Куб — это трёхмерный гиперкуб , семейство многогранников, включающее также двумерный квадрат и четырёхмерный тессеракт . Куб с единичной длиной стороны — каноническая единица объёма в трёхмерном пространстве, относительно которой измеряются другие твёрдые тела.
Куб можно представить многими способами, одним из которых является граф, известный как кубический граф . Его можно построить, используя декартово произведение графов . Куб был открыт в древности. Он был связан с природой Земли Платоном , основателем Платоновых тел. Он использовался как часть Солнечной системы , предложенной Иоганном Кеплером . Его можно вывести по-разному , чтобы создать больше многогранников, и он имеет приложения для построения нового многогранника путем присоединения других.
Характеристики
Куб — это частный случай прямоугольного кубоида , в котором ребра равны по длине. [1] Как и в других кубоидах, каждая грань куба имеет четыре вершины, каждая из которых соединяется с тремя конгруэнтными линиями. Эти ребра образуют квадратные грани, делая двугранный угол куба между каждыми двумя соседними квадратами внутренним углом квадрата, 90°. Следовательно, куб имеет шесть граней, двенадцать ребер и восемь вершин. [2] Из-за таких свойств он классифицируется как одно из пяти Платоновых тел , многогранник , в котором все правильные многоугольники конгруэнтны и одинаковое количество граней сходится в каждой вершине. [3]
Измерение и другие метрические свойства
Дан куб с длиной ребра . Диагональ грани куба является диагональю квадрата , а пространственная диагональ куба является линией, соединяющей две вершины, которые не находятся на одной грани, сформулированной как . Обе формулы можно определить с помощью теоремы Пифагора . Площадь поверхности куба в шесть раз больше площади квадрата: [4]
Объем прямоугольного параллелепипеда равен произведению его длины, ширины и высоты. Поскольку все ребра куба имеют одинаковую длину, он равен: [4]
Одним из особых случаев является единичный куб , названный так из-за измерения одной единицы длины вдоль каждого ребра. Из этого следует, что каждая грань является единичным квадратом , а вся фигура имеет объем 1 кубической единицы. [5] [6] Куб принца Руперта , названный в честь принца Руперта Рейнского , является самым большим кубом, который может пройти через отверстие, вырезанное в единичном кубе, несмотря на то, что его стороны примерно на 6% длиннее. [7] Говорят, что многогранник, который может пройти через свою копию того же размера или меньше, обладает свойством Руперта . [8]
Геометрическая задача удвоения куба — также известная как Делосская задача — требует построения куба с объемом в два раза больше исходного, используя только циркуль и линейку . Древние математики не могли решить эту старую задачу, пока французский математик Пьер Ванцель в 1837 году не доказал, что это невозможно. [9]
Отношение к сферам
При длине ребра вписанная сфера куба — это сфера, касательная к граням куба в их центроидах, с радиусом . Средняя сфера куба — это сфера, касательная к ребрам куба, с радиусом . Описанная сфера куба — это сфера, касательная к вершинам куба, с радиусом . [10]
Для куба, описанная сфера которого имеет радиус , и для заданной точки в его трехмерном пространстве с расстояниями от восьми вершин куба, это: [11]
Симметрия
Куб имеет октаэдрическую симметрию . Он состоит из симметрии отражения , симметрии путем разрезания на две половины плоскостью. Существует девять симметрий отражения: пять разрезают куб по серединам его ребер, а четыре разрезают по диагонали. Он также состоит из вращательной симметрии , симметрии путем вращения его вокруг оси, от которой внешний вид является взаимозаменяемым. Он имеет октаэдрическую вращательную симметрию : три оси проходят через центроид противоположных граней куба, шесть - через середины противоположных ребер куба и четыре - через противоположные вершины куба; каждая из этих осей является соответственно четырехкратной вращательной симметрией (0°, 90°, 180° и 270°), двукратной вращательной симметрией (0° и 180°) и трехкратной вращательной симметрией (0°, 120° и 240°). [12] [13] [14]
Двойственный многогранник может быть получен из каждой вершины многогранника, касательной к плоскости, с помощью процесса, известного как полярное возвратно-поступательное движение . [15] Одним из свойств двойственных многогранников обычно является то, что многогранник и его двойственный многогранник разделяют их трехмерную точечную группу симметрии . В этом случае двойственный многогранник куба является правильным октаэдром , и оба этих многогранника имеют одну и ту же симметрию, октаэдрическую симметрию. [16]
Куб является гране-транзитивным , что означает, что два его квадрата одинаковы и могут быть отображены вращением и отражением. [17] Он является вершинно-транзитивным , что означает, что все его вершины эквивалентны и могут быть отображены изометрически относительно его симметрии. [18] Он также является рёберно-транзитивным , что означает, что одинаковые виды граней окружают каждую из его вершин в том же или обратном порядке, все две смежные грани имеют одинаковый двугранный угол . Следовательно, куб является правильным многогранником, поскольку он требует этих свойств. [19]
Классификации
