4-متعدد الوجوه

رسوم بيانية للمضلعات المنتظمة المحدبة الستة ذات البعد 4
{3,3,3}{3,3,4}{4,3,3}
خماسي الخلايا ، خماسي الأوجه ، 4- بسيطأورثوبليكس ذو 16 خلية ، أورثوبليكس ذو 4 خلايامكعب رباعي الخلايا ذو 8 خلايا
{3,4,3}{3,3,5}{5,3,3}
ثماني الخلايا 24رباعي الخلايا 600120-خلية دوديكابلكس

في الهندسة ، يُعرف متعدد السطوح رباعي الأبعاد ( ويُسمى أحيانًا متعدد السطوح المخروطي ، أو متعدد الخلايا ، أو متعدد السطوح المجسم ) بأنه متعدد سطوح رباعي الأبعاد . وهو شكل متصل ومغلق، يتكون من عناصر متعددة السطوح ذات أبعاد أقل: رؤوس ، وحواف ، ووجوه ( مضلعات ) ، وخلايا ( مجسمات ). يشترك كل وجه في خليتين فقط. اكتشف عالم الرياضيات السويسري لودفيج شلافلي متعددات السطوح رباعية الأبعاد قبل عام 1853 .

إن النظير ثنائي الأبعاد للمضلع الرباعي هو المضلع ، والنظير ثلاثي الأبعاد هو متعدد السطوح .

من الناحية الطوبولوجية، ترتبط متعددات الوجوه الرباعية ارتباطًا وثيقًا بخلايا النحل المنتظمة ، مثل خلية النحل المكعبة ، التي تُشكل فسيفساء الفضاء ثلاثي الأبعاد؛ وبالمثل، يرتبط المكعب ثلاثي الأبعاد بتبليط المربعات ثنائي الأبعاد اللانهائي . ويمكن قص متعددات الوجوه الرباعية المحدبة وفردها كشبكات في الفضاء ثلاثي الأبعاد.

تعريف

المجسم الرباعي هو شكل مغلق رباعي الأبعاد . يتكون من رؤوس (نقاط الزوايا)، وحواف ، ووجوه ، وخلايا . الخلية هي النظير ثلاثي الأبعاد للوجه، ولذلك فهي مجسم متعدد السطوح . يجب أن يربط كل وجه خليتين فقط، على غرار الطريقة التي تربط بها كل حافة من حواف المجسم وجهين فقط. ومثل أي مجسم متعدد السطوح ، لا يمكن تقسيم عناصر المجسم الرباعي إلى مجموعتين أو أكثر من المجسمات الرباعية، أي أنه ليس مجسمًا مركبًا.

الهندسة

تُعدّ المجسمات الرباعية المنتظمة المحدبة نظائر رباعية الأبعاد للأجسام الأفلاطونية . وأكثر المجسمات الرباعية شيوعًا هو التيسيراكت أو المكعب الفائق، وهو النظير رباعي الأبعاد للمكعب.

يمكن ترتيب المضلعات المحدبة المنتظمة رباعية الأبعاد حسب حجمها كمقياس للمحتوى رباعي الأبعاد (الحجم الفائق) لنفس نصف القطر. كل مضلع أكبر في التسلسل يكون أكثر استدارة من سابقه، مما يعني احتواءه على محتوى أكبر [ 5 ] ضمن نفس نصف القطر. يُعدّ المضلع الرباعي البسيط (خماسي الخلايا) أصغر حالة حدية، بينما يُعدّ المضلع ذو 120 خلية أكبر حالة حدية. ويتبع التعقيد (كما يُقاس بمقارنة مصفوفات التكوين أو ببساطة عدد الرؤوس) نفس الترتيب.

