Введение

Многогранник с правильными конгруэнтными многоугольниками в качестве граней.
Правильный многогранник – это многогранник, чья группа симметрии действует транзитивно на его флаги. Правильный многогранник обладает высокой симметрией, будучи транзитивным по ребрам, вершинам и граням. В классическом контексте используется множество различных эквивалентных определений; одним из распространенных является то, что грани представляют собой конгруэнтные правильные многоугольники, соединенные одинаковым образом вокруг каждой вершины. Правильный многогранник идентифицируется своим символом Шлефли вида {n, m}, где n – число сторон каждой грани, а m – число граней, сходящихся в каждой вершине. Существует 5 конечных выпуклых правильных многогранников (платоновы тела) и четыре правильных звездных многогранника (многогранники Кеплера — Пуансо), что в сумме составляет девять правильных многогранников. Кроме того, существует пять правильных соединений правильных многогранников.

Характеристика Эйлера

Пять платонических тел имеют характеристику Эйлера, равную 2. Это просто отражает тот факт, что поверхность является топологической 2-сферой, и поэтому справедливо, например, для любого многогранника, имеющего звездообразную форму относительно некоторой внутренней точки.

Внутренние точки

Сумма расстояний от любой точки внутри правильного многогранника до его граней не зависит от расположения точки (это обобщение теоремы Вивиани). Однако обратное утверждение неверно, даже для тетраэдров.

Предыстория

В Шотландии обнаружены камни, вырезанные в форме, напоминающей скопления сфер или шишек, возраст которых может достигать 4000 лет. Некоторые из этих камней демонстрируют не только симметрию пяти платоновых тел, но и отношения двойственности между ними (например, центры граней куба соответствуют вершинам октаэдра). Экземпляры этих камней выставлены в комнате Джона Эванса в музее Эшмолеана при Оксфордском университете. Причины создания этих объектов и источник вдохновения их авторов остаются загадкой. Существуют сомнения в математической интерпретации этих артефактов, поскольку многие из них имеют формы, отличные от платоновых, и, возможно, лишь один из них является подлинным икосаэдром, а не переосмыслением двойственного к нему додекаэдра. Также возможно, что этруски опередили греков в понимании, по крайней мере, некоторых правильных многогранников, о чем свидетельствует находка, сделанная в конце XIX века близ Падуи (на севере Италии) – додекаэдра из стеатита, датируемого периодом более 2500 лет назад (Линдеман, 1987).

Регулярные звездные полиэдры

Регулярные звёздные многоугольники, такие как пентаграмма (звёздный пентагон), также были известны древним грекам. Пентаграмма использовалась пифагорейцами в качестве своего тайного знака, но они не использовали их для построения многогранников. Лишь в начале XVII века Иоганн Кеплер понял, что пентаграммы могут использоваться в качестве граней регулярных звёздных многогранников. Некоторые из этих звёздных многогранников могли быть открыты и до Кеплера, но именно Кеплер первым признал, что они могут считаться «регулярными», если снять ограничение, согласно которому регулярные многогранники должны быть выпуклыми. Двести лет спустя Луи Понсо также допустил использование звёздных вершинных фигур (контуров вокруг каждого угла), что позволило ему открыть два новых регулярных звёздных многогранника, а также заново открыть многогранники Кеплера. Эти четыре являются единственными регулярными звёздными многогранниками и стали известны как многогранники Кеплера — Понсо. Лишь в середине XIX века, спустя несколько десятилетий после публикации работ Понсо, Кейли дал им современные английские названия: (Кеплера) малый звёздчатый додекаэдр и большой звёздчатый додекаэдр, а также (Понсо) большой икосаэдр и большой додекаэдр. Многогранники Кеплера — Понсо могут быть построены из платонических тел посредством процесса, называемого звёздообразованием. Обратный процесс звёздообразованию называется фасетированием (или гранением). Каждое звёздообразование одного многогранника является двойственным, или взаимно-однозначным, какому-либо фасетированию двойственного многогранника. Регулярные звёздные многогранники также можно получить путём фасетирования платонических тел. Это впервые было сделано Бертраном примерно в то же время, когда Кейли дал им названия. К концу XIX века, таким образом, существовало девять правильных многогранников — пять выпуклых и четыре звёздных.

