Бипирамида

Из Википедии, бесплатной энциклопедии

В геометрии бипирамида , дипирамида или двойная пирамида — это многогранник , образованный путем слияния двух пирамид вместе по основанию . Поэтому многоугольное копланарны основание каждой пирамиды должно быть одинаковым, и, если не указано иное, вершины основания обычно , а бипирамида обычно симметрична , то есть две пирамиды являются зеркальными отражениями в их общей плоскости основания. Когда каждая вершина ( мн. вершины, вершины вне основания) бипирамиды находится на линии, перпендикулярной основанию и проходящей через ее центр, это правильная бипирамида; [а] в противном случае это косой . Если основанием является правильный многоугольник , бипирамиду также называют правильной .

Определение и свойства [ править ]

Треугольная бипирамида, октаэдр и пятиугольная бипирамида.

Бипирамида — это многогранник, построенный путем слияния двух пирамид , имеющих одно и то же многоугольное основание ; [1] Пирамида, в свою очередь, строится путем соединения каждой вершины ее основания с одной новой вершиной ( вершиной ), не лежащей в плоскости основания, для - формирование гонального основания треугольные грани в дополнение к базовой грани. Ан - Таким образом, гональная бипирамида имеет лица, края, и вершины. В более общем смысле, правильная пирамида — это пирамида, вершины которой находятся на перпендикуляре, проходящем через центр тяжести произвольного многоугольника или центр тангенциального многоугольника , в зависимости от источника. [а] Точно так же правая бипирамида — это многогранник, построенный путем соединения двух симметричных оснований правой бипирамиды; бипирамиды, вершины которых не лежат на этой линии, называются косыми бипирамидами . [2]

Когда две пирамиды являются зеркальными отражениями, бипирамида называется симметричной . Он называется правильным , если его основанием является правильный многоугольник. [1] Если основанием является правильный многоугольник и вершины лежат на перпендикуляре, проходящем через его центр ( правильная правая бипирамида ), то все его грани представляют собой равнобедренные треугольники ; иногда название бипирамида относится конкретно к симметричным правильным правым бипирамидам, [3] Примерами таких бипирамид являются треугольная бипирамида , октаэдр (квадратная бипирамида) и пятиугольная бипирамида . В случае, если все их ребра равны по длине, эти фигуры состоят из граней равностороннего треугольника , что делает их дельтаэдрами ; [4] [5] треугольная бипирамида и пятиугольная бипирамида — тела Джонсона , а правильный октаэдр — платоново тело . [6]

Октаэдр двойственен кубу.

Симметричные правильные правые бипирамиды обладают призматической симметрией , группа диэдра порядка : их внешний вид симметричен за счет вращения вокруг оси симметрии и отражения от плоскости зеркала. [7] Поскольку при такой симметрии внешний вид выглядит одинаково, а все грани конгруэнтны , бипирамиды являются изоэдральными . [8] [9] Они являются двойственными многогранниками призм , а призмы также являются двойственными бипирамидам: вершины бипирамид соответствуют граням призмы, а ребра между парами вершин одной соответствуют ребрам между парами граней другой, и наоборот; [10] призмы имеют ту же симметрию, что и бипирамиды. [11] Правильный октаэдр еще более симметричен, поскольку его базовые вершины и вершины неразличимы и могут меняться местами за счет отражений или вращений: октаэдр и двойственный ему куб обладают октаэдрической симметрией . [12]

Объем равен симметричной бипирамиды

где B — площадь основания, а h — высота от плоскости основания до любой вершины. В случае регулярного - односторонний многоугольник с длиной стороны и чья высота , объем такой бипирамиды равен:

Родственные и другие виды бипирамид [ править ]

Вогнутая тетрагональная бипирамида.
Асимметричная шестиугольная бипирамида.

Вогнутые бипирамиды [ править ]

Вогнутая бипирамида имеет основание вогнутого многоугольника , и одним из примеров является вогнутая тетрагональная бипирамида или неправильный вогнутый октаэдр. Бипирамиду с произвольным многоугольным основанием можно считать правой бипирамидой, если вершины находятся на линии, перпендикулярной основанию, проходящей через центр тяжести основания .

Асимметричные бипирамиды [ править ]

Асимметричная бипирамида имеет вершины, которые не зеркально отражаются от базовой плоскости; для правой бипирамиды это происходит только в том случае, если каждая вершина находится на разном расстоянии от основания.