متعددات الوجوه المحدبة المنتظمة ذات البعد 4
مجموعة التناظرأ 4ب 4F 4H 4
اسم5 خلايا

هرم رباعي الأوجه ذو 5 نقاط

16 خلية

ثماني الأوجه المفرط ذو 8 نقاط

8 خلايا

مكعب فائق ذو 16 نقطة

24 خلية

24 نقطة

600 خلية

مجسم ذو عشرين وجهًا فائقًا ذو 120 نقطة

120 خلية

مجسم ذو اثني عشر وجهًا فائقًا مكون من 600 نقطة

رمز شلافلي{3, 3, 3}{3، 3، 4}{4، 3، 3}{3، 4، 3}{3، 3، 5}{5، 3، 3}
مرايا كوكسيتر
زوايا ثنائية السطوح معكوسة𝝅 / ٣𝝅 / ٣𝝅 / ٣𝝅 / ٢𝝅 / ٢𝝅 / ٢𝝅 / ٣𝝅 / ٣𝝅 / ٤𝝅 / ٢𝝅 / ٢𝝅 / ٢𝝅 / ٤𝝅 / ٣𝝅 / ٣𝝅 / ٢𝝅 / ٢𝝅 / ٢𝝅 / ٣𝝅 / ٤𝝅 / ٣𝝅 / ٢𝝅 / ٢𝝅 / ٢𝝅 / ٣𝝅 / ٣𝝅 / ٥𝝅 / ٢𝝅 / ٢𝝅 / ٢𝝅 / ٥𝝅 / ٣𝝅 / ٣𝝅 / ٢𝝅 / ٢𝝅 / ٢
الرسم البياني
الرؤوس5 رباعي الأوجه8 ثماني الأوجه16 رباعي الأوجه24 مكعبًا120 شكل عشروني الوجوه600 رباعي الأوجه
الحواف10 مثلثات24 مربع32 مثلثي96 مثلثي720 خماسي الأضلاع1200 مثلث
وجوه10 مثلثات32 مثلثًا24 مربعًا96 مثلثًا1200 مثلث720 شكل خماسي
الخلايا5 رباعيات الأوجه16 رباعي الأوجه8 مكعبات24 ثماني السطوح600 رباعي الأوجه120 مجسم ذو اثني عشر وجهًا
توري1 رباعي الأوجه خماسي2 رباعي الأوجه 82 مكعب رباعي4 ثماني السطوح 620 رباعي الأوجه 3012 مجسم ذو 10 أوجه
منقوش120 في خلية 120675 في 120 خلية2 خلايا 163 خلايا ثمانية25 خلية من نوع 2410600 خلية
مضلعات رائعةمربعان × 34 مستطيلات × 44 أشكال سداسية × 412 مضلعًا عشريًا × 6100 شكل سداسي غير منتظم × 4
مضلعات بيتريخماسي واحد × 21 مثمن × 32 مثمنات × 42 شكل ذو اثني عشر ضلعًا × 44 مضلعات 30 × 620 مضلعًا من 30 ضلعًا × 4
نصف قطر كبير1{\displaystyle 1}1{\displaystyle 1}1{\displaystyle 1}1{\displaystyle 1}1{\displaystyle 1}1{\displaystyle 1}
طول الحافة521.581{\displaystyle {\sqrt {\tfrac {5}{2}}}\approx 1.581}21.414{\displaystyle {\sqrt {2}}\approx 1.414}1{\displaystyle 1}1{\displaystyle 1}1ϕ0.618{\displaystyle {\tfrac {1}{\phi }}\approx 0.618}1ϕ220.270{\displaystyle {\tfrac {1}{\phi ^{2}{\sqrt {2}}}}\approx 0.270}
نصف قطر قصير14{\displaystyle {\tfrac {1}{4}}}12{\displaystyle {\tfrac {1}{2}}}12{\displaystyle {\tfrac {1}{2}}}120.707{\displaystyle {\sqrt {\tfrac {1}{2}}}\approx 0.707}ϕ480.926{\displaystyle {\sqrt {\tfrac {\phi ^{4}}{8}}}\approx 0.926}ϕ480.926{\displaystyle {\sqrt {\tfrac {\phi ^{4}}{8}}}\approx 0.926}
منطقة10(538)10.825{\displaystyle 10\left({\tfrac {5{\sqrt {3}}}{8}}\right)\approx 10.825}32(34)27.713{\displaystyle 32\left({\sqrt {\tfrac {3}{4}}}\right)\approx 27.713}24{\displaystyle 24}96(316)41.569{\displaystyle 96\left({\sqrt {\tfrac {3}{16}}}\right)\approx 41.569}1200(34ϕ2)198.48{\displaystyle 1200\left({\tfrac {\sqrt {3}}{4\phi ^{2}}}\right)\approx 198.48}720(25+1058ϕ4)90.366{\displaystyle 720\left({\tfrac {\sqrt {25+10{\sqrt {5}}}}{8\phi ^{4}}}\right)\approx 90.366}
مقدار5(5524)2.329{\displaystyle 5\left({\tfrac {5{\sqrt {5}}}{24}}\right)\approx 2.329}16(13)5.333{\displaystyle 16\left({\tfrac {1}{3}}\right)\approx 5.333}8{\displaystyle 8}24(23)11.314{\displaystyle 24\left({\tfrac {\sqrt {2}}{3}}\right)\approx 11.314}600(212ϕ3)16.693{\displaystyle 600\left({\tfrac {\sqrt {2}}{12\phi ^{3}}}\right)\approx 16.693}120(15+754ϕ68)18.118{\displaystyle 120\left({\tfrac {15+7{\sqrt {5}}}{4\phi ^{6}{\sqrt {8}}}}\right)\approx 18.118}
4-المحتوى524(52)40.146{\displaystyle {\tfrac {\sqrt {5}}{24}}\left({\tfrac {\sqrt {5}}{2}}\right)^{4}\approx 0.146}230.667{\displaystyle {\tfrac {2}{3}}\approx 0.667}1{\displaystyle 1}2{\displaystyle 2}قصير×المجلد43.863{\displaystyle {\tfrac {{\text{Short}}\times {\text{Vol}}}{4}}\approx 3.863}قصير×المجلد44.193{\displaystyle {\tfrac {{\text{Short}}\times {\text{Vol}}}{4}}\approx 4.193}

