4-politopo

Objeto geométrico de cuatro dimensiones con lados planos.
Gráficas de los seis 4-politopos regulares convexos
{3,3,3}{3,3,4}{4,3,3}


Pentátopo de 5 células,
4- símplex


Ortoplex de 16 células Ortoplex
de 4 células


Tesseract de 8 celdas
y 4 cubos
{3,4,3}{3,3,5}{5,3,3}


Octaplex de 24 celdas


Tetraplex de 600 células


Dodecaplex de 120 células

En geometría , un 4-politopo (a veces también llamado policoron , [1] policelda o poliedro ) es un politopo de cuatro dimensiones . [2] [3] Es una figura conexa y cerrada, compuesta por elementos politópicos de menor dimensión: vértices , aristas , caras ( polígonos ) y celdas ( poliedros ). Cada cara es compartida por exactamente dos celdas. Los 4-politopos fueron descubiertos por el matemático suizo Ludwig Schläfli antes de 1853. [4]

El análogo bidimensional de un 4-politopo es un polígono , y el análogo tridimensional es un poliedro .

Topológicamente, los 4-politopos están estrechamente relacionados con los panales uniformes , como el panal cúbico , que teselan el espacio tridimensional; de manera similar, el cubo tridimensional está relacionado con el mosaico cuadrado infinito bidimensional . Los 4-politopos convexos se pueden cortar y desplegar como redes en el espacio tridimensional.

Definición

Un 4-politopo es una figura cerrada de cuatro dimensiones . Está compuesto por vértices (puntos de esquina), aristas , caras y celdas . Una celda es el análogo tridimensional de una cara y, por lo tanto, es un poliedro . Cada cara debe unir exactamente dos celdas, de manera análoga a la forma en que cada arista de un poliedro une solo dos caras. Como cualquier politopo, los elementos de un 4-politopo no se pueden subdividir en dos o más conjuntos que también sean 4-politopos, es decir, no es un compuesto.

Geometría

Los 4-politopos convexos regulares son los análogos cuatridimensionales de los sólidos platónicos . El 4-politopo más conocido es el teseracto o hipercubo, el análogo cuatridimensional del cubo.

Los 4-politopos regulares convexos se pueden ordenar por tamaño como una medida del contenido cuatridimensional (hipervolumen) para el mismo radio. Cada politopo mayor en la secuencia es más redondo que su predecesor, y encierra más contenido [5] dentro del mismo radio. El 4-símplex (5 celdas) es el caso más pequeño límite, y el de 120 celdas es el más grande. La complejidad (medida comparando matrices de configuración o simplemente el número de vértices) sigue el mismo orden.

Politopos cuatripartitos convexos regulares
Grupo de simetríaUn 4B4F4H4
Nombre5 celdas