Куб является особым случаем среди всех кубоидов . Как упоминалось выше, куб можно представить как прямоугольный кубоид с ребрами одинаковой длины, и все его грани являются квадратами. [1] Куб можно рассматривать как параллелепипед , в котором все его ребра являются равными ребрами. [20]
Куб — это плезиоэдр , особый вид заполняющего пространство многогранника, который можно определить как ячейку Вороного симметричного множества Делоне . [21] Плезиоэдры включают параллелоэдры , которые можно перемещать без вращения, чтобы заполнить пространство, называемое сотами , в котором каждая грань любой из ее копий прикреплена к подобной грани другой копии. Существует пять видов параллелоэдров, одним из которых является кубоид. [22] Каждый трехмерный параллелоэдр является зоноэдром , центрально-симметричным многогранником, грани которого являются центрально-симметричными многоугольниками , [23]
Строительство
Элементарный способ построить куб — использовать его сеть , расположение многоугольников, соединяющих ребра, образующих многогранник путем соединения по ребрам этих многоугольников. Здесь показано одиннадцать сетей для куба. [24]
В аналитической геометрии куб может быть построен с использованием декартовых систем координат . Для куба с центром в начале координат, ребрами, параллельными осям, и длиной ребра 2, декартовы координаты вершин равны . [25] Его внутренняя часть состоит из всех точек с для всех . Поверхность куба с центром и длиной ребра является геометрическим местом всех точек, таких что
Согласно теореме Штейница , граф можно представить как скелет многогранника; грубо говоря, каркас многогранника. Такой граф обладает двумя свойствами. Он является планарным , то есть ребра графа соединены с каждой вершиной, не пересекая другие ребра. Это также 3-связный граф , то есть всякий раз, когда граф с более чем тремя вершинами, и две из вершин удаляются, ребра остаются соединенными. [27] [28] Скелет куба можно представить как граф, и он называется кубическим графом , платоновым графом . Он имеет то же количество вершин и ребер, что и куб, двенадцать вершин и восемь ребер. [29]
Кубический граф является частным случаем гиперкубического графа или - куба - обозначаемого как - потому что он может быть построен с помощью операции, известной как декартово произведение графов . Если выразить это на простом языке, его построение включает в себя два графа, соединяющих пару вершин ребром для формирования нового графа. [30] В случае кубического графа это произведение двух ; грубо говоря, это граф, напоминающий квадрат. Другими словами, кубический граф строится путем соединения каждой вершины двух квадратов ребром. Условно кубический граф можно обозначить как . [31] Как часть гиперкубического графа, он также является примером графа единичных расстояний . [32]
Как и другие графы кубоидов, кубический граф также классифицируется как призматический граф . [33]
В ортогональной проекции
Объект, освещенный параллельными лучами света, отбрасывает тень на плоскость, перпендикулярную этим лучам, называемую ортогональной проекцией . Многогранник считается равнопроекционным , если для некоторого положения света его ортогональная проекция является правильным многоугольником. Куб равнопроекционен, потому что, если свет параллелен одной из четырех линий, соединяющих вершину с противоположной вершиной, его проекция является правильным шестиугольником . Условно куб является 6-равнопроекционным. [34]
Как матрица 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 в диагонали матрицы обозначается как 8, 12 и 6. Первый столбец средней строки указывает, что в каждом ребре (т. е. на его краях) есть две вершины, обозначенные как 2; средний столбец первой строки указывает, что в каждой вершине сходятся три ребра, обозначенные как 3. Следующая матрица: [35]
Куб может появляться в конструкции многогранника, и некоторые его типы могут быть получены по-разному следующим образом:
При огранке куба, то есть удалении части многоугольных граней без создания новых вершин куба, полученный многогранник является звездчатым октаэдром . [39]
Куб является несоставным многогранником , то есть это выпуклый многогранник, который нельзя разделить на два или более правильных многогранников. Куб можно применить для построения нового выпуклого многогранника путем присоединения другого. [40] Присоединение квадратной пирамиды к каждой квадратной грани куба создает его Kleetope , многогранник, известный как тетракисгексаэдр . [41] Предположим, что одна и две равносторонние квадратные пирамиды прикреплены к их квадратным граням. В этом случае они являются конструкцией вытянутой квадратной пирамиды и вытянутой квадратной бипирамиды соответственно, примерами Джонсона . [42]
Каждая из вершин куба может быть усечена , и полученный многогранник является архимедовым телом , усеченным кубом . [43] Когда его ребра усечены, это ромбокубооктаэдр . [44] Соответственно, ромбокубооктаэдр также может быть построен путем разделения граней куба и последующего расширения, после чего добавления других треугольных и квадратных граней между ними; это известно как «расширенный куб». Он также может быть построен аналогичным образом с помощью двойственного кубу, правильного октаэдра. [45]
Угловую область куба также можно усечь плоскостью (например, охватывающей три соседние вершины), в результате чего получится трипрямоугольный тетраэдр .
