Кіріспе
Геометрияда тетраэдр (tetrahedra немесе tetrahedrons), сондай-ақ үшбұрышты пирамида деп те аталады, төрт үшбұрышты жақтан, алты түзу қабырғадан және төрт төбеден тұратын көпжақ. Тетраэдр – барлық қалыпты дөңес көпжақтардың ең қарапайым түрі. Тетраэдр – Евклид симплексінің жалпы ұғымының үш өлшемді жағдайы, сондықтан оны 3-симплекс деп те атауға болады. Тетраэдр – пирамиданың бір түрі, ол жазық көпбұрышты негізі мен үшбұрышты жақтары бар көпжақ, олар негізді ортақ нүктеге қосады. Тетраэдр жағдайында негізі үшбұрыштан (төрт жақтың кез келгенін негіз деп есептеуге болады) тұрады, сондықтан тетраэдрді «үшбұрышты пирамида» деп те атайды. Барлық дөңес көпжақтар сияқты, тетраэдрді бір қағаз парағынан жасауға болады. Оның екі дақылды схемасы бар.
In geometry, a tetrahedron (: tetrahedra or tetrahedrons), also known as a triangular pyramid, is a polyhedron composed of four triangular faces, six straight edges, and four vertices. The tetrahedron is the simplest of all the ordinary convex polyhedra. The tetrahedron is the three dimensional case of the more general concept of a Euclidean simplex, and may thus also be called a 3 simplex. The tetrahedron is one kind of pyramid, which is a polyhedron with a flat polygon base and triangular faces connecting the base to a common point. In the case of a tetrahedron the base is a triangle (any of the four faces can be considered the base), so a tetrahedron is also known as a "triangular pyramid". Like all convex polyhedra, a tetrahedron can be folded from a single sheet of paper. It has two such nets.
Тұрақты тетраэдр
Тәртіпті тетраэдр – барлық төрт жағы теңқабырғалы үшбұрыштардан тұратын тетраэдр. Бұл ежелгі заманнан белгілі бес тұрақты Платон денелерінің бірі. Тәртіпті тетраэдрде барлық жақтарының мөлшері мен пішіні бірдей (сәйкес), ал барлық қабырғаларының ұзындығы да бірдей. Тәртіпті тетраэдрлер өздері жеке теселяцияламайды (кеңістікті толтырмайды), бірақ егер екі тетраэдрге бір октаэдр қатынасында тұрақты октаэдрлермен кезектестірілсе, олар алмасатын кубтық ұяшық құрайды, бұл теселяция болып табылады. Шлефли ортосхемасы және Хилл тетраэдрі сияқты, тәртіпті емес кейбір тетраэдрлер теселяциялана алады. Тәртіпті тетраэдр өзіне-өзі дуалды, яғни оның дуалы – тағы бір тәртіпті тетраэдр. Екі мұндай дуалды тетраэдрден құралған күрделі фигура жұлдызды октаэдр немесе stella octangula құрайды.
Тәртіпті тетраэдрдің көлденең қимасы
Тәртіпті тетраэдрдің екі қиылысқан, перпендикуляр, қарсы жиектері параллель жазықтықтар жиынтығын анықтайды. Осы жазықтықтардың біреуі тетраэдрді кесіп өткенде, пайда болатын қима тіктөртбұрыш болады. Кесіп өтетін жазықтық екі жиектің біріне жақын болғанда, тіктөртбұрыш ұзын және тар болады. Екі жиектің ортасында қиылысқанда, тіктөртбұрыш квадратқа айналады. Осы орта нүктеден өткенде тіктөртбұрыштың қатынасы өзгеріп, кері болады. Орталық квадрат қимасы үшін, шекара сызығы тетраэдрдің әр бетін бірдей кесіп өтеді. Егер тетраэдр осы жазықтықта екіге бөлінсе, екі бөлігі де үшбұрышты призмаға айналады. Бұл қасиет екі ерекше жиек жұбына қолданғанда, тетрагональды дисфеноидтарға да қатысты.