Hipertetraedro de
5 puntas

16 celdas

Hiper - octaedro
de 8 puntas

8 celdas

Hipercubo de
16 puntos

24 celdas


24 puntos

600 celdas

Hipericosaedro de
120 puntos

120 celdas

Hiperdodecaedro de
600 puntos

Símbolo de Schläfli{3, 3, 3}{3, 3, 4}{4, 3, 3}{3, 4, 3}{3, 3, 5}{5, 3, 3}
Espejos Coxeter
Diédricos especulares𝝅/3 𝝅/3 𝝅/3 𝝅/2 𝝅/2 𝝅/2𝝅/3 𝝅/3 𝝅/4 𝝅/2 𝝅/2 𝝅/2𝝅/4 𝝅/3 𝝅/3 𝝅/2 𝝅/2 𝝅/2𝝅/3 𝝅/4 𝝅/3 𝝅/2 𝝅/2 𝝅/2𝝅/3 𝝅/3 𝝅/5 𝝅/2 𝝅/2 𝝅/2𝝅/5 𝝅/3 𝝅/3 𝝅/2 𝝅/2 𝝅/2
Gráfico
Vértices5 tetraédricos8 octaédrico16 tetraédrico24 cúbicos120 icosaédricos600 tetraédricos
Bordes10 triangular24 cuadrados32 triangular96 triangular720 pentagonal1200 triangular
Caras10 triángulos32 triángulos24 cuadrados96 triángulos1200 triángulos720 pentágonos
Células5 tetraedros16 tetraedros8 cubos24 octaedros600 tetraedros120 dodecaedros
Toros1 5-tetraedro2 8-tetraedro2 4 cubos4 6-octaedro20 30-tetraedro12 10-dodecaedro
Inscrito120 en 120 celdas675 en 120 celdas2 de 16 celdas3 de 8 celdas25 24 celdas10 600 celdas
Grandes polígonos2 cuadrados x 34 rectángulos x 44 hexágonos x 412 decágonos x 6100 hexágonos irregulares x 4
Polígonos de Petrie1 pentágono x 21 octágono x 32 octágonos x 42 dodecágonos x 44 30-ágonos x 620 30-ágonos x 4
Radio largo 1 {\estilo de visualización 1} 1 {\estilo de visualización 1} 1 {\estilo de visualización 1} 1 {\estilo de visualización 1} 1 {\estilo de visualización 1} 1 {\estilo de visualización 1}
Longitud del borde 5 2 1.581 {\displaystyle {\sqrt {\tfrac {5}{2}}}\aproximadamente 1,581} 2 1.414 {\displaystyle {\sqrt {2}}\aproximadamente 1,414} 1 {\estilo de visualización 1} 1 {\estilo de visualización 1} 1 ϕ 0,618 {\displaystyle {\tfrac {1}{\phi }}\aproximadamente 0,618} 1 ϕ 2 2 0,270 {\displaystyle {\tfrac {1}{\phi ^{2}{\sqrt {2}}}}\aproximadamente 0,270}
Radio corto 1 4 {\displaystyle {\frac {1}{4}}} 1 2 {\displaystyle {\frac {1}{2}}} 1 2 {\displaystyle {\frac {1}{2}}} 1 2 0,707 {\displaystyle {\sqrt {\tfrac {1}{2}}}\aproximadamente 0,707} ϕ 4 8 0,926 {\displaystyle {\sqrt {\tfrac {\phi ^{4}}{8}}}\aproximadamente 0,926} ϕ 4 8 0,926 {\displaystyle {\sqrt {\tfrac {\phi ^{4}}{8}}}\aproximadamente 0,926}
Área 10 ( 5 3 8 ) 10.825 {\displaystyle 10\left({\tfrac {5{\sqrt {3}}}{8}}\right)\aproximadamente 10,825} 32 ( 3 4 ) 27.713 {\displaystyle 32\left({\sqrt {\tfrac {3}{4}}}\right)\aproximadamente 27,713} 24 {\estilo de visualización 24} 96 ( 3 16 ) 41.569 {\displaystyle 96\left({\sqrt {\tfrac {3}{16}}}\right)\aproximadamente 41,569} 1200 ( 3 4 ϕ 2 ) 198,48 {\displaystyle 1200\left({\tfrac {\sqrt {3}}{4\phi ^{2}}}\right)\aproximadamente 198,48} 720 ( 25 + 10 5 8 ϕ 4 ) 90.366 {\displaystyle 720\left({\tfrac {\sqrt {25+10{\sqrt {5}}}}{8\phi ^{4}}}\right)\aproximadamente 90,366}
Volumen 5 ( 5 5 24 ) 2.329 {\displaystyle 5\left({\tfrac {5{\sqrt {5}}}{24}}\right)\aproximadamente 2,329} 16 ( 1 3 ) 5.333 {\displaystyle 16\left({\tfrac {1}{3}}\right)\aproximadamente 5,333} 8 {\estilo de visualización 8} 24 ( 2 3 ) 11.314 {\displaystyle 24\left({\tfrac {\sqrt {2}}{3}}\right)\aproximadamente 11,314} 600 ( 2 12 ϕ 3 ) 16.693 {\displaystyle 600\left({\tfrac {\sqrt {2}}{12\phi ^{3}}}\right)\approx 16.693} 120 ( 15 + 7 5 4 ϕ 6 8 ) 18.118 {\displaystyle 120\left({\tfrac {15+7{\sqrt {5}}}{4\phi ^{6}{\sqrt {8}}}}\right)\approx 18.118}
4-Contenido 5 24 ( 5 2 ) 4 0.146 {\displaystyle {\tfrac {\sqrt {5}}{24}}\left({\tfrac {\sqrt {5}}{2}}\right)^{4}\approx 0.146} 2 3 0.667 {\displaystyle {\tfrac {2}{3}}\approx 0.667} 1 {\displaystyle 1} 2 {\displaystyle 2} Short × Vol 4 3.863 {\displaystyle {\tfrac {{\text{Short}}\times {\text{Vol}}}{4}}\approx 3.863} Short × Vol 4 4.193 {\displaystyle {\tfrac {{\text{Short}}\times {\text{Vol}}}{4}}\approx 4.193}

