами по себе (более того, они не конгруэнтны по ножницам никаким другим многогранникам, которые могут заполнять пространство, см. третью проблему Гильберта ). Тетраэдро -октаэдрические соты заполняют пространство чередующимися ячейками правильного тетраэдра и ячейками правильного октаэдра в соотношении 2:1.

Фундаментальные домены

Для евклидова 3-пространства существует 3 простых и связанных тетраэдра Гурса. Их можно рассматривать как точки на кубе и внутри него.

Неправильный тетраэдр, который является фундаментальной областью ^[17] группы симметрии, является примером тетраэдра Гурса . Тетраэдры Гурса порождают все правильные многогранники (и многие другие однородные многогранники) посредством зеркальных отражений, процесс, называемый калейдоскопической конструкцией Витхоффа .

Для многогранников конструкция Витгофа располагает три зеркала под углом друг к другу, как в калейдоскопе . В отличие от цилиндрического калейдоскопа, зеркала Витгофа расположены на трех гранях тетраэдра Гурса так, что все три зеркала пересекаются в одной точке. ( Диаграмма Кокстера-Дынкина сгенерированного многогранника содержит три узла , представляющие три зеркала. На диаграмме закодирован двугранный угол между каждой парой зеркал, а также расположение единственной образующей точки , которая умножается зеркальными отражениями в вершины многогранника.)

Среди тетраэдров Гурса, которые образуют трехмерные соты, мы можем распознать ортосхему (характерный тетраэдр куба), двойную ортосхему (характерный тетраэдр куба, связанный с его зеркальным изображением) и заполняющий пространство дисфеноид, показанный на рисунке. выше. ^[14] Дисфеноид представляет собой двойную ортосхему, приклеенную лицом к своему зеркальному изображению (четверная ортосхема). Таким образом, все три тетраэдра Гурса и все многогранники, которые они порождают в результате отражений, можно разбить на характерные тетраэдры куба .

Изометрии неправильных тетраэдров

Изометрия неправильного (немаркированного) тетраэдра зависит от геометрии тетраэдра, возможны 7 случаев. В каждом случае формируется трехмерная точечная группа . Две другие изометрии (C ₃ , [3] ⁺ ) и (S ₄ , [2 ⁺ ,4 ⁺ ]) могут существовать, если включена маркировка грани или края. Для каждого типа ниже включены тетраэдрические диаграммы, ребра которых окрашены в соответствии с изометрической эквивалентностью, а уникальные ребра выделены серым цветом.

Классы подразделения и сходства

Подразделение тетраэдров — это процесс, используемый в вычислительной геометрии и 3D-моделировании для разделения тетраэдра на несколько меньших тетраэдров. Этот процесс повышает сложность и детализацию тетраэдральных сеток, что особенно полезно при численном моделировании, анализе методом конечных элементов и компьютерной графике. Одним из часто используемых методов подразделения является метод деления по длинному краю (LEB) , который определяет самый длинный край тетраэдра и делит его пополам в средней точке, создавая два новых тетраэдра меньшего размера. Когда этот процесс повторяется несколько раз, деля пополам все тетраэдры, созданные на каждой предыдущей итерации, этот процесс называется итеративным LEB.

Класс подобия — это совокупность тетраэдров одинаковой геометрической формы независимо от их конкретного положения, ориентации и масштаба. Итак, любые два тетраэдра, принадлежащие к одному и тому же классу подобия, могут быть преобразованы друг в друга аффинным преобразованием. Результат наличия ограниченного числа классов сходства в итерационных методах подразделения важен для компьютерного моделирования и симуляции. Это уменьшает изменчивость форм и размеров генерируемых тетраэдров, предотвращая образование крайне неправильных элементов, которые могут поставить под угрозу результаты моделирования.

Было показано, что итеративный LEB правильного тетраэдра дает только 8 классов подобия. Кроме того, в случае почти равносторонних тетраэдров, где их два самых длинных ребра не соединены друг с другом, а соотношение между их самым длинным и самым коротким ребром меньше или равно , итерированный LEB дает не более 37 классов сходства. ^[18] ${\displaystyle {\sqrt {3/2}}}$

Общие свойства

Объем

Объем тетраэдра можно получить разными способами. Ее можно найти по формуле объема пирамиды: где – площадь основания , – высота от основания до вершины. Это справедливо для каждого из четырех вариантов основания, поэтому расстояния от вершин до противоположных граней обратно пропорциональны площадям этих граней. Другой способ — разрезать треугольную призму на три части. ^[19] $${\displaystyle V={\frac {1}{3}}Ah.}$$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle h}$

Даны вершины тетраэдра в следующем: Объем тетраэдра можно определить с помощью определителя [ 20 ^] или любой другой комбинации пар вершин, образующих односвязный граф . Сравнивая эту формулу с той, которая используется для вычисления объёма параллелепипеда , приходим к выводу, что объём тетраэдра равен ⁠ $${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {a} &=(a_{1},a_{2},a_{3}),\\\mathbf {b} &=(b_{1},b_{2},b_{3}),\\\mathbf {c} &=(c_{1},c_{2},c_{3}),\\\mathbf {d} &=(d_{1},d_{2},d_{3}).\end{aligned}}}$$ ${\textstyle {\frac {1}{6}}\det(\mathbf {a} -\mathbf {d} ,\mathbf {b} -\mathbf {d} ,\mathbf {c} -\mathbf {d} )}$1/6⁠ объема любого параллелепипеда, имеющего с ним три сходящихся ребра.