Двойственной усеченная асимметричной правой n -угольной бипирамиде является n -угольная пирамида .

Правильная несимметричная правоn угольная бипирамида имеет Cnv 2n симметрии порядка группу - .

треугольника Бипирамиды разностороннего

Пример: дитетрагональная бипирамида ( 2 n = 2×4 )

Изотоксальная правая (симметричная) би- n -угольная бипирамида — это правая (симметричная) 2 n -угольная бипирамида с изотоксальным плоским многоугольным основанием: ее 2 n базальные вершины компланарны, но чередуются по двум радиусам .

Все его грани представляют собой равные разносторонние треугольники , и он равногранен . еще один тип правосимметричного двуугольного скаленоэдра Его можно рассматривать как с изотоксальным плоским многоугольным основанием.

Изотоксальная правая (симметричная) двуугольная бипирамида имеет n осей двукратного вращения через противоположные базальные вершины, n плоскостей отражения через противоположные апикальные ребра, n - ось вращения через вершины, плоскость отражения через основание и n - сложить ось вращения-отражения через вершины, [13] представляющая группу симметрии D n h , [ n ,2], (*22 n ) порядка 4 n . (Отражение от базовой плоскости соответствует отражению вращения на . Если n четное, то существует инверсионная симметрия относительно центра, соответствующая 180° отражению вращения на .)

Пример с 2 n = 2×3 :

Изотоксальная правая (симметричная) дитригональная бипирамида имеет три одинаковые вертикальные плоскости симметрии, пересекающиеся по (вертикальной) 3 -кратной оси вращения; перпендикулярно им — четвертая плоскость симметрии (горизонтальная); на пересечении трех вертикальных плоскостей с горизонтальной плоскостью находятся три одинаковые (горизонтальные) оси 2 -кратного вращения; нет центра инверсионной симметрии, [14] но есть центр симметрии : точка пересечения четырех осей.

Пример с 2 n = 2×4 :

Изотоксальная правая (симметричная) дитетрагональная бипирамида имеет четыре вертикальные плоскости симметрии двух видов, пересекающиеся по (вертикальной) 4 оси вращения -го порядка; перпендикулярно им — пятая плоскость симметрии (горизонтальная); на пересечении четырех вертикальных плоскостей с горизонтальной плоскостью расположены четыре (горизонтальные) оси 2 -кратного вращения двух видов, каждая из которых перпендикулярна плоскости симметрии; две вертикальные плоскости делят пополам углы между двумя горизонтальными осями; и есть центр инверсионной симметрии. [15]

Двойной пример:

  • Бипирамида с изотоксальными 2×2 вершинами основания -угольника U, U', V, V' и правосимметричными вершинами A, A'.
    имеет равнобедренные лица. Действительно:
    • Длина верхнего апикального края:
    • Длина базовой кромки:
    • Длина нижнего апикального края (равна длине верхнего края):
  • Бипирамида с теми же вершинами в основании, но с правосимметричными вершинами.
    также имеет равнобедренные лица. Действительно:
    • Длина верхнего апикального края:
    • Длина базовой кромки (равна предыдущему примеру):
    • Длина нижнего апикального края (равна длине верхнего края):
Примеры ромбических бипирамид

В кристаллографии изотоксальная правая (симметричная) дидигональная. [б] Существуют (8-гранные), дитригональные (12-гранные), дитетрагональные (16-гранные) и дигексагональные (24-гранные) бипирамиды. [13] [16]

Скаленоэдры [ править ]

Пример: дитригональный скаленоэдр ( 2 n = 2×3 )

Скаленоэдр ; подобен бипирамиде разница в том, что скаленоэдры имеют зигзагообразный рисунок на средних гранях. [17]

Он имеет две вершины и 2 n базальных вершин, 4 n граней и 6 n ребер; топологически она идентична 2 n -угольной бипирамиде, но ее 2 n базальные вершины чередуются в двух кольцах выше и ниже центра. [16]

Все его грани представляют собой равные разносторонние треугольники , и он равногранен . Ее можно рассматривать как еще один тип правосимметричной двуугольной бипирамиды с основанием правильного зигзагообразного перекошенного многоугольника.