Visualización

Ejemplos de presentaciones de un circuito de 24 celdas
SeccionamientoNeto
Proyecciones
SchlegelOrtogonal 2D3D ortogonal

Los 4-politopos no se pueden ver en el espacio tridimensional debido a su dimensión adicional. Se utilizan varias técnicas para facilitar su visualización.

Proyección ortogonal

Las proyecciones ortogonales se pueden utilizar para mostrar distintas orientaciones de simetría de un politopo de cuatro dimensiones. Se pueden dibujar en 2D como gráficos de vértice-arista y se pueden mostrar en 3D con caras sólidas como envolventes proyectivas visibles .

Proyección en perspectiva

Así como una forma tridimensional puede proyectarse sobre una hoja plana, una forma cuatridimensional puede proyectarse sobre un espacio tridimensional o incluso sobre una hoja plana. Una proyección común es el diagrama de Schlegel , que utiliza la proyección estereográfica de puntos sobre la superficie de una esfera tridimensional en tres dimensiones, conectados por bordes rectos, caras y celdas dibujadas en un espacio tridimensional.

Seccionamiento

De la misma manera que un corte a través de un poliedro revela una superficie de corte, un corte a través de un politopo de cuatro capas revela una "hipersuperficie" de corte en tres dimensiones. Una secuencia de dichas secciones puede utilizarse para comprender la forma general. La dimensión adicional puede equipararse con el tiempo para producir una animación fluida de estas secciones transversales.

Redes

Una red de un 4-politopo está compuesta de celdas poliédricas que están conectadas por sus caras y todas ocupan el mismo espacio tridimensional, así como las caras poligonales de una red de un poliedro están conectadas por sus aristas y todas ocupan el mismo plano.

Características topológicas

El teseracto como diagrama de Schlegel

La topología de cualquier 4-politopo dado se define por sus números de Betti y coeficientes de torsión . [6]

El valor de la característica de Euler utilizada para caracterizar poliedros no se puede generalizar de manera útil a dimensiones superiores y es cero para todos los 4-politopos, cualquiera sea su topología subyacente. Esta inadecuación de la característica de Euler para distinguir de manera confiable entre diferentes topologías en dimensiones superiores condujo al descubrimiento de los números de Betti más sofisticados. [6]

De manera similar, la noción de orientabilidad de un poliedro es insuficiente para caracterizar las torsiones superficiales de los 4-politopos toroidales, y esto condujo al uso de coeficientes de torsión. [6]

Clasificación

Criterios

Como todos los politopos, los 4-politopos pueden clasificarse según propiedades como " convexidad " y " simetría ".

Clases

A continuación se enumeran las distintas categorías de 4-politopos clasificados según los criterios anteriores:

La celda truncada de 120 es uno de los 47 4-politopos uniformes no prismáticos convexos

Politopo 4-uniforme ( transitivo de vértice ):

Otros 4-politopos convexos :

El panal cúbico regular es el único 4-politopo regular infinito en el espacio tridimensional euclidiano.

Politopos cuatridimensionales uniformes infinitos del espacio tridimensional euclidiano (teselaciones uniformes de celdas convexas uniformes)

Politopos cuatridimensionales uniformes infinitos del espacio tridimensional hiperbólico (teselaciones uniformes de celdas convexas uniformes)

Politopo dual uniforme de 4 elementos ( transitivo celular ):

Otros:

La celda 11 es un politopo abstracto regular de 4 elementos, existente en el plano proyectivo real , se puede observar presentando sus 11 vértices y celdas hemi-icosaédricas por índice y color.

Resumen de 4-politopos regulares :

Estas categorías incluyen únicamente los 4-politopos que presentan un alto grado de simetría. Son posibles muchos otros 4-politopos, pero no se han estudiado tan exhaustivamente como los incluidos en estas categorías.

