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正五胞體
鎖定
- 中文名
- 正五胞體
- 外文名
- Pentachoron,5-cell
- 簡 介
- 正多胞體中最簡單的一個
- 應用領域
- 數學研究
正五胞體簡介
正五胞體(5-cell),又作正四面體錐(hyperpyramid),4-單形(4-simplex),是。
其施萊夫利符號是{3,3,3},頂點圖(Vertex figure)是正四面體,在正五胞體中每條稜上有三個正四面體
一般而言,它是正四面體的四維類比
正五胞體三維投影
當我們看一個三維的物體的時候,我們看見的是它的二維投影。同樣的道理,當四維生物看一個四維的物體的時候,它的眼中也會呈現一個三維的投影。不妨用我們的三維世界作為四維生物的“眼睛”,去表示一個多胞形的投影吧!
正五胞體正四面體投影
我們都知道,在外面作一個正三角形,中心做一點向外面連線,就得到一個正四面體的投影,如右圖,這也是當我們的眼睛正對着正四面體的一個頂點的時候看到的樣子。
正五胞體正五胞體投影
但看到圖1你可能不理解這是個什麼東西,實際上這只是一個三維的投影(圖片嘛,又要把這個三維投影再投影到二維上),正五胞體在我們這個三維世界上是不存在的,但是我們仍然可以去理解,理解四維空間的種種奇特之處。
圖1確確實實是表現了正五胞體的三維投影,但實際上它不是平行投影來的,這種投影叫“施萊格爾投影”,是在它的外接球(四維的是外接一個“超球”)上取一點作的透視投影——這個施萊格爾投影的“內部”的那一點看上去比外面四個點明顯要小一些。
胞(正四面體)數:5,面(正三角形)數:10,稜數:10,頂點數:5
正五胞體球極投影
將一個多面體的表面不斷膨脹,可以讓它的所有表面變成球面。變成一個球后再將球面投影到無窮大的平面上,這就是二維球極投影(如圖2)
圖3就是正五胞體的三維球極投影,和施萊格爾投影一樣,投影中心的那個點實際上比外面四個點要小一點。
正五胞體二維線架正投影
實話説這個投影是怎麼寫入五個點的座標投影得到的,不過這不重要,作為四維單形的正五胞體就是這麼“簡單”,作一個正五邊形,每兩點兩兩連線,這就是它的二維線架正投影(沒錯,是正的)
一個四維物體的二維正投影其實不止一種的,不同的投影用來抽象表現這個東西不同的特性,正五胞體的二維投影英文維基上有很多,但為了表現那些特性,或多或少都有幾條線段重合,這裏略去
正五胞體二胞角
多面體上有二面角,那多胞體自然有二胞角,所謂二胞角,就是兩個立體的夾角——這個在四維幾何學上經常用到。
對於的二胞角的求導是要用到四維解析幾何慢慢求的,太麻煩,不妨就用類比法去求:
二維正單形是正三角形,它的“二邊角”(也就是夾角)是60°,用反三角函數表示就是arccos1/2
三維正單形是正四面體,它的二面角約是70.53°,用反三角函數表示就是arccos1/3
那麼作為四維正單形的正五胞體,它的二胞角用反三角函數表示就應該是arccos1/4,按按計算器就知道,arccos1/4≈75.52°
正五胞體座標
正五胞體向更高維類比——正單形
點、線段、正三角形、正四面體、正五胞體……用這種方法一直類比下去,得到的所有東西集合在一起,就是正單形。
正五胞體單形的介紹
單形(Simplex),英文又作Simplexes或Simplices,看上去是Simple和Complex的混合,字面意思大概是簡單的複雜(Simplicial Complex,*.*),説白點就是複雜空間(高維空間)的簡單的東東——可以説,一個單形的確是該空間中構造最簡單的東西。
正五胞體正單形的定義
在一個n維空間中找到n+1個點,使這些點滿足每兩個點距離相等,那麼利用這些點就可以得到一個n維正單形(n-simplex)
通俗地説,正三角形就是二維正單形,正四面體就是三維正單形,正五胞體就是四維正單形。
正五胞體正單形的二維投影
圖5是前二十維正單形的二維投影,可以説極其簡單,截圖摘自維基百科。
正五胞體數據信息
根據前四維單形(點、線段、正三角形、正四面體、正五胞體)的各維度的數據,可以推導到下表的這些數據。
從左到右依次是該單形的頂點數、稜數、(三角形)面數、(四面體)胞數、超胞(四維面)數、五維面數……
0-simplex: 1
1-simplex: 2 1
2-simplex: 3 3 1
3-simplex: 4 6 4 1
4-simplex: 5 10 10 5 1
5-simplex: 6 15 20 15 6 1
6-simplex: 7 21 35 35 21 7 1
7-simplex: 8 28 56 70 56 28 8 1
8-simplex: 9 36 84 126 126 84 36 9 1
9-simplex: 10 45 120 210 252 210 120 45 10 1
10-simplex:11 55 165 330 462 462 330 165 55 11 1
似曾相識吧,這個數列就是楊輝三角,不過最左邊少了一行1(其實這樣“1”是存在的,屬於負一維產物)
正五胞體正單形座標
正單形的座標很難算(詳細座標英文維基上有),不過如果把它放到高一維的話會簡單很多,
例如把一個正三角形放到三維,則它的三點座標可以是(1,0,0)(0,1,0)(0,0,1),
同樣地一個正四面體放到四維後四個頂點可以是(1,0,0,0)(0,1,0,0)(0,0,1,0)(0,0,0,1)
如此類推。
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