Список правильных многомерных многогранников и соединений
Эта страница содержит список правильных многомерных многогранников (политопов) и правильных cоединений этих многогранников в евклидовом, сферическом и гиперболическом пространствах разных размерностей. Символ Шлефли описывает каждое правильное замощение n-сферы, евклидова и гиперболического пространства. Символ Шлефли описания n-мерного многогранника равным образом описывает мозаику (n-1)-сферы. Вдобавок, симметрия правильного многогранника или замощения выражается как группа Коксетера, которые Коксетер обозначал идентично символам Шлефли, за исключением разграничения квадратными скобками, и эта нотация называется нотацией Коксетера[англ.]. Другой связанный символ — диаграмма Коксетера — Дынкина, которая представляет группу симметрии (без помеченных кружком узлов) и правильные многогранники или замощения с обведённым кружком первым узлом. Например, куб имеет символ Шлефли {4,3}, с его октаэдральной симметрией[англ.] [4,3] или , представляется диаграммой Коксетера . Правильные многогранники сгруппированы по размерности, а затем по форме — выпуклые, невыпуклые и бесконечные. Невыпуклые виды используют те же вершины, что и выпуклые, но имеют пересекающиеся фасеты (грани максимальной размерности = размерности пространства – 1). Бесконечные виды замощают евклидово пространство на единицу меньшей размерности. Бесконечные формы можно расширить до замощения гиперболического пространства. Гиперболическое пространство подобно обычному пространству, но параллельные прямые с расстоянием расходятся. Это позволяет вершинным фигурам иметь отрицательные угловые дефекты. Например, в вершине может сходиться семь правильных треугольников, лежащих на плоскости. Это нельзя осуществить на обычной (евклидовой) плоскости, но можно сделать при некотором масштабе на гиперболической плоскости. Многогранники, удовлетворяющие более общему определению и не имеющие простых символов Шлефли, включают правильные косые многогранники и бесконечноугольные правильные косые многогранники с неплоскими фасетами или вершинными фигурами. ОбзорТаблица показывает сводку правильных многогранников по размерностям.
* 1, если размерность имеет вид 2k − 1; 2, если размерность является степенью двойки; 0 в противном случае. Не существует правильных звёздчатых замощений в евклидовом пространстве любой размерности. Одномерное пространство
Одномерный многогранник (1-многогранник) — это замкнутый отрезок, ограниченный двумя конечными точками. 1-многогранник является правильным по определению и представляется символом Шлефли { }[1][2] или диаграммой Коксетера с единственным помеченным кружком узлом, . Норман Джонсон дал им название дайтел и символ Шлефли { } [3]. Будучи тривиальным в качестве многогранника, дайтел возникает в качестве рёбер многоугольников и многогранников[4]. Он используется в определении однородных призм (как в символе Шлефли { }×{p}) или в диаграмме Коксетера как прямое произведение отрезка и правильного многоугольника [5]. Двумерное пространство (многоугольники)Двумерные многогранники называются многоугольниками. Правильные многоугольники имеют равные стороны и вписаны в окружность. Правильный p-угольник представляется символом Шлефли {p}. Обычно только выпуклые многоугольники считаются правильными, но звёздчатые многоугольники наподобие пентаграммы можно также считать правильными. Они используют те же вершины, что и выпуклые формы, но соединение происходит другим путём, при котором окружность обходится более одного раза. Звёздчатые многоугольники следует называть скорее невыпуклыми, чем вогнутыми, поскольку пересечение рёбер не образует новых вершин и все вершины находятся на окружности. ВыпуклыеСимвол Шлефли {p} представляет правильный p-угольник.
СферическиеПравильный двуугольник {2} можно считать вырожденным правильным многоугольником. Он может существовать как невырожденный в некоторых неевклидовых пространствах, таких как поверхность сферы или тора.
