Кіріспе
Қалыпты политоптар мен теселяцияларды анықтайтын белгі Геометрияда Шлефли символы – {p, q, r,...} түріндегі белгі, қалыпты политоптар мен теселяцияларды анықтайды. Шлефли символы 19 ғасыр швейцариялық математигі Людвиг Шлефлидің есімімен аталады, ол Евклид геометриясын үш өлшемнен артыққа жалпылады және олардың барлық дөңес қалыпты политоптарын, соның ішінде төртінші өлшемде кездесетін алтауын ашты.
In geometry, the Schläfli symbol is a notation of the form that defines regular polytopes and tessellations. The Schläfli symbol is named after the 19th century Swiss mathematician Ludwig Schläfli, who generalized Euclidean geometry to more than three dimensions and discovered all their convex regular polytopes, including the six that occur in four dimensions.
Анықтама
Шлефли символы – рекурсивті сипаттама, {p} арқылы басталады, бұл p қабырғалы дөңес тұрақты көпбұрыш. Мысалы, {3} – теңқабырғалы үшбұрыш, {4} – квадрат, {5} – дөңес тұрақты бесбұрыш, және т.б. Тұрақты жұлдызды көпбұрыштар дөңес емес, олардың Шлефли символдары {p/q} пішіндес, мұнда p/q – қысқартылмайтын бөлшек, p – төбелер саны, ал q – бұрылу саны. {p/q} {p} көпбұрышының төбелерінен құралады, әр q төбесі қосылады. Мысалы, пентаграмма; пентагон. Әр төбесінде q тұрақты p қабырғалы көпбұрыш беттері бар тұрақты көпжақты {p,q} арқылы көрсетеді. Мысалы, текшеде әр төбесінде 3 квадрат бар және ол {4,3} арқылы көрсетеді. Әр қабырғасында r {p,q} тұрақты көпжақты жасушалары бар тұрақты 4 өлшемді политоп {p,q,r} арқылы көрсетеді. Мысалы, тессеракт {4,3,3} қабырғасының бойында 3 куб бар. Жалпы, тұрақты политоп {p,q,r,y,z} әр шыңының айналасында z {p,q,r,y} жақтарын қамтиды, мұнда шың – көпжақтыдағы төбе, 4 политоптағы қабырға, 5 политоптағы жақ және n политоптағы (n-3) жақ.
Қасиеттері
Тәртіпті политоптың нүктелік фигурасы үнемі болады. Тәртіпті политоптың {p,q,r,y,z} нүктелік фигурасы {q,r,y,z} болып табылады. Тәртіпті политоптарда пентаграмма сияқты жұлдызды көпбұрыш элементтері болуы мүмкін, бұл пентагонның төбелерімен көрсетіледі, бірақ кезектесіп қосылады. Шлефли символы шекті дөңгелек полиэдрді, Евклид кеңістігінің шексіз теселяциясын немесе гиперболалық кеңістіктің шексіз теселяциясын, құрылыстың бұрыштық кемістігіне байланысты көрсете алады. Оң бұрыштық кемістік нүктелік фигураның жоғары өлшемге бүгілуіне және политоп ретінде өзіне оралуына мүмкіндік береді. Нөлдік бұрыштық кемістік жақтарымен бірдей өлшемдегі кеңістікті теселейді. Теріс бұрыштық кемістік қалыпты кеңістікте болуы мүмкін емес, бірақ гиперболалық кеңістікте құрастырылуы мүмкін. Әдетте, жағы немесе нүктелік фигурасы шекті политоп деп есептеледі, бірақ кейде өзі теселяция ретінде қарастырылуы мүмкін. Тәртіпті политоптың екілік политопы да бар, ол Шлефли символының элементтері кері ретпен көрсетіледі. Өзіне екілік тәртіпті политоптың симметриялық Шлефли символы болады. Евклидтік политоптарды сипаттаудан басқа, Шлефли символдары сфералық политоптарды немесе сфералық бал ұяларын сипаттау үшін де қолданылады.
Тарих және өзгерістер
Шлефлидің еңбегі өмірінде көбіне танылмады, ал политоптарды сипаттауға арналған оның нотациясы бірнеше адамдармен тәуелсіз түрде қайта ашылды. Атап айтқанда, Торольд Госсет Шлефли белгісін қайта ашты, ол оны Шлефли жасаған жақшалар мен үтірлердің орнына |p|q|r| |z| түрінде жазды. Госсеттің түрі жоғары симметрияға ие, сондықтан өлшемдер саны тік сызықтардың санымен анықталады, ал белгі жақтары мен төбелік фигураның кіші белгілерін дәл қамтиды. Госсет |p-ні оператор ретінде қарастырды, оны |q| |z|-ға қолдану арқылы p қабырғалы жақтары бар және төбелік фигурасы |q| |z| болатын политоп жасауға болады.