Шпионатты үйілу
Түзеткіш тетраэдрлер Боердийк-Коксетер спиралі деп аталатын хиральды апериодты тізбекте бетпе-бет орналастырылуы мүмкін. Төртінші өлшемде тетраэдрлік жасушалары бар барлық дөңес тұрақты 4-политоптар (5 жасушалы, 16 жасушалы және 600 жасушалы) осы тізбектер арқылы 3 сфераның мозаикасы ретінде құрастырылуы мүмкін, олар 4-политоптың шекаралық бетінің үш өлшемді кеңістігінде периодты болады.
Қалыпсыз тетраэдрлер
Тетраэдрлі симметрияның кіші топтары арасындағы қатынастар. Тетраэдрлі симметриялар тетраэдрлік диаграммаларда көрсетілген. Төрт теңқабырлы беттері жоқ тетраэдрлер олардың иеленген симметриялары бойынша жіктеліп, аталады. Егер тетраэдрдің қарама-қарсы қырларының барлық үш жұбы перпендикуляр болса, онда ол ортоцентрлі тетраэдр деп аталады. Егер қарама-қарсы қырларының тек бір жұбы ғана перпендикуляр болса, онда ол жартылай ортоцентрлі тетраэдр деп аталады. Изодинамикалық тетраэдр – бұл төбелерін қарсы жақтарының ішкі центрлерімен қосатын чевиандар бір нүктеде түйіскен тетраэдр. Изогоникалық тетраэдрде төбелері тетраэдрдің ішкі жазылған сферасына қарсы жақтарының жанасу нүктелерімен қосатын чевиандар бірдей нүктеде түйіседі.
Үшбұрышты тетраэдр
Төртжақты үшбұрышты тетраэдрде бір төбедегі үш жақ бұрыштары тік бұрыштар болады, мысалы, текше бұрышындағыдай. Кеплер текше, дұрыс тетраэдр және төртжақты үшбұрышты тетраэдр арасындағы қатынасты тапты.
Дисфеноид
Дисфеноид – төрт түкпілді үшбұрыштардан тұратын тетраэдр, олардың бәрі бір-бірімен сәйкес келеді; үшбұрыштардың барлық бұрыштары сүйір болуы керек. Дұрыс тетраэдр – дисфеноидтың ерекше жағдайы. Осы пішін үшін басқа да атаулар бар: бисфеноид, теңқабырғалы тетраэдр және эквифациалды тетраэдр.
Ғарышты толтырушы тетраэдр
Бос кеңістікті толтыратын тетраэдр өзінің тура конгруэнтті немесе энантиоморфты (көзілдір) көшірмелерімен кеңістікті мозаикалайды. Кубты алты 3 ортосхемаға – үш сол жақты және үш оң жақты (әр куб жағында бір-бірден) – бөлуге болады, және кубтар кеңістікті толтыра алады, сондықтан кубтың ерекше 3 ортосхемасы осы мағынада кеңістікті толтыратын тетраэдр болып табылады. Дисфеноид дисфеноид тетраэдрлік ұя сияқты, тура конгруэнтті мағынада кеңістікті толтыратын тетраэдр бола алады. Дегенмен, тұрақты тетраэдрлер өздері жеке кеңістікті толтыра алмайды.
Негізгі салалар
Симметриялық топтың негізгі домені болып табылатын иррегулярлы тетраэдр – Гурсат тетраэдрінің мысалы. Гурсат тетраэдрлері, айна шағылысулары арқылы, барлық дұрыс полиэдрлерді (және көптеген басқа да біркелкі полиэдрлерді) тудырады, бұл процесс Вайтоффтың калейдоскоптық құрылысы деп аталады. Полиэдрлер үшін Вайтоффтың құрылысы үш айнаны калейдоскоптағыдай бір-біріне бұрыштармен орналастырады. Цилиндрлі калейдоскоптан айырмашылығы, Вайтоффтың айналары Гурсат тетраэдрінің үш жағында орналасқан, сондықтан барлық үш айна бір нүктеде қиылысады. 3 өлшемді ұяшықтарды тудыратын Гурсат тетраэдрлерінің арасында кубтың сипаттамалық тетраэдрі – ортосхема, кубтың айнаға қараған бетіне жалғанған сипаттамалық тетраэдр – қос ортосхема, және жоғарыда көрсетілген кеңістікті толтыратын дисфеноидты тануға болады. Дисфеноид – айнаға жалғанған екі еселік ортосхемалық жақ (төрт еселік ортосхема). Осылайша, осы үш Гурсат тетраэдрінің барлығы және олардың шағылысу арқылы тудыратын барлық полиэдрлер кубқа тән тетраэдрлерге бөліне алады.