ЗвёздыСуществует бесконечно много правильных звёздчатых многогранников в двумерном пространстве (т.е. многоугольников), символы Шлефли которых являются рациональными числами {n/m}. Они называются звёздчатыми многоугольниками и имеют то же самое расположение вершин[англ.], что и у выпуклого многоугольника. В общем случае для любого натурального числа n и для всех m, таких, что m < n/2 и m, n взаимно просты, существуют n-точечные правильные звёзды с символами Шлефли {n/m} (строго говоря, {n/m}={n/(n−m)}) .
Пространственные многоугольникиВ 3-мерном пространстве правильный пространственный многоугольник [6] называется антипризматическим многоугольником и он имеет то же расположение вершин[англ.], что и у антипризмы, и его рёбра являются подмножеством рёбер антипризмы, соединяющие зигзагом вершины верхнего и нижнего многоугольников.
В 4-мерном пространстве правильный пространственный многоугольник может иметь вершины на торе Клиффорда и связан с вращением Клиффорда[англ.]. В отличие от антипризматичных пространственных многоугольников, пространственные многоугольники двойного вращения могут иметь нечётное число сторон. Их можно видеть в многоугольниках Петри выпуклых правильных четырёхмерных многогранников[англ.], видимые как правильные плоские многоугольники периметров проекций Коксетера:
Трёхмерное пространство (многогранники)В трёхмерном пространстве правильный многогранник с символом Шлефли {p,q} и диаграммой Коксетера имеет правильные грани вида {p} и правильную вершинную фигуру {q}. Вершинная фигура (многогранника) является многоугольником, получаемым соединением вершин, отстоящих на одно ребро от заданной вершины. Для правильных трёхмерных многогранников, эта вершинная фигура является всегда правильным (и планарным) многоугольником. Существование правильного многогранника {p,q} ограничено неравенством, относящимся к угловому дефекту вершинной фигуры:
Перенумеровав перестановки, мы найдём 5 выпуклых форм, 4 звёздчатые формы и 3 плоских замощения, все с многоугольниками {p} и {q} из списка: {3}, {4}, {5}, {5/2} и {6}. Вдобавок к мозаикам евклидова пространства существует бесконечное количество правильных гиперболических мозаик. ВыпуклыеПять выпуклых правильных многогранников называются платоновыми телами. Вершинная фигура указана вместе с числом вершин. Все эти многогранники имеют эйлерову характеристику (χ) 2.
СферическиеВ сферической геометрии существуют правильные сферические многогранники (мозаики на cфере), которые в нормальном случае являются вырожденными многогранниками. Это осоэдры {2,n} и двойственные им диэдры {n,2}. Коксетер называет такие случаи "несобственными" замощениями [7]. Несколько первых примеров (n от 2 до 6) приведены ниже.
Звёздчатые диэдры и осоэдры также существуют, такие как {5/2,2} и {2,5/2}. ЗвёздыПравильные звёздчатые многогранники называются телами Кеплера — Пуансо и их существует четыре. Они основываются на расположении вершин[англ.] додекаэдра {5,3} и икосаэдра {3,5}: Как cферические мозаики эти звёздчатые формы перекрывают сферу несколько раз, что называется их плотностью. Для этих форм плотность равна 3 или 7. Рисунки мозаик показывают грани отдельных сферических многоугольников жёлтым цветом.
Косые многогранникиПравильный косой многогранник является обобщением множества правильных многогранников, в котором допускается непланарность вершинных фигур. Для 4-мерных косых многогранников Коксетер предложил модифицированный символ Шлефли {l,m|n}, имеющих вершинную фигуру {l,m}, m l-угольников вокруг вершины с n-угольными дырами. Их вершинные фигуры являются пространственными многоугольниками, представляющими зигзаги между двумя плоскостями. Для правильных косых многогранников, представленных символом {l,m|n}, выполняется равенство:
Четыре из них можно видеть в 4-мерном пространстве как множество граней четырёх правильных четырёхмерных многогранников, имеющих одно и то же расположение вершин[англ.] и расположение рёбер[англ.]:
Четырёхмерное пространствоПравильные 4-мерные многогранники с символом Шлефли имеют ячейки вида , грани вида , рёберные фигуры и вершинные фигуры .