Правильный правосимметричный двуугольный скаленоэдр имеет n осей двойного вращения через противоположные базальные средние ребра, n плоскостей отражения через противоположные вершинные ребра, n - ось вращения через вершины и 2 n -кратное вращение-отражение. ось через вершины (около которых 1 n вращений-отражений глобально сохраняют тело), [13] представляющая группу симметрии D n v = D n d , [2 + ,2 n ], (2* n ), порядка 4 n . (Если n нечетно, то существует инверсионная симметрия относительно центра, соответствующая вращению-отражению на 180 ° .)

Пример с 2 n = 2×3 :

Правильный правосимметричный дитригональный скаленоэдр имеет три одинаковые вертикальные плоскости симметрии, наклоненные друг к другу под углом 60° и пересекающиеся по (вертикальной) оси вращения 3 -го порядка, три аналогичные горизонтальные оси вращения 2 -го порядка, каждая из которых перпендикулярна плоскости симметрии, центр инверсионной симметрии, [18] и вертикальная 6 -кратная ось вращения-отражения.

Пример с 2 n = 2×2 :

Правильный правосимметричный дидигональный скаленоэдр имеет только одну вертикальную и две горизонтальные оси вращения 2 -го порядка, две вертикальные плоскости симметрии, делящие пополам углы между горизонтальной парой осей, и вертикальную ось 4 -го вращения-отражения; [19] у него нет центра инверсионной симметрии.
Примеры дисфеноидов и 8 -гранного скаленоэдра.

Не более чем для двух частных значений грани такого лестничного эдра могут быть равнобедренными .

Двойной пример:

  • Скаленоэдр с правильным зигзагообразным перекосом 2×2 -угольника в основании вершинами U, U', V, V' и правосимметричными вершинами A, A'.
    имеет равнобедренные лица. Действительно:
    • Длина верхнего апикального края:
    • Длина базовой кромки:
    • Длина нижнего апикального края (равна замененной длине верхнего края):
  • Скаленоэдр с теми же вершинами в основании, но с правосимметричными вершинами.
    также имеет равнобедренные лица. Действительно:
    • Длина верхнего апикального края:
    • Длина базовой кромки (равна предыдущему примеру):
    • Длина нижнего апикального края (равна замененной длине верхнего края):

В кристаллографии существуют правильные правосимметричные дидигональные ( 8 -гранные) и дитригональные ( 12 -гранные) скаленоэдры. [13] [16]

Наименьшие геометрические скаленоэдры имеют восемь граней и топологически идентичны правильному октаэдру . В этом случае ( 2 n = 2×2 ) в кристаллографии правильный правосимметричный дидигональный ( 8 -гранный) скаленоэдр называется тетрагональным скаленоэдром . [13] [16]

Остановимся временно на правильных правосимметричных 8- гранных скаленоэдрах с h = r , т.е.

Две их вершины можно представить как A, A' , а четыре базальные вершины - как U, U', V, V' :
где z — параметр от 0 до 1 .

При z = 0 это правильный октаэдр; при z = 1 он имеет четыре пары копланарных граней, и объединение их в четыре конгруэнтных равнобедренных треугольника делает его дисфеноидом ; для z > 1 он вогнутый.

Пример: геометрические варианты с правильными правосимметричными восьмигранными скаленоэдрами:
г = 0,1 г = 0,25 г = 0,5 г = 0,95 г = 1,5

Если основание 2 n -угольника является одновременно изотоксальным входом-выходом и зигзагообразным скосом , то не все грани изотоксального правосимметричного скаленоэдра конгруэнтны.

Пример с пятью различными длинами кромок:

  • Скаленоэдр с изотоксальным зигзагообразным скосом внутрь-наружу, 2 × 2 -угольными базовыми вершинами U, U ', V, V' и правосимметричными вершинами A, A'.
    имеет равные разносторонние верхние грани и равные разносторонние нижние грани, но не все его грани конгруэнтны. Действительно:
    • Длина верхнего апикального края:
    • Длина базовой кромки:
    • Длина нижнего апикального края:

Для некоторых конкретных значений z A = | z А' | Половины граней такого лестничного эдра могут быть равнобедренными или равносторонними .

