Кіріспе
Көпбұрыштың әр қабырғасына жанасатын сфера Геометрияда, дөңгелек көпбұрыштың орташа сферасы немесе аралық сферасы – көпбұрыштың әр қабырғасына жанасатын сфера. Барлық көпбұрыштардың орташа сферасы бола бермейді, бірақ біртекті көпбұрыштар, оның ішінде дұрыс, жартылай дұрыс және жартылай дұрыс көпбұрыштар мен олардың қосарлылары (Каталон денелері) орташа сфераға ие. Орташа сфераның радиусы орташа радиус деп аталады. Орташа сферасы бар көпбұрыш осы сфераға орташа жазылған деп айтылады. Полиэдрдің орташа сферасы болған кезде, орташа сферада екі перпендикуляр шеңбер жиынтығын құруға болады, біреуі полиэдрдің төбелері арасындағы тұтастыққа сәйкес келеді, ал екіншісі сол орташа сферасы бар полюстік полиэдрге сәйкес келеді. Полиэдрдің әр қабырғасының ұзындығы – оның екі ұшынан олардың сәйкес шеңберлеріне дейінгі қашықтықтардың қосындысы. Кез келген дөңгелек көпбұрыштың комбинаторлық түрде эквивалентті полиэдрі бар, ол – канондық көпбұрыш, оның орташа сферасы бар, және оның қабырғаларының жанасу нүктелерінің центроидінде орналасқан. Сандық жуықтау алгоритмдері канондық көпбұрышты құруға мүмкіндік береді, бірақ оның координаттарын жабық түрде дәл көрсету мүмкін емес. Кез келген канондық көпбұрыш және оның полюстік қосарлысын төрт өлшемді антипризманың екі қарама-қарсы жағын құру үшін пайдалануға болады.
In geometry, the midsphere or intersphere of a convex polyhedron is a sphere which is tangent to every edge of the polyhedron. Not every polyhedron has a midsphere, but the uniform polyhedra, including the regular, quasiregular and semiregular polyhedra and their duals (Catalan solids) all have midspheres. The radius of the midsphere is called the midradius. A polyhedron that has a midsphere is said to be midscribed about this sphere. When a polyhedron has a midsphere, one can form two perpendicular circle packings on the midsphere, one corresponding to the adjacencies between vertices of the polyhedron, and the other corresponding in the same way to its polar polyhedron, which has the same midsphere. The length of each polyhedron edge is the sum of the distances from its two endpoints to their corresponding circles in this circle packing. Every convex polyhedron has a combinatorially equivalent polyhedron, the canonical polyhedron, that does have a midsphere, centered at the centroid of the points of tangency of its edges. Numerical approximation algorithms can construct the canonical polyhedron, but its coordinates cannot be represented exactly as a closed form expression. Any canonical polyhedron and its polar dual can be used to form two opposite faces of a four dimensional antiprism.
Тангенттік шеңберлер
Егер O - P дөңес көпжақтың орташа шар болса, онда O-ның P-нің кез келген жағымен қиылысуы - жақтың ішінде жатқан шеңбер, және орташа шардың жанасу нүктелерінде оның қабырғаларына жанасады. Осылайша, P-нің әрбір жағында іштей сызылған шеңбер бар, және бұл шеңберлер олар жатқан жақтардың қабырғасы ортақ болғанда бір-біріне дәл жанасады. (Дегенмен, осы қасиеттерге ие барлық шеңберлер жүйесі орташа шарлардан туындамайды.) Сол сияқты, егер v - P төбесі болса, онда v төбесінде орналасқан және O-ға шеңберде жанасатын конус бар; бұл шеңбер сфералық бөліктің шекарасын құрайды, оның ішінде шардың беті төбеден көрінеді. Яғни, шеңбер - бұл төбеден қарағанда орташа шардың көкжиегі. Осылайша қалыптасқан шеңберлер олар сәйкес келетін төбелер қабырғамен байланысқанда бір-біріне дәл жанасады.
