Правильный косой многогранник

Перейти к навигацииПерейти к поиску

Правильный косой многогранник — это обобщение множества правильных многогранников, которое включает возможность непланарных граней или вершинных фигур. Коксетер рассматривал косые вершинные фигуры, которые создавали новые четырёхмерные правильные многогранники, а много позднее Бранко Грюнбаум рассматривал правильные косые грани.[1]

Описание правильных косых многогранников

Правильные косые многогранники не являются многогранниками в привычном смысле. Как Коксетер пишет в статье THE REGULAR SPONGES, OR SKEW POLYHEDRA (Правильные губки или косые многогранники), «Заполнение гранями отличается от конечных многогранников тем, что для них понятия внутри и снаружи совершено одно и то же. Такие заполнения помогают думать о многограннике как о поверхности, а не как о теле. Чтобы получить новые многогранники, нужно изловчиться, чтобы у вершины можно было разместить больше многоугольников, чем это разрешается кристаллографическими ограничениями (сумма углов при вершине меньше )». Чтобы достичь такого эффекта, Петри разрешил рёбрам идти в другую сторону от плоскости, что приводит к губкам, то есть поверхностям с незакрытыми дырами (дыра одного многогранника закрывается дырой другого, так что все они образуют бесконечную губку)[2].

История

Согласно Коксетеру в 1926 Джон Флиндерс Петри[англ.] обобщил концепцию пространственных многоугольников (непланарных многоугольников) [3] в правильные косые многогранники.

Коксетер предложил модифицированный символ Шлефли {l,m|n} для этих фигур, где {l,m} означает вершинную фигуру, m l-угольников вокруг вершины, а nn-угольные дыры. Их вершинные фигуры являются пространственными многоугольниками, пробегающими зигзагом между двумя плоскостями.

Правильные косые многогранники, представленные символом {l,m|n}, удовлетворяют равенству:

2*cos(π/l)*cos(π/m)=cos(π/n)

Первое множество {l, m | n} представляет пять выпуклых платоновых тел и одно невыпуклое тело Кеплера — Пуансо:

{l, m | n} Граней Рёбер Вершин p МногогранникПорядок
симметрии
{3,3| 3} = {3,3}4640Тетраэдр12
{3,4| 4} = {3,4}81260Октаэдр24
{4,3| 4} = {4,3}61280Куб24
{3,5| 5} = {3,5}2030120Икосаэдр60
{5,3| 5} = {5,3}1230200Додекаэдр60
{5,5| 3} = {5,5/2}1230124Большой додекаэдр60

Конечные правильные косые многогранники в 4–мерном пространстве

A4 проекции плоскости Коксетера
{4, 6 | 3} {6, 4 | 3}
Рансинированный 5-ячейник[англ.]
(60 рёбер, 20 вершин)
Глубокоусечённый 5-ячейник[англ.]
(60 рёбер, 30 вершин)
F4 проекции плоскости Коксетера
{4, 8 | 3} {8, 4 | 3}
Рансинированный 24-ячейник[англ.]
(576 рёбер, 144 вершин)
Глубокоусечённый 24-ячейник[англ.]
(576 рёбер, 288 вершин)
Некоторые из 4-мерных правильных косых многогранников укладываются в однородные многогранники, как показано на проекциях.

Коксетер также перечислил большое число конечных правильных многогранников в своей статье "regular skew polyhedra in three and four dimensions, and their topological analogues" (правильные косые многогранники в трёхмерном и четырёхмерном пространствах и их топологические аналоги).

Подобно как бесконечные косые многогранники представляют поверхность многообразия между ячейками выпуклых однородных сот[англ.], конечные виды представляют поверхности многообразия в ячейках однородного 4-мерного многогранника[англ.].

Многогранники вида {2p, 2q | r} связаны с группой Коксетера симметрии [(p,r,q,r)], которая сводится к линейной [r,p,r] при q, равном 2. Коксетер даёт этой симметрии обозначение [[(p,r,q,r)]+], которая, по его словам, изоморфна его абстрактной группе (2p,2q|2,r). Связанные соты имеют расширенную симметрию [[(p,r,q,r) ]] [4].

{2p,4|r} представляется {2p} гранями глубокоусечённого[англ.] {r,p,r} однородного 4-мерного многогранника[англ.], а {4,2p|r} представляется квадратными гранями струганного[англ.] {r,p,r} (рансифицировнного).

{4,4|n} образует n-n дуопризму, и, в частности, {4,4|4} укладывается в {4}x{4} тессеракт.