Абсолютное значение скалярного тройного произведения можно представить в виде следующих абсолютных значений определителей:

${\displaystyle 6\cdot V={\begin{Vmatrix}\mathbf {a} &\mathbf {b} &\mathbf {c} \end{Vmatrix}}}$ или где выражаются как векторы-строки или столбцы.  ${\displaystyle 6\cdot V={\begin{Vmatrix}\mathbf {a} \\\mathbf {b} \\\mathbf {c} \end{Vmatrix}}}$   ${\displaystyle {\begin{cases}\mathbf {a} =(a_{1},a_{2},a_{3}),\\\mathbf {b} =(b_{1},b_{2},b_{3}),\\\mathbf {c} =(c_{1},c_{2},c_{3}),\end{cases}}}$ 

Следовательно

${\displaystyle 36\cdot V^{2}={\begin{vmatrix}\mathbf {a^{2}} &\mathbf {a} \cdot \mathbf {b} &\mathbf {a} \cdot \mathbf {c} \\\mathbf {a} \cdot \mathbf {b} &\mathbf {b^{2}} &\mathbf {b} \cdot \mathbf {c} \\\mathbf {a} \cdot \mathbf {c} &\mathbf {b} \cdot \mathbf {c} &\mathbf {c^{2}} \end{vmatrix}}}$ где  ${\displaystyle {\begin{cases}\mathbf {a} \cdot \mathbf {b} =ab\cos {\gamma },\\\mathbf {b} \cdot \mathbf {c} =bc\cos {\alpha },\\\mathbf {a} \cdot \mathbf {c} =ac\cos {\beta }.\end{cases}}}$

где , , и , что дает ${\displaystyle a={\begin{Vmatrix}\mathbf {a} \end{Vmatrix}}}$ ${\displaystyle b={\begin{Vmatrix}\mathbf {b} \end{Vmatrix}}}$ ${\displaystyle c={\begin{Vmatrix}\mathbf {c} \end{Vmatrix}}}$

${\displaystyle V={\frac {abc}{6}}{\sqrt {1+2\cos {\alpha }\cos {\beta }\cos {\gamma }-\cos ^{2}{\alpha }-\cos ^{2}{\beta }-\cos ^{2}{\gamma }}},\,}$

где α , β , γ — плоские углы, входящие в вершину d . Угол α — это угол между двумя ребрами, соединяющими вершину d с вершинами b и c . Угол β действует для вершин a и c , а угол γ определяется положением вершин a и b .

Если мы не требуем, чтобы d = 0, то

${\displaystyle 6\cdot V=\left|\det \left({\begin{matrix}a_{1}&b_{1}&c_{1}&d_{1}\\a_{2}&b_{2}&c_{2}&d_{2}\\a_{3}&b_{3}&c_{3}&d_{3}\\1&1&1&1\end{matrix}}\right)\right|\,.}$

Учитывая расстояния между вершинами тетраэдра, объем можно вычислить с помощью определителя Кэли – Менгера :

${\displaystyle 288\cdot V^{2}={\begin{vmatrix}0&1&1&1&1\\1&0&d_{12}^{2}&d_{13}^{2}&d_{14}^{2}\\1&d_{12}^{2}&0&d_{23}^{2}&d_{24}^{2}\\1&d_{13}^{2}&d_{23}^{2}&0&d_{34}^{2}\\1&d_{14}^{2}&d_{24}^{2}&d_{34}^{2}&0\end{vmatrix}}}$

где индексы i , j ∈ {1, 2, 3, 4} обозначают вершины { a , b , c , d } , а d _ij — попарное расстояние между ними, т. е. длина ребра, соединяющего две вершины. Отрицательное значение определителя означает, что тетраэдр невозможно построить с заданными расстояниями. Эта формула, иногда называемая формулой Тартальи , по существу принадлежит художнику Пьеро делла Франческа в 15 веке как трехмерный аналог формулы Герона I века для площади треугольника. ^[21]

Пусть , , и — длины трех ребер, пересекающихся в точке, а , , и — длины противоположных ребер. Объем тетраэдра равен: ^[22] где В приведенной выше формуле используются шесть длин ребер, а в следующей формуле используются три длины ребер и три угла. ^[22] ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle c}$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle y}$ ${\displaystyle z}$ ${\displaystyle V}$ $${\displaystyle V={\frac {\sqrt {4a^{2}b^{2}c^{2}-a^{2}X^{2}-b^{2}Y^{2}-c^{2}Z^{2}+XYZ}}{12}}}$$ $${\displaystyle {\begin{aligned}X&=b^{2}+c^{2}-x^{2},\\Y&=a^{2}+c^{2}-y^{2},\\Z&=a^{2}+b^{2}-z^{2}.\end{aligned}}}$$ $${\displaystyle V={\frac {abc}{6}}{\sqrt {1+2\cos {\alpha }\cos {\beta }\cos {\gamma }-\cos ^{2}{\alpha }-\cos ^{2}{\beta }-\cos ^{2}{\gamma }}}}$$