Дуальділік
Егер көпбұрыш P ортақ шар O-ға ие болса, онда O-ға қатысты полярлық көпбұрыш да O-ны ортақ шар ретінде қабылдайды. Полярлық көпбұрыштың бет жазықтықтары O-дағы шеңберлер арқылы өтеді, бұл шеңберлер P-нің төбелері шыңдары болатын конустарға жанасады. Полярлық көпбұрыштың қабырғалары ортақ шармен бірдей жанасу нүктелеріне ие, онда олар P-нің қабырғаларына перпендикуляр болады.
Шеті ұзындығы
Орта сферасы бар көпбұрыш үшін әрбір төбесіне нақты санды (төбеге қатысты орта сфераның қуаты) тағайындау мүмкін, ол сол төбеден оны жанайтын әр қабырғаның тиісті нүктесіне дейінгі арақашықтыққа тең. Әр қабырға үшін оның екі ұшындағы сандардың қосындысы қабырғаның ұзындығына тең болады. Мысалы, Крелле тетраэдрін осылайша берілген төрт санмен – төрт төбесіне тағайындалған сандармен параметрлеуге болады, бұл олардың төрт өлшемді отбасы құрайтынын көрсетеді. Мысалы, төрт нүкте (0,0,0), (1,0,0), (0,1,0) және (0,0,1) үш теңқабырғалы тікбұрышты үшбұрыш және бір теңқабырғалы үшбұрыштан тұратын Крелле тетраэдрінің бірін құрайды. Бұл төрт нүкте – теңқабырғалы үшбұрыштың нөлден өзгеше үш нүктесінің және координаталардың басының радиустары бар төрт жұптық жанас сфераның орталықтары. Бұл төрт сан (үш тең және біреуі кіші) осы тетраэдрді параметрлейтін төрт сан. Тетраэдрдің үш қабырғасы екі үлкен радиусы бар нүктелерді жалғастырады; бұл қабырғалардың ұзындығы осы тең радиустардың қосындысына тең. Қалған үш қабырға екі әртүрлі радиусы бар нүктелерді жалғастырады. Орта сферасы бар көпбұрыштың Гамильтон циклі болған жағдайда, циклдегі қабырғалардың ұзындығының қосындысын дәл сол жолмен төбелердің қуаттарының қосындысына екі есе көбейтуге болады. Бұл төбелердің қуаттарының қосындысы циклдегі қабырғалардың таңдалуына байланысты емес, сондықтан барлық Гамильтон циклдерінің ұзындығы тең.
Каноникалық көпбұрышты
Дөңгелектерді қаптау теоремасының күшті түрі, жазықтық графтарды жанама шеңберлер жүйесі арқылы бейнелеуде, әрбір полиэдрлік графты орташа сферасы бар полиэдрдің төбелері мен қабырғаларымен бейнелеуге болады. Басқаша айтқанда, кез келген дөңес полиэдрді сәйкес келетін төбелері, қабырғалары және жақтары бар, орташа сферасы бар комбинаторлық түрде теңдестірілген нысанға түрлендіруге болады. Нәтижесінде алынған полиэдрдің горизонт шеңберлері стереографиялық проекция арқылы Эвклид жазықтығындағы шеңбер қаптамасына түрлендіріледі, оның қиылыс графы берілген графқа тең: оның шеңберлері бір-бірімен қиылыспайды және олар сәйкес келетін төбелері жақын болғанда ғана бір-біріне жанасады. Кез келген полиэдрдің орташа сферасы бар комбинаторлық түрде теңдестірілген түрі болғанымен, кейбір полиэдрлерде жазылған сферасы немесе сырттан сызылған сферасы бар теңдестірілген түрі жоқ. Бір беттік торлары мен бір орташа сферасы бар кез келген екі дөңес полиэдрді үш өлшемді кеңістіктің проективтік түрлендіруі арқылы бір-біріне түрлендіруге болады, бұл түрлендіру орташа сфераны өзгеріссіз қалдырады. Бұл түрлендіру сфераны өз орнында қалдырады, бірақ Мёбиус түрлендіруіне сәйкес сфера ішіндегі нүктелерді жылжытады. Орташа сферасы бар кез келген полиэдрді, орташа сфера бірлік сферасы болып табылатындай масштабтағанда, осылайша жанасу нүктелерінің центроиді сфераның ортасында болатын полиэдрге түрлендіруге болады. Бұл түрлендірудің нәтижесі берілген полиэдрдің канондық түрі болып табылады, барлық комбинаторлық түрде тең полиэдрлер бір-біріне сәйкес келетін канондық полиэдрлерді тудырады. Түрлендірудің басқаша таңдауы орташа сферадан төбесінің ең аз қашықтығын барынша арттыратын полиэдрді алады. Оны сызықтық уақытта табуға болады, ал осы баламалы түрде анықталған канондық полиэдр бір полиэдрдің барлық комбинаторлық түрде тең нысандары арасында максималды симметрияға ие. Бағытталған симметриясы циклдік емес топқа ие полиэдрлер үшін екі түрлендіру таңдауы сәйкес келеді. Мысалы, осы екі жолдың бірінде анықталған тіктөртбұрыштың канондық полиэдрі – куб, оның центройінен қабырғасының ортасына дейінгі арақашықтығы бірге тең және қабырғасының ұзындығы .