Плосконосый куб — это архимедово тело, которое можно построить, отделив грани куба-квадрата и заполнив их промежутки скрученными равносторонними треугольниками; этот процесс известен как плосконосый куб . [46]
Соты — это заполнение пространства или мозаика в трехмерном пространстве, то есть это объект, в котором построение начинается с присоединения любых многогранников к их граням без оставления зазора. Куб можно представить как ячейку , а примерами сот являются кубические соты , кубические соты порядка 5 , кубические соты порядка 6 и кубические соты порядка 7. [47] Куб можно построить из шести квадратных пирамид , замостив пространство путем присоединения их вершин. [ 48]
Поликуб — это многогранник, в котором грани многих кубов соединены. Аналогично, его можно интерпретировать как полимино в трехмерном пространстве. [49] Когда четыре куба сложены вертикально, а остальные четыре прикреплены ко второму сверху кубу в стопке, полученный поликуб — это крест Дали , в честь Сальвадора Дали . Крест Дали — это многогранник из плиточного пространства, [50] [51], который можно представить как развертку тессеракта . Тессеракт — это куб, аналогичный четырехмерному пространству, ограниченному двадцатью четырьмя квадратами, и он ограничен восемью кубами, известными как его ячейки . [52]
Ссылки
^ ab Mills, Steve; Kolf, Hillary (1999). Maths Dictionary. Heinemann. стр. 16. ISBN 978-0-435-02474-1.
^ Джонсон, Норман В. (1966). «Выпуклые многогранники с правильными гранями». Канадский журнал математики . 18 : 169–200. doi : 10.4153/cjm-1966-021-8 . MR 0185507. S2CID 122006114. Zbl 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. стр. 252. ISBN978-1-4665-5464-1.
^ Шрираман, Бхарат (2009). «Математика и литература (продолжение): воображение как путь к передовым математическим идеям и философии». В Шрираман, Бхарат; Фрейман, Виктор; Лиретт-Питр, Николь (ред.). Междисциплинарность, творчество и обучение: математика с литературой, парадоксами, историей, технологией и моделированием . Энтузиаст математики Монтаны: серия монографий по математическому образованию. Том 7. Information Age Publishing, Inc. стр. 41–54. ISBN9781607521013.
^ Джеррард, Ричард П.; Ветцель, Джон Э.; Юань, Липин (апрель 2017 г.). «Платонические отрывки». Mathematics Magazine . 90 (2). Вашингтон, округ Колумбия: Математическая ассоциация Америки : 87–98. doi :10.4169/math.mag.90.2.87. S2CID 218542147.
^ Лютцен, Йеспер (2010). «Алгебра геометрической невозможности: Декарт и Монтакля о невозможности удвоения куба и трисекции угла». Centaurus . 52 (1): 4–37. doi :10.1111/j.1600-0498.2009.00160.x.
^ Coxeter (1973) Таблица I(i), стр. 292–293. См. столбцы , помеченные , и , обозначения Коксетера для описанной окружности, среднего радиуса и вписанного радиуса соответственно, также отмечая, что Коксетер использует в качестве длины ребра (см. стр. 2).
^ Пу-Сунг, Пак, Пу-Сунг (2016). «Расстояния правильных многогранников» (PDF) . Forum Geometricorum . 16 : 227–232.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^ Френч, Дуг (1988). «Размышления о кубе». Математика в школе . 17 (4): 30–33. JSTOR 30214515.
^ Кромвель, Питер Р. (1997). Многогранники. Cambridge University Press. стр. 309. ISBN978-0-521-55432-9.
^ Каннингем, Гейб; Пеллисер, Дэниел (2024). «Конечные трехорбитальные многогранники в обычном пространстве, II». Boletín de la Sociedad Matemática Mexicana . 30 (32). дои : 10.1007/s40590-024-00600-z .См. стр. 276.