Шесть граней тетраэдра

Объем тетраэдра можно определить по формуле Герона. Предполагать , , , . , и — длины ребер тетраэдра, как показано на следующем изображении. Здесь первые три образуют треугольник с противоположными , противоположными и противоположными . Тогда где и ${\displaystyle U}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle W}$ ${\displaystyle u}$ ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle w}$ ${\displaystyle u}$ ${\displaystyle U}$ ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle w}$ ${\displaystyle W}$ $${\displaystyle V={\frac {\sqrt {\,(-p+q+r+s)\,(p-q+r+s)\,(p+q-r+s)\,(p+q+r-s)}}{192\,u\,v\,w}}}$$ $${\displaystyle {\begin{aligned}p={\sqrt {xYZ}},&\quad q={\sqrt {yZX}},\\r={\sqrt {zXY}},&\quad s={\sqrt {xyz}},\end{aligned}}}$$ $${\displaystyle {\begin{aligned}X=(w-U+v)(U+v+w),&\quad x=(U-v+w)(v-w+U),\\Y=(u-V+w)(V+w+u),&\quad y=(V-w+u)(w-u+V),\\Z=(v-W+u)(W+u+v),&\quad z=(W-u+v)\,(u-v+W).\end{aligned}}}$$

Любая плоскость, содержащая бимедиану (соединитель середин противоположных ребер) тетраэдра, делит объем тетраэдра пополам. ^[23]

Для тетраэдров в гиперболическом пространстве или в трехмерной эллиптической геометрии двугранные углы тетраэдра определяют его форму и, следовательно, его объем. В этих случаях объем задается формулой Мураками-Яно по имени Дзюн Мураками и Масакадзу Яно. ^[24] Однако в евклидовом пространстве масштабирование тетраэдра изменяет его объем, но не двугранные углы, поэтому такой формулы не может существовать.

Любые два противоположных ребра тетраэдра лежат на двух наклонных линиях , а расстояние между ребрами определяется как расстояние между двумя наклонными линиями. Пусть это расстояние между наклонными линиями, образованными противоположными краями и рассчитанное здесь . Тогда другая формула объема тетраэдра имеет вид ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle \mathbf {b} -\mathbf {c} }$ ${\displaystyle V}$ $${\displaystyle V={\frac {d|(\mathbf {a} \times \mathbf {(b-c)} )|}{6}}.}$$

Свойства, аналогичные свойствам треугольника

Тетраэдр обладает многими свойствами, аналогичными свойствам треугольника, включая внутреннюю сферу, описанную сферу, средний тетраэдр и эксферу. Он имеет соответствующие центры, такие как инцентр, описанный центр, эксцентры, центр Шпикера и такие точки, как центроид. Однако обычно нет ортоцентра в смысле пересекающихся высот. ^[25]

Гаспар Монж нашел центр, который существует в каждом тетраэдре, теперь известный как точка Монжа : точка, в которой пересекаются шесть средних плоскостей тетраэдра. Средняя плоскость определяется как плоскость, ортогональная ребру, соединяющему любые две вершины, которая также содержит центр тяжести противоположного ребра, образованного соединением двух других вершин. Если высоты тетраэдра пересекаются, то точка Монжа и ортоцентр совпадают, что дает класс ортоцентрического тетраэдра .

Ортогональная линия, проведенная из точки Монжа к любой грани, пересекает эту грань в средней точке отрезка между ортоцентром этой грани и основанием высоты, опущенной из противоположной вершины.

Отрезок, соединяющий вершину тетраэдра с центроидом противоположной грани, называется медианой , а отрезок, соединяющий середины двух противоположных ребер, называется бимедианой тетраэдра . Следовательно, в тетраэдре четыре медианы и три бимедианы. Все эти семь сегментов линий совпадают в точке, называемой центроидом тетраэдра. ^[26] Кроме того, четыре медианы разделены центроидом в соотношении 3:1 (см. теорему Коммандино ). Центр тяжести тетраэдра — это середина между его точкой Монжа и центром описанной окружности. Эти точки определяют линию Эйлера тетраэдра, аналогичную линии Эйлера треугольника.

Девятиконечная окружность общего треугольника имеет аналог в описанной сфере среднего тетраэдра тетраэдра. Это сфера с двенадцатью точками , и помимо центроидов четырех граней эталонного тетраэдра она проходит через четыре замещающие точки Эйлера , по одной трети пути от точки Монжа к каждой из четырех вершин. Наконец, он проходит через четыре базовые точки ортогональных линий, пропущенных из каждой точки Эйлера, к грани, не содержащей вершину, породившую точку Эйлера. ^[27]

Центр Т двенадцатиточечной сферы также лежит на линии Эйлера. В отличие от своего треугольного аналога, этот центр находится на трети расстояния от точки M Монжа к центру описанной окружности. Кроме того, линия, ортогональная к выбранной грани, проходящая через T , компланарна двум другим линиям, ортогональным к той же грани. Первый — это ортогональная линия, проходящая через соответствующую точку Эйлера к выбранной грани. Вторая — ортогональная линия, проходящая через центр тяжести выбранной грани. Эта ортогональная линия, проходящая через центр двенадцати точек, лежит посередине между ортогональной линией точки Эйлера и центроидальной ортогональной линией. Более того, для любой грани двенадцатиточечный центр лежит в середине соответствующей точки Эйлера и ортоцентра этой грани.

Радиус двенадцатиточечной сферы составляет одну треть радиуса описанной опорного тетраэдра.

Между углами, образуемыми гранями общего тетраэдра, существует связь, определяемая формулой ^[28]:

${\displaystyle {\begin{vmatrix}-1&\cos {(\alpha _{12})}&\cos {(\alpha _{13})}&\cos {(\alpha _{14})}\\\cos {(\alpha _{12})}&-1&\cos {(\alpha _{23})}&\cos {(\alpha _{24})}\\\cos {(\alpha _{13})}&\cos {(\alpha _{23})}&-1&\cos {(\alpha _{34})}\\\cos {(\alpha _{14})}&\cos {(\alpha _{24})}&\cos {(\alpha _{34})}&-1\\\end{vmatrix}}=0\,}$

где αij _— угол между гранями i и j .