Существование правильных четырёхмерных многогранников ограничено существованием правильного многогранника . Для 4-мерных многогранников предлагается использовать название "полихор"[8][9] Каждый вид может существовать в пространстве, зависящем от следующего выражения:
Эти ограничения допустимы для 21 форм — 6 форм выпуклы, 10 не выпуклы, одна является евклидовыми 3-мерными сотами и 4 являются гиперболическими сотами. Эйлерова характеристика четырёхмерного многогранника вычисляется по формуле и равна нулю для всех видов. Выпуклые6 выпуклых правильных четырёхмерных многогранников показаны в таблице ниже. Все эти многогранники имеют эйлерову характеристику (χ) 0.
Сферические4-мерные диэдры и осоэдры существуют как правильные замощения 3-сферы. Правильные 4-мерные диэдры (2 фасеты = 3-мерные грани) включают: {3,3,2}, {3,4,2}, {4,3,2}, {5,3,2}, {3,5,2}, {p,2,2} и их двойственные 4-мерные осоэдры (2 вершины): {2,3,3}, {2,4,3}, {2,3,4}, {2,3,5}, {2,5,3}, {2,2,p}. Многогранники вида {2,p,2} являются одновременно 4-мерными диэдрами и осоэдрами. Существуют также формы {p,2,q}, которые имеют диэдральные ячейки и осоэдральные вершинные фигуры.
ЗвёздыСуществует десять правильных 4-мерных звёздчатых многогранника, которые называются многогранниками Шлефли—Гесса[англ.]. Их вершины располагаются на выпуклом стодвадцатиячейнике {5,3,3} и шестисотъячейнике {3,3,5}. Людвиг Шлефли нашёл четыре из них и отбросил остальные шесть, поскольку не позволял нарушение эйлеровой характеристики на ячейках или вершинных фигурах (F+V−E=2). Эдмунд Гесс (Edmund Hess, 1843–1903) завершил список в своей книге Einleitung in die Lehre von der Kugelteilung mit besonderer Berücksichtigung ihrer Anwendung auf die Theorie der Gleichflächigen und der gleicheckigen Polyeder ([3], 1883) (Введение в учение о замощении сферы с учётом теории равногранных и равноугольных многогранников) . Существует 4 расположения рёбер[англ.] и 7 расположений граней[англ.] в этих 10 правильных звёздчатых 4-мерных многогранниках, показанные как ортогональные проекции:
Существует 4 несостоявшихся правильных звёздчатых перестановок многогранников: {3,5/2,3}, {4,3,5/2}, {5/2,3,4}, {5/2,3,5/2}. Их ячейки и вершинные фигуры существует, но они не покрывают гиперсферу конечным числом представлений. Размерность пять и вышеВ пятимерном пространстве[англ.] правильные многогранники можно обозначить как , где является типом 4-грани, является типом ячейки, является типом 2-грани, является фигурой грани, является рёберной фигурой, а является вершинной фигурой.
Правильный 5-мерный многогранник существует, только если и являются правильными четырёхмерными многогранниками. В зависимости от значения получим тип пространства
Из этих ограничений получаем 3 выпуклых многогранника, нуль невыпуклых многогранников, 3 4-мерных замощения и 5 гиперболических 4-мерных замощений. Не существует невыпуклых правильных многогранников в пятимерном пространстве и выше. ВыпуклыеВ размерностях 5 и выше существует только три вида выпуклых правильных многогранников [10].