Қалыпсыз тетраэдрлердің изометриясы
Қалыпсыз (белгісіз) тетраэдрдің изометриялары тетраэдрдің геометриясына байланысты, 7 жағдай болуы мүмкін. Әр жағдайда 3 өлшемді нүктелік топ құрылады. Егер бет немесе жиек таңбалары қосылса, тағы екі изометрия (C3, [3]+) және (S4, [2+,4+]) болуы мүмкін. Төмендегі әрбір тип үшін тетраэдрлік диаграммалар келтірілген, жиектері изометриялық эквиваленттілік бойынша боялған, ал бірегей жиектері сұр түспен көрсетілген. Тетраэдр атауы Жиек эквиваленттілігінің диаграммасы Симметриясы Шён. Кокс. Орб. Орд. Реті Тәртіпті тетраэдр Төрт теңқабырғалы үшбұрыш Ол Td симметриялық тобын құрайды, бұл S4 симметриялық тобына изоморфты. Тәртіпті тетраэдрдің Коксетер диаграммасы және Шлефли символы {3,3}. TdT[3,3][3,3]+*332332 2412 Үшбұрышты пирамида Теңқабырғалы үшбұрышты негіз және үш тең теңбұрышты үшбұрышты жақтар Бұл негіздің 6 изометриясына сәйкес 6 изометрияны береді. Бұлардың төбелерінің орналасуы ретінде бұл 6 изометрия сәйкестік 1, (123), (132), (12), (13) және (23) болып табылады, бұл C3v симметриялық тобын құрайды, бұл S3 симметриялық тобына изоморфты. Үшбұрышты пирамиданың Шлефли символы {3}∨(). C3vC3 [3][3]+ *3333 63 Керілген сфеноид Ортақ негізгі жиегі бар екі тең скаленді үшбұрыш Бұл (1,3), (1,4) және (2,3), (2,4) екі жұп тең жиегі бар, ал басқа жиектері тең емес. Тек екі изометрия бар: 1 және шағылыс (34), бұл Cs тобын береді, сонымен қатар Z2 циклдік тобына изоморфты. Cs=C1h=C1v[ ] * 2 Қалыпсыз тетраэдр (симметриясы жоқ) Төрт тең емес үшбұрыш Оның жалғыз изометриясы - сәйкестік, ал симметрия тобы - тривиальды топ. Қалыпсыз тетраэдрдің Шлефли символы ( )∨( )∨( )∨( ). C1[ ]+11 Дисфеноидтар (төрт тең үшбұрыш) Тетрагональды дисфеноид Төрт тең теңбұрышты үшбұрыш Оның 8 изометриясы бар. Егер (1,2) және (3,4) жиектері қалған 4-ке қарағанда әртүрлі ұзындықта болса, онда 8 изометрия сәйкестік 1, шағылыстар (12) және (34), 180° айналулар (12)(34), (13)(24), (14)(23) және 90° емес айналулар (1234) және (1432) құрайды, бұл D2d симметриялық тобын құрайды. Төртбұрышты дисфеноидтың Коксетер диаграммасы және Шлефли символы s{2,4}. D2dS4 [2+,4][2+,4+] 2*22×84 Ромбалық дисфеноид Төрт тең скаленді үшбұрыш Оның 4 изометриясы бар. Изометриялар 1 және 180° айналулар (12)(34), (13)(24), (14)(23). Бұл V4 Клейн тобы немесе D2 нүктелік тобындағы Z22. Ромбалық дисфеноидтың Коксетер диаграммасы және Шлефли символы sr{2,2}. D2 [2,2]+ 2224 Жалпыланған дисфеноидтар (2 жұп тең үшбұрыш) Дигональды дисфеноид Екі жұп тең теңбұрышты үшбұрыш Бұл перпендикуляр, бірақ әртүрлі ұзындықтағы екі қарама-қарсы жиек (1,2) және (3,4) береді, содан кейін 4 изометрия 1, шағылыстар (12) және (34) және 180° айналу (12)(34). Симметрия тобы C2v, бұл V4 Клейн тобына изоморфты. Дигональды дисфеноидтың Шлефли символы { }∨{ }. C2vC2 [2][2]+ *222242 Филлдік дисфеноид Екі жұп тең скаленді немесе теңбұрышты үшбұрыш Бұл (1,3), (2,4) және (1,4), (2,3) екі жұп тең жиегі бар, бірақ басқа жиектері тең емес. Тек екі изометрия бар: 1 және айналу (12)(34), бұл Z2 циклдік тобына изоморфты C2 тобын құрайды. C2 [2]+ 22 2