Геометрическая медиана координат положения вершин тетраэдра и его изогонического центра связаны при обстоятельствах, аналогичных наблюдаемым для треугольника. Лоренц Линделеф обнаружил, что любому данному тетраэдру соответствует точка, теперь известная как изогонический центр O , в которой телесные углы, образуемые гранями, равны, имеют общее значение π sr и в которой углы, образуемые противоположными гранями, равны. края равны. ^[29] Телесный угол π sr составляет одну четверть угла, образуемого всем пространством. Когда все телесные углы в вершинах тетраэдра меньше π sr, O лежит внутри тетраэдра, а поскольку сумма расстояний от O до вершин минимальна, O совпадает с геометрической медианой M вершин . . В случае, если телесный угол в одной из вершин v равен ровно π sr, то O и M совпадают с v . Однако если тетраэдр имеет вершину v с телесным углом больше π sr, M по-прежнему соответствует v , но O лежит вне тетраэдра.

Геометрические отношения

Тетраэдр – это 3- симплекс . В отличие от других платоновых тел, все вершины правильного тетраэдра равноудалены друг от друга (это единственное возможное расположение четырех равноудаленных точек в трехмерном пространстве, например, в электромагнетизме , см. Задачу Томсона ).

Приведенное выше вложение делит куб на пять тетраэдров, один из которых правильный. Фактически пять — это минимальное количество тетраэдров, необходимое для составления куба. Чтобы увидеть это, начиная с базового тетраэдра с 4 вершинами, каждый добавленный тетраэдр добавляет не более 1 новой вершины, поэтому необходимо добавить как минимум еще 4, чтобы получился куб с 8 вершинами.

Вписывание тетраэдров внутрь правильного соединения из пяти кубов дает еще два правильных соединения, содержащих пять и десять тетраэдров.

Правильные тетраэдры сами по себе не могут мозаику пространства , хотя этот результат кажется достаточно вероятным, чтобы Аристотель утверждал, что это возможно. Однако два правильных тетраэдра можно объединить с октаэдром, получив ромбоэдр , способный замостить пространство как тетраэдр-октаэдрические соты .

С другой стороны, известно несколько неправильных тетраэдров, копии которых могут замостить пространство, например, характерная ортосхема куба и дисфеноид дисфеноидных тетраэдральных сот . Полный список остается открытой проблемой. ^[30]

Если ослабить требование, чтобы все тетраэдры имели одинаковую форму, можно замостить пространство, используя только тетраэдры, разными способами. Например, можно разделить октаэдр на четыре одинаковых тетраэдра и снова соединить их с двумя правильными. (В качестве примечания: эти два типа тетраэдров имеют одинаковый объем.)

Тетраэдр уникален среди однородных многогранников тем, что не имеет параллельных граней.

Закон синусов для тетраэдров и пространство всех форм тетраэдров.

Следствием обычного закона синусов является то, что в тетраэдре с вершинами O , A , B , C имеем

${\displaystyle \sin \angle OAB\cdot \sin \angle OBC\cdot \sin \angle OCA=\sin \angle OAC\cdot \sin \angle OCB\cdot \sin \angle OBA.\,}$

Можно рассматривать две стороны этого тождества как соответствующие ориентации поверхности по часовой стрелке и против часовой стрелки.

Помещение любой из четырех вершин в роль O дает четыре таких тождества, но не более трех из них независимы: если стороны трех из них, направленные по часовой стрелке, умножаются и получается, что произведение равно произведению стороны одних и тех же трех тождеств «против часовой стрелки», а затем с обеих сторон сокращаются общие множители, в результате получается четвертое тождество.

Три угла являются углами некоторого треугольника тогда и только тогда, когда их сумма равна 180 ° (π радиан). Какое условие на 12 углов необходимо и достаточно, чтобы они были 12 углами некоторого тетраэдра? Очевидно, что сумма углов любой стороны тетраэдра должна быть равна 180°. Поскольку таких треугольников четыре, существует четыре таких ограничения на суммы углов, и число степеней свободы тем самым уменьшается с 12 до 8. Четыре соотношения, заданные этим законом синуса, еще больше уменьшают количество степеней свободы: 8 до не 4, а до 5, поскольку четвертое ограничение не является независимым от первых трех. Таким образом, пространство всех форм тетраэдров пятимерно. ^[31]

Закон косинусов для тетраэдров

Пусть , , , — точки тетраэдра. Пусть – площадь грани, противоположной вершине, и пусть – двугранный угол между двумя гранями тетраэдра, примыкающими к ребру . Закон косинусов тетраэдра, связывающий площади граней тетраэдра с двугранными углами вокруг вершины, определяется следующим соотношением: ^[32] ${\displaystyle P_{1}}$ ${\displaystyle P_{2}}$ ${\displaystyle P_{3}}$ ${\displaystyle P_{4}}$ ${\displaystyle \Delta _{i}}$ ${\displaystyle P_{i}}$ ${\displaystyle \theta _{ij}}$ ${\displaystyle P_{i}P_{j}}$ $${\displaystyle \Delta _{i}^{2}=\Delta _{j}^{2}+\Delta _{k}^{2}+\Delta _{l}^{2}-2(\Delta _{j}\Delta _{k}\cos \theta _{il}+\Delta _{j}\Delta _{l}\cos \theta _{ik}+\Delta _{k}\Delta _{l}\cos \theta _{ij})}$$