Véase también

  • Politopo 4-regular
  • 3-esfera : análogo de una esfera en el espacio de 4 dimensiones. No es un 4-politopo, ya que no está delimitado por celdas poliédricas.
  • El duocilindro es una figura en el espacio de cuatro dimensiones relacionada con los duoprismas . Tampoco es un 4-politopo porque sus volúmenes delimitadores no son poliédricos.

Referencias

Notas

  1. ^ NW Johnson : Geometrías y transformaciones , (2018) ISBN  978-1-107-10340-5 Capítulo 11: Grupos de simetría finitos , 11.1 Politopos y panales , pág. 224
  2. ^ Vialar, T. (2009). Dinámica no lineal compleja y caótica: avances en economía y finanzas. Springer. pág. 674. ISBN 978-3-540-85977-2.
  3. ^ Capecchi, V.; Contucci, P.; Buscema, M.; D'Amore, B. (2010). Aplicaciones de las matemáticas en modelos, redes neuronales artificiales y artes. Springer. p. 598. doi :10.1007/978-90-481-8581-8. ISBN 978-90-481-8580-1.
  4. ^ Coxeter 1973, pág. 141, §7-x. Observaciones históricas.
  5. ^ Coxeter 1973, pp. 292–293, Tabla I(ii): Los dieciséis politopos regulares { p,q,r } en cuatro dimensiones: [Una tabla invaluable que proporciona las 20 métricas de cada politopo de cuatro dimensiones en unidades de longitud de arista. Deben convertirse algebraicamente para comparar politopos de radio unitario.]
  6. ^ abc Richeson, D.; La joya de Euler: la fórmula del poliedro y el nacimiento de la topoplogía , Princeton, 2008.
  7. ^ Policoro uniforme, Norman W. Johnson (Wheaton College), 1845 casos en 2005

Bibliografía

  • HSM Coxeter :
    • Coxeter, HSM (1973) [1948]. Politopos regulares (3.ª ed.). Nueva York: Dover.
    • HSM Coxeter, MS Longuet-Higgins y JCP Miller : Poliedros uniformes , Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Londres, 1954
    • Caleidoscopios: escritos selectos de HSM Coxeter , editado por F. Arthur Sherk, Peter McMullen, Anthony C. Thompson, Asia Ivic Weiss, Wiley-Interscience Publication, 1995, ISBN 978-0-471-01003-6 [1] 
      • (Artículo 22) HSM Coxeter, Politopos regulares y semirregulares I , [Math. Zeit. 46 (1940) 380–407, MR 2,10]
      • (Artículo 23) HSM Coxeter, Politopos regulares y semirregulares II , [Math. Zeit. 188 (1985) 559–591]
      • (Artículo 24) HSM Coxeter, Politopos regulares y semirregulares III , [Math. Zeit. 200 (1988) 3–45]
  • JH Conway y MJT Guy : Politopos arquimedianos de cuatro dimensiones , Actas del Coloquio sobre convexidad en Copenhague, páginas 38 y 39, 1965
  • NW Johnson : La teoría de los politopos uniformes y los panales de abejas , tesis doctoral, Universidad de Toronto, 1966
  • Politopos arquimedianos cuatridimensionales (alemán), Marco Möller, tesis doctoral de 2004 [2] Archivado el 22 de marzo de 2005 en Wayback Machine.
FamiliaUnBnYo 2 (p) / D nMi 6 / Mi 7 / Mi 8 / Fa 4 / Sol 2H- n
Polígono regularTriánguloCuadradop-gonHexágonoPentágono
Poliedro uniformeTetraedroOctaedroCuboSemicuboDodecaedroIcosaedro
Policoron uniformePentachoron16 celdasTesseractActo de Demitesseract24 celdas120 celdas600 celdas
Politopo 5 uniforme5-símplex5-ortoplex5-cubo5-demicubes
Politopo uniforme de 6 elementos6-símplex6-ortoplex6-cubo6-demicubes1 222 21
Politopo 7 uniforme7-símplex7-ortoplex7-cubo7-demicube1 322 313 21
Politopo 8 uniforme8-símplex8-ortoplex8-cubo8-demicubes1 422 414 21
Politopo uniforme de 9 capas9-símplex9-ortoplex9-cubo9-demicubes
Politopo uniforme de 1010-símplex10-ortoplex10-cubo10-demicubes
Politopo uniforme nn - símplexn - ortoplexn - cubon - demicubo1 k22 k1k21n - politopo pentagonal
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