Четырёхмерный куб

Содержание

Введение……………………………………………………………………….2

Основная часть………………………………………………………………..4

Выводы………….. …………………………………………………………..12

Список литературы…………………………………………………………..13

Введение

Четырёхмерное пространство издавна привлекало внимание, как профессиональных математиков, так и людей, далёких от занятий этой наукой. Интерес к четвёртому измерению может быть обусловлен предположением о том, что наш трёхмерный мир «погружен» в четырёхмерное пространство подобно тому, как плоскость «погружена» в трёхмерное пространство, прямая «погружена» в плоскость, а точка – в прямую. Помимо этого, четырёхмерное пространство играет важную роль в современной теории относительности (так называемое пространство-время или пространство Минковского), а также может рассматриваться как частный случай мерного евклидова пространства (при ).  

Четырёхмерный куб (тессеракт) является объектом четырёхмерного пространства, имеющим максимально возможную размерность (подобно тому, как обычный куб является объектом трёхмерного пространства). Заметим, что он представляет и непосредственный интерес, а именно может фигурировать в оптимизационных задачах линейного программирования (как область, в которой отыскивается минимум или максимум линейной функции четырёх переменных), а также применяется в цифровой микроэлектронике (при программировании работы дисплея электронных часов). Кроме этого, сам процесс изучения четырёхмерного куба способствует развитию пространственного мышления и воображения.

Следовательно, изучение строения и специфических свойств четырёхмерного куба является достаточно актуальным. Стоит отметить, что в плане строения четырёхмерный куб изучен достаточно хорошо. Гораздо больший интерес представляет характер его сечений различными гиперплоскостями. Таким образом, основной целью данной работы является изучение строения тессеракта, а также выяснение вопроса о том, какие трёхмерные объекты будут получаться, если четырёхмерный куб рассекать гиперплоскостями, параллельными какой-то одной из его трёхмерных граней, или же гиперплоскостями, перпендикулярными его главной диагонали. Гиперплоскостью в четырёхмерном пространстве будем называть трёхмерное подпространство. Можно сказать, что прямая на плоскости – одномерная гиперплоскость, плоскость в трёхмерном пространстве – двумерная гиперплоскость.

Поставленная цель определила задачи исследования:

1) Изучить основные факты многомерной аналитической геометрии;

2) Изучить особенности построения кубов размерностей от 0 до 3;

3) Изучить строение четырёхмерного куба;

        4) Аналитически и геометрически описать четырёхмерный куб;

5) Изготовить модели развёрток и центральных проекций трёхмерного и четырёхмерного кубов.

6) Пользуясь аппаратом многомерной аналитической геометрии, описать трёхмерные объекты, получающиеся при пересечении четырёхмерного куба гиперплоскостями, параллельными какой-то одной из его трёхмерных граней, или же гиперплоскостями, перпендикулярными его главной диагонали.

Полученная таким образом информация позволит лучше  разобраться в строении тессеракта, а также выявить глубокую аналогию в строении и свойствах кубов различных размерностей.

Основная часть

Сначала опишем математический аппарат, которым мы будем пользоваться в ходе данного исследования.

1) Координаты вектора: если , то                                                    

2) Уравнение гиперплоскости с нормальным вектором  имеет вид  Здесь

3) Плоскости  и  параллельны тогда и только тогда, когда

4) Расстояние между двумя точками определяется следующим образом: если , то        

5) Условие ортогональности векторов:

Прежде всего, выясним, каким образом можно описать четырёхмерный куб. Сделать это можно двумя способами – геометрическим и аналитическим.