Its only isometry is the identity, and the symmetry group is the trivial group. An irregular tetrahedron has Schläfli symbol ( )∨( )∨( )∨( ). C1[ ]+11Disphenoids (Four equal triangles)Tetragonal disphenoidFour equal isosceles triangles
It has 8 isometries. If edges (1,2) and (3,4) are of different length to the other 4 then the 8 isometries are the identity 1, reflections (12) and (34), and 180° rotations (12)(34), (13)(24), (14)(23) and improper 90° rotations (1234) and (1432) forming the symmetry group D2d. A tetragonal disphenoid has Coxeter diagram and Schläfli symbol s{2,4}. D2dS4 [2+,4][2+,4+] 2*22× 84Rhombic disphenoidFour equal scalene triangles
It has 4 isometries. The isometries are 1 and the 180° rotations (12)(34), (13)(24), (14)(23). This is the Klein four group V4 or Z22, present as the point group D2. A rhombic disphenoid has Coxeter diagram and Schläfli symbol sr{2,2}. D2 [2,2]+ 2224Generalized disphenoids (2 pairs of equal triangles)Digonal disphenoidTwo pairs of equal isosceles triangles This gives two opposite edges (1,2) and (3,4) that are perpendicular but different lengths, and then the 4 isometries are 1, reflections (12) and (34) and the 180° rotation (12)(34). The symmetry group is C2v, isomorphic to the Klein four group V4. A digonal disphenoid has Schläfli symbol { }∨{ }. C2vC2 [2][2]+ *222242Phyllic disphenoid Two pairs of equal scalene or isosceles triangles
This has two pairs of equal edges (1,3), (2,4) and (1,4), (2,3) but otherwise no edges equal. The only two isometries are 1 and the rotation (12)(34), giving the group C2 isomorphic to the cyclic group, Z2. C2 [2]+ 22 2
Бөлімшелер мен ұқсастық сыныптары
Тетраэдрлерді бөлу – есептеу геометриясы және 3D модельдеуде тетраэдрді бірнеше кішкентай тетраэдрлерге бөлуге қолданылатын процесс. Бұл процесс сандық симуляцияларда, шекті элементтер талдауында және компьютерлік графикада өте пайдалы болатын тетраэдрлік торлардың күрделілігі мен толықтығын арттырады. Көп қолданылатын бөлу әдістерінің бірі – Ең Ұзын Жиекті Бөлу (LEB), ол тетраэдрдің ең ұзын жиегін анықтап, оны орта нүктесінде екіге бөледі, нәтижесінде екі жаңа, кішкентай тетраэдр пайда болады. Егер бұл процесс бірнеше рет қайталанып, әрбір алдыңғы итерацияда пайда болған барлық тетраэдрлер екіге бөлінсе, онда бұл процесс итеративті LEB деп аталады. Ұқсастық класы – геометриялық пішіні бірдей тетраэдрлердің жиынтығы, олардың нақты орналасуына, бағытына және масштабына қарамастан. Демек, бір ұқсастық класына жататын кез келген екі тетраэдр аффиндік түрлендіру арқылы бір-біріне айналдырылуы мүмкін. Итеративті бөлу әдістерінде ұқсастық кластарының шектеулі санының болуы есептеу модельдеуі мен симуляциясы үшін маңызды. Бұл жаңадан пайда болатын тетраэдрлердің пішіні мен мөлшерінің әртүрлілігін азайтады, соның салдарынан симуляция нәтижелерін нашарлататын өте ретсіз элементтердің пайда болуын болдырмайды. Түзетілген тетраэдрдің итеративті LEB тек 8 ұқсастық класын тудыратыны көрсетілді. Сонымен қатар, егер екі ең ұзын жиегі бір-бірімен байланыспаған және олардың ең ұзын және ең қысқа жиектері арасындағы қатынас ≤ болса, итеративті LEB 37-ден аспайтын ұқсастық кластарын тудырады.