Регулярные полиэдры в природе

Каждое из Платоновых тел встречается в природе в той или иной форме. Тетраэдр, куб и октаэдр встречаются в виде кристаллов. Это, однако, ни в коем случае не исчерпывает число возможных форм кристаллов (Смит, 1982, с. 212), которых насчитывается 48. Ни регулярный икосаэдр, ни регулярный додекаэдр среди них не встречаются, но кристаллы могут иметь форму пиритоэдра, который визуально почти неотличим от регулярного додекаэдра. Истинно икосаэдрические кристаллы могут формироваться из квазикристаллических материалов, которые крайне редки в природе, но могут быть получены в лабораторных условиях. Более поздним открытием стала серия новых типов углеродных молекул, известных как фуллерены (см. Curl, 1991). Хотя C60, наиболее легко получаемый фуллерен, выглядит более или менее сферическим, предполагается, что некоторые из более крупных разновидностей (такие как C240, C480 и C960) принимают форму слегка скругленных икосаэдров, размером в несколько нанометров. Регулярные многогранники встречаются и в биологии. Коколитофора Braarudosphaera bigelowii имеет регулярную додекаэдрическую структуру, диаметром около 10 микрометров. В начале XX века Эрнст Геккель описал ряд видов радиолярий, некоторые из которых имеют раковины, напоминающие различные правильные многогранники. Примеры включают Circoporus octahedrus, Circogonia icosahedra, Lithocubus geometricus и Circorrhegma dodecahedra; формы этих существ отражены в их названиях. В древности пифагорейцы верили в существование гармонии между правильными многогранниками и орбитами планет. В XVII веке Иоганн Кеплер изучал данные о движении планет, собранные Тихо Браге, и в течение десятилетия пытался подтвердить пифагорейский идеал, найдя соответствие между размерами многогранников и размерами планетных орбит. Его поиски не увенчались первоначальным успехом, но в результате этого исследования Кеплер открыл тела Кеплера как правильные политопы, осознал, что орбиты планет не являются кругами, и сформулировал законы движения планет, благодаря которым он и прославился. Во времена Кеплера было известно лишь пять планет (не считая Земли), что точно соответствовало числу Платоновых тел. Работы Кеплера и последующее открытие Урана и Нептуна опровергли пифагорейскую идею. Примерно в то же время, что и пифагорейцы, Платон разработал теорию материи, согласно которой пять элементов (земля, воздух, огонь, вода и эфир) состояли из крошечных копий одного из пяти правильных многогранников. Материя строилась из смеси этих многогранников, при этом каждое вещество имело различные пропорции в смеси. Через две тысячи лет атомная теория Дальтона показала, что эта идея была верной, хотя и не связана напрямую с правильными многогранниками.

Дальнейшие обобщения

В XX веке последовательность обобщений идеи правильного многогранника привела к возникновению нескольких новых классов.

Регулярные полиэдры в неевклидовом и других пространствах

Исследования неевклидовых (гиперболических и эллиптических) и других пространств, таких как комплексные пространства, открытые в течение предыдущего столетия, привели к обнаружению новых многогранников, например, комплексных многогранников, которые могли принимать регулярную геометрическую форму лишь в этих пространствах.

Регулярные полиэдры в гиперболическом пространстве

В гиперболическом пространстве H3 паракомпактные регулярные соты имеют эвклидовы грани и вершинные фигуры, действующие как конечные многогранники. Такие покрытия имеют угловой дефект, который можно устранить, изгибая их в ту или иную сторону. При правильном масштабировании покрытие замкнётся в виде асимптотической границы в одной идеальной точке. Эти эвклидовы покрытия вписаны в горосферу, подобно тому, как многогранники вписаны в сферу (которая содержит ноль идеальных точек). Последовательность продолжается, когда гиперболические покрытия сами используются в качестве граней некомпактных гиперболических разбиений, как, например, в семиугольных сотах {7,3,3}; они вписаны в равноудалённую поверхность (2-гиперцикл), которая имеет две идеальные точки.