Введение
В геометрии (угловой) дефект (или дефицит, или недостаток) означает несовпадение суммы некоторых углов с ожидаемым значением в 360° или 180°, в отличие от того, как это происходит на евклидовой плоскости. Противоположным понятием является избыток. Классически дефект возникает двумя способами:
дефект вершины многогранника;
дефект гиперболического треугольника;
а избыток также возникает двумя способами:
избыток тороидального многогранника; избыток сферического треугольника.
В евклидовой плоскости углы вокруг точки в сумме дают 360°, а внутренние углы треугольника – 180° (эквивалентно, внешние углы – 360°). Однако на выпуклом многограннике углы при вершине в сумме меньше 360°, на сферическом треугольнике внутренние углы всегда в сумме больше 180° (внешние углы – меньше 360°), а углы в гиперболическом треугольнике всегда в сумме меньше 180° (внешние углы – больше 360°). В современных терминах дефект при вершине является дискретной версией кривизны многогранной поверхности, сосредоточенной в этой точке, а теорема Гаусса — Бонне дает общую кривизну как произведение на Эйлерову характеристику, таким образом, сумма дефектов равна .
the defect of a vertex of a polyhedron;
the defect of a hyperbolic triangle;
and the excess also arises in two ways:
the excess of a toroidal polyhedron. the excess of a spherical triangle;
In the Euclidean plane, angles about a point add up to 360°, while interior angles in a triangle add up to 180° (equivalently, exterior angles add up to 360°). However, on a convex polyhedron the angles at a vertex add up to less than 360°, on a spherical triangle the interior angles always add up to more than 180° (the exterior angles add up to less than 360°), and the angles in a hyperbolic triangle always add up to less than 180° (the exterior angles add up to more than 360°). In modern terms, the defect at a vertex is a discrete version of the curvature of the polyhedral surface concentrated at that point, and the Gauss–Bonnet theorem gives the total curvature as times the Euler characteristic , so the sum of the defects is .
Дефект вершины
Для многогранника дефект в вершине равен 2π минус сумма всех углов при этой вершине (с учетом всех граней, сходящихся в вершине). Если многогранник выпуклый, то дефект каждой вершины всегда положителен. Если сумма углов превышает полный оборот, как это бывает в некоторых вершинах многих невыпуклых многогранников, то дефект отрицателен. Понятие дефекта распространяется на более высокие размерности как величина, на которую сумма двугранных углов ячеек в вершине не достигает полного круга.
Теорема Декарта
Теорема Декарта об "общем дефекте" многогранника гласит, что если многогранник гомеоморфен сфере (то есть топологически эквивалентен сфере, так что его можно деформировать в сферу растяжением без разрывов), то "общий дефект", то есть сумма дефектов всех вершин, составляет два полных круга (или 720° или 4 радиана). Многогранник не обязательно должен быть выпуклым. Обобщение утверждает, что число кругов в общем дефекте равно эйлеровой характеристике многогранника. Это частный случай теоремы Гаусса — Бонне, связывающей интеграл гауссовой кривизны с эйлеровой характеристикой. Здесь гауссова кривизна сосредоточена в вершинах: на гранях и ребрах гауссова кривизна равна нулю, а интеграл гауссовой кривизны в вершине равен дефекту в этой вершине. Это можно использовать для вычисления числа вершин V многогранника, суммируя углы всех граней и прибавляя общий дефект. В результате получится один полный круг для каждой вершины многогранника. Необходимо следить за использованием правильной эйлеровой характеристики для данного многогранника. Обратная теорема представлена теоремой единственности Александрова, согласно которой метрическое пространство, локально евклидово, за исключением конечного числа точек с положительным угловым дефектом, в сумме дающим 4π, может быть единственным образом реализовано как поверхность выпуклого многогранника.