Существуют также несобственные случаи, в которых некоторые числа в символе Шлефли равны 2. Например, {p,q,r,...2} является несобственным правильным сферическим многогранником в случае, если {p,q,r...} является правильным сферическим многогранником, и {2,...p,q,r} является несобственным правильным сферическим многогранником, когда {...p,q,r} является правильным сферическим многогранником. Такие многогранники можно использовать как фасеты, дающие формы вида {p,q,...2...y,z}. Пятимерные пространства
Шестимерное пространство
Семимерное пространство
Восьмимерное пространство
Девятимерное пространство
Десятимерное пространство
... НевыпуклыеНе существует невыпуклых правильных многогранников в размерностях 5 и выше. Правильные проективные многогранникиПроективный правильный (n+1)-многогранник существует, если исходное правильное n-сферическое замощение {p,q,...} центрально симметрично. Такие многогранники называются полу-{p,q,...}, и содержат вполовину меньше элементов. Коксетер даёт им символ {p,q,...}/2, в то время как Макмуллен пишет {p,q,...}h/2, где h — число Кокстера.[11] Правильные многоугольники с чётным числом сторон имеют полу-2n-угольные проективные многоугольники, {2p}/2. Существует 4 правильных проективных многогранника[англ.], соответствующих 4 из 5 платоновых тел. Полукуб и полуоктаэдр обобщаются в полу-n-кубы и полу-n-ортоплексы в любой размерности. Правильные проективные многогранники в трёхмерном пространстве
Правильные проективные многогранники в четырёхмерном пространствеВ 4-мерном пространстве 5 из 6 выпуклых правильных многогранников образуют проективные 4-мерные многогранники. 3 специальных случая — это полудвадцатичетырёхъячейник, полушестисотъячейник и полустодвадцатиячейник.
Правильные проективные многогранники в пятимерном пространствеСуществует только 2 выпуклых правильных проективных полумногогранника в пространствах размерности 5 и выше.
БесконечногранникиБесконечногранник[англ.] — это многогранник, имеющий бесконечное число фасет. n-бесконечногранник — это n-мерный бесконечногранник: 2-бесконечногранник = бесконечноугольник (апейрогон), 3-бесконечногранник = бесконечногранник в трёхмерном пространстве и т.д. Существует два главных геометрических класса бесконечногранников:[12]
Одномерное пространство (бесконечноугольники)Прямой апейрогон — это правильное замощение прямой с разделением её на бесконечно много равных отрезков. Он имеет бесконечно много вершин и рёбер. Его символ Шлефли равен {∞}, а диаграмма Коксетера — . Апейрогоны на гиперболической плоскости, среди которых наиболее заметен правильный апейрогон {∞}, могут иметь кривизну, наподобие конечных многоугольников на евклидовой плоскости, и иметь вершины, лежащие на орициклах или гиперциклах. Правильные апейрогоны со сходимостью на бесконечности имеют символ {∞} и существуют на орициклах, хотя в общем случае они могут существовать на гиперциклах.
Выше показаны два гиперболических апейрогона на диске Пуанкаре. На правом рисунке показаны перпендикулярные прямые, разделяющие фундаментальные области, отстоящие на расстояние λ друг от друга. Пространственные бесконечноугольникиКосые апейрогоны в двумерном пространстве (плоскости) образуют зигзаг. Если зигзаг симметричен и однороден, апейрогон правильный. Косые апейрогоны можно построить в пространстве любой размерности. В трёхмерном пространстве косые апейрогоны[англ.] образуют спираль и могут быть левыми или правыми.
Двумерное пространство (бесконечногранники)Евклидовы мозаикиСуществует три правильных замощения плоскости. Все три имеют эйлерову характеристику (χ) 0.
Существует две несобственные правильные мозаики — {∞,2}, бесконечноугольный диэдр, полученный из двух апейрогонов, каждый из которых заполняет полуплоскость, и двойственная ей {2,∞} мозаика, бесконечноугольный осоэдр, который можно представить как бесконечное число параллельных прямых.
