Кіріспе

Геометрияда 16-шы ұяшық – Шлефли символы {3,3,4} болатын тұрақты дөңес 4-политоп (платоникалық денеге төрт өлшемді аналог). Ол швейцариялық математик Людвиг Шлефли 19-ғасырдың ортасында тұңғыш рет сипаттаған алты тұрақты дөңес 4-политоптың бірі. Ол C16, гексадекахрон немесе гексадекаэдроид деп те аталады. Ол үш өлшемдегі октаэдрға ұқсас өрістелі политоптар, орфоплекстер немесе гипер октаэдрлер деп аталатын политоптардың шексіз отбасының 4-өлшемді мүшесі. Бұл Коксетер политопы. Оған жұптас политоп – тесеракт (4-куб), оны бірге біріктіріп, күрделі фигура жасауға болады. 16-шы ұяшықтың жақтары тесеракттың 16 төбесіне сәйкес келеді.

Геометрия

16-шы ұяшық 6 дөңес тұрақты 4-өлшемді политоптар тізбегінде өлшемі мен күрделілігі бойынша екінші болып табылады. Оның 4 келесі дөңес тұрақты 4-өлшемді политоптарының әрқайсысын бірнеше 16-шы ұяшықтан құралған политоптар қосындысының дөңес қабығы ретінде құрастыруға болады: 16 төбелі тесеракт – екі 16-шы ұяшықтың қосындысы, 24 төбелі 24-жасуша – үш 16-шы ұяшықтың қосындысы, 120 төбелі 600-жасуша – он бес 16-шы ұяшықтың қосындысы және 600 төбелі 120-жасуша – жетпіс бес 16-шы ұяшықтың қосындысы.

Координаттары

Дисъюнкттік квадраттарxy жазықтығы (0, 1, 0, 0), (0, 1, 0, 0), (0, 1, 0, 0), (0, 1, 0, 0)wz жазықтығы (1, 0, 0, 0), (0, 0, 0, 1), (0, 0, 0, 1), (1, 0, 0, 0)16-шы ұяшық – 4 өлшемді қиылыс политопы (4 ортоплекс), яғни оның төбелері (w, x, y, z) Картезиандық координаттар жүйесінің 4 осінде қарама-қарсы жұптарда жатады. Сегіз төбе (±1, 0, 0, 0), (0, ±1, 0, 0), (0, 0, ±1, 0), (0, 0, 0, ±1) болып табылады. Барлық төбелер қарама-қарсы жұптардан басқа қабырғаларымен байланысқан. Қабырға ұзындығы – . Төбелердің координаттары 6 координаталық жазықтықта жатқан 6 ортогоналды орталық квадраттарды құрайды. Бір осьпен ортақ емес қарама-қарсы жазықтықтағы (мысалы, xy және wz жазықтықтарындағы) квадраттар толықтай дисъюнкт (олар ешбір төбеде қиылыспайды). 16-шы ұяшық 4 өлшемді анықтамалық жүйені таңдау үшін ортонормальді базаны құрайды, өйткені оның төбелері төрт ортогоналды осьті нақты анықтайды.

Құрылымы

16-шы ұяшықтың Шлефли символы {3,3,4} болып табылады, бұл оның жасушалары тұрақты тетраэдрлер {3,3} екенін және оның төбелік фигурасы тұрақты октаэдр {3,4} екенін көрсетеді. Әр төбеде 8 тетраэдр, 12 үшбұрыш және 6 жиек кездеседі. Оның жиектік фигурасы квадрат. Әр жиекте 4 тетраэдр және 4 үшбұрыш кездеседі. 16-шы ұяшық 16 жасушамен шектеледі, олардың барлығы тұрақты тетраэдрлер. Онда 32 үшбұрышты жақ, 24 жиек және 8 төбе бар. 24 жиек 6 координаталық жазықтықтағы үлкен шеңберлерде орналасқан 6 өзара перпендикуляр орталық квадратты құрайды (3 жұп толық өзара перпендикуляр үлкен квадраттар). Әр төбеде 3 үлкен квадрат өзара перпендикуляр түрде қиылысады. 6 жиек төбеде канондық октаэдрлі пирамиданың төбесіндегідей 6 жиек кездесетіндей болып жиналады. 16-шы ұяшықтың 6 өзара перпендикуляр орталық жазықтығын 4 өзара перпендикуляр орталық гипержазықтыққа (3 кеңістікке) бөлуге болады, олардың әрқайсысы 3 өзара перпендикуляр үлкен квадраттан тұратын октаэдр құрайды.