Если говорить о геометрическом способе задания, то здесь целесообразно проследить процесс построения кубов, начиная с нулевой размерности. Куб нулевой размерности – это точка (заметим, кстати, что точка может также играть роль шара нулевой размерности). Далее введём первое измерение (ось абсцисс) и на соответствующей оси отметим две точки (два нульмерных куба), находящиеся на расстоянии 1 друг от друга. Получится отрезок - одномерный куб. Сразу же отметим характерную особенность: Границей (концами) одномерного куба (отрезка) являются два нульмерных куба (две точки). Далее введём второе измерение (ось ординат) и на плоскости  построим два одномерных куба (два отрезка), концы которых находятся на расстоянии 1 друг от друга (фактически, один из отрезков является ортогональной проекцией другого). Соединяя соответствующие концы отрезков, получим квадрат – двумерный куб. Опять-таки отметим, что границей двумерного куба (квадрата) являются четыре одномерных куба (четыре отрезка). Наконец, введём третье измерение (ось аппликат) и построим в пространстве  два квадрата таким образом, чтобы один из них являлся ортогональной проекцией другого (при этом соответствующие вершины квадратов находятся друг от друга на расстоянии 1). Соединим соответствующие вершины отрезками – получим трёхмерный куб. Видим, что границей трёхмерного куба являются шесть двумерных кубов (шесть квадратов). Описанные построения позволяют выявить следующую закономерность: на каждом шаге  мерный куб «движется, оставляя след» в  е измерение на расстояние 1, при этом, направление движения перпендикулярно кубу. Именно формальное продолжение этого процесса и позволяет прийти к понятию четырёхмерного куба. А именно, заставим трёхмерный куб продвинуться в направлении четвёртого измерения (перпендикулярно кубу) на расстояние 1. Действуя аналогично предыдущему, то есть, соединяя соответствующие вершины кубов, мы и получим четырёхмерный куб. необходимо отметить, что геометрически такое построение в нашем пространстве невозможно (ибо оно трёхмерно), однако здесь мы не сталкиваемся ни с какими противоречиями с логической точки зрения. Теперь перейдём к аналитическому описанию четырёхмерного куба. Оно также получается формально, с помощью аналогии. Итак, аналитическое задание нульмерного единичного куба имеет вид:

Аналитическое задание одномерного единичного куба имеет вид:

Аналитическое задание двумерного единичного куба имеет вид:

Аналитическое задание трёхмерного единичного куба имеет вид:

Теперь уже очень легко дать аналитическое представление четырёхмерного куба, а именно:

Как видим, и при геометрическом, и при аналитическом способах задания четырёхмерного куба использовался метод аналогий.

Теперь, используя аппарат аналитической геометрии, выясним, какое имеет строение четырёхмерный куб. Сначала выясним, какие элементы в него входят. Здесь опять можно воспользоваться аналогией (для выдвижения гипотезы). Границей одномерного куба являются точки (нульмерные кубы), двумерного куба – отрезки (одномерные кубы), трёхмерного куба – квадраты (двумерные грани). Можно предположить, что границей тессеракта являются трёхмерные кубы. Для того чтобы это доказать, уточним, что понимается под вершинами, рёбрами и гранями. Вершинами куба назовём его угловые точки. То есть, координатами вершин могут являться нули или единицы. Таким образом, обнаруживается связь между размерностью куба и числом его вершин. Применим комбинаторное правило произведения – так как  вершина  мерного куба имеет ровно  координат, каждая из которых равна нулю или единице (независимо от всех остальных), то всего имеется  вершин. Таким образом, у любой вершины все координаты фиксированы и могут равняться  или . Если же зафиксировать все координаты (положив каждую из них равной  или , независимо от остальных), кроме одной, то получим прямые, содержащие рёбра куба. Аналогично предыдущему, можно сосчитать, что их ровно  штук. А если теперь зафиксировать все координаты (положив каждую из них равной  или , независимо от остальных), кроме каких-нибудь двух, получим плоскости, содержащие двумерные грани куба. Используя правило комбинаторики, найдём, что их ровно  штук. Далее аналогично – зафиксировав все координаты (положив каждую из них равной  или , независимо от остальных), кроме каких-нибудь трёх, получим гиперплоскости, содержащие трёхмерные грани куба. Пользуясь тем же правилом, вычислим их количество – ровно  и т.д. Для нашего исследования этого будет достаточно. Применим полученные результаты к строению четырёхмерного куба, а именно, во всех выведенных формулах положим . Стало быть, четырёхмерный куб имеет: 16 вершин, 32 ребра, 24 двумерные грани, и 8 трёхмерных граней. Для наглядности зададим аналитически все его элементы.