Евклидовы звёздчатые мозаикиНе существует правильных замощений плоскости звёздчатыми многоугольниками. Существует бесконечно много пар чисел, для которых выполняется условие плоской мозаики (1/p + 1/q = 1/2), например, {8/3,8}, {10/3,5}, {5/2,10}, {12/5,12}, и т.д., но ни одна из этих звёзд не подходит для замощения. Гиперболические мозаикиЗамощения гиперболического двухмерного пространства — это гиперболические мозаики[англ.]. Существует бесконечно много правильных мозаик в H2. Как констатировано выше, любая положительная пара {p,q}, такая что 1/p + 1/q < 1/2 даёт гиперболическую мозаику. Фактически для общего треугольника Шварца (p, q, r) то же самое верно для 1/p + 1/q + 1/r < 1. Существует много различных путей представления гиперболической плоскости, включая дисковую модель Пуанкаре, в которой плоскость отображается в диск, как показано ниже. Следует рассматривать все многоугольные грани замощения как равносторонние, и многоугольники становятся меньше при приближению к краю диска вследствие применения проекции, что похоже на эффект фотокамеры c объективом «Рыбий глаз». Существует бесконечно много плоских правильных 3-бесконечногранников как правильных мозаик гиперболической плоскости, имеющих вид {p,q}, где p+q<pq/2.
Примеры:
Гиперболические звёздчатые мозаикиСуществует два бесконечных вида гиперболических мозаик, грани или вершинные фигуры которых являются звёздчатыми многоугольниками — {m/2, m} и их двойственные {m, m/2} с m = 7, 9, 11, .... Мозаики {m/2, m} являются звёздчатыми формами мозаик {m, 3}, в то время как двойственные мозаики {m, m/2} являются огранкой мозаик {3, m} и увеличениями[англ.] мозаик {m, 3}. Схемы {m/2, m} и {m, m/2} продолжаются для нечётных m < 7 как многогранники: если m = 5, мы получим малый звёздчатый додекаэдр и большой додекаэдр, а при m = 3 мы получим тетраэдр. Другие два тела Кеплера — Пуансо (большой звёздчатый додекаэдр и большой икосаэдр) не имеют аналогов в правильных гиперболических мозаиках. Если m чётно, в зависимости от того, как мы выберем определение {m/2}, мы можем получить либо вырожденное покрытие другой мозаики или соединение мозаик.
Косые бесконечногранники в евклидовом 3-мерном пространствеСуществует три правильных косых бесконечногранников[англ.] в евклидовом трёхмерном пространстве с правильным пространственным многоугольником в качестве вершинных фигур [13][14][15]. Они имеют то же самое расположение вершин[англ.] и расположение рёбер[англ.], что и у 3 выпуклых однородных сот[англ.].
Существует тридцать правильных бесконечноугольников в евклидовом трёхмерном пространстве [17]. Они включают как перечисленные выше, так и 8 других "чистых" бесконечноугольников. Все они связаны с кубическими сотами {4,3,4}. Остальные имеют пространственные многоугольные грани: {6,6}4, {4,6}4, {6,4}6, {∞,3}a, {∞,3}b, {∞,4}.*3, {∞,4}6,4, {∞,6}4,4 и {∞,6}6,3. Косые бесконечногранники в гиперболическом трёхмерном пространствеСуществует 31 правильный косой бесконечногранник[англ.] в гиперболическом трёхмерном пространстве [18]:
Трёхмерное пространство (4-apeirotopes)Замощения евклидова трёхмерного пространстваСуществует только одно невырожденное правильное замощение 3-мерного пространства (соты), {4, 3, 4} [19]:
Несобственные замощения евклидова трёхмерного пространстваСуществует шесть несобственных правильных замощений, попарно основанных на трёх правильных евклидовых замощениях. Их ячейки и вершинные фигуры являются правильными осоэдрами {2,n}, диэдрами {n,2} и евклидовыми мозаиками. Эти несобственные правильные мозаики конструкционно связаны с призматическими однородными сотами операцией усечения. Они являются высокоразмерными аналогами бесконечноугольной мозаики порядка 2[англ.] и бесконечноугольного осоэдра[англ.].
