Кіріспе
Көпбұрыштан анықталатын шама Геометрияда Дехн инварианты – бір көпбұрышты бөліктерге бөліп, екіншісіне қайта құрастыруға («диссекциялауға») болатынын және көпбұрыштың немесе оның диссекцияланған бөліктерінің кеңістікті толтыруға болатынын анықтау үшін қолданылатын шама. Ол Макс Дехннің есімімен аталады, ол оны Хилберттің үшінші мәселесін шешу үшін пайдаланып, бірдей көлемдегі барлық көпбұрыштар бір-біріне диссекциялана бермейтінін дәлелдеді. Екі көпбұрыш бір-біріне диссекцияланып, қайта құрастырыла алады, егер және тек егер олардың көлемдері мен Дехн инварианттары тең болса. Дехн инвариантының нөлге тең болуы кеңістікті толтырушы көпбұрыш болу үшін қажетті (бірақ жеткілікті емес) шарт, ал көпбұрышты бөліп, кеңістікті толтырушы көпбұрыш етіп қайта құрастыруға болады, егер және тек егер оның Дехн инварианты нөл болса. Өзін-өзі қиылыстырмайтын иілгіш көпбұрыштың Дехн инварианты иілген кезде өзгермейді. Дехн инварианттары жоғары өлшемдердегі диссекция үшін де инварианттар болып табылады және (көлеммен бірге) төртінші өлшемде толық инварианттар болып табылады. Дехн инварианты куб үшін нөлге тең, бірақ басқа Платон денелері үшін нөлден өзгеше, яғни басқа денелер кеңістікті мозаикалай алмайды және оларды кубқа диссекциялауға болмайды. Барлық Архимед денелерінің Дехн инварианттары Платон денелерінің инварианттарының рационалды комбинациялары болып табылады. Атап айтқанда, қысқартылған октаэдр де кеңістікті мозаикалайды және куб сияқты Дехн инварианты нөлге тең. Көпбұрыштардың Дехн инварианттары сандар емес. Олардың орнына, олар шексіз өлшемді тензорлық кеңістіктің элементтері болып табылады. Бұл кеңістік абельдік топ ретінде қарастырылып, топтық гомологияны қамтитын нақты тізбектің бөлігі болып табылады. Ұқсас инварианттарды басқа диссекциялық мәселелер үшін де анықтауға болады, соның ішінде тікбұрышты көпбұрыштарды осіне параллель кесінділер мен жылжулар арқылы бір-біріне диссекциялау мәселесі де солардың қатарында.
In geometry, the Dehn invariant is a value used to determine whether one polyhedron can be cut into pieces and reassembled ("dissected") into another, and whether a polyhedron or its dissections can tile space. It is named after Max Dehn, who used it to solve Hilbert's third problem by proving that not all polyhedra with equal volume could be dissected into each other. Two polyhedra have a dissection into polyhedral pieces that can be reassembled into either one, if and only if their volumes and Dehn invariants are equal. Having Dehn invariant zero is a necessary (but not sufficient) condition for being a space filling polyhedron, and a polyhedron can be cut up and reassembled into a space filling polyhedron if and only if its Dehn invariant is zero. The Dehn invariant of a self intersection free flexible polyhedron is invariant as it flexes. Dehn invariants are also an invariant for dissection in higher dimensions, and (with volume) a complete invariant in four dimensions. The Dehn invariant is zero for the cube but nonzero for the other Platonic solids, implying that the other solids cannot tile space and that they cannot be dissected into a cube. All of the Archimedean solids have Dehn invariants that are rational combinations of the invariants for the Platonic solids. In particular, the truncated octahedron also tiles space and has Dehn invariant zero like the cube. The Dehn invariants of polyhedra are not numbers. Instead, they are elements of an infinite dimensional tensor space. This space, viewed as an abelian group, is part of an exact sequence involving group homology. Similar invariants can also be defined for some other dissection puzzles, including the problem of dissecting rectilinear polygons into each other by axis parallel cuts and translations.
