Многогранник, образованный путем соединения зеркальных пирамид основанием к основанию.
В геометрии бипирамида , дипирамида или двойная пирамида — это многогранник , образованный путем слияния двух пирамид вместе основанием к основанию. Поэтому многоугольное основание каждой пирамиды должно быть одинаковым, и если не указано иное, вершины основания обычно лежат в одной плоскости , а бипирамида обычно симметрична , то есть две пирамиды являются зеркальными отражениями относительно их общей плоскости основания. Когда каждая вершина ( мн. ч. вершины, вершины вне основания) бипирамиды находится на прямой, перпендикулярной основанию и проходящей через ее центр, это правильная бипирамида; [a] в противном случае она наклонная . Когда основание представляет собой правильный многоугольник , бипирамида также называется правильной .
Бипирамида — это многогранник, образованный путем слияния двух пирамид , имеющих одно и то же многоугольное основание ; [1] пирамида, в свою очередь, образована путем соединения каждой вершины ее основания с одной новой вершиной ( вершиной ), не лежащей в плоскости основания, для углового основания, образующего треугольные грани в дополнение к базовой грани. Таким образом, угловая бипирамида имеет грани, ребра и вершины.В более общем смысле, правильная пирамида — это пирамида, вершины которой находятся на перпендикулярной линии, проходящей через центроид произвольного многоугольника или инцентр касательного многоугольника , в зависимости от источника. [a] Аналогично, правильная бипирамида — это многогранник, построенный путем присоединения двух симметричных правых бипирамидных оснований; бипирамиды, вершины которых не находятся на этой линии, называются косыми бипирамидами . [2]
Когда две пирамиды являются зеркальными изображениями, бипирамида называется симметричной . Она называется правильной, если ее основание — правильный многоугольник . [1] Когда основание — правильный многоугольник, а вершины находятся на перпендикулярной линии, проходящей через его центр ( правильная правильная бипирамида ), то все ее грани — равнобедренные треугольники ; иногда название бипирамида относится именно к симметричным правильным прямым бипирамидам, [3] Примерами таких бипирамид являются треугольная бипирамида , октаэдр (квадратная бипирамида) и пятиугольная бипирамида . Если все их ребра равны по длине, эти формы состоят из равносторонних треугольных граней, что делает их дельтаэдрами ; [4] [5] треугольная бипирамида и пятиугольная бипирамида являются телами Джонсона , а правильный октаэдр — Платоновым телом . [6]
Симметричные правильные прямые бипирамиды имеют призматическую симметрию с группой симметрии диэдра порядка : они не изменяются при вращении вокруг оси симметрии , отражении относительно любой плоскости, проходящей через обе вершины и вершину основания или обе вершины и центр ребра основания, или отражении относительно плоскости зеркала. [7] Поскольку их грани транзитивны относительно этих преобразований симметрии, они являются изоэдральными . [8] [9] Они являются двойственными многогранниками призм , а призмы также являются двойственными бипирамидам; вершины бипирамид соответствуют граням призмы, а ребра между парами вершин одной соответствуют ребрам между парами граней другой, и наоборот. [10] Призмы обладают той же симметрией, что и бипирамиды. [11] Правильный октаэдр еще более симметричен, так как его базовые вершины и вершины неразличимы и могут меняться местами путем отражений или вращений ; правильный октаэдр и его двойственный куб имеют октаэдрическую симметрию . [12]
Объем симметричной бипирамиды равен,
где B - площадь основания, а h - высота от плоскости основания до любой вершины. В случае правильного многоугольника с длиной стороны и высотой , объем такой бипирамиды равен:
Родственные и другие типы бипирамид
Вогнутые бипирамиды
Вогнутая бипирамида имеет вогнутое многоугольное основание, и одним из примеров является вогнутая тетрагональная бипирамида или неправильный вогнутый октаэдр. Бипирамида с произвольным многоугольным основанием может считаться правильной бипирамидой, если вершины находятся на линии, перпендикулярной основанию, проходящей через центроид основания .
Асимметричные бипирамиды
Асимметричная бипирамида имеет вершины, которые не зеркально отражаются относительно плоскости основания; для прямой бипирамиды это происходит только в том случае, если каждая вершина находится на разном расстоянии от основания.
Двойственной асимметричной прямой n -угольной бипирамиде является n- угольный усеченный треугольник .
Правильная асимметричная прямоугольная n -угольная бипирамида имеет группу симметрии C n v порядка 2 n .
Разносторонние треугольные бипирамиды
Изотоксальная правильная (симметричная) ди -n -угольная бипирамида — это правильная (симметричная) 2n - угольная бипирамида с изотоксальным плоским многоугольным основанием: ее 2n базовых вершин лежат в одной плоскости, но чередуются по двум радиусам .
