Проективный многогранник - Projective polyhedron

В геометрия, a (глобально) проективный многогранник это мозаика из реальная проективная плоскость.^[1] Это проективные аналоги сферические многогранники - мозаика сфера - и тороидальные многогранники - мозаика тороидов.

Проективные многогранники также называют эллиптическая мозаика^[2] или же эллиптические мозаики, называя проективную плоскость (проективной) эллиптическая геометрия, по аналогии с сферическая черепица,^[3] синоним «сферического многогранника». Однако срок эллиптическая геометрия применимо как к сферической, так и к проективной геометрии, поэтому термин несет некоторую двусмысленность для многогранников.

В качестве клеточные разложения проективной плоскости они имеют Эйлерова характеристика 1, в то время как сферические многогранники имеют эйлерову характеристику 2. Квалификатор «глобально» должен контрастировать с локально проективные многогранники, которые определенный в теории абстрактные многогранники.

Неперекрывающиеся проективные многогранники (плотность 1) соответствуют сферические многогранники (эквивалентно, выпуклые многогранники ) с центральная симметрия. Это подробно описано и расширено ниже в связь со сферическими многогранниками и связь с традиционными многогранниками.

Примеры

В полукуб - правильный проективный многогранник с 3 квадратными гранями, 6 ребрами и 4 вершинами.

Наиболее известными примерами проективных многогранников являются правильные проективные многогранники, частные центрально-симметричный Платоновы тела, а также два бесконечных класса четных дигедра и Hosohedra:^[4]

• Hemi-cube, {4,3}/2
• Полуоктаэдр, {3,4}/2
• Полудодекаэдр, {5,3}/2
• Полуикосаэдр, {3,5}/2
• Полудигедр, {2p, 2} / 2, p> = 1
• Полусоэдр, {2,2p} / 2, p> = 1

Их можно получить, разделив соответствующий сферический многогранник на антиподальная карта (определение противоположных точек на сфере).

С другой стороны, тетраэдр не имеет центральной симметрии, поэтому нет «полутетраэдра». Видеть связь со сферическими многогранниками ниже о том, как трактуется тетраэдр.

Гемиполиэдры

В тетрагемигексаэдр - проективный многогранник, и единственный равномерный проективный многогранник, который погружает в трехмерном евклидовом пространстве.

Дальнейшая информация: Гемиполиэдр

Обратите внимание, что префикс «hemi-» также используется для обозначения гемиполиэдры, которые равномерные многогранники некоторые грани проходят через центр симметрии. Поскольку они не определяют сферические многогранники (потому что они проходят через центр, который не отображается в определенную точку на сфере), они не определяют проективные многогранники с помощью фактор-отображения из 3-пространства (минус начало координат) в проективное самолет.

Из этих однородных гемиполиэдров только тетрагемигексаэдр топологически является проективным многогранником, что подтверждается его Эйлерова характеристика и визуально очевидная связь с Римская поверхность. Он 2-х покрыт кубооктаэдр, и может быть реализовано как частное сферического кубооктаэдра по антиподальному отображению. Это единственный равномерный (традиционный) многогранник, который является проективным, то есть единственный равномерный проективный многогранник, который погружает в евклидовом трехмерном пространстве как единый традиционный многогранник.

Связь со сферическими многогранниками

Есть 2-к-1 карта покрытия ${\displaystyle S^{2}\to \mathbf {RP} ^{2}}$ сферы на проективную плоскость, и при этом отображении проективные многогранники соответствуют сферическим многогранникам с центральная симметрия - 2-кратное покрытие проективного многогранника - это центрально-симметричный сферический многогранник. Далее, поскольку карта покрытия это локальный гомеоморфизм (в этом случае локальная изометрия ) как сферический, так и соответствующий проективный многогранник имеют одинаковые абстрактная фигура вершины.

Например, 2-кратное покрытие (проективного) полукуб - (сферический) куб. Полукуб имеет 4 вершины, 3 грани и 6 ребер, каждое из которых покрывается 2 копиями в сфере, и, соответственно, куб имеет 8 вершин, 6 граней и 12 ребер, в то время как оба этих многогранника имеют 4,4. Фигура с 4 вершинами (3 квадрата, пересекающиеся в вершине).

Далее группа симметрии (из изометрии ) проективного многогранника и накрывающего сферического многогранника связаны: симметрии проективного многогранника естественным образом отождествляются с вращение симметрии сферического многогранника, в то время как полная группа симметрии сферического многогранника является произведением его группы вращения (группы симметрии проективного многогранника) и циклической группы порядка 2, {±я}. Видеть группа симметрии ниже для уточнения и других размеров.

Сферические многогранники без центральной симметрии не определяют проективный многогранник, так как изображения вершин, ребер и граней будут перекрываться. На языке мозаик изображение на проективной плоскости представляет собой мозаику степени 2, что означает, что оно покрывает проективную плоскость дважды, а не две грани в сфере, соответствующие одной грани в проективной плоскости, покрывая ее дважды, каждая грань в сфера соответствует одной грани в проективной плоскости, соответственно покрывая ее дважды.