Вершины четырёхмерного куба:

Рёбра четырёхмерного куба ():

        Двумерные грани четырёхмерного куба (аналогичные ограничения):

Трёхмерные грани четырёхмерного куба (аналогичные ограничения):

Теперь, когда строение четырёхмерного куба и способы его задания описаны с достаточной полнотой, приступим к реализации главной цели – выяснению характера различных сечений куба. Начнём с элементарного случая, когда сечения куба параллельны одной из его трёхмерных граней. Например, рассмотрим его сечения гиперплоскостями, параллельными грани  Из аналитической геометрии известно, что любое такое сечение будет задаваться уравнением  Зададим соответствующие сечения аналитически:  

Как видим, получено аналитическое задание трёхмерного единичного куба, лежащего в гиперплоскости

Для установления аналогии запишем сечение трёхмерного куба плоскостью  Получим:

Это квадрат, лежащий в плоскости . Аналогия очевидна.

Сечения четырёхмерного куба гиперплоскостями     дают совершенно аналогичные результаты. Это будут также единичные трёхмерные кубы, лежащие в гиперплоскостях  соответственно.

Сейчас рассмотрим сечения четырёхмерного куба гиперплоскостями, перпендикулярными его главной диагонали. Сначала решим эту задачу для трёхмерного куба. Используя вышеописанный способ задания единичного трёхмерного куба, заключает, что в качестве главной диагонали можно взять, например, отрезок с концами  и . Значит, вектор главной диагонали будет иметь координаты . Следовательно, уравнение любой плоскости, перпендикулярной главной диагонали, будет иметь вид:

Определим границы изменения параметра . Так как                        , то, почленно складывая эти неравенства, получим:

  или  .

Если , то  (в силу ограничений). Аналогично - если , то . Значит, при  и при  секущая плоскость и куб имеют ровно одну общую точку ( и  соответственно). Теперь заметим следующее. Если , то плоскость пересекает грани (опять-таки в силу ограничений переменных). Соответствующие плоскости пересекают сразу три грани, ибо, в противном случае, секущая плоскость была бы параллельна одной из них, что не имеет места по условию. Если , то плоскость пересекает все грани куба. Если же , то плоскость пересекает грани . Приведём соответствующие выкладки.

Пусть  Тогда плоскость  пересекает грань  по прямой , причём  . Грань    плоскость пересекает по прямой  , причём  . Грань    плоскость пересекает по прямой  , причём  . То есть, получаются три отрезка, имеющих попарно общие концы:  Таким образом, при указанных значениях параметра плоскость будет пересекать куб по правильному треугольнику с вершинами  

Пусть  Тогда плоскость  пересекает грань:

грань  по прямой , причём  .

грань  по прямой , причём  .

грань  по прямой , причём  .

грань  по прямой , причём  .

грань  по прямой , причём  .

грань  по прямой , причём  .

        На этот раз получается шесть отрезков, имеющих последовательно общие концы:        

Пусть  Тогда плоскость  пересекает грань  по прямой , причём  . Грань    плоскость пересекает по прямой  , причём                     . Грань    плоскость пересекает по прямой  , причём  . То есть, получаются три отрезка, имеющих попарно общие концы:  Таким образом, при указанных значениях параметра плоскость будет пересекать куб по правильному треугольнику с вершинами               

Итак, здесь приведено исчерпывающее описание плоских фигур, получающихся при пересечении куба плоскостью, перпендикулярной его главной диагонали. Основная идея состояла в следующем. Необходимо понять, какие грани пересекает плоскость, по каким множествам она их пересекает, как эти множества связаны между собой. Например, если выяснялось, что плоскость пересекает ровно три грани по отрезкам, которые имеют попарно общие концы, то сечением являлся равносторонний треугольник (что доказывается непосредственным подсчётом длин отрезков), вершинами которого и служат эти концы отрезков.

Пользуясь этим же аппаратом и той же идеей исследования сечений, совершенно аналогично можно вывести следующие факты:

1) Вектор одной из главных диагоналей четырёхмерного единичного куба имеет координаты

2) Любая гиперплоскость, перпендикулярная главной диагонали четырёхмерного куба, может быть записана в виде .