التصور

بعض العروض التقديمية لبطارية مكونة من 24 خلية
تقسيم الأنسجةشبكة
التوقعات
شليغلثنائي الأبعاد متعامدثلاثي الأبعاد متعامد

لا يمكن رؤية متعددات الوجوه الرباعية في الفضاء ثلاثي الأبعاد بسبب بُعدها الإضافي. وتُستخدم عدة تقنيات للمساعدة في تصورها.

الإسقاط المتعامد

يمكن استخدام الإسقاطات المتعامدة لإظهار اتجاهات التناظر المختلفة لمتعدد الوجوه رباعي الأبعاد. ويمكن رسمها في بعدين كرسوم بيانية للرؤوس والحواف، ويمكن عرضها في ثلاثة أبعاد مع وجوه صلبة كأغلفة إسقاطية مرئية .

إسقاط المنظور

كما يمكن إسقاط شكل ثلاثي الأبعاد على سطح مستوٍ، يمكن كذلك إسقاط شكل رباعي الأبعاد على فضاء ثلاثي الأبعاد أو حتى على سطح مستوٍ. ومن الإسقاطات الشائعة مخطط شليغل ، الذي يستخدم الإسقاط المجسم لنقاط على سطح كرة ثلاثية الأبعاد إلى ثلاثة أبعاد، متصلة بحواف مستقيمة ووجوه وخلايا مرسومة في الفضاء ثلاثي الأبعاد.

تقسيم الأنسجة

كما يكشف مقطع عرضي في مجسم متعدد الأوجه عن سطح مقطوع، فإن مقطعًا عرضيًا في مجسم رباعي الأوجه يكشف عن "سطح فائق" مقطوع في ثلاثة أبعاد. ويمكن استخدام سلسلة من هذه المقاطع لبناء فهم للشكل العام. ويمكن مساواة البعد الإضافي بالزمن لإنتاج رسوم متحركة سلسة لهذه المقاطع العرضية.

الشباك

تتكون شبكة متعدد السطوح رباعي الأبعاد من خلايا متعددة السطوح متصلة بأوجهها وتشغل جميعها نفس الفضاء ثلاثي الأبعاد، تمامًا كما تتصل وجوه المضلع لشبكة متعدد السطوح بحوافها وتشغل جميعها نفس المستوى.

الخصائص الطوبولوجية

4-متعددات الوجوه ذات 8 خلايا من تأليف ماكس بروكينر (1909)، بما في ذلك مخطط شليجل للتيسيراكت .