Соответствие между проективными многогранниками и центрально-симметричными сферическими многогранниками можно продолжить до Связь Галуа включая все сферические многогранники (не обязательно центрально-симметричные), если классы расширены за счет включения мозаик степени 2 проективной плоскости, покрытия которых являются не многогранниками, а полиэдрическое соединение нецентрально-симметричного многогранника вместе с его центральным обратным (соединение двух многогранников). Это геометризует связность Галуа на уровне конечных подгрупп в O (3) и PO (3), при которых присоединение является «объединением с центральным обратным». Например, тетраэдр не является центрально-симметричным и имеет 4 вершины, 6 ребер и 4 грани, а также фигуру 3.3.3 вершины (3 треугольника, пересекающихся в каждой вершине). Его образ на проективной плоскости имеет 4 вершины, 6 ребер (которые пересекаются) и 4 грани (которые перекрываются), дважды покрывая проективную плоскость. Обложка этого звездчатый октаэдр - эквивалентно соединение двух тетраэдров - которое имеет 8 вершин, 12 ребер и 8 граней, а также вершину, показанную на рисунке 3.3.3.

Обобщения

В контексте абстрактные многогранники, вместо этого говорится о "локально проективные многогранники »- см. Абстрактный многогранник: локальная топология. Например, 11-элементный является «локально проективным многогранником», но не является глобально проективным многогранником или мозаикой. любой многообразие, поскольку оно не локально евклидово, а скорее локально проективно, как следует из названия.

Проективные многогранники могут быть определены в более высоком измерении как мозаика проективного пространства в одном измерении меньше. Определение k-мерные проективные многогранники в п-мерное проективное пространство несколько сложнее, потому что обычное определение многогранников в евклидовом пространстве требует взятия выпуклые комбинации точек, которое не является проективным понятием и редко упоминается в литературе, но было определено, например, в (Вивес и Мэйо 1991 ).

Группа симметрии

Группа симметрии проективного многогранника - это конечный (следовательно, дискретный)^{[примечание 1]} подгруппа проективная ортогональная группа, PO, и, наоборот, каждая конечная подгруппа в PO является группой симметрии проективного многогранника, взяв многогранник, заданный образами многогранника фундаментальная область для группы.

Соответствующие размеры следующие: п-мерное действительное проективное пространство есть проективизация (п+1) -мерный Евклидово пространство, ${\displaystyle \mathbf {RP} ^{n}=\mathbf {P} (\mathbf {R} ^{n+1}),}$ так что проективная ортогональная группа п-мерное проективное пространство обозначается

PO (п+1) = P (O (п+1)) = O (п+1)/{±я}.

Если п=2k даже (так п+1 = 2k+1 нечетно), то O (2k+1) = SO (2k+1)×{±я} распадается как продукт, и поэтому ${\displaystyle PO(2k+1)=PSO(2k+1)\cong SO(2k+1)}$^{[заметка 2]} так что группу проективных изометрий можно отождествить с группой изометрий вращения.

Таким образом, в частности, группа симметрии проективного многогранника - это вращающийся группа симметрии покрывающего сферического многогранника; тогда полная группа симметрии сферического многогранника - это просто прямое произведение с отражение через начало координат, являющееся ядром при переходе в проективное пространство. Проективная плоскость неориентируема, поэтому нет четкого понятия «сохраняющие ориентацию изометрий проективного многогранника», что отражено в равенстве PSO (3) = PO (3).

Если п=2k + 1 нечетно, то O (п+1) = O (2k+2) не распадается как произведение, и, таким образом, группа симметрии проективного многогранника - это не просто симметрии вращения сферического многогранника, а скорее отношение 2 к 1 полной группы симметрии соответствующего сферического многогранника ( сферическая группа - это центральное расширение проективной группы). Далее, в нечетной проективной размерности (четной векторной размерности) ${\displaystyle PSO(2k)\neq PO(2k)}$ и вместо этого является собственной (индекс 2) подгруппой, поэтому существует отдельное понятие изометрий, сохраняющих ориентацию.

Например, в п = 1 (многоугольники), симметрии a 2р-угольник - это группа диэдра Dih_2р (порядка 4р), с группой вращения циклическая группа C_2р, которые являются подгруппами в O (2) и SO (2) соответственно. Проективизация 2р-угольник (в круге) - это р-угольник (в проективной прямой), и соответственно фактор-группы, подгруппы в PO (2) и PSO (2) являются Dih_р и C_р. Обратите внимание, что тот же коммутативный квадрат подгрупп возникает для квадрата Спиновая группа и Группа контактов - Спин (2), Булавка₊(2), SO (2), O (2) - здесь идет до 2-кратного покрытия, а не до 2-кратного частного.

