テッセラクト

Tesseract 8セル(4キューブ)
タイプ凸正4次元多面体
シュレーフリ記号{4,3,3} t 0,3 {4,3,2} または {4,3}×{ } t 0,2 {4,2,4} または {4}×{4} t 0,2,3 {4,2,2} または {4}×{ }×{ } t 0,1,2,3 {2,2,2} または { }×{ }×{ }×{ }
コクセター図
細胞8 {4,3}
24 {4}
エッジ32
頂点16
頂点図形四面体
ペトリー多角形八角形
コクセターグループB 4 , [3,3,4]
デュアル16セル
プロパティ凸面等角面等等面体等面体ハンナー多面体
均一インデックス10

幾何学において、テッセラクト(Tesseract)または4次元立方体は、2次元の正方形や3次元の立方体に相当する4次元の超立方体です。[ 1 ]正方形の周囲が4辺で構成され、立方体の表面が6つの正方形ので構成されているのと同様に、テッセラクト(Tesseract)の超曲面は、互いに直角に交わる8つの立方体セルで構成されています。テッセラクトは、6つの凸正多面体のうちの1つです。

テッセラクトは、 8セルC 8、(正)オクタクロロン、または立方柱とも呼ばれます。これは、超体積の単位として用いられる4次元測度多面体です。 [ 2 ]コクセターはこれをγ 4多面体と名付けました。[ 3 ]次元の参照がない「超立方体」 という用語は、この特定の多面体の同義語として扱われることがよくあります。

オックスフォード英語辞典によると、テッセラクト(tesseract)という語は、チャールズ・ハワード・ヒントンの1888年の著書『思想の新時代』に由来する。この語はギリシャ語のテッサラτέσσαρα「4」)とアクティスἀκτίς「光線」)に由来し、各頂点から他の頂点へと伸びる4本の辺を指す。ヒントンは当初、この語をテッサラクトと綴っていた。[ 4 ]

工事

四次元方位図の構築は、次の手順で次元の類推を通じて視覚化できます。

  1. 線分を形成する特定の長さの 2 つの点を取り出すことができます。
  2. 同じ線分が、それ自体から垂直方向に同じ長さである場合、その線分は外側に広がり、正方形(立方体)を形成します。その結果、4つの点と4つの線分が生まれ、それぞれ頂点と辺と呼ばれます。
  3. 同じ長さの正方形を、それが置かれている平面に垂直な方向に移動すると、立方体(三次元立方体)が生成されます。立方体には8つの頂点、12の辺、そして6つの正方形があります。これらの正方形は面と呼ばれます。
  4. 同じ長さの立方体を再び 4 次元空間に移動すると、四次元立方体 (4 次元立方体) が生成されます。

テッセラクトは、セルと呼ばれる8つの立方体で囲まれ、各セルは交差して24の正方形面を形成します。各辺では、3つの立方体と3つの正方形が交差します。すべての頂点では、4つの立方体、6つの正方形、4つの辺が交差します。全体として、テッセラクトは8つの立方体、24の正方形、32の辺、16の頂点で構成されます。テッセラクトは、正方形と立方体と同様に、超立方体のファミリーに属します。[ 5 ]

次元の変化のアニメーション
ダリの十字架は、3次元空間で8つの立方体に展開される261個のテッセラクトネットの1つである。

多面体の展開はネットと呼ばれる。テッセラクトには 261 種類のネットがある。[ 6 ]テッセラクト展開は、ネットをペアになった木補集合完全マッチングを持つ)にマッピングすることで数えることができ、3次元空間を敷き詰めることができる。[ 7 ]ダリ十字はネットの例の一つで、スペインのシュルレアリスト芸術家サルバドール・ダリの 1954 年の絵画Corpus Hypercubusにちなんで名付けられた。これは 8 つの立方体で構成され、4 つの立方体が垂直に積み重ねられ、他の 4 つの立方体が積み重ねの上から 2 番目の立方体に取り付けられている。[ 8 ] [ 9 ]

プロパティ

テッセラクト (teseract) の 8 つのセルは、4 つの立方体が 2 つ連結したリングとして、3 つの異なる方法で考えることができます。[ 10 ] 3 つの立方体がすべての辺の周りで折り畳まれた正多面体として、これは384 次超八面体対称性のシュレーフリ記号{4,3,3}を持ちます。2 つの平行な立方体でできた4D超プリズムとして構築されると、これは対称性次数が 96 の合成シュレーフリ記号 {4,3} × { } と名付けられます。2つの正方形の直積である 4-4デュオプリズムとしては、これは対称性次数が 64 の合成シュレーフリ記号 {4}×{4} で名付けられます。直交面として、これは対称性次数が 16の合成シュレーフリ記号 { } × { } × { } × { } または { } 4で表すことができます。