Пример с тремя разными длинами кромок:

  • Скаленоэдр с изотоксальным зигзагообразным скосом внутрь-наружу, 2 × 2 -угольными базовыми вершинами U, U ', V, V' и правосимметричными вершинами A, A'.
    имеет конгруэнтные неравносторонние верхние грани и конгруэнтные равносторонние нижние грани; таким образом, не все его грани конгруэнтны. Действительно:
    • Длина верхнего апикального края:
    • Длина базовой кромки:
    • Длина нижнего апикального края:

Звездные бипирамиды [ править ]

Звездчатая основании бипирамида имеет в звездчатый многоугольник и является самопересекающейся. [20]

Правильная правосимметричная звездчатая бипирамида имеет равные грани равнобедренного треугольника и является изоэдральной .

P . / q -бипирамида имеет диаграмму Кокстера .

Пример звездных бипирамид:
База 5/2 -угольник 7/2-угольник 7/3-угольник 8/3-угольник
Изображение

4-многогранники с бипирамидальными ячейками [ править ]

Двойником является выпрямления с каждого выпуклого правильного 4-многогранника клеточно -транзитивный 4-многогранник бипирамидальными ячейками. В следующих:

  • A — вершина бипирамиды;
  • E – вершина экватора;
  • EE – расстояние между соседними вершинами на экваторе (равное 1);
  • AE – длина ребра от вершины до экватора;
  • АА — расстояние между вершинами.

4-многогранник бипирамиды будет иметь вершины V A вершин бипирамид N A. в местах пересечения Он будет иметь вершины V E типа E вершины бипирамид N E. там, где встречаются

  • бипирамиды сходятся вдоль каждого ребра типа AE .
  • бипирамиды встречаются вдоль каждого типа EE . ребра
  • – косинус двугранного угла вдоль ребра AE .
  • — косинус двугранного угла вдоль ребра EE .

Поскольку ячейки должны соответствовать краю,

4-многогранники с бипирамидальными ячейками
Свойства 4-многогранника Свойства бипирамиды
Двойной из
исправленный
многогранник
Коксетер
диаграмма
Клетки И А В Э Н. А. N E Бипирамида
клетка
Коксетер
диаграмма
АА НО [с]
Р. 5-клеточный 10 5 5 4 6 3 3 Треугольный 0.667
Р. Тессеракт 32 16 8 4 12 3 4 Треугольный 0.624
Р. 24-клеточный 96 24 24 8 12 4 3 Треугольный 0.745
Р. 120-кл. 1200 600 120 4 30 3 5 Треугольный 0.613
Р. 16-кл. 24 [д] 8 16 6 6 3 3 Квадрат 1
Р. кубический
соты
6 12 3 4 Квадрат 0.866
Р. 600-ячеечный 720 120 600 12 6 3 3 пятиугольный 1.447

Другие размеры [ править ]

Ромб — двумерный аналог правосимметричной бипирамиды.

Обобщенная n -мерная «бипирамида» — это любой n - многогранник , построенный из ( n − 1) многогранника -основания , лежащего в гиперплоскости , где каждая вершина основания соединена ребром с двумя вершинами . Если ( n − 1) -многогранник является правильным многогранником и вершины равноудалены от его центра вдоль линии, перпендикулярной базовой гиперплоскости, он будет иметь одинаковые пирамидальные грани .

Двумерный аналог правосимметричной бипирамиды образуется путем соединения двух конгруэнтных равнобедренных треугольников по основаниям с образованием ромба . В более общем смысле, воздушный змей — это двумерный аналог (возможно, асимметричной) правой бипирамиды, а любой четырехугольник — это двумерный аналог общей бипирамиды.

См. также [ править ]

Примечания [ править ]

  1. ^ Перейти обратно: а б Центр правильного многоугольника однозначен, но источники неправильных многоугольников расходятся во мнениях. В некоторых источниках допускается, чтобы правильная пирамида имела в качестве основания только правильный многоугольник. Другие определяют правильную пирамиду как имеющую вершины на линии, перпендикулярной основанию и проходящей через ее центроид . Пойа (1954) ограничивает правосторонние пирамиды пирамидами с тангенциальным многоугольником в основании, с вершинами на линии, перпендикулярной основанию и проходящей через центральную часть .
  2. ^ Наименьшие геометрические двуугольные бипирамиды имеют восемь граней и топологически идентичны правильному октаэдру . В этом случае ( 2 n = 2×2 ):
    Изотоксальная правая (симметричная) дидигональная бипирамида называется ромбической бипирамидой , [13] [16] хотя все его грани представляют собой разносторонние треугольники, потому что основанием его плоского многоугольника является ромб.
  3. ^ Дано численно из-за более сложной формы.
  4. ^ Выпрямленные 16 ячеек — это обычные 24 ячейки, и все вершины эквивалентны — октаэдры представляют собой правильные бипирамиды.