Внутренняя точка

Пусть P — любая внутренняя точка тетраэдра объёма V , вершины которого — A , B , C и D , а площади противоположных граней — F _a , F _b , F _c и F _d . Тогда ^{[33] : с.62, #1609}

${\displaystyle PA\cdot F_{\mathrm {a} }+PB\cdot F_{\mathrm {b} }+PC\cdot F_{\mathrm {c} }+PD\cdot F_{\mathrm {d} }\geq 9V.}$

Для вершин A , B , C и D , внутренней точки P и оснований J , K , L и M перпендикуляров от P к граням и предположим, что грани имеют равные площади, тогда ^{[33] : стр.226 , #215}

${\displaystyle PA+PB+PC+PD\geq 3(PJ+PK+PL+PM).}$

Внутренний радиус

Обозначая внутренний радиус тетраэдра как r, а внутренние радиусы его треугольных граней как r _i для i = 1, 2, 3, 4, имеем ^{[33] : с.81, #1990}

${\displaystyle {\frac {1}{r_{1}^{2}}}+{\frac {1}{r_{2}^{2}}}+{\frac {1}{r_{3}^{2}}}+{\frac {1}{r_{4}^{2}}}\leq {\frac {2}{r^{2}}},}$

с равенством тогда и только тогда, когда тетраэдр правильный.

Если A ₁ , A ₂ , A ₃ и A ₄ обозначают площадь каждой грани, значение r определяется выражением

${\displaystyle r={\frac {3V}{A_{1}+A_{2}+A_{3}+A_{4}}}}$.

Эта формула получена путем разделения тетраэдра на четыре тетраэдра, точками которых являются три точки одной из исходных граней и центр инцентра. Поскольку четыре субтетраэдра заполняют объем, имеем . ${\displaystyle V={\frac {1}{3}}A_{1}r+{\frac {1}{3}}A_{2}r+{\frac {1}{3}}A_{3}r+{\frac {1}{3}}A_{4}r}$

Окружной радиус

Обозначим радиус описанной тетраэдра через R. Пусть a , b , c — длины трех ребер, которые встречаются в вершине, а A , B , C — длины противоположных ребер. Пусть V — объем тетраэдра. Тогда ^{[34] [35]}

${\displaystyle R={\frac {\sqrt {(aA+bB+cC)(aA+bB-cC)(aA-bB+cC)(-aA+bB+cC)}}{24V}}.}$

Окружной центр

Центр описанной окружности тетраэдра можно найти как пересечение трех биссектрис. Биссектриса определяется как плоскость с центром и ортогонально ребру тетраэдра. С помощью этого определения центр описанной окружности C тетраэдра с вершинами x ₀ , x ₁ , x ₂ , x ₃ можно сформулировать как матрично-векторное произведение: ^[36]

${\displaystyle {\begin{aligned}C&=A^{-1}B&{\text{where}}&\ &A=\left({\begin{matrix}\left[x_{1}-x_{0}\right]^{T}\\\left[x_{2}-x_{0}\right]^{T}\\\left[x_{3}-x_{0}\right]^{T}\end{matrix}}\right)&\ &{\text{and}}&\ &B={\frac {1}{2}}\left({\begin{matrix}\|x_{1}\|^{2}-\|x_{0}\|^{2}\\\|x_{2}\|^{2}-\|x_{0}\|^{2}\\\|x_{3}\|^{2}-\|x_{0}\|^{2}\end{matrix}}\right)\\\end{aligned}}}$

В отличие от центроида, центр описанной окружности не всегда может лежать внутри тетраэдра. Аналогично тупоугольному треугольнику, в тупоугольном тетраэдре центр описанной окружности находится за пределами объекта.

центроид

Центр масс тетраэдра можно вычислить как среднее арифметическое его четырех вершин, см. Центроид .

Лица

Сумма площадей любых трех граней больше площади четвертой грани. ^{[33] : с.225, #159}

Целые тетраэдры

Существуют тетраэдры, имеющие целочисленные длины ребер, площади граней и объем. Их называют тетраэдрами Герона . В одном примере одно ребро равно 896, противоположное ребро — 990, а остальные четыре ребра — 1073; две грани представляют собой равнобедренные треугольники с площадями436 800 , а два других — равнобедренные с площадями47 120 , а объем124 185 600 . ^[37]

Тетраэдр может иметь целочисленный объем и последовательные целые числа в качестве ребер, например, тетраэдр с ребрами 6, 7, 8, 9, 10 и 11 и объемом 48. ^[38]

Родственные многогранники и соединения

Правильный тетраэдр можно рассматривать как треугольную пирамиду .

Правильный тетраэдр можно рассматривать как вырожденный многогранник, однородную двуугольную антипризму , где базовые многоугольники являются уменьшенными двуугольниками .

Правильный тетраэдр можно рассматривать как вырожденный многогранник, однородный двуугольный трапецоэдр , содержащий 6 вершин, с двумя наборами коллинеарных ребер.

Процесс усечения, примененный к тетраэдру, дает серию однородных многогранников . Усечение ребер до точек дает октаэдр в виде выпрямленного тетраэдра. Процесс завершается биректификацией, уменьшая исходные грани до точек и снова создавая самодвойственный тетраэдр.

Этот многогранник топологически связан как часть последовательности правильных многогранников с символами Шлефли {3, n }, продолжающейся в гиперболическую плоскость .

Тетраэдр топологически связан с серией правильных многогранников и мозаик с вершинными фигурами третьего порядка .