Шпионатты конструкция

16 ұяшықты (үш түрлі жолмен) екі Боердик-Коксетер спиралінен құрастыруға болады, олар сегіз тізбектелген тетраэдрден тұрады және төртінші өлшемде сақинаға бүгілген. Екі дөңгелек спираль бір-бірін айналып, бір-біріне сіңіп, бір-бірінен өтіп, Хопф байланысын құрайды. 16 үшбұрышты бетін үшбұрышты мозаикадағы 2D желіде көрсетуге болады, әрбір түйінінде 6 үшбұрыштан. Күлгін жиектер 16 ұяшықтың Петри көпбұрышын көрсетеді. Сегіз тетраэдрлі сақина әртүрлі түстес үш октаграмманы қамтиды, октаграмманың әр үшінші түйінінде 16 ұяшықты екі рет айналып өтетін сегіз шеңберлік жолдар бар. Қызыл және сары жиектер – бір октаграмманың екі төрт жиекті жартысы, олар ұштарын біріктіріп Мёбиус жолағын құрайды. Осылайша, 16 ұяшықты екі ұяшықтың жиынтығына бөлуге болады, әрқайсысы сегіз тетраэдрден тұратын, төрт жиекті дөңгелек тізбек, бірі оңға (сағат тілі бойынша), екіншісі солға (сағат тіліне қарсы) спиральмен жүреді. Сол және оң жақты ұяшық сақиналары бір-біріне сәйкес келеді, бір-біріне сіңіп, 16 ұяшықты толығымен толтырады, тіпті олар қарама-қарсы хиралдылыққа ие болса да. Бұл ыдырау 16 ұяшықтың 4 4 дуаантипризма құрылымында көрінеді: немесе , Шлефли символы {2}⨂{2} немесе s{2}s{2}, симметриясы [4,2+,4], реті 64. Әрбір сегіз ұяшықты сақина бойымен үш сегіз жиекті жол (әр түрлі түстерде) спиральмен жүреді, әр түйінінде 90° бұрыш жасайды. (Боердик-Коксетер спиралі сақинаға бүгілгенге дейін әртүрлі жолдардағы бұрыштар өзгеше, бірақ 90° емес.) Әр түйін арқылы үш жол (үш түрлі түстермен және көрінетін бұрыштармен) өтеді. Шеңберге бүгілгенде, әр сегіз жиекті жолдың сегменттері (әр түрлі ұзындықтағы) ұштарын біріктіріп, 4π бір жақты шеңбері бойымен сегіз жиек ұзын және бір жиек енді Мёбиус жолағын құрайды. Үш сегіз жиекті жолдың алты төрт жиекті жартысы әрқайсысы төрт 90° бұрыш жасайды, бірақ олар алты ортогональды үлкен квадраттар емес: олар ашық ұштары бар квадраттар, төрт жиекті 360° спиральдер, олардың ашық ұштары антиподальді түйіндер болып табылады. Төрт жиек төрт түрлі үлкен квадраттардан шығады және бір-біріне ортогональды. Бірдей хиралдылықпен жұпталған алты төрт жиекті жолдар үш сегіз жиекті Мёбиус циклін, спиральді октаграммаларды құрайды. Әр октаграмма 16 ұяшықтың Петри көпбұрышы және 16 ұяшықтың ерекше изоклиникалық айналымдарының бірінде барлық сегіз түйіннің бірге айналу жолы. Бір қисық октаграмманы қарастырудың бес жолы: Шығанақ жолы, Петри көпбұрышы, 16 ұяшық, Дискретті фибрация, Диаметрлі хордалар, Октаграмма{8/3}, Октаграмма{8/1}, Коксетер жазықтығы B4, Октаграмма{8/2}=2{4}, Октаграмма{8/4}=4{2}. Изоклиннің шет жолының сегіз хордасы. Сегіз жиекті қисық сегізбұрыш. 16 ұяшықта осы 8 түйінді схеманың 3-і бар. Барлық 24 жиек және төрт ортогональді ось. Екі толық ортогональды (бір-біріне қосылмаған) үлкен квадраттар. Изоклиннің төрт хордасы. Әр төртінші изоклиндік түйін 16 ұяшықтың осімен оның антиподальді түйініне қосылады. Әр сегіз жиекті спираль – 16 ұяшықты үш рет айналып, жабылар алдында әрбір түйінге баратын қисық октаграмма{8/3}. Оның сегіз жиегі – изоклиннің хордалары, изоклиналық айналу кезінде 8 түйін айналатын спиральді доға. 16 ұяшықтың барлық сегіз түйіні бір-бірінен бөлек, тек қарама-қарсы (антиподальді) түйіндер ғана бөлек. Изоклинде қозғалатын түйін төртінші түйінге жетуден бұрын, бір-бірінен бөлек тұрған үш түйінге барады. Сегіз ұяшықты сақина киральды: оң спираль сағат тілі бойынша, сол спираль сағат тіліне қарсы айналады. 16 ұяшықта әрқайсысының біреуі бар, сондықтан ол сол және оң изоклинді де қамтиды; изоклин – сегіз ұяшықты сақинасы айналатын дөңгелек ось. Әр изоклин 16 ұяшықтың барлық сегіз түйінінен өтеді. Әр сегіз ұяшықты сақинада 16 ұяшықтың жартысы бар, бірақ барлық 8 түйін бар; екі сақина түйіндерді бөліседі, өйткені олар бір-біріне сіңіп, бір-біріне сәйкес келеді. Олар 24 жиекті де бөліседі, бірақ сол және оң октаграмма спиральдері сегіз жиекті жолдардан тұрады. Себебі, толық ортогональды үлкен квадраттардың үш жұбы бар, сондықтан 16 ұяшықты екі сегіз ұяшықты сақинадан құрастырудың үш бірдей жолы бар. 16 ұяшықта әртүрлі бағыттардағы сегіз ұяшықты сақинаның үш сол-оң жұбы бар, әр ұяшықты сақинада өзінің осьтік изоклині бар. Әрбір сол-оң изоклин жұбы сол-оң екі түрлі изоклиникалық айналудың жолы болып табылады: айналудың бір жұбындағы айналудың толық ортогональды инварианттық жазықтықтарындағы айналулар. Әр түйінде үш үлкен квадрат және алты октаграмма изоклині бар, олар түйінде қиылысып, 16 ұяшықтың осі хордасын бөліседі.