Замощения гиперболического трёхмерного пространства
Существует десять плоских правильных сот гиперболического 3-мерного пространства[20] (перечислены выше как замощения):
Замощения гиперболического 3-мерного пространства можно назвать гиперболическими сотами. Существует 15 гиперболических сот в H3, 4 компактных и 11 паракомпактных.
Существует также 11 паракомпактных H3 сот (с бесконечными (евклидовыми) ячейками и/или вершинными фигурами): {3,3,6}, {6,3,3}, {3,4,4}, {4,4,3}, {3,6,3}, {4,3,6}, {6,3,4}, {4,4,4}, {5,3,6}, {6,3,5} и {6,3,6}.
Некомпактные решения существуют как лоренцевы группы Коксетера и могут быть визуализированы с помощью открытой области в гиперболическом пространстве (фундаментальный тетраэдрон, имеющий некоторые части недостижимыми ввиду бесконечности), и некоторые нарисованы ниже, показывая их пересечение с плоскостью. Все соты, не показанные в таблицах и не имеющие двойки в их символе Шлефли, являются некомпактными.
Не существует гиперболических звёздчатых сот в H3 — все формы с правильным звёздчатым многогранником в качестве ячейки, вершинной фигуры, или того и другого оказываются сферическими. Четырёхмерное пространство (5-бесконечногранники)Замощения евклидов 4-мерного пространстваСуществует три вида бесконечных правильных (сот), которые могут заполнить евклидово четырёхмерное пространство:
Существует также два несобственных случая, {4,3,4,2} и {2,4,3,4}. Существует три плоских правильных вида сот евклидова 4-мерного пространства:[19]
Существует семь плоских правильных выпуклых сот гиперболического 4-мерного пространства:[20]
Существует четыре плоских правильных звёздчатых видов сот в гиперболическом 4-мерном пространстве:[20]
Замощения гиперболического 4-мерного пространстваСуществует семь выпуклых правильных сот и четыре звёздчатые формы сот в пространстве H4 [21]. Пять выпуклых видов компактны, а два паракомпактны. Пять компактных правильных сот в H4:
Два правильных паракомпактных правильных вида сот в H4: {3,4,3,4}, {4,3,4,3}.
Некомпактные решения существуют как лоренцевы группы Коксетера и могут быть визуализированы с помощью открытой области в гиперболическом пространстве (фундаментальный пятиячейник, имеющий некоторые части недостижимыми ввиду бесконечности). Все соты, не показанные в таблицах и не имеющие двойки в их символе Шлефли, являются некомпактными.
Звёздчатые замощения гиперболического 4-мерного пространстваСуществует четыре вида правильных звёздчатых сот в пространстве H4:
Пятимерное пространство (бесконечноугольные 6-многогранники)Существуют только одни плоские правильные соты в евклидовом 5-мерном пространстве: ( перечислены выше как замощения) [19]
Существует пять плоских правильных сот гиперболического 5-мерного пространства, все паракомпактные: (перечислены выше как замощения)[20]
Замощение s евклидова 5-мерного пространстваГиперкубические соты является единственным семейством правильных сот, которые могут замостить пространство любой размерности (пять и выше), образованные фасетами-гиперкубами, по четыре вокруг каждой (n-2)-мерной грани.
В E5 существуют также несобственные случаи {4,3,3,4,2}, {2,4,3,3,4}, {3,3,4,3,2}, {2,3,3,4,3}, {3,4,3,3,2} и {2,3,4,3,3}. В En, {4,3n−3,4,2} и {2,4,3n−3,4} являются всегда несобственными евклидовыми замощениями. Замощения гиперболического 5-мерного пространстваСуществует 5 правильных видов сот в H5, все паракомпактные. Они включают бесконечные (евклидовы) фасеты или вершинные фигуры: {3,4,3,3,3}, {3,3,4,3,3}, {3,3,3,4,3}, {3,4,3,3,4} и {4,3,3,4,3}. Существует два некомпактных правильных замощения гиперболического пространстваразмерности 5 и выше и нет паракомпактных правильных замощений в гиперболическом пространстве размерности 6 и выше.