• Соединения тетраэдров
• 
  Два тетраэдра в кубе
• 
  Соединение пяти тетраэдров
• 
  Соединение десяти тетраэдров

Из пяти пересекающихся тетраэдров можно построить интересный многогранник . Это соединение пяти тетраэдров известно уже сотни лет. Это явление регулярно встречается в мире оригами . Соединение двадцати вершин образует правильный додекаэдр . Существуют как левосторонние , так и правосторонние формы, которые являются зеркальным отражением друг друга. Наложение обеих форм дает соединение десяти тетраэдров , в котором десять тетраэдров расположены как пять пар звездочек-октангулов . Стелла-октангула представляет собой соединение двух тетраэдров в двойном положении, а восемь ее вершин определяют куб как их выпуклую оболочку.

Квадратный осоэдр — это еще один многогранник с четырьмя гранями, но у него нет треугольных граней.

Многогранник Силасси и тетраэдр — единственные два известных многогранника, в которых каждая грань имеет общее ребро с другой гранью. Более того, многогранник Часара (сам по себе является двойственным многограннику Силасси) и тетраэдр - единственные два известных многогранника, в которых каждая диагональ лежит на сторонах.

Приложения

Численный анализ

Неправильный объем в пространстве можно аппроксимировать неправильной треугольной поверхностью и неправильными тетраэдрическими элементами объема.

В численном анализе сложные трехмерные формы обычно разбиваются на многоугольную сетку неправильных тетраэдров или аппроксимируются ею в процессе составления уравнений для анализа методом конечных элементов, особенно при численном решении уравнений в частных производных . Эти методы имеют широкое практическое применение в вычислительной гидродинамике , аэродинамике , электромагнитных полях , гражданском строительстве , химической инженерии , военно-морской архитектуре и технике и в смежных областях.

Строительная инженерия

Тетраэдр с жесткими краями по своей природе является жестким. По этой причине его часто используют для придания жесткости рамным конструкциям, таким как пространственные рамы .

Авиация

На некоторых аэродромах большая рама в форме тетраэдра с двумя сторонами, покрытыми тонким материалом, установлена ​​на вращающейся оси и всегда направлена ​​против ветра. Он построен достаточно большим, чтобы его можно было увидеть с воздуха, и иногда его подсвечивают. Его цель - служить пилотам ориентиром для указания направления ветра. ^[39]

Химия

Ион аммония тетраэдрический.

Расчет центрального угла со скалярным произведением

Форма тетраэдра встречается в природе в ковалентно связанных молекулах. Все sp ³ -гибридизированные атомы окружены атомами (или неподеленными электронными парами ) в четырех углах тетраэдра. Например, в молекуле метана ( CH
₄) или ион аммония ( NH⁺
₄), четыре атома водорода окружают центральный атом углерода или азота с тетраэдрической симметрией. По этой причине один из ведущих журналов по органической химии называется «Тетраэдр» . Центральный угол между любыми двумя вершинами идеального тетраэдра равен arccos(− ⁠1/3⁠ ), или примерно 109,47°. ^[40]

Вода , Ч
₂O также имеет тетраэдрическую структуру с двумя атомами водорода и двумя неподеленными парами электронов вокруг центральных атомов кислорода. Однако его тетраэдрическая симметрия не идеальна, поскольку неподеленные пары отталкиваются сильнее, чем одинарные связи O–H.

Четвертичные фазовые диаграммы смесей химических веществ изображаются графически в виде тетраэдров.

Однако четверичные фазовые диаграммы в технике связи представляются графически в двухмерной плоскости.

Существуют молекулы, форма которых основана на четырех соседних атомах, связи которых образуют стороны тетраэдрической структуры, например аллотроп белого фосфора ^[41] и тетра- т- бутилтетраэдр, известное производное гипотетического тетраэдрана .

Электричество и электроника

Если шесть одинаковых резисторов спаять вместе , образуя тетраэдр, то сопротивление, измеренное между любыми двумя вершинами, будет вдвое меньше сопротивления одного резистора. ^[42]

Поскольку кремний является наиболее распространенным полупроводником, используемым в твердотельной электронике , а валентность кремния равна четырем, тетраэдрическая форма четырех химических связей в кремнии оказывает сильное влияние на то, как формируются кристаллы кремния и какую форму они принимают.

Цветовое пространство

Тетраэдры используются в алгоритмах преобразования цветового пространства специально для случаев, когда ось яркости сегментирует цветовое пространство по диагонали (например, RGB, CMY). ^[43]

Игры

4-гранный кубик

Царская игра Ура , датируемая 2600 годом до нашей эры, проводилась с использованием набора четырехгранных игральных костей.

Особенно в ролевых играх это тело известно как 4-гранная игральная кость , одна из наиболее распространенных многогранных игральных костей , выпавшее число которой появляется вокруг нижней или верхней вершины. Некоторые головоломки, похожие на кубик Рубика, имеют четырехгранную форму, например Пираминкс и Пираморфикс .

Геология

Гипотеза тетраэдра , первоначально опубликованная Уильямом Лоутианом Грином для объяснения формирования Земли, ^[44] была популярна в начале 20 века. ^{[45] [46]}

Популярная культура

Тетраэдрические объекты

По словам Марвина Мински , ученого-когнитивиста и эксперта по искусственному интеллекту , который консультировал Кубрика по поводу компьютера HAL 9000 и других аспектов фильма, Стэнли Кубрик изначально задумал монолит в «Космической одиссее 2001 года» как тетраэдр. Кубрик отказался от идеи использования тетраэдра, поскольку посетитель, увидевший его кадры, не понял, что это такое, и он не хотел, чтобы в фильме было что-то, чего обычные люди не понимали. ^[47]

Тетраэдр с правильными гранями — это решение старой головоломки, в которой нужно было составить четыре равносторонних треугольника из шести неразломанных спичек. Решение расположило спички по краям тетраэдра. ^[48]

Тетраэдрический граф

Скелет тетраэдра (состоящий из вершин и ребер) образует граф с 4 вершинами и 6 ребрами. Это частный случай полного графа K ₄ и графа-колеса W ₄ . ^[49] Это один из 5 платоновых графов , каждый из которых представляет собой скелет своего Платонова тела .