Конфигурация ретінде

Бұл конфигурациялық матрица 16 ұяшықты бейнелейді. Жолдар мен бағандар төбелерге, қабырғаларға, жақтарға және ұяшықтарға сәйкес келеді. Диагональдағы сандар бүкіл 16 ұяшықтағы әр элементтің қанша рет кездесетінін көрсетеді. Диагональ емес сандар бағандағы элементтердің қатардағы элементтерде немесе оның ішінде қанша рет кездесетінін көрсетеді.

Тесселяциялар

4 өлшемді Евклид кеңістігін жүйелі 16 жасуша арқылы кесуге болады. Бұл 16 жасушалы бал ұясы деп аталады және оның Шлефли символы {3,3,4,3}. Осыдан 16 жасушаның диэдрлік бұрышы 120°-қа тең. Әрбір 16 жасушада 16 көрші жасуша бар, олармен бір тетраэдрді бөліседі, 24 көрші жасуша бар, олармен тек қана қабырғаны бөліседі, және 72 көрші жасуша бар, олармен тек бір ғана нүктені бөліседі. Осы кескіндегі кез келген төбеде жиырма төрт 16 жасуша кездеседі. Оның қос кескін, 24 жасушалы бал ұясы {3,4,3,3}, жүйелі 24 жасушадан тұрады. Тессерактілік бал ұясы {4,3,3,4}пен бірге, бұл R4 кеңістігінің жалғыз үш жүйелі кесуі.

