Кіріспе
Жүздік көпбұрыш – беттері бір-бірімен сәйкес келетін дұрыс көпбұрыштардан құралған геометриялық дене. Дұрыс көпбұрыштың симметрия тобы оның туларында транзитивті әрекет етеді. Дұрыс көпбұрыш өте симметриялық болып келеді, оның барлық қабырғалары, төбелері және беттері транзитивті. Классикалық контексте әртүрлі балама анықтамалар қолданылады; ең көп таралғаны – беттері әр төбесінде бірдей орналасқан, бір-бірімен сәйкес келетін дұрыс көпбұрыштардан құралған. Дұрыс көпбұрыш {n, m} түріндегі Шлефли символы арқылы анықталады, мұнда n – әр бетінің қабырғаларының саны, ал m – әр төбеде кездесетін беттердің саны. 5 шекті дөңес дұрыс көпбұрыш (Платон денелері) және төрт дұрыс жұлдызды көпбұрыш (Кеплер-Пойнсо полиэдрлері) бар, барлығы тоғыз дұрыс көпбұрыш құрайды. Бұған қоса, дұрыс көпбұрыштардың бес дұрыс қосылысы бар.
A regular polyhedron is a polyhedron whose symmetry group acts transitively on its flags. A regular polyhedron is highly symmetrical, being all of edge transitive, vertex transitive and face transitive. In classical contexts, many different equivalent definitions are used; a common one is that the faces are congruent regular polygons which are assembled in the same way around each vertex. A regular polyhedron is identified by its Schläfli symbol of the form {n, m}, where n is the number of sides of each face and m the number of faces meeting at each vertex. There are 5 finite convex regular polyhedra (the Platonic solids), and four regular star polyhedra (the Kepler–Poinsot polyhedra), making nine regular polyhedra in all. In addition, there are five regular compounds of the regular polyhedra.
Эйлер сипаты
Бес Платондық қатты денелердің Эйлер сипаттамасы 2-ге тең. Бұл бетінің топологиялық 2 сфера екенін ғана көрсетеді, сондықтан бұл, мысалы, белгілі бір ішкі нүктеге қатысты жұлдыз тәрізді кез келген көпжақ үшін де дұрыс.
any polyhedron which is star shaped with respect to some interior point.
Ішкі нүктелер
Тәртіпті көпжақтың ішкі бөлігіндегі кез келген нүктеден жақтарына дейінгі қашықтықтардың қосындысы нүктенің орналасуына тәуелсіз (бұл Вивиани теоремасының жалғасы). Дегенмен, керісіншесі тіпті тетраэдр үшін де орындалмайды.
Тарихқа дейінгі дәуір
Шотландияда шарлар немесе түймелер шоғырына ұқсайтын пішінде кесілген тастар табылды, олар 4000 жылға дейін ескі болуы мүмкін. Осы тастардың кейбіреулері бес Платондық денелердің симметриясын ғана емес, сонымен қатар олардың арасындағы қос қатынастарын да көрсетеді (яғни, кубтың беттерінің ортасы октаэдрдің төбелерін береді). Осы тастардың мысалдары Оксфорд университетінің Эшмолеан мұражайындағы Джон Эванс бөлмесінде қойылған. Бұл заттардың не үшін жасалғаны, немесе оларды жасағандар қалай шабыттанғаны әлі де құпия. Бұл нысандардың математикалық тұрғыдан түсіндірілуі күмәнді, себебі олардың көпшілігі Платондық емес пішінде, және, мүмкін, тек біреуі ғана додекаэдрдің қайта қарастырылуына қарсы, нағыз икосаэдр болып табылады. Этрускілер гректерге дейін кемінде кейбір дұрыс көпжақтарды білген болуы мүмкін, себебі 19 ғасырдың соңында Падуа маңынан (Солтүстік Италия) сабын тастан жасалған додекаэдр табылды, ол 2500 жылдан астам бұрын жасалған (Линдманн, 1987).
Тұрақты жұлдызды көпбұрыштар
Тәртіптік жұлдызды көпбұрыштарды, мысалы, пентаграмманы (жұлдызды пентагонды) ежелгі гректер де білген. Пифагорлықтар пентаграмманы құпия белгі ретінде қолданған, бірақ олар оны полиэдрлер құрастыру үшін пайдаланбаған. Тек 17 ғасырдың басында Иоганн Кеплер пентаграммалардың тұрақты жұлдыз полиэдрлерінің жақтары ретінде қолданылуы мүмкін екенін түсінді. Кейбір жұлдыз полиэдрлері Кеплерден бұрын ашылған болуы мүмкін, бірақ Кеплер тұрақты полиэдрлердің дөңес болуының шектеуін алып тастағанда, оларды «тұрақты» деп санауға болатынын алғаш мойындады. Екі жүз жылдан кейін Луи Пуано да жұлдыз тәрізді төбелік фигураларға (әр бұрыштың айналысы) рұқсат берді, бұл оған Кеплердің полиэдрлерін қайта ашумен қатар екі жаңа тұрақты жұлдыз полиэдрін табуға мүмкіндік берді. Бұл төрт полиэдр – жалғыз тұрақты жұлдыз полиэдрлері және Кеплер-Пуано полиэдрлері деп аталады. Пуаноның жариялағаннан кейін бірнеше онжылдық өткен соң, 19 ғасырдың ортасында ғана Кейли оларға қазіргі ағылшын тіліндегі атауларын берді: (Кеплердің) кішкентай жұлдызды додекаэдр және үлкен жұлдызды додекаэдр, және (Пуаноның) үлкен икосаэдр және үлкен додекаэдр. Кеплер-Пуано полиэдрлерін Платондық денелерден «жұлдыздандыру» деп аталатын әдіс арқылы құруға болады. Жұлдыздандыруға кері процесс – «жақтарды бөлу» (немесе фасеттеу) деп аталады. Бір полиэдрдің әрбір жұлдыздандырылуы екілік полиэдрдің кейбір жақтарына екілік немесе өзара байланысты болады. Тұрақты жұлдыз полиэдрлерін Платондық денелерді жақтарды бөлу арқылы да алуға болады. Бұл алғаш рет Бертранмен, Кейли оларды атаған кезде жасалды. 19 ғасырдың соңында демек, тоғыз тұрақты полиэдр болды – бесеуі дөңес, төртеуі жұлдызды.
