■高次元における平行多面体元素定理

 フェドロフの平行多面体とは平行移動するだけで3次元空間を埋めつくすことのできる単独の多面体であって,平行辺(したがって平行四辺形面,平行六辺形面に限られる),平行面から構成されている多面体である.フェドロフの平行多面体には立方体,6角柱,菱形12面体,長菱形12面体,切頂8面体の5種類しかないことが証明されている(1885年).

 それでは

(Q)何種類かの凸多面体を用いて,すべての平行多面体を作りたい.その種類の最小数は何か?

という問題を設定する.正多面体ではすべての次元で元素数とその形を決定することができたが,平行多面体ではいささか事情が異なってくる.

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【1】平行多面体の元素定理とプリミティブ

 3次元平行多面体は全部で5種類あるが,ペンタドロンを使えば5種類の平行多面体をすべて作ることができる.ペンタドロンをσで表すことにするが,立方体はσ12(σ96),6角柱はσ144,菱形12面体はσ192,長菱形12面体はσ384,切頂8面体はσ48という分子構造になっている.すなわち,3次元平行多面体の元素数は1であるが,平行多面体がこのような1種類の素材だけで組み立てることができるのは驚きである.

 3次元の場合うまくいきすぎている感があるが,他の次元ではどうだろうか.2次元の場合,2種類の平行多面体(平行四辺形と平行六辺形)がある.たとえば,正六角形を分割し接合することによって正方形を作る場合,少なくとも5ピース必要になる.そこでこの2種類をそのまま元素とみなすことにすれば,2次元平行多面体の元素数は2であるといえる.

 平行多面体の基本形はプリミティブ(原始的)と呼ばれる.2次元平行多面体のプリミティブは平行六辺形(正六角形)であり,平行四辺形(正方形)はプリミティブが遷移したものと考えられる.平面分割多角形の基本的な辺数は6辺である.一方,空間分割多面体の基本的な面数は14面である.切頂八面体はプリミティブで,他の4種類は切頂八面体が遷移した多面体である.

 一般に,n次元平行多面体の面数は最大2(2^n−1)個,最小2n個となるが,各頂点の次数がnで面数が最大2(2^n−1)面の場合がプリミティブである(ミンコフスキーの定理).

 2次元の平行多面体は2種類(原始的1),3次元の平行多面体は5種類(原始的1)あるが,4次元の平行多面体は3次元の5種類から52種類(原始的3)へと急増する.また,5次元の場合には,103991種類と膨大で,原始的なものだけでも222種類見つかっている.5次元での平行多面体の状況ははるかに多様となって,そのリストアップはいまでも完成していない.

 したがって,4次元以上の平行多面体の元素数を決定することは(興味深い問題ではあったとしても)容易ではない.事実上絶望的であるといってもよい.そこで,高次元の平行多面体の元素数を決定するのではなく,元素となる多面体をひとつでも構成することが目標となる.

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【2】n次元立方体の基本単体の切断

 3次元平行多面体は全部で5種類あり,そのブロックを平行移動させて空間を隙間なく埋め尽くすことができる.3次元平行多面体の場合,立方体の基本単体を2等分することによってプリミティブである切頂八面体の元素ができ,それを使うと他の平行多面体も作ることができた.

 すなわち,ペンタドロンをうまく組み合わせると,立方体・菱形十二面体・切頂八面体などの空間充填形(平行多面体)ができるが,ミンコフスキーの定理より,n次元の立方体とn次元のプリミティブに共通する元素を作ることができれば,それがn次元平行多面体の元素となりうる可能性は大である.

 ペンタドロンは立方体の基本単体をその最長辺の垂直2等分面で切断した立体であるから,以下ではこのことを高次元の超立方体の基本単体の切断に一般化してみよう.

 n次元立方体[0,2]^nに対して,基本単体の座標は

  p0(0,0,・・・,0)

  p1(1,0,・・・,0)

  p2(1,1,0,・・・0,0)

  ・・・・・・・・・・・・・・・・

  pn-1(1,1,1,・・・1,0)

  pn(1,1,1,・・・1,1)

であるから,p0pnを結ぶ対角線の中点

  (1/2,1/2,1/2,・・・,1/2,1/2)

を通る超平面

  x1+x2+x3+・・・+xn=n/2

と各辺の交点を求めてみる.

 3次元(ペンタドロン)の場合は,4交点

  (1/2,1/2,1/2)

  (1,1/4,1/4)

  (1,1/2,0)

  (3/4,3/4,0)

 4次元の場合は

  (1/2,1/2,1/2,1/2)

  (1,1/3,1/3,1/3)

  (2/3,2/3,2/3,0)

  (1,1/2,1/2,0)

  p2(1,1,0,0)

で交わる.したがって,x1+x2+x3+x4≦2の部分をとると,7頂点

  q0(0,0,0,0)

  q1(1,0,0,0)

  q2(1,1,0,0)

  q3(1/2,1/2,1/2,1/2)

  q4(1,1/3,1/3,1/3)

  q5(2/3,2/3,2/3,0)

  q6(1,1/2,1/2,0)

が元素の頂点となる.q2〜q6は超平面x1+x2+x3+x4=2上にある.これが768個で4次元立方体を組み立てることができる.同様に,x1+x2+x3+x4≧0の部分をとって比較すると,辺や対角線の長さが等しいことから,基本単体の2分割体になっていることがわかる.

