■空間充填多面体の求積(その3)

[Q]1辺の長さが√2の正四面体の体積を求めよ.

[A]正攻法(馬鹿正直)に求めてもよいが,1辺の長さが1の立方体に内接させると

  V=1−4/6=1/3

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 多面体の求積では,角錐分解以外にも

[1]等積変形・変身させる

[2]空間充填を利用する

[3]平行六面体に分解する

などの方法が考えられる.

[1]変形・変身の利用

 たとえば,菱形12面体を分解すると立方体を2個作ることができる.実際,菱形12面体の体積は,その頂点をうまく選んでできる内接立方体の2倍である.

 逆に,2個の切頂八面体を分解すると立方体を作ることができる.このことから切頂八面体の体積は,外接立方体の1/2倍である.

[2]空間充填の利用

 J91の体積を求めよという問題が出たら,多くのひとは途方に暮れるだろうが,それほど絶望的な問題ではない.正12面体と立方体とJ91による空間充填を利用するのである.

 立方体の体積をa^3とすると

  正12面体の体積は(15+7√5)/4・a^3

このことがわかれば

  J91の体積は(17+9√5)/12・a^3

になることは容易に求められるのである.

[3]平行六面体分解

 2次の行列式の絶対値は平行四辺形の面積,3次の行列式の絶対値は平行六面体の体積になる.

 一般に,n次行列式は平行2n面体の符号つき体積を表す.このことを利用したミンコフスキー和の計算結果についてまとめておきたい.以下に辺の長さを1に規格化した体積を掲げる.

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【1】平行多面体

 立方体: 1

 正六角柱: 3√3/2

 切頂八面体: 8√2

 菱形十二面体: 16√3/9

 長菱形十二面体: 16√3/9+8/3

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【2】黄金菱形多面体

 菱形30面体: 4τ{(5+√5)/2}^1/2

 菱形20面体: 2τ{(5+√5)/2}^1/2

 菱形12面体(第2種): 4τ/5{(5+√5)/2}^1/2

 扁長菱形6面体: 2/5{(5+√5)/2}^1/2

 扁平菱形6面体: 2/(5τ)・{(5+√5)/2}^1/2

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