Наконец, решеточная теорема Существует Связь Галуа между подгруппами O (п) и подгруппы ПО (п), в частности конечных подгрупп. При этой связи группы симметрий центрально-симметричных многогранников соответствуют группам симметрий соответствующего проективного многогранника, а группы симметрий сферических многогранников без центральной симметрии соответствуют группам симметрий проективных многогранников степени 2 (мозаики, дважды покрывающие проективное пространство), покрытие которых ( соответствует присоединению связности) представляет собой соединение двух многогранников - исходного многогранника и его центрального обратного.

Эти группы симметрии следует сравнивать и противопоставлять бинарные полиэдральные группы - так же, как Пин_±(п) → O (п) является покрытием 2: 1, и, следовательно, существует связь Галуа между бинарными полиэдральными группами и полиэдральными группами, O (п) → PO (п) является покрытием 2 к 1 и, следовательно, имеет аналогичную связь Галуа между подгруппами. Однако в то время как дискретные подгруппы O (п) и ПО (п) соответствуют группам симметрий сферических и проективных многогранников, геометрически соответствующим покрывающему отображению ${\displaystyle S^{n}\to \mathbf {RP} ^{n},}$ нет покрытия ${\displaystyle S^{n}}$ (за ${\displaystyle n\geq 2}$) поскольку сфера односвязный, и, следовательно, не существует соответствующего «бинарного многогранника», для которого подгруппы Pin являются группами симметрии.

Смотрите также

• Сферический многогранник
• Тороидальный многогранник

Примечания

1. Поскольку ПО является компактный, конечные и дискретные множества идентичны - бесконечные множества имеют точка накопления.
2. В изоморфизм / равенство различие в этом уравнении связано с тем, что контекст представляет собой карту отношений 2 к 1 ${\displaystyle O\to PO}$ - ПСО (2k+1) и ПО (2k+1) являются равными подмножествами цели (а именно всего пространства), следовательно, равенство, а индуцированное отображение ${\displaystyle SO\to PSO}$ является изоморфизмом, но эти две группы являются подмножествами различных пространств, следовательно, это изоморфизм, а не равенство.Конвей и Смит 2003, п. 34 ) в качестве примера проводимого различия.

Рекомендации

Сноски

1. Шульте, Эгон; Вайс, Азия Ивич (2006), «5 Топологическая классификация», Задачи о многогранниках, их группах и реализациях, стр. 9–13, arXiv:математика / 0608397v1, Bibcode:2006математика ...... 8397S
2. Кокстер, Гарольд Скотт Макдональд (1970). Витые соты. Серия региональных конференций CBMS по математике (4). Книжный магазин AMS. п.11. ISBN  978-0-8218-1653-0.
3. Магнус, Вильгельм (1974), Неуклидовы мозаики и их группы, Академическая пресса, п. 65, ISBN  978-0-12-465450-1
4. Кокстер, Введение в геометрию, 1969, Издание второе, сек 21.3 Обычные карты, п. 386-388

Общие ссылки

• Архидиакон, Дан; Негами, Сейя (1993), «Построение самодвойственных проективных многогранников», J. Comb. Теория Б, 59 (1): 122–131, Дои:10.1006 / jctb.1993.1059, получено 2010-04-15
• Ароча, Хорхе Л .; Брачо, Хавьер; Монтехано, Луис (1 февраля 2000 г.). «Правильные проективные многогранники с плоскими гранями I» (PDF). Aequationes Mathematicae. 59 (1): 55–73. CiteSeerX  10.1.1.498.9945. Дои:10.1007 / PL00000128. Получено 2010-04-15.
• Брахо, Хавьер (01.02.2000). «Правильные проективные многогранники с плоскими гранями II». Aequationes Mathematicae. 59 (1): 160–176. Дои:10.1007 / PL00000122.
• Конвей, Джон Хортон; Смит, Дерек Алан (07.02.2003), "3.7 Проективные или эллиптические группы", О кватернионах и октонионах, A. K Peters, Ltd., стр.34, ISBN  978-1-56881-134-5
• Гильберт, Дэвид; Кон-Фоссен, С. (1999), Геометрия и воображение, Книжный магазин AMS, стр.147, ISBN  978-0-8218-1998-2
• Макмаллен, Питер; Шульте, Эгон (декабрь 2002 г.), "6C. Проективные регулярные многогранники", Абстрактные правильные многогранники (1-е изд.), Cambridge University Press, стр.162–165, ISBN  978-0-521-81496-6
• Вивес, Жильберто Кальвильо; Майо, Гильермо Лопес (1991). Сусана Гомес; Жан Пьер Хеннар; Ричард А. Тапиа (ред.). Достижения в области численных уравнений в частных производных и оптимизации. Пятый семинар США и Мексики. СИАМ. стр.43–49. ISBN  978-0-89871-269-8.