テッセラクトの各頂点は4つの辺に隣接しているため、テッセラクトの頂点図形は正四面体です。テッセラクトの双対多面体は、シュレーフリ記号{3,3,4}を持つ16セルであり、これと組み合わせることで、テッセラクトと16セルの複合体を形成できます。

正則四次元方陣の各辺は同じ長さです。これは、並列計算において複数のプロセッサを接続するネットワークトポロジの基盤として四次元方陣を用いる際に重要です。2つのノード間の距離は最大4であり、重みのバランスをとるための様々なパスが存在します。

四次元方陣は、より小さな4次元多面体に分解できます。これは、2つの半四次元方陣(16セル)の合成物の凸包です。また、四次元方陣と頂点を共有する4次元単体不規則な5セル)に三角形分割することもできます。このような三角形分割は92,487,256あり[ 11 ]、その中で4次元単体が最も少ないのは16個である[ 12 ]。

四次元方陣をその特徴的な単体のインスタンスに分解する(コクセター図を含む特定のオルソスキーム))は、四次元立方体の最も基本的な直接構成法である。四次元立方体の特性5セルは、四次元立方体を定義する対称群基本領域であり、この群はB 4多面体を生成する。四次元立方体の特性単体は、その境界面(鏡面壁) に自身を映し出すことで、群の作用を通じて四次元立方体を直接生成する。

単位四次元方陣

単位四次元方位は辺の長さが1であり、通常、4次元空間における超体積の基本単位とされる。4次元空間の直交座標系における単位次元方位は、座標[0, 0, 0, 0][1, 1, 1, 1]に対向する2つの頂点を持ち、その他の頂点は01のあらゆる組み合わせの座標を持つ。これは、各軸における閉単位区間[0, 1]の直交積である。

場合によっては、単位四次元方陣は原点を中心として、座標がより対称的になります。これは、各軸の 閉区間の直積です。

もう一つの便利な四次元方陣は、各軸上の閉区間の直積であり、頂点は座標 である。この四次元方陣は、辺の長さが 2 で、超体積が である。[ 13 ]

放射状正対称

正多面体に外接する超球面の半径は、多面体の中心から頂点の 1 つまでの距離であり、四次元立方体の場合、この半径はその辺の長さに等しくなります。球面の直径、つまり四次元立方体の反対の頂点間の対角線の長さは、辺の長さの 2 倍です。この特性を持つ均一多面体は、4 次元の四次元立方体と24 セル、3 次元の立方八面体、2 次元の六角形など、ごく少数に限られます。特に、四次元立方体は、放射状に正三角形 となる唯一の超立方体です (0 次元の点を除く)。次元超立方体の単位辺の長さの頂点間の最長の対角線は で、正方形の場合は、立方体の場合は、四次元立方体の場合のみ 、辺の長さは です。

単位半径3次元球面に内接する軸に沿った四次元方陣の頂点の座標は次の通りである。

数式

クラトフスキーの定理またはワグナーの定理を用いて、 K 5(上)またはK 3,3(下)のサブグラフを見つけることで、超立方体グラフが非平面であることを言葉なしで証明する

辺の長さがsの四次元方位体の場合:

  • ハイパーボリューム(4D):
  • 表面の「ボリューム」(3D):
  • 顔の対角線
  • セル対角線:
  • 4 スペース対角線:

構成として

この配置行列は四次元方陣を表します。行と列は頂点、辺、面、セルに対応します。対角線上の数字は、各要素が四次元方陣全体にいくつ出現するかを表します。対角線はfベクトル(16,32,24,8)に簡約されます。

非対角数は、列の要素が行の要素にいくつ出現するかを示します。[ 14 ]たとえば、2行目の最初の列の2は、各辺に(つまり、端に)2つの頂点があることを示し、1行目の2列目の4は、各頂点で4つの辺が交わることを示します。

一番下の行は面(ここでは立方体)を定義し、fベクトルは(8,12,6)です。対角線の左隣の行は稜線要素(立方体の面)で、ここでは正方形(4,4)です。

上の行は頂点図形(ここでは四面体、(4,6,4))のfベクトルです。次の行は頂点図形の稜線(ここでは三角形、(3,3))です。

予測

立方体を 2 次元空間に投影するのと同様に、四次元立方体を 3 次元および 2 次元空間に投影することができます。

四次元立方体の平行投影エンベロープ(各セルは異なる色の面で描画され、反転したセルは描画されません)
菱形十二面体は、四次元立方体の頂点優先平行射影の凸包を形成します。この射影の層に含まれる頂点の数は1 4 6 4 1で、パスカルの三角形の4番目の行に相当します。