Болжамдар

16 ұяшықтың 3 кеңістіктегі бірінші параллель проекциясы кубикалық қаптамаға ие. Ең жақын және ең алыс ұяшықтар текшеге ішкі жазылған тетраэдрлерге проекцияланады, бұл текшеге дұрыс тетраэдрді жазудың екі мүмкін тәсіліне сәйкес келеді. Әр тетраэдрдің айналасында 4 басқа (дұрыс емес) тетраэдрлік көлемдер орналасқан, олар 4 жақын тетраэдрлік ұяшықтың бейнесі болып табылады және ішкі жазылған тетраэдр мен текше арасындағы кеңістікті толтырады. Қалған 6 ұяшық текшенің төртбұрышты беттеріне проекцияланады. Бұл 16 ұяшықтың проекциясында оның барлық қабырғалары кубикалық қаптаманың бетінде жатыр. 16 ұяшықтың 3 кеңістіктегі бірінші перспективалық проекциясы триакис тетраэдрлі қаптамаға ие. Бұл қаптамадағы ұяшықтардың орналасуы ұяшықтың бірінші параллель проекциясына ұқсас. 16 ұяшықтың 3 кеңістіктегі төбесі бірінші параллель проекциясында сегізжақ қаптамаға ие. Бұл сегізжақты координаттық жазықтықтар бойынша кесу арқылы 8 тетраэдрлік көлемге бөлуге болады. Бұл көлемдердің әрқайсысы 16 ұяшықтағы ұяшықтар жұбының бейнесі болып табылады. 16 ұяшықтың көрерменге ең жақын төбесі сегізжақтың ортасына проекцияланады. Соңында, қабырғасының бірінші параллель проекциясы қысқартылған сегізжақ қаптамаға, ал бетінің бірінші параллель проекциясы алтыбұрышты бипирамидалық қаптамаға ие.

4 сфералық Венн диаграммасы

16 ұяшықтың 3 өлшемді проекциясы және 4 қиылысатын сфералар (4 жиынтықтың Венн диаграммасы) топологиялық түрде эквивалентті.

Байланысты күрделі көпбұрыш

Мёбиус-Кантор көпбұрышы – 3{3}3, – 16 ұяшықпен ортақ төбелері бар тұрақты күрделі көпбұрыш. Оның 8 төбесі және 8 3 қабырғасы бар. 2{4}4, тұрақты күрделі көпбұрышы 4 өлшемді кеңістіктегі 16 ұяшық ретінде нақты бейнеленеді, 8 төбесі, 16 2 қабырғасы бар, бұл 16 ұяшықтың жартысы ғана. Оның симметриясы 4[4]2, 32 реттік. + 2{4}4 көпбұрышының орфографиялық проекциясы. B4 Коксетер жазықтығында 2{4}4 8 төбесі және 16 2 қабырғасы бар, мұнда 4 түрлі түсті жиынмен көрсетілген. 8 төбе 2 жиынға (қызыл және көк түсті) топтастырылған, олардың әрқайсысы тек қана қабырғалары арқылы екінші жиынның төбелерімен байланысты, бұл көпбұрышты толық екі бөліктік граф, K4,4 жасайды.

Біркелкі политоптар мен аралықтардың өзара байланысы

16 ұяшықты және тесеракт 15 біркелкі 4 политоптар жиынтығының тұрақты мүшелері болып табылады. 16 ұяшық сонымен қатар D4 симметриясының біркелкі политоптарының бірі. 16 ұяшық текше бал арасымен, 4-реттегі он екі қырлы бал арасымен және 4-реттегі алтыбұрышты қабыршақты бал арасымен де байланысты, олардың барлығында сегіз қырлы жасушалар бар. Ол тетраэдрлі жасушалары бар {3,3,p} 4 политоптар тізбегіне жатады. Бұл тізбекке Евклидтік 4 кеңістігінің үш тұрақты 4 политопы кіреді: 5 ұяшық {3,3,3}, 16 ұяшық {3,3,4} және 600 ұяшық {3,3,5}, сондай-ақ гиперболалық кеңістіктің 6-реттегі тетраэдрлі бал арасы {3,3,6}. Ол квазиреттелген политоптар мен бал араларының h{4,p,q} тізбегіндегі алғашқы мүше және реттелген формалар үшін {p,3,4} жартылай симметрия тізбегі.