超正方體

超正方體

幾何學中的四維方體
超正方體其實就是凸正多胞體中的正八胞體,是四維空間中立方體的類比,4-4邊形柱,有8個立方體胞。[1]超立方體沒有角度概念,但是任何一個頂點達到相鄰頂點的距離都是相等的。這和正六百胞體十分相似。就像人們能從三維圖形在二維的投影,想象出三維空間的形狀一樣,我們也可以通過四維方體在三維空間的投影,想象四維方體的具體外形。由此就延伸出了施萊格爾投影的概念。
    中文名:超正方體 外文名: 适用領域: 所屬學科:四維幾何學 英文名:Tesseract 别稱:超立方體或正八胞體 性質:四維空間裡的幾何産物 特點:無2維距離、角度概念

簡介

超立方體,又被稱為正八胞體(8-cell,Regular octachoron),立方體柱(Cubic prism),4-4邊形柱(4-4 duoprism),是一個四維空間裡的幾何産物。

投影

施萊格爾

四維方體不易想象,但可以投射至3維或2維空間。在2維平面的投射,把頂點位置調整後,可以了解更多。如此獲得的圖像,不再反映四維方體空間構造,而是反映頂點間的聯系。

看到的三維物體是經過一次投影之後呈現在視網膜上(紙上,屏幕上),但四維立方體不能通過普通投影的方式讓人們看見隻能先投影成三維的物體,再經過一次投影才能到視(網膜上,紙上,屏幕)

對于生活在三維空間的人類來說,四維世界是很神秘的概念。正像生活在二維世界裡的小人(如果存在)很難想象三維世界一樣,我們同樣難于想象四維世界。不過也正像我們可以通過研究三維物體在二維物體上的投影來研究想象三維物體一樣,我們也可以通過四維物體在三維世界中的立體圖形投影來研究四維世界。

在二維世界裡(不考慮時間軸)要把不透明圖形簡化的隻有頂點(二維物體中的零維框架)之後二維(如果存在)小人才能看得到内部,在我們在三維世界裡要簡化到淩長(三維物體中的一維框架)才能看到物體内部。所以二維小人(如果存在)研究三維立方體隻會先把三維立方體的頂點投影在二維平面上,在投影成一條一位的直線。

思維方式

如果四維超正方體不太好想象的話,換成球試試。三維球,無論從哪個方向投影在二維平面上都隻是一個半徑等同的圓形,這樣就很容易想到四維球在三維世界中的投影隻不過是一個半徑等同的球了。如果還想要讨論得深入一些,不妨試試球穿越問題。比如說一個球穿過一個二維平面,二維小人會發現平面上憑空冒出一個慢慢變大的點,後來眼看着擴張成圓,又慢慢縮小成點,最後突然消失。

如果這個令二維小人驚訝不已的事實讓你并不覺得奇怪,那麼以下的情形你定會吃驚不小;在你面前無中生有地出現一個點,擴成球又縮回點,再突然消失。多麼神奇!其實這隻不過是四維球穿越三維世界的情形。

這裡講一種思維方式,當不能夠理解四維的某些描述的時候,試着把自己當作二維人生活在扁平的世界裡看三維(你能夠理解,但是你的描述是受限的)。

簡單描述:

1、超立方體無2維距離、角度概念。

2、超立方體中任何一頂點以恒定速度到相鄰頂點所用時間相等。(所有邊長相等)

球極投影

将一個立方體的各個表面膨脹,一段時間後會得到一個球。

同樣的方法,将超正方體的表面膨脹,會得到一個“超球”(Hypersphere)。

置身于超正方體膨脹成的超球中的時候,就會看見右圖的這個情景——此時置身在“最外部”的立方體(當然是膨脹了的)面上平行投影。

上面的兩種其實都屬于透視投影——實際上立方體的平行投影是絕對不會出現一大一小大正方形。

四維超正方體不但可以投影到三維,而且也可以直接投影到二維平面上(是直接,不經過三維),但是由于是投影在二維上,會失真得很厲害所以隻能夠表現一些點與線之間的連接關系。

右圖是超正方體的二維線架正投影,ABCD分别是四個軸,注意“相鄰”兩根軸的夾角都是45度的。16個頂點坐标分别是(±1,±1,±1,±1)(下文有簡單推導),然後按照給出的一個一個填上去就是的了(方法說上去有點煩,可以用幾何畫闆畫畫這個投影,其實蠻簡單的)。

展開圖

大家一定知道把立方體的六個面展開的樣子吧,其中一種展開法如右圖。

類比一下,即可得到超正方體的其中一種展開法,如最右圖,其中一個立方體被藏在三維展開圖裡邊了。

看上去很奇怪是吧,這八個立方體在我們的世界裡無論怎麼翻轉也不能組成一個超正方體的,它們必須在四維空間裡旋轉——這個比方就好比二維小人不會明白那六個正方形怎麼轉才能拼成一個立方體一樣的道理。

規律

零維的一個點,包含一個零維元素(點)

一維的一條線段,包含一個一維元素(線段),兩個零維元素(端點)

二維的一個正方形,包含一個二維元素(面),四個一維元素(邊),四個零維元素(頂點)

三維的一個正方體,包含一個三維元素(三維立體),六個二維元素(面),十二個一維元素(棱),八個零維元素(頂點)

對比下列算式:

(x+2)^0=1

(x+2)^1=x+2

(x+2)^2=x²+4x+4

(x+2)^3=x^3+6x^2+12x+8

可以歸納出:一個n維立方形(n-cube)所包含的k維元素個數等于(x+2)^n展開式的k次項系數。

(x+2)^4=x^4+8x^3+24x^2+32x+16

可以得出:超正方體有8個立方體(胞),24個面,32條線段,16個點。

這有助于我們印證四維超正方體的構造。

坐标

超正方體的頂點坐标可以用類比的方式推導:

正方形的坐标:(±1,±1)

正方體的坐标:(±1,±1,±1)

那麼類比可以得到四維超正方體的頂點:(±1,±1,±1,±1)

與十六胞體

将正八胞體中每個正方體中心作中心所在正方體的正方形面垂線得正十六胞體,正十六胞體作類似處理也可以得正八胞體。

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