Табиғаттағы тұрақты көпбұрыштар
Платондық қатты денелердің әрқайсысы табиғатта бір немесе басқа түрде кездеседі. Тетраэдр, куб және октаэдр кристалдар түрінде кездеседі. Бұл кристалдардың мүмкін болатын пішіндерінің санын толығымен шектемейді (Смит, 1982, 212-бет), олардың саны 48-ге жетеді. Олардың ішінде дұрыс икосаэдр де, дұрыс додекаэдр да жоқ, бірақ кристалдар пиритоэдр пішінін алуы мүмкін, ол көзбен қарағанда дұрыс додекаэдрден ажырату қиын. Нақты икосаэдрлі кристалдар табиғатта өте сирек кездесетін, бірақ зертханада жасалатын квазикристалл материалдарынан да пайда болуы мүмкін. Жақында жаңа көміртек молекулаларының түрі ашылды, олар фуллерендер деп аталады (Керл, 1991). C60 – ең оңай өндірілетін фуллерен, көбінесе шар тәрізді көрінсе де, кейбір үлкен түрлері (мысалы, C240, C480 және C960) бірнеше нанометр диаметріндегі сәл дөңгеленген икосаэдр пішінін қабылдауы мүмкін деп болжанады. Дұрыс көпбұрыштар биологияда да кездеседі. Braarudosphaera bigelowii кокколитофорасының құрылымы дұрыс он екі қырлы, диаметрі шамамен 10 микрометр. 20 ғасырдың басында Эрнст Геккель радиолариялардың бірнеше түрін сипаттады, олардың кейбір қабықтары әртүрлі дұрыс көпбұрыштар пішіндес. Мысалдар: Circoporus octahedrus, Circogonia icosahedra, Lithocubus geometricus және Circorrhegma dodecahedra; осы жаратылыстардың пішіндері олардың аттарында көрсетілген. Көне заманда пифагоршылар дұрыс көпбұрыштар мен планеталардың орбиталары арасында үйлесім бар деп сенген. 17 ғасырда Иоганн Кеплер Тихо Браге жинаған планеталардың қозғалысы туралы деректерді зерттеді және он жыл бойы пифагорлық идеалды планеталардың орбиталарының және көпбұрыштардың өлшемдері арасындағы сәйкестікті тауып орнатуға тырысты. Оның ізденісі бастапқы мақсатына жетпесе де, осы зерттеулер нәтижесінде Кеплер қатты денелерді дұрыс политоптар ретінде ашты, планеталардың орбиталары шеңбер емес екенін түсінді және ол қазір әйгілі болған планеталық қозғалыс заңдарын ашты. Кеплер заманында Жерді есептемегенде бес планета ғана белгілі болды, бұл Платондық қатты денелердің санымен сәйкес келді. Кеплердің жұмысы және содан бері Уран мен Нептунның ашылуы пифагорлық идеяны жоққа шығарды. Пифагоршылармен шамалас уақытта Платон материя туралы теорияны сипаттады, онда бес элементтің (жер, ауа, от, су және рух) әрқайсысы бес дұрыс қатты денелердің біреуінің кішкентай көшірмелерінен тұрады. Материя осы көпбұрыштардың қоспасынан құралған, әр заттың құрамындағы пропорциясы әртүрлі. Екі мың жыл өткен соң Дальтонның атомдық теориясы бұл идеяның дұрыс бағытта екенін көрсетті, бірақ ол тікелей дұрыс қатты денелермен байланысты емес.
Қосымша жалпылаулар
20 ғасырда дұрыс полиэдр идеясының бірнеше рет жалпылануы орын алып, нәтижесінде бірнеше жаңа класс пайда болды.
Евклидтік емес және басқа кеңістіктердегі тұрақты көпбұрыштар
Евклидтік емес (гиперболалық және эллиптік) және басқа кеңістіктерді, мысалы, өткен ғасырда ашылған кешенді кеңістіктерді зерттеулер, осы кеңістіктерде ғана қалыпты геометриялық форма ала алатын, одан әрі жаңа полиэдрлерді, мысалы, кешенді полиэдрлерді табуға әкелді.
Гиперболалық кеңістіктегі тұрақты көпбұрыштар
H3 гиперболалық кеңістікте паракомпакттық реттеулі бал араларында Евклидтік плиткалық жақтары мен төбелік фигуралары болады, олар шекті полиэдрлер сияқты қасиет көрсетеді. Мұндай плиткалардың бұрыштық кемшілігі бар, оны бір жаққа немесе екінші жаққа иіп жабуға болады. Егер плитка дұрыс масштабталған болса, ол бір идеалдық нүктеде асимптотикалық лимит ретінде жабылады. Бұл Евклидтік плиткалар полиэдрлер сфераға жазылғандай, горосфераға жазылады (онда нөл идеалдық нүктелер болады). Гиперболалық плиткалар өзі шексіз гиперболалық теселяциялардың жақтары ретінде қолданылғанда, мысалы, гептагондық плиткалы бал арасы {7,3,3} сияқты, тізбек кеңейеді; олар екі идеалдық нүктесі бар тең қашықтықтағы бетке (2 гиперциклге) жазылған.