^ Эрдаль, Р. М. (1999). «Зонотопы, кубики и гипотеза Вороного о параллелоэдрах». Европейский журнал комбинаторики . 20 (6): 527–549. doi : 10.1006/eujc.1999.0294 . MR 1703597.. Вороной предположил, что все мозаики пространств более высокой размерности, полученные с помощью трансляций одного выпуклого многогранника, комбинаторно эквивалентны мозаикам Вороного, и Эрдаль доказывает это в частном случае зонотопов . Но, как он пишет (стр. 429), гипотеза Вороного для размерностей не более четырех уже была доказана Делоне. О классификации трехмерных параллелоэдров по этим пяти типам см. Grünbaum, Branko ; Shephard, GC (1980). "Tilings with congruent tiles". Bulletin of the American Mathematical Society . New Series. 3 (3): 951–973. doi : 10.1090/S0273-0979-1980-14827-2 . MR 0585178.
^ В более высоких измерениях, однако, существуют параллелопы, которые не являются зонотопами. См., например, Shephard, GC (1974). "Space-filling zonotopes". Mathematika . 21 (2): 261–269. doi :10.1112/S0025579300008652. MR 0365332.
^ Чон, Кёнсун (2009). «Математика прячется в сетях для КУБА». Обучение детей математике . 15 (7): 394–399. doi :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 столетию со дня рождения А.Д.Александрова (Ярославль, 13–18 августа 2012 г.) (PDF) . Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова, Международная лаборатория им. Б.Н. Делоне. С. 46–49.
^ Рудольф, Майкл (2022). Математика конечных сетей: введение в теорию графов операторов. Cambridge University Press . стр. 25. doi : 10.1007/9781316466919 (неактивен 1 ноября 2024 г.). ISBN9781316466919.{{cite book}}: CS1 maint: DOI inactive as of November 2024 (link)
^ Harary, F. ; Hayes, JP; Wu, H.-J. (1988). «Обзор теории графов гиперкуба». Computers & Mathematics with Applications . 15 (4): 277–289. doi :10.1016/0898-1221(88)90213-1. hdl : 2027.42/27522 .
^ Ливио, Марио (2003) [2002]. Золотое сечение: История Фи, самого удивительного числа в мире (1-е торговое издание в мягкой обложке). Нью-Йорк: Broadway Books . стр. 147. ISBN978-0-7679-0816-0.
^ Инчбальд, Гай (2006). «Facetting Diagrams». The Mathematical Gazette . 90 (518): 253–261. doi :10.1017/S0025557200179653. JSTOR 40378613.
^ Тимофеенко, А. В. (2010). «Соединение несоставных многогранников» (PDF) . Санкт-Петербургский математический журнал . 21 (3): 483–512. doi :10.1090/S1061-0022-10-01105-2.
^ 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, AR (2001). Выпуклые многогранники с условиями регулярности и третья проблема Гильберта. Тексты и чтения по математике. Hindustan Book Agency. стр. 84–89. doi :10.1007/978-93-86279-06-4. ISBN978-93-86279-06-4.
↑ Кромвель (1997), стр. 81–82.
^ Linti, G. (2013). "Catenate Compounds - Group 13 [Al, Ga, In, Tl]". В Reedijk, J.; Poeppelmmeier, K. (ред.). Comprehensive Inorganic Chemistry II: From Elements to Applications. Newnes. стр. 41. ISBN978-0-08-096529-1.
^ Виана, Вера; Ксавье, Жуан Педро; Айрес, Ана Паула; Кампос, Хелена (2019). "Интерактивное расширение ахиральных многогранников". В Коккьярелла, Луиджи (ред.). ICGG 2018 - Труды 18-й Международной конференции по геометрии и графике, 40-я годовщина - Милан, Италия, 3-7 августа 2018 г. Достижения в области интеллектуальных систем и вычислений. Том 809. Springer. стр. 1123. doi :10.1007/978-3-319-95588-9. ISBN978-3-319-95587-2.См. рис. 6.
^ Холм, А. (2010). Геометрия: наше культурное наследие. Springer . doi :10.1007/978-3-642-14441-7. ISBN978-3-642-14441-7.
^ 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, У. Ф. (1972). «Симметрия кубических и общих полимино». В Read, Ronald C. (ред.). Теория графов и вычисления. Нью-Йорк: Academic Press . С. 101–108. ISBN978-1-48325-512-5.
^ Диас, Джованна; О'Рурк, Джозеф (2015). «Развертки гиперкуба, которые заполняют и ». arXiv : 1512.02086 [cs.CG].
^ Лангерман, Стефан ; Уинслоу, Эндрю (2016). «Развертки поликуба, удовлетворяющие критерию Конвея» (PDF) . 19-я Японская конференция по дискретной и вычислительной геометрии, графам и играм (JCDCG^3 2016) .