Негізгі деректер
Екі өлшемде 19-ғасырдың басындағы Уоллес-Больяи-Гервиен теоремасы бойынша, тең ауданы бар кез келген екі көпбұрышты көпбұрышты бөліктерге бөліп, бір-біріне қайта құрастыруға болады. 19-ғасырдың соңында Дэвид Гилберт осы нәтижеге қызығушылық танытты. Ол оны Эвклид геометриясы үшін Гилберт аксиомаларымен байланыстырып, екі өлшемді көпбұрыштардың ауданын аксиомалау тәсілі ретінде пайдаланды. Бұл, Евклидтің «Элементтері» интуитивті түрде қарастырған аудан сияқты ұғымдарды нақтылап, геометрияның негіздерін қатаңдату бағдарламасының бір бөлігі болды. Әрине, бұл ұқсас аксиоматикалық тәсілді қатты геометрияға да қолдануға бола ма деген сұрақ тудырды. 1900 жылғы Халықаралық математиктер конгресінде Гилберт Гилберт проблемаларын тұжырымдады – бұл 20-ғасыр математикасына зор әсер еткен проблемалар жиынтығы. Солардың бірі, Гилберттің үшінші мәселесі, қатты дене көлемінің аксиоматизациясы мәселесін қарастырды. Гилберттің үшінші мәселесі нақтырақ айтқанда, тең көлемді кез келген екі көпжақты әрқашан көпжақты бөліктерге бөліп, бір-біріне қайта құрастыруға бола ма деген сұрақ қойды. Егер осылай болса, кез келген көпжақтың көлемін аксиоматикалық түрде, оны қайта құрастыруға болатын эквивалентті текше көлемі ретінде анықтауға болар еді. Алайда, жауап теріс болды: барлық көпжақты текшелерге бөлу мүмкін емес. Гилберттің басқа проблемаларынан айырмашылығы, үшінші проблемаға жауап тез табылды. Шындығында, Рауль Брикард оны 1896 жылы теорема ретінде жариялаған, бірақ дәлелі толық емес болып шықты. Гилберттің шәкірті Макс Ден 1900 жылғы хабилитациялық диссертациясында осы мәселені шешу үшін Ден инвариантын ойлап тапты. Ден екі тең көлемді көпжақты бір-біріне қайта құрастыру үшін олардың Ден инварианттары да тең болуы керек екенін дәлелдеді, бірақ ол тең көлемді екі тетраэдр тапты, олардың Ден инварианттары әртүрлі болды. Бұл мәселенің теріс шешімін берді. Дехн өзінің инвариантын басқаша тұжырымдаса да, Ден инвариантына қазіргі көзқарас оны тензорлық көбейтіндідегі мән ретінде сипаттау болып табылады.
the modern approach to Dehn's invariant is to describe it as a value in a tensor product, following .
Қарапайымдастырылған есептеу
Дехн инвариантын барлық көпжақтарға бір мезгілде қолдануға болатын етіп анықтау шексіз өлшемді векторлық кеңістіктерді қажет етеді (төменде қараңыз). Дегенмен, егер оны платондық денелер сияқты шекті сандағы көпжақтардан тұратын нақты бір мысалмен шектелген жағдайда, оны қарапайымдау жолмен, тек шекті сандағы өлшемдерді қолдана отырып анықтауға болады: Барлық көпжақтардың қабырға ұзындықтары мен диэдрлік бұрыштарын (бір қабырға бойымен жанасатын екі жақ арасындағы бұрыш) анықтаңыз. Рационалдық негіз құрайтын бұрыштардың ішкі жиынын табыңыз. Яғни, әрбір диэдрлік бұрышты рационалдық коэффициенттері бар негізгі элементтердің сызықтық комбинациясы түрінде көрсетуге болады. Сонымен қатар, негізгі элементтердің ешқандай рационалдық сызықтық комбинациясы нөлге тең болмауы керек. Осы негізге (немесе оның рационалдық еселігіне) кірістіріңіз. Көпжақтың әрбір қабырғасы үшін оның диэдрлік бұрышын негізгі бұрыштардың рационалдық комбинациясы ретінде көрсетіңіз. Осы комбинациядағы рационалдық еселікке сәйкес келетін коэффициентті жойыңыз. Қалған коэффициенттерді негізгі бұрыштарды көрсететін вектордың координаттары ретінде қарастырыңыз және бұл векторды қабырға ұзындығымен көбейтіңіз. Көпжақтың барлық қабырғалары үшін векторларды қосып, оның Дехн инвариантын табыңыз. Бұл әдіс негізгі элементтерді таңдауда еркіндік береді, бірақ бұл таңдаулар Дехн инварианттарын көрсететін коэффициенттерге ғана әсер етеді. Абстрактты векторлық кеңістіктің элементтері ретінде, олар негізді таңдауға тәуелді емес. Кез келген шекті көпжақтар жиынының Дехн инварианттарымен құрылған векторлық кеңістік, барлық көпжақтардың Дехн инварианттары анықталатын шексіз өлшемді векторлық кеңістіктің шекті өлшемді ішкі кеңістігін құрайды. Диэдрлік бұрыштардың рационалдық сызықтық комбинациялармен қандай байланыста екендігі туралы сұрақ әрқашан да оңай шешілмейді және сандық теорияның күрделі әдістерін қажет етуі мүмкін.
