■n次元の立方体と直角三角錐(その22)

 2次元:(f0,f1)=(3,3)

 3次元:(f0,f1,f2)=(6,9,5)

 4次元:(f0,f1,f2,f3)=(7,15,14,6)

 5次元:(f0,f1,f2,f3,f4)=(12,30,34,21,7)

 6次元:(f0,f1,f2,f3,f4,f5)=(13,42,64,55,28,8)

 7次元:(f0,f1,f2,f3,f4,f5,f6)=(20,70,120,125,84,36,9)

 奇数→偶数(3次元→4次元,5次元→6次元)については,2項の和が次の値になるというパスカルの三角形に似た漸化式は正しいようである.これは単体の場合の漸化式

  fk^(n)=fk^(n-1)+fk-1^(n-1)

と同一であって,偶数次元のとき切断面がひとつの頂点を通るという特殊性が強くきいているせいである.

 偶数→奇数への漸化式は(もしあるとしても)まったく別の形になるはずである.たとえば,単体柱(両端が1次元低い単体で,それを結ぶ柱状体)の漸化式

  fk^(n)=2fk^(n-1)+fk-1^(n-1)

は成り立たす,単体と単体柱の漸化式の中間値をとるようである.

 (その21)では主として5次元の場合を扱ったが,6次元の場合はひとつの頂点を通って他を3+3に分ける例外的な形なので,別途の考察が必要になる.しかし,調べれば調べるほど奇数次元と偶数次元の差が大きく現れ,とても単純な漸化式は期待できそうもない・・・と思っていたのであるが,驚いたことに,一松信先生は一般の次元の場合の面数fjを計算された.

 すなわち,二項係数(n,r)において,n<rのときは0と約束すると,j次元胞の個数fjは

[1]nが奇数(n=2k−1)のとき,

  fj=(2k+1,j+2)+(k,j+1)−2(k+1,j+2)

  f0=k^2+k

  f1=k(k+1)(2k−1)/2

[2]nが偶数(n=2k)のとき,

  fj=(2k+2,j+2)+(k+1,j+1)−2(k+2,j+2)

  ただし,j=0のときかこれに+1,すなわち,f0=k^2+k+1

  f1=k(k+1)(2k+1)/2

 ここではその略証を紹介するが,一松先生には高次元図形が直観的にみえているのだろうか.

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【1】証明

 基本単体の半切体の胞数を数えるだけならば,座標にこだわらず,n次元単体(図形としてはすべての頂点が直接結ばれている完全グラフ)を切半したと考えてよい.j次元胞(j=0,1,・・・,n)の中心に相当する点をPjとするが,切半体はこれを半分ずるに分ける.すなわち,nが奇数(n=2k−1)のときは{P0,P1,・・・,Pk-1}と{Pk,Pk+1,・・・,P2k-1}というk個ずつに,nが偶数(n=2k)のときは中央のPkを通り{P0,P1,・・・,Pk-1}と{Pk+1,・・・,P2k-1}のk個ずつの組に分ける.したがって,2k−1次元のときに,中央の頂点Pkに関する補正を加えればよい.

[1]nが奇数(n=2k−1)のとき,

 まず切断面上の図形を考える.この切断面はどこの頂点も通らないのでどの辺(一般に胞)と交わるかを見る.切断面上のj次元胞はもとの基本単体のj+1次元胞の切断面である.もとの単体のj+1次元胞は合計(n+1,j+2)=(2k,j+2)個ある.

 そのうち,Pk-1以下同士とPk同士は切断面と交わらないので(k,j+2)×2を引く必要がある.切断面上のj次元胞の数をsj(j=0,1,・・・,2k−2)とすると,

  sj=(2k,j+2)−(k,j+2)×2

   (k<j+2なら後の項は0)

とくに

  s0=k^2   (これは左右k個ずるの積として当然)

  s0=k^2(k−1)

 もとの切半体そのものは切断面と交わらない部分,切断面で切られた部分,切断面上の部分からなる.切断面と交わるj次元胞の数は(2k,j+1)−(k,j+1)×2,交わらない胞のうち片側に含まれる分(k,j+1),切断面上sjであるから,

  fj=(2k,j+1)−(k,j+1)×2+(k,j+1)+sj

    =(2k+1,j+2)+(k,j+1)−2(k+1,j+2)

   (k<j+1なら後の項は0)

  f0=k^2+k

  f1=k(k+1)(2k−1)/2

だが,

  n=3のとき(6,9,5)

  n=5のとき(12,30,34,21,7)

  n=7のとき(20,70,120,125,84,36,9)

となる.

[2]nが偶数(n=2k)のとき,

 このときは中央次元のPkを切半面が通るので,,その分の別扱いが必要である.しかし,それを除けば切り口のj次元胞数sj,全体のj次元胞数fjは前と同じである.そこで表現の便宜上,切り口および全体のj次元胞数をsj’,fj’と記し,sj,fjは奇数次元のときに使う.

  s0’=s0+1   (Pkを追加)

  sj’=sj+sj−1   (j≧1のとき,Pkからj−1次元胞を射影した分だけ,j次元胞が加わる)

前と同じ理由で

  sj=(2k,j+2)+(2k,j+1)−(k,j+2)×2

    =(2k+1,j+2)−(k,j+2)×2

 切断面と交わるj次元胞の数は(2k+1,j+1)−(k+1,j+1)×2,交わらない胞のうち片側に含まれる分(k+1,j+1),切断面上sj’であるから,

  fj’=(2k+2,j+2)+(k+1,j+1)−2(k+2,j+2)

   (k<jなら後の項は0)

  f0’=k^2+k+1   (補正不要)

  f1’=k(k+1)(2k+1)/2

  n=2のとき(3,3)

  n=4のとき(7,15,14,6)

  n=6のとき(13,42,64,55,28,8)

となる.

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【2】漸化式

 奇数→偶数次元の漸化式:fj’=fj+fj-1が成立する.偶数→奇数次元の漸化式を作るとなると,kがひとつ大きいときのfj(2k+1次元のもの)は次のようになる.

  fj=(2k+3,j+2)+(k+1,j+1)−2(k+2,j+2)

これをfj’で表すことは可能であるが,余り実用的ではないことがわかる.

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