Поскольку не существует правильных звёздчатых n-многогранников для n ≥ 5, которые могли бы быть потенциальными ячейками или вершинными фигурами, не существует больше гиперболических звёздчатых сот в Hn для n ≥ 5. Размерность 6 и выше (7-мерные бесконечногранники+)Замощения гиперболического 6-мерного и выше пространстваНе существует правильных компактных или паракомпактных замощений гиперболического пространства размерности 6 или выше. Все целые неперчисленные значения дают некомпактное замощение гиперболического n-мерного пространства. Соединения многогранниковДвухмерные соединенияДля любого натурального числа n существует n-вершинный звёздчатый правильный многоугольник с символом Шлефли {n/m} для любого m < n/2 (строго говоря, {n/m}={n/(n−m)}), где m и n взаимно просты. Если m и n не взаимно просты, полученный многоугольник будет иметь n/m сторон. Новая фигура получается вращением этих n/m-угольников на одну вершину (влево), пока число вращений не достигнет числа n/m минус единица, и комбинацией этих повёрнутых фигур. В экстремальном случае, когда n/m равно 2, получим фигуру из n/2 отрезков. Такая фигура называется вырожденным звёздчатым многоугольником. В других случаях, когда n и m имеют общий делитель, получим звёздчатый многоугольник с меньшим n и с ним можно скомбинировать версии, полученные вращением. Эти фигуры называются звёздчатыми фигурами, несобственными звёздчатыми многоугольниками или соединениями многоугольников. Для них часто используется то же обозначение {n/m}, хотя некоторые авторы, такие как Грюнбаум (1994), предпочитают (с некоторыми уточнениями) форму k{n} как более правильную, где, обычно, k = m. Следующее усложнение возникает, когда мы соединяем два или более звёздчатых многоугольника, как, например, две пентаграммы, отличающиеся поворотом на 36° и вписанные в десятиугольник. Правильнее в этом случае писать в виде k{n/m}, в нашем случае 2{5/2}, а не использовать обычно используемое {10/4}. Расширенная нотация Коксетера для соединения многоугольников имеет вид c{m,n,...}[d{p,q,...}]e{s,t,...}, в которой отражается, что d различных {p,q,...} вместе покрывают вершины {m,n,...} c раз и грани {s,t,...} e раз. Если не существует правильного {m,n,...}, первая часть записи удаляется, оставляя [d{p,q,...}]e{s,t,...}. Противоположный случай — если не существует правильного {s,t,...}. Двойственным к of c{m,n,...}[d{p,q,...}]e{s,t,...} является e{t,s,...}[d{q,p,...}]c{n,m,...}. Если c или e равно 1, их можно опускать. Для соединения многоугольников эта нотация сводится к {nk}[k{n/m}]{nk}. Например, гексаграмму можно записать как {6}[2{3}]{6}.
Правильные пространственные многоугольники также создают соединения, которые можно наблюдать в рёбрах призматического соединения антипризм[англ.], например: Трёхмерные соединенияПравильные соединения многогранников можно определить как соединения, которые, подобно правильным многогранников, вершинно транзитивны, рёберно транзитивны[англ.] и транзитивны по граням[англ.]. По этому определению имеется 5 правильных соединений.
Соединения на евклидовой и гиперболической плоскостяхСуществует восемнадцать двупараметрических семейств правильных соединений мозаик евклидовой плоскости. На гиперболической плоскости известны пять однопараметрических семейств и семнадцать изолированных случаев, но полнота этого списка ещё не доказана. Семейства соединений евклидовой и гиперболической плоскостей 2 {p,p} (4 ≤ p ≤ ∞, p целое) аналогичны сферическим звёздчатым октаэдрам, 2 {3,3}.
Соединения в четырёхмерном пространстве
В 4-мерном пространстве существует тридцать два правильных соединения правильных многогранников, которые Коксетер перечислил в своей книге Regular Polytopes:[22]
Существует два различных соединения 75 тессерактов: одно использует те же вершины, что и стодвадцатиячейник, а другое использует те же вершины, что и шестисотъячейник. Отсюда следует, что соответствующие двойственные соединения 75 шестнадцатиячейников также различны.