Все его грани — конгруэнтные разносторонние треугольники , и он равногранный . Его можно рассматривать как другой тип прямоугольного симметричного ди- n -угольного скаленоэдра с изотоксальным плоским многоугольным основанием.
Изотоксальная правая (симметричная) ди- n -угольная бипирамида имеет n двукратных осей вращения через противоположные базальные вершины, n плоскостей отражения через противоположные апикальные ребра, n -кратную ось вращения через вершины, плоскость отражения через основание и n -кратную ось вращения-отражения через вершины, [13] представляющую группу симметрии D n h , [ n ,2], (*22 n ), порядка 4 n . (Отражение относительно плоскости основания соответствует вращению-отражению на 0° . Если n четно, то существует инверсионная симметрия относительно центра, соответствующая вращению-отражению на 180° .)
Пример с 2 n = 2×3 :
Изотоксальная правильная (симметричная) дитригональная бипирамида имеет три подобные вертикальные плоскости симметрии, пересекающиеся по (вертикальной) оси вращения 3 -го порядка; перпендикулярно им расположена четвертая плоскость симметрии (горизонтальная); на пересечении трех вертикальных плоскостей с горизонтальной плоскостью находятся три подобные (горизонтальные) оси вращения 2 -го порядка; центра инверсионной симметрии нет, [14] но есть центр симметрии : точка пересечения четырех осей.
Пример с 2 n = 2×4 :
Изотоксальная правильная (симметричная) дитетрагональная бипирамида имеет четыре вертикальные плоскости симметрии двух видов, пересекающиеся по (вертикальной) 4 -кратной оси вращения; перпендикулярно им находится пятая плоскость симметрии (горизонтальная); на пересечении четырех вертикальных плоскостей с горизонтальной плоскостью находятся четыре (горизонтальные) 2 -кратные оси вращения двух видов, каждая из которых перпендикулярна плоскости симметрии; две вертикальные плоскости делят пополам углы между двумя горизонтальными осями; и имеется центр инверсионной симметрии. [15]
Двойной пример:
Бипирамида с изотоксальным 2×2 -угольным основанием вершинами U, U', V, V' и прямоугольными симметричными вершинами A, A' имеет грани равнобедренные. Действительно:
Длина верхнего апикального края:
Длина базовой кромки:
Длины нижних апикальных кромок (равны длинам верхних кромок):
Бипирамида с теми же вершинами основания, но с прямыми симметричными вершинами также имеет равнобедренные грани. Действительно:
Длина верхнего апикального края:
Длина базовой кромки (такая же, как в предыдущем примере):
Длины нижних апикальных кромок (равны длинам верхних кромок):
В кристаллографии существуют изотоксальные правильные (симметричные) дидигональные [b] (8-гранные), дитригональные (12-гранные), дитетрагональные (16-гранные) и дигексагональные (24-гранные) бипирамиды. [13] [16]
Скаленоэдры
Скаленоэдр похож на бипирамиду; разница в том, что скаленоэдр имеет зигзагообразный рисунок на средних ребрах. [17]
Он имеет две вершины и 2 n базальных вершин, 4 n граней и 6 n ребер; он топологически идентичен 2 n -угольной бипирамиде, но его 2 n базальных вершин чередуются в двух кольцах выше и ниже центра. [16]
Все его грани - конгруэнтные разносторонние треугольники , и он равногранный . Его можно рассматривать как другой тип правильной симметричной ди- n -угольной бипирамиды с основанием в виде правильного зигзагообразного косого многоугольника.
Правильный прямоугольный симметричный ди- n -угольный скаленоэдр имеет n двукратных осей вращения, проходящих через противоположные базальные срединные ребра, n плоскостей отражения, проходящих через противоположные вершинные ребра, n -кратную ось вращения, проходящую через вершины, и 2 n -кратную ось вращения-отражения, проходящую через вершины (вокруг которой 1 n вращений-отражений глобально сохраняют тело), [13] представляя группу симметрии D n v = D n d , [2 + ,2 n ], (2* n ), порядка 4 n . (Если n нечетно, то существует инверсионная симметрия относительно центра, соответствующая вращению-отражению на 180° .)
Пример с 2 n = 2×3 :
Правильный прямоугольный симметричный дитригональный скаленоэдр имеет три подобные вертикальные плоскости симметрии, наклоненные друг к другу под углом 60° и пересекающиеся по (вертикальной) оси вращения 3- го порядка, три подобные горизонтальные оси вращения 2 -го порядка, каждая из которых перпендикулярна плоскости симметрии, центр инверсионной симметрии [18] и вертикальную ось вращения-отражения 6 -го порядка.