Симметриялық топтар
Шлефли символдары (шекті) рефлексиялық симметрия топтарымен тығыз байланысты, олар дәл шекті Коксетер топтарына сәйкес келеді және бірдей индекстермен, бірақ квадрат жақшалармен [p,q,r, ] белгіленеді. Мұндай топтар көбінесе олар жасайтын дұрыс политоптардың атымен аталады. Мысалы, [3,3] – рефлективті тетраэдр симметриясының Коксетер тобы, [3,4] – рефлективті октаэдр симметриясы, ал [3,5] – рефлективті икосаэдр симметриясы.
Түз көпбұрыштар (жатты)
P жиегі бар дөңес тұрақты көпбұрыштың Шлефли символы {p} болып табылады. Мысалы, тұрақты бесбұрыш {5} арқылы көрсетіледі. Дөңес емес жұлдызды көпбұрыштар үшін конструктивті жазба қолданылады, онда p – төбелердің саны, ал q-1 – жұлдыздың әр қабырғасын салғанда өткізіліп қалдырылатын төбелердің саны. Мысалы, пентаграмманы көрсетеді.
Түз беттік көпбұрыштар (3 өлшем)
Егер оның қырлары p қабырғалы болса, және әрбір төбесі q қырмен оралған болса, онда дұрыс көпжақтың Шлефли символы {p,q} болады (төбелік фигура q қабырғалы). Мысалы, {5,3} – дұрыс додекаэдр. Оның қырлары бесбұрышты (5 қабырғалы) және әрбір төбесінде 3 бесбұрыштан оралған. 5 дөңес Платон денелерін, 4 дөңес емес Кеплер-Пойнсо полиэдрлерін қараңыз. Топологиялық тұрғыдан алғанда, дұрыс 2 өлшемді мозаика (3 өлшемді) көпжаққа ұқсас деп есептелуі мүмкін, бірақ бұрыштық кемістік нөлге тең. Осылайша, Шлефли символдары Евклидтік немесе гиперболалық кеңістіктің дұрыс мозаикалары үшін де көпжақтарға ұқсас түрде анықталуы мүмкін. Бұл аналогия жоғары өлшемдерге де қатысты. Мысалы, алтыбұрышты мозаика {6,3} арқылы бейнеленеді.
4-политоптар (4 өлшем)
4-ретті политоптың Шлефли символы {p,q,r} түрінде болады. Оның (екі өлшемді) жақтары тұрақты p бұрыштар ({p}), жасушалары {p,q} түріндегі тұрақты көпжақтар, төбелік фигуралары {q,r} түріндегі тұрақты көпжақтар, ал қабырғалық фигуралары тұрақты r бұрыштар (тип {r}). 6 дөңес тұрақты және 10 тұрақты жұлдызды 4 политопты қараңыз. Мысалы, 120 жасушасы {5,3,3} арқылы бейнеленеді. Ол 12 қырлы жасушалардан {5,3} құралған және әр қабырғасының бойында 3 жасуша бар. Евклидтік 3 кеңістікте бір тұрақты мозаика бар: {4,3,4} Шлефли символы бар кубтық ұяшықтардан және әр қабырғасының бойында 4 кубтан тұратын кубтық бал ұясы. Сондай-ақ, 4 тұрақты, ықшам гиперболалық мозаикалар бар, оның ішінде {5,3,4} гиперболалық кішкентай додекаэдрлік бал ұясы, ол кеңістікті додекаэдр жасушаларымен толтырады. Егер 4 политоптың символы палиндром болса (мысалы, {3,3,3} немесе {3,4,3}), оның битрункациясы жасушалар ретінде тек төбелік фигураның қиылысқан формаларына ие болады.
Тұрақты n-политоптар (жоғары өлшемдер)
Жоғары өлшемді тұрақты политоптар үшін Шлефли символы рекурсивті түрде анықталады, егер жақтарының Шлефли символы болса және төбелік фигураларының Шлефли символы болса. Политоптың жағының төбелік фигурасы және сол политоптың төбелік фигурасының жағы бірдей: 5 өлшемде және одан жоғары тек 3 тұрақты политоп бар: симплекс, {3, 3, 3, …, 3}; қиылыс политопы, {3, 3, …, 3, 4}; және гиперкуб, {4, 3, 3, …, 3}. 4 өлшемнен жоғары дөңес емес тұрақты политоптар жоқ.
A vertex figure of a facet of a polytope and a facet of a vertex figure of the same polytope are the same:
There are only 3 regular polytopes in 5 dimensions and above: the simplex, {3, 3, 3, , 3}; the cross polytope, {3, 3, , 3, 4}; and the hypercube, {4, 3, 3, , 3}. There are no non convex regular polytopes above 4 dimensions.
Екі политоптар
Егер n≥2 өлшемді политоптың Шлефли символы {p1, p2, ..., pn−1} болса, онда оның дуалының Шлефли символы {pn−1, ..., p2, p1} болады. Егер тізбек палиндром болса, яғни оны алдан да, арттан да оқығанда бірдей болса, онда политоп өзіне дуал болады. Барлық 2 өлшемді (полигон) тұрақты политоптар өзіне дуал болады.