{4,4| n} представляют квадратные грани дуопризм, с n-угольными гранями в качестве дыр и представляет тор Клиффорда и аппроксимацию двойного цилиндра {4,4|6} имеет 36 квадратных граней и в перспективной проекции выглядит как квадраты, выбранные в 6,6 двойном цилиндре. Кольцо из 60 треугольников образует правильный косой многогранник в подмножестве граней 600-ячейника.
Чётные упорядоченные решения
{l, m | n} Граней Рёбер Вершин p Структура Симметрия[англ.]Порядок Связанный однородный 4-мерный многогранник[англ.]
{4,4| 3}91891D3xD3[[3,2,3]+]93-3 дуопризма
{4,4| 4}1632161D4xD4[[4,2,4]+]164-4 дуопризма или тессеракт
{4,4| 5}2550251D5xD5[[5,2,5]+]255-5 дуопризма
{4,4| 6}3672361D6xD6[[6,2,6]+]366-6 дуопризма
{4,4| n}n22n2n21DnxDn[[n,2,n]+]n2n-n дуопризма
{4,6| 3}3060206S5[[3,3,3]+]60струганый 5-ячейник[англ.]
{6,4| 3}2060306S5[[3,3,3]+]60глубокоусечённый 5-ячейник[англ.]
{4,8| 3}28857614473[[3,4,3]+]576струганый 24-ячейник[англ.]
{8,4| 3}14457628873[[3,4,3]+]576глубокоусечённый 24-ячейник[англ.]
Пентаграммные решения
{l, m | n} Граней Рёбер Вершин p Структура Симметрия[англ.]Порядок Связанный однородный 4-мерный многогранник[англ.]
{4,5| 5}901807210A6[[5/2,5,5/2]+]360Струганый великий звёздчатый 120-ячейник[англ.]
{5,4| 5}721809010A6[[5/2,5,5/2]+]360Глубокоусечённый великий звёздчатый 120-ячейник[англ.]
{l, m | n} Граней Рёбер Вершин p Структура Порядок
{4,5| 4}4080325?160
{5,4| 4}3280405?160
{4,7| 3}42842410LF(2,7)168
{7,4| 3}24844210LF(2,7)168
{5,5| 4}721807219A6360
{6,7| 3}182546156105LF(2,13)1092
{7,6| 3}156546182105LF(2,13)1092
{7,7| 3}156546156118LF(2,13)1092
{4,9| 3}6121224272171LF(2,17)2448
{9,4| 3}2721224612171LF(2,17)2448
{7,8| 3}1536537613441249?10752
{8,7| 3}1344537615361249?10752

Последнее множество основано на дальнейших расширенных форм Коксетера {q1,m|q2,q3...} или с q2 неспецифицированным: {l, m |, q}.

{l, m |, q} Граней Рёбер Вершин p Структура Порядок
{3,6|,q}2q23q2q21?2q2
{3,2q|,3}2q23q23q(q-1)*(q-2)/2?2q2
{3,7|,4}5684243LF(2,7)168
{3,8|,4}112168428PGL(2,7)336
{4,6|,3}841685615PGL(2,7)336
{3,7|,6}36454615614LF(2,13)1092
{3,7|,7}36454615614LF(2,13)1092
{3,8|,5}720108027046?2160
{3,10|,4}720108021673?2160
{4,6|,2}122483S4×S248
{5,6|,2}2460209A5×S2120
{3,11|,4}20243036552231LF(2,23)6072
{3,7|,8}358453761536129?10752
{3,9|,5}121801827040601016LF(2,29)×A336540

См. также

Примечания

  1. McMullen, Schulte, 2002, p. 7, 17.
  2. Coxeter, 1995, с. 20-22.
  3. В английской литературе — skew polygon, буквально — косой многоугольник. В русской литературе прижился термин пространственный многоугольник, а термин косой многоугольник соответствует термину skew polyhedron (косой многогранник). В данной статье используются оба термина косой многоугольник и косой многогранник как синонимы.
  4. Coxeter, 1985.

Литература

  • Peter McMullen. Four-Dimensional Regular Polyhedra // Discrete & Computational Geometry September. — 2007. — Т. 38, вып. 2. — С. 355-387.
  • H. S. M. Coxeter. Regular Polytopes. — 3rd. — Dover Publications, Inc., 1973.. См., в частности, таблицы I и II: Regular polytopes and honeycombs, стр. 294–296.
  • Kaleidoscopes: Selected Writings of H. S. M. Coxeter. — Wiley-Interscience Publication, 1995. — ISBN 978-0-471-01003-6. Архивная копия от 11 июля 2016 на Wayback Machine
    • (Paper 2) H.S.M. Coxeter, "The Regular Sponges, or Skew Polyhedra", Scripta Mathematica 6 (1939) 240-244.
    • (Paper 22) H.S.M. Coxeter, Regular and Semi Regular Polytopes I, [Math. Zeit. 46 (1940) 380–407, MR 2,10]
    • H.S.M. Coxeter. Regular and Semi-Regular Polytopes II // Math. Zeit. — 1985. — Вып. 188. — С. 559–591.
  • H.S.M. Coxeter. Chapter 5: Regular Skew Polyhedra in three and four dimensions and their topological analogues // The Beauty of Geometry: Twelve Essays. — Dover Publications, 1999. — ISBN 978-0486-40919-8.
    • H. S. M. Coxeter. Regular Skew Polyhedra in Three and Four Dimensions. // Proc. London Math. Soc.. — 1937. — Т. 43. — С. 33-62.
  • C. W. L. Garner. Regular Skew Polyhedra in Hyperbolic Three-Space // Canad. J. Math.. — 1967. — Т. 19. — С. 1179-1186.
  • E. Schulte, J.M. Wills. On Coxeter's regular skew polyhedral // Discrete Mathematics. — 1986. — Т. 60, June–July. — С. 253–262.
  • Peter McMullen, Egon Schulte. Abstract Regular Polytopes. — Cambridge University Press, 2002. — Т. 92. — (Encyclopedia of Mathematics and its Applications). — ISBN 0-521-81496-0. — doi:10.1017/CBO9780511546686.