Пример с 2 n = 2×2 :
Правильный прямоугольный симметричный двуугольный скаленоэдр имеет только одну вертикальную и две горизонтальные оси вращения 2 -го порядка, две вертикальные плоскости симметрии, которые делят пополам углы между горизонтальной парой осей, и вертикальную ось вращения-отражения 4 -го порядка; [19] он не имеет центра инверсионной симметрии.
Максимум два частных значения граней такого скаленоэдра могут быть равнобедренными .
Двойной пример:
Скаленоэдр с правильным зигзагообразным скошенным 2×2 -угольником в основании с вершинами U, U', V, V' и прямыми симметричными вершинами A, A' имеет грани равнобедренные. Действительно:
Длина верхнего апикального края:
Длина базовой кромки:
Длины нижних апикальных кромок (равны длинам верхних кромок, поменянных местами):
Скаленоэдр с теми же вершинами основания, но с прямыми симметричными вершинами также имеет грани равнобедренные. Действительно:
Длина верхнего апикального края:
Длина базовой кромки (такая же, как в предыдущем примере):
Длины нижних апикальных кромок (равны длинам верхних кромок, поменянных местами):
В кристаллографии существуют правильные прямоугольные симметричные дидигональные ( 8- гранные) и дитригональные ( 12 -гранные) скаленоэдры. [13] [16]
Наименьшие геометрические скаленоэдры имеют восемь граней и топологически идентичны правильному октаэдру . В этом случае ( 2 n = 2×2 ) в кристаллографии правильный симметричный двуугольный ( 8 -гранный) скаленоэдр называется тетрагональным скаленоэдром . [13] [16]
Давайте временно сосредоточимся на правильных прямоугольных симметричных 8- гранных скаленоэдрах с h = r , т.е.
их две вершины можно представить как A, A' , а четыре базальные вершины как U, U', V, V' :
где z — параметр между 0 и 1 .
При z = 0 это правильный октаэдр; при z = 1 он имеет четыре пары копланарных граней, и объединение их в четыре конгруэнтных равнобедренных треугольника делает его двуклиноидом ; при z > 1 он вогнутый.
Если основание 2 n -угольника является одновременно изотоксальным внутрь-наружу и зигзагообразным , то не все грани изотоксального прямоугольного симметричного скаленоэдра конгруэнтны.
Пример с пятью различными длинами кромок:
Скаленоэдр с изотоксальным зигзагообразным скошенным внутрь-наружу 2×2 -угольником в основании с вершинами U, U', V, V' и прямыми симметричными вершинами A, A' имеет конгруэнтные разносторонние верхние грани и конгруэнтные разносторонние нижние грани, но не все его грани конгруэнтны. Действительно:
Длина верхнего апикального края:
Длина базовой кромки:
Длина нижнего апикального края:
Для некоторых конкретных значений z A = | z A' | половина граней такого скаленоэдра может быть равнобедренной или равносторонней .
Пример с тремя разными длинами кромок:
Скаленоэдр с изотоксальным зигзагообразным скошенным внутрь-наружу 2×2 -угольником в основании с вершинами U, U', V, V' и прямыми симметричными вершинами A, A' имеет конгруэнтные разносторонние верхние грани и конгруэнтные равносторонние нижние грани; таким образом, не все его грани конгруэнтны. Действительно:
Длина верхнего апикального края:
Длина базовой кромки:
Длина(ы) нижнего апикального края:
Звездные бипирамиды
Звездчатая бипирамида имеет в основании звездчатый многоугольник и является самопересекающейся. [20]
EE — расстояние между соседними вершинами на экваторе (равно 1);
AE — длина ребра от вершины до экватора;
AA — расстояние между вершинами.
Бипирамидальный 4-политоп будет иметь вершины V A там, где сходятся вершины бипирамид N A. Он будет иметь вершины V E там, где сходятся вершины типа E бипирамид N E.
Бипирамиды встречаются вдоль каждого ребра типа AE .
Бипирамиды встречаются вдоль каждого ребра типа EE .
Обобщенная n -мерная "бипирамида" - это любой n -политоп , построенный из ( n − 1) -политопа основания , лежащего в гиперплоскости , с каждой базовой вершиной, соединенной ребром с двумя вершинами вершин . Если ( n − 1) -политоп является правильным политопом и вершины равноудалены от его центра вдоль линии, перпендикулярной базовой гиперплоскости, он будет иметь идентичные пирамидальные грани .
Двумерный аналог правильной симметричной бипирамиды образуется путем соединения двух конгруэнтных равнобедренных треугольников основаниями к основаниям с образованием ромба . В более общем смысле, воздушный змей является двумерным аналогом (возможно, асимметричной) правильной бипирамиды, а любой четырехугольник является двумерным аналогом общей бипирамиды.