テッセラクトを3次元空間にセル優先平行投影すると、立方体の外殻が形成されます。最も近いセル最も遠いセルが立方体に投影され、残りの6つのセルが立方体の6つの正方形の面に投影されます。

テッセラクトを面から平行投影して三次元空間に投影すると、直方体の外殻が形成されます。2セルはこの外殻の上半分と下半分に投影され、残りの4つのセルは側面に投影されます。

テッセラクトを3次元空間に辺優先平行投影すると、六角柱状の包絡線が形成されます。6セルは六角柱に配列された菱形プリズムに投影されます。これは、3次元立方体の面が頂点優先投影による六角形の包絡線内の6つの菱形に投影されるのと類似しています。残りの2つのセルはプリズムの底面に投影されます。

テッセラクトを3次元空間に頂点優先平行投影すると、菱形十二面体の包絡線が形成されます。テッセラクト2つの頂点は原点に投影されます。菱形十二面体を4つの合同な菱形面体に分割する方法は正確に2つあり、合計8つの菱形面体が得られます。これらの菱形面体はテッセラクトを投影した立方体です。この投影は体積が最大となる投影ベクトルでもあります。投影ベクトルの組は、 u = (1,1,−1,−1)v = (−1,1,−1,1)w = (1,−1,−1,1)です。

テッセラクト(四次元立方体)のB 4コクセター平面投影内の各立方体を示すアニメーション
正投影図
コクセター飛行機B4B 4 --> A 3A3
グラフ
二面対称性[8] [4] [4]
コクセター飛行機 他の B 3 / D 4 / A 2B 2 / D 3
グラフ
二面対称性 [2] [6] [4]
隠線を破線として示した正投影コクセター平面 B 4グラフと、隠線のない四次元方位図。
4次元空間において、平面を軸に単純な回転を行うテッセラクト(四次元立方体)の3D投影図。平面は、図形を左前方から右後方、そして上から下に二等分します。 4 次元空間内の 2 つの直交平面を中心に 二重回転を実行するテッセラクト (四次元立方体) の 3D 投影。
面のある四次元立方体と面のない四次元立方体の3D投影
隠れたボリュームを消去した遠近法。赤い角は4Dで最も近い角であり、その周囲に4つの立方体セルが集まっています。

面体は、四次元立方体の頂点中心中心投影の凸包を形成します。8つの立方体セルのうち4つが表示されています。16番目の頂点は無限遠に投影されており、その4辺は表示されていません。

立体投影

(辺は3次元球面に投影される)

テッセラクト立体3D投影(平行投影)
立体3D無武装ハイパーキューブ

テッセレーション

四次元方陣は、他の超立方体と同様に、ユークリッド空間をモザイク状に敷き詰める 。各面の周りに4つの四次元方陣が配置された自己双対なハニカム状の四次元方陣は、シュレーフリ記号{4,3,3,4}で表される。したがって、この四次元方陣の二面角は90°である。[ 15 ]

テッセラクト (Tesseract) の放射状正三角形対称性により、そのモザイク模様は、任意の次元数において、等しい大きさの球体から 成る唯一の規則的な体心立方格子になります。

テッセラクト (Tesseract) はハイパーキューブシリーズの 4 番目です。

ペトリー多角形正投影
線分四角キューブ4キューブ5キューブ6キューブ7キューブ8キューブ9キューブ10キューブ

四次元多面体 (8 セル) は、6 つの凸正多面体のシーケンスの中で 3 番目です (サイズと複雑さの順)。

正凸4次元多面体
対称群A4B4F4H4
名前 5セル

四面体 5点

16セル

八面体 8点

8セル

ハイパーキューブ 16ポイント

24セル

24ポイント

600セル

二十面体 120点

120セル

十二面体 600ポイント

シュレーフリ記号{3, 3, 3} {3, 3, 4} {4, 3, 3} {3, 4, 3} {3, 3, 5} {5, 3, 3}
コクセターミラー
鏡面二面角 𝝅/3𝝅/3𝝅/3𝝅/2𝝅/2𝝅/2𝝅/3𝝅/3𝝅/4𝝅/2𝝅/2𝝅/2𝝅/4𝝅/3𝝅/3𝝅/2𝝅/2𝝅/2𝝅/3𝝅/4𝝅/3𝝅/2𝝅/2𝝅/2𝝅/3𝝅/3𝝅/5𝝅/2𝝅/2𝝅/2𝝅/5𝝅/3𝝅/3𝝅/2𝝅/2𝝅/2
グラフ
頂点 5つの四面体 8面体 16 四面体 24立方体 120面体 600四面体
エッジ10個の三角形 24平方 32 三角形 96三角形 720五角形 1200 三角形
10個の三角形 32個の三角形 24個の正方形 96個の三角形 1200個の三角形 720個の五角形
細胞 5つの四面体 16個の四面体 8個のキューブ 24個の八面体 600個の四面体 120面体
トリ1 5面体2 8面体2 4キューブ4 6面体20 30四面体12 10面体
内接 120セルで120個 120セルで675 2 16セル 3 8セル 25 24セル 10 600セル
素晴らしいポリゴン2つの正方形×3 長方形4つ×4 4つの六角形×4 12角形×6 不規則な六角形100 個x 4
ペトリー多角形五角形1個×2 八角形1個×3 八角形2個×4 十二角形2個×4 30角形4個×6 20 30角形x 4
長半径
エッジの長さ
短い半径
エリア
音量
4-コンテンツ