Determine the edge lengths and dihedral angles (the angle between two faces meeting along an edge) of all of the polyhedra. Find a subset of the angles that forms a rational basis. This means that each dihedral angle can be represented as a linear combination of basis elements, with rational number coefficients. Additionally, no rational linear combination of basis elements may sum to zero. Include (or a rational multiple of ) in this basis. For each edge of a polyhedron, represent its dihedral angle as a rational combination of angles from the basis. Discard the coefficient for the rational multiple of in this combination. Interpret the remaining coefficients as the coordinates of a vector whose dimensions represent basis angles, and scale this vector by the edge length. Sum the vectors for all edges of a polyhedron to produce its Dehn invariant. Although this method involves arbitrary choices of basis elements, these choices affect only the coefficients by which the Dehn invariants are represented. As elements of an abstract vector space, they are unaffected by the choice of basis. The vector space spanned by the Dehn invariants of any finite set of polyhedra forms a finite dimensional subspace of the infinite dimensional vector space in which the Dehn invariants of all polyhedra are defined. The question of which combinations of dihedral angles are related by rational linear combinations is not always straightforward, and may involve nontrivial methods from number theory.
Қарым-қатынастағы көпбұрыштар
Кез келген параллелепипедтің Дехн инварианты нөлге тең, текше үшін де солай. Паралелепипедтегі төрт параллель қабырғаның әрбір жиыны бірдей ұзындыққа ие және олардың диэдрлік бұрыштарының қосындысы π-ға тең, сондықтан олардың Дехн инвариантына қосқан үлесі нөлге дейін қысқарады. Басқа Архимедтік денелердің Дехн инварианттарын да Платондық денелердің инварианттарының рационалды комбинациялары түрінде беруге болады. Бұрынғыдай бірдей негізді пайдалана отырып, және осы пішіндердің қабырға ұзындығы 1-ге тең деген болжаммен, Дехн инварианттары:
қысқартылған тетраэдр үшін.
қысқартылған куб, ромбикубоктаэдр және кубоктаэдр үшін.
кеңістікті бөлетін бітпен кесілген кубикалық ұяшық сияқты, қысқартылған октаэдр үшін.
қысқартылған додекаэдр үшін.
қысқартылған икосаэдр үшін.
икозидодекаэдр үшін.
ромбикозидодекаэдр үшін.
қысқартылған икозидодекаэдр үшін. Бұл кеңістікті тікелей кеспейді, бірақ зонагедрон ретінде оны параллелепипедтерге бөлуге болады, олар кеңістікті кеседі.
for the truncated tetrahedron. for the truncated cube, rhombicuboctahedron, and cuboctahedron. for the truncated octahedron, which tiles space as the bitruncated cubic honeycomb. for the truncated dodecahedron. for the truncated icosahedron. for the icosidodecahedron. for the rhombicosidodecahedron. for the truncated icosidodecahedron. This does not tile space directly, but as a zonohedron it can be partitioned into parallelepipeds, which do.