^ ab Центр правильного многоугольника однозначен, но для неправильных многоугольников источники расходятся во мнениях. Некоторые источники допускают, что только правильная пирамида может иметь в основании правильный многоугольник. Другие определяют правую пирамиду как имеющую вершины на прямой, перпендикулярной основанию и проходящей через ее центроид . Пойа (1954) ограничивает правильные пирамиды теми, у которых основанием является касательный многоугольник , с вершинами на прямой, перпендикулярной основанию и проходящей через инцентр .
^ Наименьшие геометрические ди- n -угольные бипирамиды имеют восемь граней и топологически идентичны правильному октаэдру . В этом случае ( 2 n = 2×2 ): изотоксальная правильная (симметричная) дидигональная бипирамида называется ромбической бипирамидой , [13] [16] хотя все ее грани являются разносторонними треугольниками, поскольку ее плоское многоугольное основание является ромбом.
^ Дано в числовом виде из-за более сложной формы.
^ Выпрямленный 16-ячеечный многогранник является правильным 24-ячеечным многогранником, и все вершины эквивалентны – октаэдры являются правильными бипирамидами.
Цитаты
^ ab Aarts, JM (2008). Плоская и объемная геометрия. Springer. стр. 303. doi :10.1007/978-0-387-78241-6. ISBN 978-0-387-78241-6.
^ Полиа, Г. (1954). Математика и правдоподобное рассуждение: Индукция и аналогия в математике. Princeton University Press. стр. 138. ISBN0-691-02509-6.
^ Тригг, Чарльз В. (1978). «Бесконечный класс дельтаэдров». Mathematics Magazine . 51 (1): 55–57. doi :10.1080/0025570X.1978.11976675. JSTOR 2689647. MR 1572246.
^ Уэхара, Рюхэй (2020). Введение в вычислительное оригами: мир новой вычислительной геометрии. Springer. стр. 62. doi :10.1007/978-981-15-4470-5. ISBN978-981-15-4470-5. S2CID 220150682.
^ Флуссер, Ян; Сук, Томас; Зитофа, Барбара (2017). Анализ 2D и 3D изображений по моментам. John & Sons Wiley. стр. 126. ISBN978-1-119-03935-8.
^ Чанг, Ч.; Патцер, ABC; Зюльцле, Д.; Хауэр, Х. «Неорганические фуллерены, подобные луковицам, с точки зрения полиэдральной физики». В Sattler, Клаус Д. (ред.). Нанонаука 21-го века: Справочник . Тейлор и Фрэнсис. стр. 15-4.
^ Маклин, К. Робин (1990). «Подземелья, драконы и кости». The Mathematical Gazette . 74 (469): 243–256. doi :10.2307/3619822. JSTOR 3619822. S2CID 195047512.
^ Сибли, Томас К. (2015). Думать геометрически: обзор геометрий. Математическая ассоциация Америки. стр. 53. ISBN978-1-939512-08-6.
^ Кинг, Роберт Б. (1994). "Полиэдральная динамика". В Бончев, Данаил Д.; Мекенян, О.Г. (ред.). Графовые теоретические подходы к химической реактивности . Springer. doi :10.1007/978-94-011-1202-4. ISBN978-94-011-1202-4.
^ Армстронг, MA (1988). Группа и симметрия. Бакалаврские тексты по математике. Springer. стр. 39. doi :10.1007/978-1-4757-4034-9. ISBN978-1-4757-4034-9.
^ abcdef "Форма кристалла, зоны, привычка кристалла". Tulane.edu . Получено 16 сентября 2017 г. .
^ abcde "48 особых форм кристаллов". 18 сентября 2013 г. Архивировано из оригинала 18 сентября 2013 г. Получено 18 ноября 2020 г.
^ Кляйн, Корнелис; Филпоттс, Энтони Р. (2013). Земляные материалы: Введение в минералогию и петрологию. Cambridge University Press. стр. 108. ISBN978-0-521-14521-3.
↑ Spencer 1911, стр. 2. Тетрагональная система, класс скаленоэдральных, рис. 51, стр. 577 (стр. 599 на Wikisource).
^ Ранкин, Джон Р. (1988). «Классы многогранников, определяемые реактивной графикой». Компьютеры и графика . 12 (2): 239–254. doi :10.1016/0097-8493(88)90036-2.
Цитируемые работы
Энтони Пью (1976). Многогранники: визуальный подход . Калифорния: Издательство Калифорнийского университета в Беркли. ISBN 0-520-03056-7.Глава 4: Двойственные многогранники Архимеда, призмы и антипризмы