■ステファンの多面体(その1)

 n角形(n>3)の各頂点にハトメがついているとしたら,その多角形は容易に変形するのですが,それに対して三角形は実に頑丈で安定しています.多角形は筋交いを入れて三角形に分割する補強をしないと堅牢な構造にはなりません.

 それでは三角形の面だけでできている多面体で,多面体の辺が蝶番でつながれているとしたら,その立体は辺の長さを変えずに変形できるでしょうか? (面には堅い板が使われていてまったく曲がらない,変化するのは面同士の角度だけものとする.)

 コーシーの剛性定理(1813年)より凸多面体は変形しないのですが,凸でない場合は変形する可能性があります.また,折り曲げ可能多面体が(面の形を変えずに)変形しても体積は変わらないことが証明されています(1997年,コネリー,ワルツ,サビトフ).つまり形状の変わる多面体では体積は変化しないのでふいごは風を送れない,ふいごとして使えないという定理です.

 しかし,アコーディオンの蛇腹が変形すると音がでるわけで,この一見すると矛盾する事実は,それぞれの面が完全な剛性をもつ板であることを想定しているからです(アコーディオンの蛇腹は少したわむので演奏できるのだ).なお,2次元ではハトメのついた長方形を平行四辺形に変形させると面積は小さくなりますから,この定理は明らかに3次元空間の特別な性質といえるでしょう.

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【1】折り曲げ可能な多面体

 面の形は変わらずに二面角が変わる連続的な運動を「多面体の折り曲げ」という.1813年,コーシーはどんな凸多面体でも折り曲げ不可能なことを証明した(剛性定理).1897年,ブリカールは折り曲げ可能な閉多面体が存在することを証明し,とくに折り曲げ可能8面体については3型に分類されることを述べている.

 形状が変わる凹多面体をはじめてみつけたのはブリカールだが,その多面体では面同士が互いに貫通した自己交差をもつものであった.そのため,面を取り除き,辺を針金細工にしなければ実際に作ることはできなかった.この多面体は自己交差する8面体とみるよりも,3次元リンクと考えたほうがよい.

 形状の変わる性質を保ったまま面同士が貫通しないもの(すなわち3次元空間に埋め込まれたもの)を見つけたのは1978年のコネリーで,コネリーの多面体(三角形だけではない30面,50辺,22頂点からなる)は大変な驚きをもって受けとめられた.その後,コネリーは,18面の変形する多面体を発見した.

 コネリーの多面体のあと,いくつかの単純化がおこなわれた.1978年にはステファン(シュテッフェン)により9つの頂点と14の三角形面からなる最も単純な折り曲げ可能多面体が考案されている.この多面体の展開図は高い対称性をもっている(それでもなおステファン多面体の体積に対する多項式をパソコンで求めることはできないという).後年,8頂点の任意の多面体は剛性をもつことが証明されたので,その意味でステファンの多面体は最小である.すなわち,三角形面をもつ変形する多面体としては14面が一番少ない面数であることがわかっている.

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