Смотрите также

• Спираль Бурдейка – Кокстера
• Конфигурация Мёбиуса
• Кальтроп
• Демигиперкуб и симплекс – n -мерные аналоги
• Пентахорон – 4-х мерный аналог
• Синергетика (Фуллер)
• Тетраэдрический воздушный змей
• Тетраэдрическое число
• Упаковка тетраэдра
• Треугольная дипирамида - построена путем соединения двух тетраэдров по одной грани.
• Трехпрямоугольный тетраэдр
• Ортосхема

Примечания

1. Это также угол между границами плато в вершине. В химии его называют тетраэдрическим валентным углом . Этот угол (в радианах) также является длиной дуги окружности на единичной сфере, возникающей в результате центрального проецирования одного края тетраэдра на сферу.
2. (Коксетер 1973) использует греческую букву 𝝓 (фи) для обозначения одного из трех характеристических углов 𝟀, 𝝓, 𝟁 правильного многогранника. Поскольку 𝝓 обычно используется для обозначения константы золотого сечения ≈ 1,618, для которой Коксетер использует 𝝉 (тау), мы переворачиваем соглашения Кокстера и используем 𝝉 для обозначения характеристического угла.

Рекомендации

1. Вайсштейн, Эрик В. «Тетраэдр». Математический мир .
2. Форд, Уолтер Бертон; Аммерман, Чарльз (1913), Плоская и твердотельная геометрия, Macmillan, стр. 294–295.
3. Канди 1952.
4. Шавинина 2013, с. 333.
5. Кромвель 1997, с. 55.
6. Coxeter 1948, Таблица I (i).
7. Келлер, Юрген, «Тетраэдр», Mathematische Basteleien, 2001.
8. Альсина и Нельсен 2015, с. 68.
9. • Коксетер, 1948 г. Таблица I(i).
   • Бриттен 1945 г.
10. Парк 2016.
11. «Сечения тетраэдра».
12. Кеплер 1619, с. 181.
13. Коксетер, HSM (1989). «Трисекция ортосхемы». Компьютеры Математика. Приложение . 17 (1–3): 59–71. дои : 10.1016/0898-1221(89)90148-X .
14. Coxeter 1973, стр. 71–72, §4.7 Характеристические тетраэдры.
15. Коксетер 1973, стр. 292–293, Таблица I (i); «Тетраэдр, 𝛼 ₃ ».
16. Коксетер 1973, стр. 33–34, §3.1 Конгруэнтные преобразования.
17. Коксетер 1973, с. 63, §4.3 Группы вращений в двух измерениях; понятие фундаментальной области .
18. Трухильо-Пино, Агустин; Суарес, Хосе Пабло; Падрон, Мигель А. (2024). «Конечное число классов подобия в биссечении самого длинного ребра почти равносторонних тетраэдров». Прикладная математика и вычислительная техника . 472 : 128631. doi : 10.1016/j.amc.2024.128631 . ISSN  0096-3003.
19. Альсина и Нельсен 2015, с. 67.
20. Фекете 1985, с. 68.
21. «Симплексные объемы и определитель Кэли-Менгера», MathPages.com
22. Кахан 2012, с. 11.
23. Боттема 1969.
24. Мураками и Яно 2005.
25. Гавличек, Ганс; Вайс, Гюнтер (2003). «Высоты тетраэдра и бесследные квадратичные формы» (PDF) . Американский математический ежемесячник . 110 (8): 679–693. arXiv : 1304.0179 . дои : 10.2307/3647851. JSTOR  3647851.
26. Люнг, Кам-тим; и Суен, Сук-нам; «Векторы, матрицы и геометрия», Hong Kong University Press, 1994, стр. 53–54.
27. Аутьюди, Сомлак; Новинка, Стивен. Различные виды центров упрощений (PDF) . Кафедра математики Университета Чулалонгкорн, Бангкок. Архивировано из оригинала 27 февраля 2009 года.{{cite book}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)
28. Оде, Дэниел (май 2011 г.). «Сферические и гиперболические определители Кэли-Менгера» (PDF) . Бюллетень AMQ.
29. Линделоф, Л. (1867). «Sur les maxima et minima d'une fonction des rayons vecteurs menés d'un point mobile à plusieurs center fixes». Acta Societatis Scientiarum Fennicae . 8 (Часть 1): 189–203.
30. Сенешаль, Марджори (1981). «Какие тетраэдры заполняют пространство?». Журнал «Математика» . 54 (5). Математическая ассоциация Америки: 227–243. дои : 10.2307/2689983. JSTOR  2689983.
31. Рассат, Андре; Фаулер, Патрик В. (2004). «Существует ли «самый киральный тетраэдр»?». Химия: Европейский журнал . 10 (24): 6575–6580. doi : 10.1002/chem.200400869. ПМИД  15558830.
32. Ли 1997.
33. Неравенства, предложенные в « Crux Mathematicorum » , [1].
34. Крелль, Алабама (1821). «Einige Bemerkungen über die dreiseitige Pyramide». Sammlung mathematischer Aufsätze u. Бемеркунген 1 (на немецком языке). Берлин: Маурер. стр. 105–132 . Проверено 7 августа 2018 г.
35. Тодхантер, И. (1886), Сферическая тригонометрия: для использования в колледжах и школах, с. 129(Статья 163)
36. Леви, Бруно; Лю, Ян (2010), « Центроидальная _{тесселяция} Вороного и ее приложения», ACM Transactions on Graphics , 29 (4): 119:1–119:11, doi :10.1145/1778765.1778856
37. «Проблема 930» (PDF) , Solutions, Crux Mathematicorum , 11 (5): 162–166, май 1985 г.
38. Вацлав Серпинский , Треугольники Пифагора , Dover Publications, 2003 (исходное издание 1962), стр. 107. Однако обратите внимание, что Серпинский повторяет ошибочный расчет объема приведенного выше примера тетраэдра Герона.
39. Федеральное управление гражданской авиации (2009), Справочник пилота по авиационным знаниям, типография правительства США, стр. 13–10, ISBN 9780160876110.
40. Бриттин, МЫ (1945). «Валентный угол тетраэдрического атома углерода». Журнал химического образования . 22 (3): 145. Бибкод : 1945JChEd..22..145B. дои : 10.1021/ed022p145.
41. «Белый фосфор». Американское химическое общество . Проверено 26 мая 2024 г.
42. Кляйн, Дуглас Дж. (2002). «Правила суммы сопротивления и расстояния» (PDF) . Хорватия Химика Акта . 75 (2): 633–649. Архивировано из оригинала (PDF) 10 июня 2007 года . Проверено 15 сентября 2006 г.
43. Вондран, Гэри Л. (апрель 1998 г.). «Методы радиальной и обрезанной тетраэдральной интерполяции» (PDF) . Технический отчет HP . HPL-98-95: 1–32. Архивировано из оригинала (PDF) 7 июня 2011 года . Проверено 11 ноября 2009 г.
44. Грин, Уильям Лоутиан (1875). Остатки расплавленного шара, показанные в образе Земли, вулканической деятельности и физиографии. Том. Часть I. Лондон: Э. Стэнфорд. Бибкод : 1875vmge.book.....G. ОСЛК  3571917.
45. Холмс, Артур (1965). Основы физической геологии . Нельсон. п. 32. ISBN 9780177612992.
46. Хичкок, Чарльз Генри (январь 1900 г.). Уинчелл, Ньютон Гораций (ред.). «Уильям Лоутиан Грин и его теория эволюции особенностей Земли». Американский геолог . Том. XXV. Геологическое издательство. стр. 1–10.
47. «Марвин Мински: Стэнли Кубрик отказывается от тетраэдра» . Сеть историй . Проверено 20 февраля 2012 г.
48. Белл, Александр Грэм (июнь 1903 г.). «Тетраэдрический принцип в строении воздушного змея». Научный американец . 55 (1432супп): с2294–22950. doi : 10.1038/scientificamerican06131903-22947supp.
49. Вайсштейн, Эрик В. «Тетраэдрический граф». Математический мир .