3) В уравнении секущей гиперплоскости параметр  может изменяться от 0 до 4;

4) При  и  секущая гиперплоскость и четырёхмерный куб имеют одну общую точку (и  соответственно);

5) При  в сечении будет получаться правильный тетраэдр;

6) При  в сечении будет получаться октаэдр;

7) При  в сечении будет получаться правильный тетраэдр.

Соответственно, здесь гиперплоскость пересекает тессеракт по плоскости, на которой в силу ограничений переменных выделяется треугольная область (аналогия – плоскость пересекала куб по прямой, на которой в силу ограничений переменных выделялся отрезок). В случае 5) гиперплоскость пересекает ровно четыре трёхмерные грани тессеракта, то есть, получаются четыре треугольника, имеющих попарно общие стороны, иначе говоря, образующие тетраэдр (как это можно подсчитать - правильный). В случае 6) гиперплоскость пересекает ровно восемь трёхмерных граней тессеракта, то есть, получаются восемь треугольников, имеющих последовательно общие стороны, иначе говоря, образующие октаэдр. Случай 7) полностью аналогичен случаю 5).

Проиллюстрируем сказанное конкретным примером. А именно, исследуем сечение четырёхмерного куба гиперплоскостью   В силу ограничений переменных, данная гиперплоскость пересекает следующие трёхмерные грани:  Грань  пересекается по плоскости  В силу ограничений переменных имеем:  Получим треугольную область с вершинами  Далее, при пересечении гиперплоскости с гранью  получим треугольник  При пересечении гиперплоскости с гранью  получим треугольник  При пересечении гиперплоскости с гранью  получим треугольник  Таким образом, вершины тетраэдра имеют следующие координаты . Как легко подсчитать, этот тетраэдр действительно является правильным.

Выводы

Итак, в процессе данного исследования были изучены основные факты многомерной аналитической геометрии, изучены особенности построения кубов размерностей от 0 до 3, изучено строение четырёхмерного куба, аналитически и геометрически описан четырёхмерный куб, изготовлены модели развёрток и центральных проекций трёхмерного и четырёхмерного кубов, аналитически описаны трёхмерные объекты, получающиеся при пересечении четырёхмерного куба гиперплоскостями, параллельными какой-то одной из его трёхмерных граней, или же гиперплоскостями, перпендикулярными его главной диагонали.

Проведённое исследование позволило выявить глубокую аналогию в строении и свойствах кубов различных размерностей. Использованную методику проведения аналогии можно применить при исследовании, например, мерной сферы или   мерного симплекса. А именно,мерную сферу можно определить как множество точек мерного пространства, равноудалённых от заданной точки, которая называется центром сферы. Далее, мерный симплекс можно определить как часть  мерного пространства, ограниченную минимальным числом мерных гиперплоскостей. Например, одномерный симплекс – отрезок (часть одномерного пространства, ограниченная двумя точками), двумерный симплекс – треугольник (часть двумерного пространства, ограниченная тремя прямыми), трёхмерный симплекс – тетраэдр (часть трёхмерного пространства, ограниченная четырьмя плоскостями). Наконец, мерный симплекс определим как часть  мерного пространства, ограниченную  гиперплоскостью размерности .

Таким образом, можно считать, что в процессе выполнения работы автором была освоена достаточно общая методика исследования объектов многомерных пространств.

Отметим, что, несмотря на многочисленные применения тессеракта в некоторых областях науки, данное исследование всё же является в значительной степени математическим изысканием.

Список литературы

1) Бугров Я.С., Никольский С.М. Высшая математика, т.1 –М.: Дрофа, 2005 – 284 с.

2) Квант. Четырёхмерный куб / Дужин С., Рубцов В., №6, 1986.

3) Квант. Как начертить  мерный куб / Демидович Н.Б., №8, 1974.

4) Первое сентября. Математика. Четырёхмерный куб / Гельфанд И.М., №11, 2010.

5) dxdy.ru, 1.08.14, 15.00.

6) ru.wikipedia.org, 21.07.14, 13.20.