يتم تحديد طوبولوجيا أي متعدد الوجوه رباعي الأبعاد من خلال أرقام بيتي ومعاملات الالتواء الخاصة به . [ 6 ]

لا يمكن تعميم قيمة خاصية أويلر المستخدمة لوصف المجسمات متعددة الأوجه بشكل مفيد إلى الأبعاد الأعلى، وهي تساوي صفرًا لجميع المجسمات رباعية الأوجه، بغض النظر عن بنيتها الطوبولوجية الأساسية. وقد أدى هذا القصور في خاصية أويلر في التمييز بدقة بين البنى الطوبولوجية المختلفة في الأبعاد الأعلى إلى اكتشاف أعداد بيتي الأكثر تطورًا. [ 6 ]

وبالمثل، فإن مفهوم قابلية توجيه متعدد السطوح غير كافٍ لتوصيف التواءات سطح متعددات السطوح الحلقية رباعية الأبعاد، وقد أدى ذلك إلى استخدام معاملات الالتواء. [ 6 ]

تصنيف

معايير

مثل جميع الأشكال متعددة الأوجه، يمكن تصنيف الأشكال متعددة الأوجه ذات البعد 4 بناءً على خصائص مثل " التحدب " و " التناظر ".

الصفوف الدراسية

فيما يلي قائمة بالفئات المختلفة للمضلعات الرباعية المصنفة وفقًا للمعايير المذكورة أعلاه:

يُعد الشكل المختزل ذو الـ 120 خلية واحدًا من 47 شكلًا متعدد الوجوه محدبًا غير موشوري منتظمًا رباعي الأبعاد

متعدد الوجوه رباعي منتظم ( متعدي الرؤوس ):

متعددات الوجوه المحدبة الأخرى ذات البعد 4 :

يُعدّ شكل قرص العسل المكعب المنتظم الشكل الوحيد المنتظم اللانهائي ذو 4 أوجه في الفضاء الإقليدي ثلاثي الأبعاد.

متعددات الوجوه المنتظمة اللانهائية ذات البعد 4 في الفضاء الإقليدي ثلاثي الأبعاد (تبليطات منتظمة من خلايا محدبة منتظمة)

متعددات الوجوه المنتظمة اللانهائية ذات البعد 4 في الفضاء الزائدي ثلاثي الأبعاد (تبليطات منتظمة من خلايا محدبة منتظمة)

متعدد السطوح رباعي منتظم مزدوج ( متعدي على الخلية ):

آحرون:

إن الشكل ذو الـ 11 خلية هو شكل متعدد الأوجه منتظم مجرد رباعي الأبعاد، موجود في المستوى الإسقاطي الحقيقي ، ويمكن رؤيته من خلال عرض رؤوسه الـ 11 نصفية الوجوه وخلاياه بواسطة الفهرس واللون.

المجسمات المنتظمة المجردة ذات البعد 4 :

لا تشمل هذه الفئات إلا المجسمات الرباعية التي تُظهر درجة عالية من التناظر. توجد العديد من المجسمات الرباعية الأخرى الممكنة، لكنها لم تُدرس بنفس القدر من الشمولية التي دُرست بها المجسمات المدرجة في هذه الفئات.

انظر أيضاً

مراجع

ملحوظات

  1. إن دبليو جونسون : الهندسات والتحويلات ، (2018)، رقم ISBN 978-1-107-10340-5الفصل 11: مجموعات التناظر المحدودة ، 11.1 متعددات الوجوه وخلايا النحل ، ص 224
  2. فيالار، ت. (2009). الديناميكيات غير الخطية المعقدة والفوضوية: تطورات في الاقتصاد والتمويل . سبرينغر. ص 674. ISBN  978-3-540-85977-2.
  3. كابيتشي، ف.؛ كونتوتشي، ب.؛ بوسكيما، م.؛ دامور، ب. (2010). تطبيقات الرياضيات في النماذج والشبكات العصبية الاصطناعية والفنون . سبرينغر. ص 598. doi : 10.1007/978-90-481-8581-8 . ISBN  978-90-481-8580-1.
  4. كوكسيتر 1973 ، ص 141، §7-x. ملاحظات تاريخية.
  5. كوكسيتر 1973 ، الصفحات 292-293، الجدول الأول (ii): المضلعات المنتظمة الستة عشر { p,q,r } في أربعة أبعاد: [جدول لا يقدر بثمن يوفر جميع المقاييس العشرين لكل مضلع رباعي الأبعاد بوحدات طول الحافة. ​​يجب تحويلها جبريًا لمقارنة المضلعات ذات نصف القطر الواحد.]
  6. 1 2 3 ريتشسون، د.؛ جوهرة أويلر: صيغة متعدد السطوح وولادة علم الطوبولوجيا ، برينستون، 2008.
  7. داء تعدد الألوان الموحد ، نورمان دبليو جونسون (كلية ويتون)، 1845 حالة في عام 2005

