■平行体の体積とグラミアン(その56)

 置換多面体=空間充填2(2^n−1)胞体の元素の形を求めてみたい.2^n+2n胞体の場合は基本単体の辺と超平面の交点を求めるだけなので簡単だったのだが,置換多面体の場合は超平面の数n−1面がとなるのでかなり難しい.

 その後,(その50)−(その54)の計算を試みたのであるが,頂点数が少なすぎると思われた.そこで,n−1面とn(n+1)/2本の辺との交点の計算方法について再考してみたい.

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【1】n次元の正単体の基本単体の分割

 n次元正単体の基本単体の座標は

  (0,0,・・・,0)

  (a1,0,・・・,0)

  (a1,a2,0,・・・0,0)

  ・・・・・・・・・・・・・・・・

  (a1,a2,a3,・・・,an-1,0)

  (a1,a2,a3,・・・,an-1,an)

である.

 切頂切稜面はPkPnに垂直で,点

  (b1,・・・,bn)=(a1y1,・・・,anyn)=b

を通る.

P0Pn=(a1,a2,・・・,an)=c0

P1Pn=(0,a2,a3,・・・,an)=c1

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

Pn-1Pn=(0,・・・,0,an)=cn-1

であるから,それぞれの超平面はck・(x−b)=0,すなわち

[0]a1(x1−b1)+・・・+an(xn−bn)=0

[1]a2(x2−b2)+・・・+an(xn−bn)=0

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

[n-2]an-1(xn-1−bn-1)+an(xn−bn)=0

で表される.

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【2】pnを通る直線

 直線p0pnは

  x1/a1=x2/a2=・・・=xn/an=k

で表される.したがって,p0pnと[0]の交点は

  k(a1^2+・・・+an^2)=(a1b1+・・・+anbn)

   →x1=ka1,・・・,xn=kan

p0pnと[1]の交点は

  k(a2^2+・・・+an^2)=(a2b2+・・・+anbn)

   →x1=ka1,・・・,xn=kan

p0pnと[n-2]の交点は

  k(an-1^2+・・・+an^2)=(an-1bn-1+・・・+anbn)

   →x1=ka1,・・・,xn=kan

 直線p1pnは,

  x1/a1=1,x2/a2=・・・=xn/an=k

したがって,p1pnと[0]の交点は

  k(a2^2+・・・+an^2)=(a1b1+・・・+anbn)−a1^2

   →x1=a1,x2=ka2,・・・,xn=kan

p1pnと[1]の交点は

  k(a2^2+・・・+an^2)=(a2b2+・・・+anbn)

   →x1=a1,x2=ka2,・・・,xn=kan

p1pnと[n-2]の交点は

  k(an-1^2+・・・+an^2)=(an-1bn-1+・・・+anbn)

   →x1=a1,・・・,xn=kan

 直線p2pnは,

  x1/a1=x2/a2=1,x3/a3=・・・=xn/an=k

したがって,p2pnと[0]の交点は

  k(a3^2+・・・+an^2)=(a1b1+・・・+anbn)−a1^2−a2^2

   →x1=a1,x2=a2,x3=ka3,・・・,xn=kan

p2pnと[1]の交点は

  k(a3^2+・・・+an^2)=(a2b2+・・・+anbn)−a2^2

   →x1=a1,x2=a2,x3=ka3,・・・,xn=kan

p2pnと[n-2]の交点は

  k(an-1^2+・・・+an^2)=(an-1bn-1+・・・+anbn)

   →x1=a1,x2=a2,x3=ka3,・・・,xn=kan

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【3】p0を通る直線

 次にp0を通る直線の場合を調べてみます.直線p0p1は

  x1/a1=k,x2/a2=・・・=xn/an=0

ですから,[0]との交点は

  k(a1^2)=(a1b1+・・・+anbn)

   →x1=ka1,x2=0,・・・,xn=0

となります.[1]〜[n-2]とは交わらないことがわかります.

 直線p0p2は

  x1/a1=x2/a2=k,x3/a3=・・・=xn/an=0

ですから,[0]との交点は

  k(a1^2+a2^2)=(a1b1+・・・+anbn)

   →x1=ka1,x2=ka2,x3=0,・・・,xn=0

[1]との交点は

  k(a2^2)=(a2b2+・・・+anbn)

   →x1=ka1,x2=ka2,x3=0,・・・,xn=0

となります.[2]〜[n-2]とは交わらないことがわかります.

 直線p0p3は

  x1/a1=x2/a2=x3/a3=k,x4/a1=・・・=xn/an=0

ですから,[0]との交点は

  k(a1^2+a2^2+a3^2)=(a1b1+・・・+anbn)

   →x1=ka1,x2=ka2,x3=ka3,x4=0,・・・,xn=0

[1]との交点は

  k(a2^2+a3^2)=(a2b2+・・・+anbn)

   →x1=ka1,x2=ka2,x3=ka3,x4=0,・・・,xn=0

となります.[3]〜[n-2]とは交わらないことがわかります.

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【4】p1を通る直線

 次にp1を通る直線の場合を調べてみます.直線p1p2は

  x1/a1=1,x2/a2=k,x3/a3=・・・=xn/an=0

ですから,[0]との交点は

  k(a2^2)=(a1b1+・・・+anbn)−a1^2

   →x1=a1,x2=ka2,x3=0,・・・,xn=0

[1]との交点は

  k(a2^2)=(a2b2+・・・+anbn)−a1^2

   →x1=a1,x2=ka2,x3=0,・・・,xn=0

となります.[2]〜[n-2]とは交わらないことがわかります.

 直線p1p3は

  x1/a1=1,x2/a2=x3/a3=k,x4/a4=・・・=xn/an=0

ですから,[0]との交点は

  k(a2^2+a3^2)=(a1b1+・・・+anbn)−a1^2

   →x1=a1,x2=ka2,x3=ka3,x4=0,・・・,xn=0

[1]との交点は

  k(a2^2+a3^2)=(a2b2+・・・+anbn)

   →x1=a1,x2=ka2,x3=ka3,x4=0,・・・,xn=0

となります.[3]〜[n-2]とは交わらないことがわかります.

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【5】pipjと超平面の交点

 直線pipjは

  x1/a1=・・・=xi/ai=1,xi+1/ai+1=・・・=xj/aj=k,xj+1/aj+1=・・・=xn/an=0

ですから,

  ck・(x−b)=0

の解xとして与えられます.

  0≦xk≦ak  (k=1〜n)

となることが交点となるための必要条件です.

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