Существует также четырнадцать частично правильных соединений, которые либо вершинно-транзитивны, либо ячеечно-транзитивны, но не одновременно. Семь вершинно-транзитивных частично правильных соединений являются двойственными семи ячейно-транзитивным частично правильным соединениям.
Соединения в евклидовом 3-мерном пространствеЕдинственными правильными евклидовыми соединениями сот является бесконечное семейство соединений кубических сот, имеющих общие вершины и грани с другими кубическими сотами. Это соединение может иметь любое число кубических сот. Запись Коксетера — {4,3,4}[d{4,3,4}]{4,3,4}. Соединения в пятимерном и выше пространствахНет правильных соединений в пятимерном и шестимерном пространствах. Известны три семимерных соединения (16, 240 и 480 7-симплексов[англ.]) и шесть восьмимерных (16, 240 и 480 октерактов или 8-ортоплексов[англ.]). Существует также одно соединение n-мерных симплексов в n-мерном пространстве, при условии, что n на единицу меньше степени двойки, а также два соединения (соединение n-мерных кубов и двойственное ему соединение n-мерных ортоплексов) в n-мерном пространстве, если n является степенью двойки. Запись Коксетера для этих соединений (где αn = {3n−1}, βn = {3n−2,4}, γn = {4,3n−2}:
Общий случай (когда n = 2k and d = 22k − k − 1, k = 2, 3, 4, ...):
Соединение евклидовых сотИзвестно бесконечное семейство правильных евклидовых соединений сот в размерностях пять и выше — соединение гиперкубических сот, разделяющих вершины и грани с другими гиперболическими сотами. Это соединение может иметь произвольное число гиперболических сот. Запись Коксетера для этих соединений — δn[dδn]δn where δn = {∞} при n = 2 и {4,3n−3,4} при n ≥ 3. Абстрактные многогранникиПонятие абстрактного многогранника возникло при попытке изучать многогранники без привязки их к геометрическому пространству, в котором они находятся. Они включают замощения сферического, евклидова и гиперболического пространств, замощения других многообразий и много других объектов, не имеющих хорошо определённой топологии, но, зато, характеризующихся их "локальной" топологией. Абстрактных многогранников существует бесконечно много в любой размерности. См. атлас для примеров. Некоторые заметные примеры абстрактных правильных многогранников, которые трудно найти где-либо, это одиннадцатиячейник, {3,5,3} и пятидесятисемиячейник[англ.], {5,3,5}, имеющие правильные проективные многогранники в качестве ячеек и вершинных фигур. Элементами абстрактного многогранника являются его тело (максимальный элемент), грани, рёбра, вершины и нулевой многогранник (пустое множество). Эти абстрактные элементы могут быть отображены в обычное пространство или приняты как геометрические фигуры. Некоторые абстрактные многогранники имеют правильно построенную или правдоподобную реализацию, другие таковой не имеют. Флаг — это множество связанных элементов каждой размерности. Для четырёхмерного многогранника — это тело, грань, ребро этой грани, вершина ребра и нулевой многогранник. Говорят, что абстрактный многогранник является правильным, если его комбинаторные симметрии транзитивны на его флагах, то есть любой его флаг может быть переведён симметрией многогранника в любой другой. Абстрактные правильные многогранники являются активной областью исследований. Пять таких правильных абстрактных многогранников, которые нельзя реализовать правдоподобно, были приведены Коксетером в его книге Regular Polytopes (1977), а затем в статье Уиллса (J. M. Wills) "The combinatorially regular polyhedra of index 2" (1987) [25]. Они топологически эквивалентны тороиду. Их построение путём расположения n граней около каждой вершины можно продолжать бесконечно, давая замощение гиперболической плоскости.
Они появляются как двойственные пары:
См. также
Примечания
Литература
Ссылки
|