均一なデュオプリズムとして、テッセラクト(四次元方陣)は均一なデュオプリズムのシーケンス{ p }×{4} に存在します。

正四次元方位角は、 16セルとともに、同じ対称性を持つ15個の均一な4次元多面体の集合に存在します。四次元方位角{4,3,3}は、正四次元多面体とハニカムの列{ p ,3,3}に存在し、その頂点図形は{3,3}です。四次元方位角は、正四次元多面体とハニカムの列{ 4,3, p }にも存在し、その頂点図形は立方体です。

直交視点
4 {4} 2、16個の頂点と8個の4辺を持ち、8個の4辺はここでは4個の赤い正方形と4個の青い正方形として示されている。

正則複素多面体4 {4} 2は、4次元空間におけるテッセラクトまたは4-4デュオプリズムとして実数表現される。4 {4} 2 は16個の頂点と8本の4-辺を持つ。その対称性は4 [4] 2 、位数32である。また、より低い対称性を持つ構成も持つ。、または4 {}× 4 {}、対称性4 [2] 4、順序16。これは、赤と青の4辺が異なると見なされる場合の対称性です。[ 16 ]

四次元超立方体は発見以来、芸術、建築、SFの分野で人気のテーマとなっています。注目すべき例としては、以下のようなものがあります。

  • ロバート・A・ハインラインの1940年のSF小説「そして彼は歪んだ家を建てた」には、四次元の超立方体の形をした建物が登場する。 [ 17 ]この作品と、1946年に出版されたマーティン・ガードナーの「ノーサイド教授」は、読者にメビウスの帯クラインの壺、超立方体(テッセラクト)を紹介した最初のSF作品の一つである。
  • 磔刑(Corpus Hypercubus)は、サルバドール・ダリが1954年に制作した油絵で、4次元の超立方体が3次元のラテン十字架に展開されている様子が描かれている。 [ 18 ]
  • グランダルシュは、フランスのパリ近郊に​​ある記念碑兼建物で、1989年に完成しました。記念碑のエンジニアであるエリック・ライツェルによるとグランダルシュはハイパーキューブの投影に似せて設計されました。[ 19 ]
  • Fezは、他のキャラクターが見ることができる2次元を超えて見ることができるキャラクターを操作し、その能力を使ってプラットフォームパズルを解くビデオゲームです。プレイヤーが世界を移動し、能力の使い方を教えてくれるテッセラクト「ドット」が登場し、人間の認識を超えた次元空間を見るというテーマにぴったりです。 [ 20 ]

テッセラクトという語は、サイエンス フィクションの作品のプロット装置など、大衆文化のさまざまな場面で採用されていますが、4 次元超立方体とはほとんどまたは全く関係がありません。「テッセラクト (曖昧さ回避)」を参照してください。

参考文献

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ペトリー多角形正投影
線分四角キューブ4キューブ5キューブ6キューブ7キューブ8キューブ9キューブ10キューブ
家族アンB nI 2 ( p ) / D nE 6 / E 7 / E 8 / F 4 / G 2H n
正多角形三角形四角p角形六角形五角形
均一な多面体四面体八面体立方体デミキューブ十二面体二十面体
均一ポリクロロンペンタコロン16セルTesseractデミテッセラクト24セル120セル600セル
一様5次元多面体5単体5-オルソプレックス5-キューブ5デミキューブ
一様6次元多面体6単体6-オルソプレックス6-キューブ6デミキューブ1 222 21
一様7次元多面体7単体7-オルソプレックス7-キューブ7デミキューブ1 322 313 21
一様8次元多面体8単体8-オルソプレックス8-キューブ8デミキューブ1 422 414 21
一様9次元多面体9単体9-オルソプレックス9-キューブ9デミキューブ
一様10次元多面体10単体10-オルソプレックス10-キューブ10デミキューブ
n多面体n -単体n -オルソプレックスn -キューブn -デミキューブ1 k22 k1k 21n -五角形多面体
トピック:多面体族正多面体正多面体と複合多面体の一覧多面体の演算