Көлемді бөлетін құрылғы
Тетраэдрдің бимедианынан (қарсы қабырғаларының орта нүктелерін қосатын) өтетін кез келген жазықтық тетраэдрдің көлемін екіге бөледі.
Евклидтік емес көлем
Гиперболалық кеңістіктегі немесе үш өлшемді эллиптік геометриядағы тетраэдрлер үшін тетраэдрдің диэдрлік бұрыштары оның пішінін, демек көлемін анықтайды. Мұндай жағдайларда көлем Мураками-Яно формуласымен есептеледі. Дегенмен, Евклид кеңістігінде тетраэдрдің мөлшерін өзгерту оның көлемін өзгертеді, бірақ диэдрлік бұрыштарын өзгерте алмайды, сондықтан осындай формула болуы мүмкін емес.
Қалқыма ара қашықтығы
Тетраэдрдің кез келген екі қарама-қарсы жиегі екі бұрыс түзуде жатады, ал жиектер арасындағы қашықтық екі бұрыс түзу арасындағы қашықтық ретінде анықталады. d – қарама-қарсы жиектер а және b − c түзулері арасындағы қашықтық, ол осы жерде есептелгендей. Одан кейін тағы бір көлем формуласы беріледі.
Орталық
Тетраэдрдің массалық орталығы оның төрт төбесінің арифметикалық орташасы арқылы есептеледі, қараңыз Centroid.
Беттері
Кез келген үш жағының ауданы төртінші жағының ауданынан артық. Тетраэдрдің көлемі бүтін санға тең болуы мүмкін, ал қабырғалары тізбектелген бүтін сандардан тұруы мүмкін, мысалы, қабырғалары 6, 7, 8, 9, 10 және 11 болғанда көлемі 48-ге тең болады.
Байланысты полиэдрлер мен қосылыстар
Тура тетраэдрді үшбұрышты пирамида ретінде қарастыруға болады. Тәртіпті тетраэдрді дегенеративті полиэдр ретінде қарастыруға болады, онда негізгі көпбұрыштар қысқартылған дигондар болып табылады. Тәртіпті тетраэдрді дегенеративті полиэдр ретінде, 6 төбесі бар, екі қатар коллинеарлы жиектері бар, біркелкі қос дигональды трапецоэдр ретінде қарастыруға болады. Тетраэдрге қолданылатын кесу процесі біркелкі полиэдрлер тізбесін тудырады. Жиектерін нүктелерге дейін қысқарту октаэдрді түзетілген тетраэдр ретінде береді. Бұл процесс биректификация ретінде аяқталады, бастапқы беттерді нүктелерге дейін азайтып, қайтадан өзіне дуалды тетраэдрді шығарады. Бұл көпбұрыш, Шлефли символы {3,n} бар тұрақты полиэдрлер тізбегінің бөлігі ретінде топологиялық байланысты, гиперболалық жазықтықта жалғасады. Тетраэдр топологиялық тұрғыдан 3-реттік төбелік фигуралары бар тұрақты полиэдрлер мен мозаикалар тізбесімен байланысты. Бес қиылысатын тетраэдрден қызықты көпбұрыш құрастыруға болады. Бес тетраэдрдің бұл қосылысы жүздеген жылдар бойы белгілі. Ол оригами әлемінде жиі кездеседі. Жиырма төбенің бірігуі тұрақты додекаэдрді құрайды. Сол және оң жақтағы формалары бар, олар бір-бірінің көлеңкесі. Екі форманы бір-біріне қою он тетраэдрден тұратын қосылысты береді, онда он тетраэдр бес жұп stellae octangulae ретінде орналасқан. Stella octangula – екі тетраэдрдің дуалды орналасудағы қосылысы, ал оның сегіз төбесі олардың дөңгелек қабығы ретінде кубты анықтайды. Төрт жағы бар, бірақ үшбұрышты жақтары жоқ квадратты хосоэдр тағы бір полиэдр. Szilassi полиэдры және тетраэдр – әр жағының басқа жақпен ортақ жиегі бар екі ғана белгілі полиэдр. Сонымен қатар, Цсасара полиэдры (өзі Szilassi полиэдрының дуалы) және тетраэдр – әр диагоналі екі жағында жатқан екі ғана белгілі полиэдр.