Құрылыс
Берілген полиэдрлік граф үшін каноникалық полиэдрдің сандық жуықтамасын графты және оның қос графы Евклид жазықтығында перпендикуляр шеңберлер жиыны ретінде көрсету арқылы, оны сферадағы шеңберлер жұбына айналдыру үшін стереографиялық проекцияны қолдану арқылы, қиылыс нүктелерінің центройын сфераның ортасына жылдыратын Мёбиус түрлендіруін сандық іздеу және полиэдрдің төбелерін түрлендірілген жиынның қос шеңберлерін көкжиегі ретінде пайдалана отырып, кеңістіктегі нүктелерге орналастыру арқылы құруға болады. Дегенмен, шеңберлер жиынындағы шеңберлердің координаттары мен радиусы арифметикалық және n-ші тамыр операцияларын қолдана отырып, нақты жабық түрде өрнектеуге келмейтін құрастырылмайтын сандар болуы мүмкін. Балама ретінде, Джордж В. Харт ұсынған каноникалық полиэдрді құрудың қарапайым сандық әдісі полиэдр төбелерінің координаттарымен тікелей жұмыс істейді, олардың орнын түзету арқылы қабырғалардың тегінен бірдей қашықтықта болуын, тегінен ең аз қашықтықтағы нүктелердің тегі олардың центройы болуын және полиэдрдің жақтары жазық күйде қалуын қамтамасыз етуге тырысады. Шеңберлер жиыны әдісінен айырмашылығы, бұл әдіс каноникалық полиэдрға жақындасатыны дәлелденбеген, тіпті берілген полиэдрмен комбинаторлық тұрғыдан тең келетін полиэдрді шығаруына да кепілдік жоқ, бірақ ол кішкентай мысалдарда жақсы жұмыс істейтін сияқты.
Қолданбалар
Каноникалық көпбұрыш және оның полярлық дуалы төрт өлшемді антипризманың аналогын құру үшін қолданылуы мүмкін, оның екі қарама-қарсы жағының бірі кез келген үш өлшемді көпбұрышқа комбинаторлық тұрғыдан тең келеді. Кез келген үш өлшемді көпбұрышты оның каноникалық көпбұрышымен алмастырмай, төрт өлшемді антипризманың жағы ретінде тікелей пайдалануға бола ма, әлі белгісіз, бірақ кездейсоқ үш өлшемді көпбұрыш пен оның полярлық дуалының екеуін де пайдалану әрқашан мүмкін емес.
Жұмыртқаны қамауға салу
Каноникалық көпбұрыштың құрылысындағы ортаңғы шар кез келген тегіс дөңгелек денемен алмастырылуы мүмкін. Мұндай дене берілген жағдайда, кез келген көпбұрыш осы денеге жанасатын жиектері бар, комбинаторлық түрде баламалы іске асырылуға ие болады. Бұл "жұмыртқаны қоршау" деп сипатталған: тегіс дене – жұмыртқа, ал көпбұрыштық іске асырылу – оның қоршауы. Сонымен қатар, қоршаудың үш жиегін жұмыртқадағы үш белгілі жанасу нүктесіне бекіту осы іске асырылуды бірегей етеді.