正五胞體

正五胞體(5-cell),又作正四面體錐(hyperpyramid),4-單形(4-simplex),其施萊夫利符號是3,3,3,頂點圖是正四面體,在正五胞體中每條棱上有三個正四面體。一般而言,它是正四面體的四維類比。

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,在正五胞體中每條棱上有三個正四面體

一般而言,它是正四面體的四維類比

三維投影

正四面體 正四面體

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著正四面體的一個頂點的時候看到的樣子。

正五胞體投影

施萊格爾正投影 施萊格爾正投影

現在,我們繼續類比,把正四面體的投影類比到正五胞體的三維投影上來: 首先在外面做一個正四面體框架,然後找到它的幾何中心定一個點,再將這個點向“外面”的四個點連上線,如右下圖。

但看到這個圖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。

右圖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。

球極投影的方法 球極投影的方法

算上“最外部”的那個四面體,正五胞體一共由五個正四面體組成,也就是有五個“胞”(cell,指組成高維多胞形的三維表面)(有 點廢話呵呵)之後我們就得到正五胞體的一些數據

胞(正四面體)數:5,面(正三角形)數:10,棱數:10,頂點數:5

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。變成一個球後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)

球極投影 球極投影

同樣,四維的物體也可以通過球極投影把它的三維表面展現在三維上 。將正五胞體的三維表面不斷向它的外部膨脹變成“超球”,再把超球的表面投影進平坦的三維空間。

右圖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。

二維線架正投影

二維線架正投影 二維線架正投影

四維的正五胞體可以不經過三維而直接投影到二維上,但只能表現一些點與線之間的連線關係,如下圖 。

實話說這個投影是怎么寫入五個點的坐標投影得到的,不過這不重要,作為四維單形的正五胞體就是這么“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,這裡略去

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°,用反三角函式表示就是arccos1/2

三維正單形是正四面體,它的二面角約是70.53°,用反三角函式表示就是arccos1/3

那么作為四維正單形的正五胞體,它的二胞角用反三角函式表示就應該是arccos1/4,按按計算器就知道,arccos1/4≈75.52°

坐標

坐標 坐標

正五胞體五個點的其中一種表示形式,不過這個就坐標來看,這個正五胞體的外接超球的半徑卻不是1——當然根據這個五個坐標重新寫一個外接超球為1的十分容易。

截圖摘自英文維基百科

向更高維類比——正單形(Simplex)

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。

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,*.*),說白點就是複雜空間(高維空間)的簡單的東東——可以說,一個單形的確是該空間中構造最簡單的東西。

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,那么利用這些點就可以得到一個n維正單形(n-simplex)

通俗地說,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 正五胞體

需要說一下,這個“單形”可不是百度百科上的“晶體單形”,很多網站和網友(包括視頻“教你認識四維空間”)所說的單形指的是四維的單形——五胞體,這裡需要指正一下。單形應該 是一個集合。

正單形的二維投影

右圖是前二十維正單形的二維投影,可以說極其簡單,截圖摘自維基百科。

數據

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、棱數、(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)

正單形坐標

正單形的坐標很難算(詳細坐標英文維基上有),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,則它的三點坐標可以是(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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