Библиография

• Альсина, К.; Нельсен, РБ (2015). Математическая космическая одиссея: твердотельная геометрия в XXI веке . Математическая ассоциация Америки . ISBN 978-1-61444-216-5.
• Боттема, О. (1969). «Теорема Бобилье о тетраэдре». Элементы математики . 24 :6–10.
• Коксетер, HSM (1948). Правильные многогранники . Метуэн и Ко.
• Коксетер, HSM (1973). Правильные многогранники (3-е изд.). Нью-Йорк: Dover Publications .
• Кромвель, Питер Р. (1997). Многогранники. Издательство Кембриджского университета . ISBN 978-0-521-55432-9.
• Канди, Х. Мартин (1952). «Дельтаэдры». Математический вестник . 36 (318): 263–266. дои : 10.2307/3608204. JSTOR  3608204. S2CID  250435684.
• Фекете, А.Е. (1985). Настоящая линейная алгебра. Марсель Деккер Инк.
• Кахан, WM (2012). Какое отношение объем тетраэдра имеет к языкам программирования? (PDF) (Диссертация). стр. 16–17.
• Кеплер, Иоганн (1619). Harmonices Mundi (Гармония мира) . Иоганн Планк.
• Ли, Юнг Рай (1997). «Закон косинусов в тетраэдре». J. Korea Soc. Математика. Образование. Сер. B: Чистое приложение. Математика . 4 (1): 1–6.
• Мураками, Джун; Яно, Масакадзу (2005). «Об объеме гиперболического и сферического тетраэдра». Коммуникации в анализе и геометрии . 13 (2): 379–400. дои : 10.4310/cag.2005.v13.n2.a5 . ISSN  1019-8385. МР  2154824.
• Пак, Пу-Сон (2016). «Расстояния регулярных многогранников» (PDF) . Форум Геометрикорум . 16 : 227–232.
• Шавинина, Лариса В. (2013). Международный справочник Routledge по инновационному образованию . Рутледж. ISBN 978-0-203-38714-6.

Внешние ссылки

• Вайсштейн, Эрик В. «Тетраэдр». Математический мир .
• Бесплатные бумажные модели тетраэдра и многих других многогранников.
• Удивительный, заполняющий пространство, неправильный тетраэдр, который также включает описание «вращающегося кольца тетраэдров», также известного как калейдоцикл .