فهرس

  • HSM Coxeter :
    • كوكسيتر، إتش إس إم (1973) [1948]. متعددات الوجوه المنتظمة (  الطبعة الثالثة). نيويورك: دوفر.
    • HSM Coxeter، MS Longuet-Higgins و JCP Miller : متعددات السطوح المنتظمة ، المعاملات الفلسفية للجمعية الملكية في لندن، 1954
    • كتاب "المناظير: مختارات من كتابات إتش إس إم كوكسيتر" ، حرره إف. آرثر شيرك، وبيتر ماكمولين، وأنتوني سي. طومسون، وآسيا إيفيتش فايس، منشورات وايلي-إنترساينس، 1995، wiley.com ، ISBN 978-0-471-01003-6
      • (الورقة 22) HSM Coxeter، متعددات الوجوه المنتظمة وشبه المنتظمة I ، [Math. Zeit. 46 (1940) 380–407، MR 2,10]
      • (الورقة 23) HSM Coxeter، متعددات الوجوه المنتظمة وشبه المنتظمة II ، [Math. Zeit. 188 (1985) 559–591]
      • (الورقة 24) HSM Coxeter، متعددات الوجوه المنتظمة وشبه المنتظمة III ، [Math. Zeit. 200 (1988) 3–45]
  • جيه إتش كونواي وإم جيه تي جاي : متعددات الوجوه الأرخميدية رباعية الأبعاد ، وقائع ندوة التحدب في كوبنهاغن، الصفحتان 38 و39، 1965
  • إن دبليو جونسون : نظرية متعددات الوجوه المنتظمة وخلايا النحل ، أطروحة دكتوراه، جامعة تورنتو، 1966
  • متعددات الوجوه الأرخميدية رباعية الأبعاد (بالألمانية)، ماركو مولر، أطروحة دكتوراه، 2004، Vierdimensionale Archimedische Polytope ، مؤرشفة في 22 مارس 2005 على موقع Wayback Machine
عائلةأنب نI 2 ( p ) / D nE 6 / E 7 / E 8 / F 4 / G 2H n
مضلع منتظممثلثمربعبي-جونمسدسالبنتاغون
متعدد السطوح منتظمرباعي الأوجهثماني الأوجهمكعبمكعب ديميكيوبالمجسم ذو الاثني عشر وجهًاالمجسم ذو العشرين وجهًا
بولي كلورون موحدبنتاشورون16 خليةتيسيراكتديميتسيراكت24 خلية120 خلية600 خلية
متعدد الوجوه الخماسي المنتظم5-simplex5-أورثوبليكس5-كيوب5-نصف مكعب
متعدد الوجوه سداسي منتظم6-simplex6-أورثوبليكس6-كيوب6-نصف مكعب1 222 21
متعدد الوجوه المنتظم ذو 7 أوجه7-simplex7-أورثوبليكس7-كيوب7-نصف مكعب1 322 313 21
متعدد الوجوه منتظم ذو 8 أوجه8-simplex8-أورثوبليكس8-كيوب8-نصف مكعب1 422 414 21
متعدد الوجوه موحد ذو 9 أوجه9-simplex9-أورثوبليكس9-كيوب9-نصف مكعب
متعدد الوجوه منتظم مكون من 10 أجزاء10-simplex10-أورثوبلكس10-كيوب10-نصف مكعب
متعدد السطوح المنتظم من النوع nn - سيمبلكسن - أورثوبليكسن - كيوبن - نصف مكعب1 k22 k1k 21متعدد الوجوه الخماسي n
المواضيع: عائلات متعددات الوجوهمتعدد الوجوه المنتظمقائمة متعددات الوجوه المنتظمة والمركباتعمليات متعددات الوجوه