Сандық талдау
Сандық талдауда күрделі үш өлшемді нысандар, әдетте, шекті элементтер талдауы үшін теңдеулерді құру кезінде, әсіресе, бөлшектік дифференциалдық теңдеулерді сандық түрде шешуде, ретсіз тетраэдрлерден құралған көпбұрышты торға бөлінеді немесе жуықтастырылады. Бұл әдістер есептік сұйықтық динамикасы, аэродинамика, электромагниттік өрістер, азаматтық инженерия, химиялық инженерия, кеме құрылысы және инженерия, сондай-ақ осымен байланысты салаларда кеңінен қолданылады.
Құрылыс инженерлігі
Қатты қырлары бар тетраэдр өзінен-өзі берік болады. Сондықтан ол көбінесе кеңістіктік қаңқалар сияқты кадрлық құрылымдарды нығайту үшін қолданылады.
Әуе қатынасы
Кейбір әуежайларда екі жағы жұқа материалмен қапталған, төртжақ пішінді үлкен конструкция айналмалы тіреуге орнатылып, әрқашан жел бағытына қарай бұрылады. Ол әуеден анық көрінетіндей етіп жасалған және кейде жарықтандырылады. Оның мақсаты – ұшқыштарға желдің бағытын көрсететін анықтамалық белгі ретінде қызмет ету.
Химия
Тетраэдр пішіні табиғатта ковалентті байланыстағы молекулаларда кездеседі. Барлық sp3 гибридтелген атомдар тетраэдрдің төрт бұрышында атомдармен (немесе жалғыз электрон жұптарымен) қоршалған. Мысалы, метан молекуласында немесе аммоний ионында (NH4+) төрт сутек атомы орталық көміртек немесе азот атомын тетраэдрлік симметриямен қоршап тұрады. Осы себепті органикалық химиядағы жетекші журналдардың бірі "Тетраэдр" деп аталады. Кемел тетраэдрдің кез келген екі төбесі арасындағы орталық бұрыш арккос(−), немесе шамамен 109,47° құрайды. Кремний қатты күйдегі электроникада қолданылатын ең көп таралған жартылай өткізгіш болғандықтан және кремнийдің валенттілігі төртке тең болғандықтан, кремнийдегі төрт химиялық байланыстың тетраэдр пішіні кремний кристалдарының қалыптасуына және олардың қандай пішінге ие екеніне зор әсер етеді.
Түс кеңістігі
Тетраэдрлер түстік кеңістікті түрлендіру алгоритмдерінде, әсіресе жарықтық осі түстік кеңістікті диагональды түрде бөлетін жағдайларда (мысалы, RGB, CMY) қолданылады.
Ойындар
2600 ж.б.д. мерзімінде пайда болған Урдың патшалық ойыны төртжақты құймақтар жиынтығымен ойналған. Әсіресе, рөлдік ойындарда бұл геометриялық дене 4 жақты құймақ деп белгілі, көпжақты құймақтардың бірі, оның нәтижесі төменгі немесе жоғарғы төбесінде көрсетіледі. Кейбір Рубик текшесі сияқты головоломкалар төртжақты болып келеді, мысалы Пираминкс және Пирамиморфикс.
Геология
Жердің пайда болуын түсіндіру үшін Уильям Лоутиан Грин алғаш жариялаған тетраэдрлік гипотеза 20-ғасырдың басында кең таралған болатын.
Танымал мәдениет
Стенли Кубрик бастапқыда "2001: Ғарыш саяхаты" фильміндегі монолитті тетраэдр етіп жасауды жоспарлаған. Когнитивтік ғылым және жасанды интеллект саласындағы сарапшы, сонымен қатар Кубрикке HAL 9000 компьютері және фильмнің басқа да аспектілері бойынша кеңес берген Марвин Минскидің айтуынша, Кубрик тетраэдрді пайдалану туралы ойын бас тартты. Себебі, оның кадрларын көрген адам оны тани алмады және ол фильмде қарапайым адамдарға түсініксіз нәрселердің болуын қаламады.