Цитаты [ править ]

  1. ^ Перейти обратно: а б Аартс, Дж. М. (2008). Плоская и объемная геометрия . Спрингер. п. 303. дои : 10.1007/978-0-387-78241-6 . ISBN  978-0-387-78241-6 .
  2. ^ Поля, Г. (1954). Математика и правдоподобные рассуждения: индукция и аналогия в математике . Издательство Принстонского университета. п. 138.
  3. ^ Монтролл, Джон (2009). Конструирование многогранников оригами . АК Петерс. п. 6 . ISBN  9781439871065 .
  4. ^ Тригг, Чарльз В. (1978). «Бесконечный класс дельтаэдров». Журнал «Математика» . 51 (1): 55–57. дои : 10.1080/0025570X.1978.11976675 . JSTOR   2689647 . МР   1572246 .
  5. ^ Уэхара, Рюхей (2020). Введение в вычислительное оригами: мир новой вычислительной геометрии . Спрингер. п. 62. дои : 10.1007/978-981-15-4470-5 . ISBN  978-981-15-4470-5 . S2CID   220150682 .
  6. ^ Кромвель, Питер Р. (1997). Многогранники . Издательство Кембриджского университета . ISBN  978-0-521-55432-9 .
  7. ^ Флюссер, Ян; Один, Томас; Зитофа, Барбара (2017). Анализ 2D и 3D изображений по моментам Джон и сыновья Уайли. п. 126.
  8. ^ Чанг, Ч.; Патцер, ABC; Зульцле, Д.; Хауэр, Х. «Луковичные неорганические фуллерены с точки зрения многогранников» . В Саттлере, Клаус Д. (ред.). Нанонаука XXI века: Справочник . Тейлор и Фрэнсис. п. 15-4.
  9. ^ Маклин, К. Робин (1990). «Подземелья, драконы и кости». Математический вестник . 74 (469): 243–256. дои : 10.2307/3619822 . JSTOR   3619822 . S2CID   195047512 .
  10. ^ Сибли, Томас К. (2015). Мыслить геометрически: обзор геометрии . Математическая ассоциация Америки. п. 53.
  11. ^ Кинг, Роберт Б. (1994). «Многогранная динамика» . В Бончеве Данаил Д.; Мекенян О.Г. (ред.). Теоретико-графовые подходы к химической реакционной способности . Спрингер. дои : 10.1007/978-94-011-1202-4 . ISBN  978-94-011-1202-4 .
  12. ^ Армстронг, Массачусетс (1988). Группа и симметрия . Спрингер. п. 39. дои : 10.1007/978-1-4757-4034-9 . ISBN  978-1-4757-4034-9 .
  13. ^ Перейти обратно: а б с д Это ж «Кристаллическая форма, зоны, кристаллическая привычка» . Тулане.edu . Проверено 16 сентября 2017 г.
  14. ^ Спенсер 1911 , 6. Шестиугольная система, ромбоэдрическое деление , дитригонально-бипирамидальный класс, с. 581 (стр. 603 в Wikisource).
  15. ^ Спенсер 1911 , 2. Теграгональная система, голосимметричный класс, рис. 46, с. 577 (стр. 599 в Wikisource).
  16. ^ Перейти обратно: а б с д Это «48 особых кристаллических форм» . 18 сентября 2013 года. Архивировано из оригинала 18 сентября 2013 года . Проверено 18 ноября 2020 г. .
  17. ^ Кляйн, Корнелис; Филпоттс, Энтони Р. (2013). Земные материалы: Введение в минералогию и петрологию . Издательство Кембриджского университета. п. 108.
  18. ^ Спенсер 1911 , 6. Шестиугольная система, ромбоэдрическое деление , голосимметричный класс, рис. 68, с. 580 (стр. 602 в Wikisource).
  19. ^ Спенсер 1911 , с. 2. Тетрагональная система, скаленоэдрический класс, рис. 51, с. 577 (стр. 599 в Wikisource).
  20. ^ Рэнкин, Джон Р. (1988). «Классы многогранников, определяемые струйной графикой». Компьютеры и графика . 12 (2): 239–254. дои : 10.1016/0097-8493(88)90036-2 .

Цитируемые работы [ править ]

Внешние ссылки [ править ]