Қолданбалар
Байқағанымыздай, Дехн инварианты полиэдрлерді бөлшектеу үшін инвариант болып табылады, яғни полиэдрді кіші полиэдрлі бөлшектерге кесіп, содан кейін оларды басқа полиэдрге қайта құрастыру нәтижедегі Дехн инвариантын өзгертпейді. Егер осы кесу процесінде жаңа жиек енгізілсе, онда ол көпбұрыштың ішкі жағында және диэдрлік бұрыштардың жалпы қосындысы π-ға тең болады, немесе көпбұрыштың бетінде және диэдрлік бұрыштардың жалпы қосындысы 2π-ға тең болады; екі жағдайда да бұл инвариантқа үлес қоспайды. Дәл осындай талдау көрсеткендей, полиэдрдің қиылысуы кезінде жаңа бет пайда болған кезде, полиэдрдің жиегі жаңа беттің шекарасы болған жағдайда да Дехн инвариантында өзгеріс болмайды. Бұл жиектегі жаңа диэдрлік бұрыштардың қосындысы бұрынғыдай болады, демек Дехн инвариантына да сондай үлес қосады. Дисекцияның тағы бір инварианты - полиэдрдің көлемі: оны полиэдрлі бөлшектерге кесіп, бөлшектерді қайта құрастыру оның жалпы көлемін өзгерте алмайды. Сондықтан, егер бір полиэдр P екінші полиэдр Q-ға бөлшектелсе, P мен Q екеуінің де Дехн инварианты мен көлемі бірдей болуы керек. Осы нәтижені пайдаланып, көлем мен Дехн инварианты осы мәселенің жалғыз инварианттары екені дәлелденді. Егер P және Q екеуінің де көлемі мен Дехн инварианты бірдей болса, онда бірін екіншісіне бөлшектеу әрқашан мүмкін. Дехн инварианты полиэдрдің кеңістікті мозаикалау қабілетін де шектейді. Кез келген кеңістікті толтыратын мозаика Дехн инварианты нөлге тең, мысалы, текше. Полиэдр кеңістікті периодты түрде мозаикаласа, онда мозаиканың периодтылығын пайдаланып, оны сол периодтылыққа ие параллелепипедке кесіп, қайта орналастыруға болады, бірақ бұл нәтиже Шмитт-Конвей-Данцер бипризмі сияқты апериодтық мозаикалар үшін де жарамды. Бұл керісінше дұрыс емес – Дехн инварианты нөлге тең полиэдрлер бар, олар кеңістікті мозаикаламайды. Алайда, оларды әрқашан басқа пішінге (куб) бөлшектеуге болады, ол кеңістікті мозаикалайды. Қырқылған икозидодекаэдр осыған мысал. Дехннің нәтижесі сфералық және гиперболалық геометрия үшін де жарамды. Осы геометриялардың екеуінде де, бір-біріне кесіліп, қайта құрастырылатын екі полиэдрдің Дехн инварианты бірдей болуы керек. Алайда, Джессен байқағандай, Сидлер нәтижесін сфералық немесе гиперболалық геометрияға кеңейту әлі де ашық мәселе болып қалып отыр: бірдей көлемді және бірдей Дехн инварианты бар екі сфералық немесе гиперболалық полиэдрді әрқашан кесіп, бір-біріне қайта құрастыруға болатыны белгісіз. Кез келген шекті көлемді гиперболалық кеңістікті геодезиялық беттер бойымен гиперболалық полиэдрге (кеңістіктің негізгі тобының негізгі домені) кесуге болады, ол кеңістіктің әмбебап жамылғысын мозаикалайды, сондықтан міндетті түрде нөлдік Дехн инвариантына ие. Жалпы алғанда, егер полиэдрлердің қандай да бір комбинациясы кеңістікті мозаикаласа, онда олардың Дехн инварианттарының қосындысы (бірдей пропорцияда алынған) нөлге тең болуы керек. Мысалы, тетраэдрлік октаэдрлік бал арасы - бұл тетраэдрлер мен октаэдрлердің кеңістікті мозаикалауы (октаэдрлерге қарағанда екі есе көп тетраэдрлер бар), бұл октаэдр мен екі тетраэдрдің (бірдей қабырға ұзындығы бар) Дехн инварианттарының қосындысы нөлге тең екенін көрсетеді.
Шеті шексіз ұзындықты гиперболалық көпбұрыштар
Гиперболалық кеңістіктегі идеалды көпбұрыштардың қабырға ұзындығы шексіз болғандықтан, Дехн инвариантының стандартты анықтамасы қолданылмайды. Дегенмен, Дехн инвариантын осы көпбұрыштарға горосфералар арқылы төбелерін қиып тастау және нәтижедегі қиылған нысан үшін әдеттегідей есептеу арқылы кеңейтуге болады, осы қиып тастау процесінде пайда болған қосымша иісті қабырғаларды назарға алмастан. Қиып тастау үшін таңдалған горосфераларға нәтиже байланысты емес, егер әрқайсысы берілген көпбұрыштың тек бір төбесін қиып тастаса.
Байланысты нәтижелер
Дэн инвариантына өте ұқсас тәсіл екі тікбұрышты көпбұрыштарды тек оське параллель кесулер мен жылжулар (еркін бұрыштар мен айналулардың орнына) қолдану арқылы бір-біріне бөлуге болатынын анықтау үшін қолданылуы мүмкін. Осындай бөлудің инварианты тензорлық көбейтіндіні пайдаланады, онда көбейтіндідегі сол және оң жақтар тіктөртбұрыштардың биіктігі мен енін көрсетеді. Кез келген берілген көпбұрыштың инварианты көпбұрышты тіктөртбұрыштарға бөліп, әрбір тіктөртбұрыштың биіктігі мен енінің тензорлық көбейтіндісін алып, нәтижелерді қосу арқылы есептеледі. Бөлу мүмкін, егер және тек егер екі көпбұрыш бірдей инвариантқа ие болса, бұл олардың аудандары да тең екенін білдіреді. Бұл инвариант Денаның 1903 жылғы тағы бір нәтижесін дәлелдеу үшін қолданылуы мүмкін: егер бірдей ауданға ие екі тіктөртбұрышты бір-біріне бөлуге болады, онда олардың қатынасы рационалды санға тең болуы керек. Осыдан, квадраттардың бірігімінен құралған полиомино тек қана квадрат саны болғанда ғана квадратқа бөліне алады. Дэн инвариантының осы нұсқасы үшін тензорлық дәрежесі көпбұрышты бөлуге болатын тіктөртбұрыштардың ең аз санына тең. Иілгіш полиэдрлер – беттерінің пішінін сақтай отырып, үздіксіз қозғалыс жасай алатын полиэдрлер класы. Кошидің қатаңдық теоремасы бойынша, олар дөңес емес болуы керек, және полиэдрдің көлемі осы қозғалыс барысында тұрақты болып қалады ("Беллоус теоремасы") белгілі. Бұл теореманың күшті нұсқасы мұндай полиэдрдің Дена инварианты кез келген үздіксіз қозғалыс кезінде өзгермейтін болып қалуы керек екенін көрсетеді. Бұл нәтиже "күшті баллон теоремасы" деп аталады. Бұл барлық өзімен қиылыспайтын иілгіш полиэдрлер үшін дәлелденген. Дегенмен, өзімен қиылысатын күрделі иілгіш полиэдрлер үшін Дена инварианты полиэдр иілгенде үздіксіз өзгеруі мүмкін. Тегіс беттің жалпы орташа қисықтығы Dehn инвариантына ұқсас анықтаманы қолдану арқылы полиэдр беттеріне жалпылауға болады, яғни шеттердің ұзындықтарының шеттер бойынша қосындысы сыртқы диэдрлік бұрыштармен көбейтіледі. Ол кез келген иілгіш полиэдр үшін тұрақты болып қалатыны да дәлелденген.
where the left and right terms in the product represent height and width of rectangles. The invariant for any given polygon is calculated by cutting the polygon into rectangles, taking the tensor product of the height and width of each rectangle, and adding the results. A dissection is possible if and only if two polygons have the same invariant, which implies that they also have equal areas. This invariant can be used to prove another result of Dehn from 1903: two rectangles of the same area can be dissected into each other if and only if their aspect ratios are rational multiples of each other. It follows that a polyomino formed from a union of squares can only be dissected in this way to a square when is a square number. For this version of the Dehn invariant, the tensor rank equals the minimum number of rectangles into which a polygon can be dissected. Flexible polyhedra are a class of polyhedra that can undergo a continuous motion that preserves the shape of their faces. By Cauchy's rigidity theorem, they must be non convex, and it is known (the "bellows theorem") that the volume of the polyhedron must stay constant throughout this motion. A stronger version of this theorem states that the Dehn invariant of such a polyhedron must also remain invariant throughout any continuous motion. This result is called the "strong bellows theorem". It has been proven for all non self intersecting flexible polyhedra. However, for more complicated flexible polyhedra with self intersections the Dehn invariant may change continuously as the polyhedron flexes. The total mean curvature of a smooth surface can be generalized to polyhedral surfaces using a definition similar to the Dehn invariant, as the sum over the edges of the edge lengths multiplied by the exterior dihedral angles. It has also been proven to remain constant for any flexing polyhedron.