 5次元の場合は9交点

  (1/2,1/2,1/2,1/2,1/2)

  (1,3/8,3/8,3/8,3/8)

  (1,1,1/6,1/6,1/6)

  (5/6,5/6,5/6,0,0)

  (5/8,5/8,5/8,5/8,0)

  (1,3/4,3/4,0,0)

  (1,1/2,1/2,1/2,0)

  (1,1,1/4,1/4,0)

  (1,1,1/2,0,0)

で交わるから,x1+x2+x3+x4+x5≦5/2の部分をとると,12頂点

  q0(0,0,0,0,0)

  q1(1,0,0,0,0)

  q2(1,1,0,0,0)

  q3(1/2,1/2,1/2,1/2,1/2)

  q4(1,3/8,3/8,3/8,3/8)

  q5(1,1,1/6,1/6,1/6)

  q6(5/6,5/6,5/6,0,0)

  q7(5/8,5/8,5/8,5/8,0)

  q8(1,3/4,3/4,0,0)

  q9(1,1/2,1/2,1/2,0)

  q10(1,1,1/4,1/4,0)

  q11(1,1,1/2,0,0)

が元素の頂点となる.q3〜q11は超平面x1+x2+x3+x4+x5=5/2上にある.これが7680個で5次元立方体を組み立てることができる.

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【3】n次元の場合の元素の頂点数

 n次元立方体の基本単体の2分割体は,n=3のとき頂点数v=6,n=4のときv=7,n=5のときv=12であった.v(n)は如何に? そこで,超平面x1+・・・+xn=n/2が直線pipjと交差するための条件を求めてみよう.端点で交差する場合は数えないことにする.

   p0     p1     p2     p3     p4     p5

p1 n<2   −     −     −     −     −

p2 n<4 2<n<4   −     −     −     −

p3 n<6 2<n<6 4<n<6   −     −     −

p4 n<8 2<n<8 4<n<8 6<n<8   −     −

p5 n<10 2<n<10 4<n<10 6<n<10 8<n<10   −

p6 n<12 2<n<12 4<n<12 6<n<12 8<n<12 10<n<12

[1]n=3のとき

   p0     p1     p2  

p1 n<2   −     −  

p2 n<4 2<n<4   −  

p3 n<6 2<n<6 4<n<6

の表の条件を満たすのは4点.さらに,基本単体の頂点でx1+x2+x3≦3/2を満たすのは[3/2]+1=2点で,合計6点.

[2]n=4のとき

   p0     p1     p2     p3  

p1 n<2   −     −     −  

p2 n<4 2<n<4   −     −  

p3 n<6 2<n<6 4<n<6   −  

p4 n<8 2<n<8 4<n<8 6<n<8

の表の条件を満たすのは4点.さらに,基本単体の頂点でx1+x2+x3+x4≦2を満たすのは[2]+1=3点で,合計7点.

[3]n=5のとき

   p0     p1     p2     p3     p4  

p1 n<2   −     −     −     −  

p2 n<4 2<n<4   −     −     −  

p3 n<6 2<n<6 4<n<6   −     −  

p4 n<8 2<n<8 4<n<8 6<n<8   −  

p5 n<10 2<n<10 4<n<10 6<n<10 8<n<10

の表の条件を満たすのは9点.さらに,基本単体の頂点でx1+x2+x3+x4+x5≦5/2を満たすのは[5/2]+1=3点で,合計12点.

[4]n=6のとき

   p0     p1     p2     p3     p4     p5

p1 n<2   −     −     −     −     −

p2 n<4 2<n<4   −     −     −     −

p3 n<6 2<n<6 4<n<6   −     −     −

p4 n<8 2<n<8 4<n<8 6<n<8   −     −

p5 n<10 2<n<10 4<n<10 6<n<10 8<n<10   −

p6 n<12 2<n<12 4<n<12 6<n<12 8<n<12 10<n<12

の表の条件を満たすのは9点.さらに,基本単体の頂点でx1+x2+x3+x4+x5+≦3を満たすのは[3]+1=4点で,合計13点.

 ここまでくれば結論を下すのは簡単である.

[1]nが奇数の場合の頂点数は

  v(n)=[(n+1)/2]^2+[n/2]+1

[2]nが偶数の場合の頂点数は

  v(n)=[n/2]^2+[n/2]+1

 nが偶数のときにはn/2次元(中央の次元)の胞の中心を半切面が通るため「退化」が生じ,いくつかの辺の切り口(面)がそこに集中するため,頂点の実個数が減ると理解される.その意味で,3次元と4次元の場合が奇数次元と偶数次元の典型であり,半切体は(n=2の場合を除き)n+2胞になる.

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【4】4次元の場合の元素の形

 3次元の立方体の基本単体の半切体は5面・9辺・6頂点で,位相的には両側に三角形2枚,その間に四角形3枚からなる三角柱の形である.それでは,4次元の超立方体の基本単体を切断したときの形はどうになっているのだろうか? 少なくともそれを取り囲む6個の胞(3次元の立体)の形だけでも調べることは意味があるだろう.4次元の超立方体の基本単体の半切体は6胞・14面・15辺・7頂点の立体であるが詳細をみていくことにしよう.

 基本単体の頂点

  (0,0,0,0)=O

  (1,0,0,0)=D

  (1,1,0,0)=C

  (1,1,1,0)=B

  (1,1,1,1)=A

をOAの中点Mを通ってそれに垂直な超平面x1+x2+x3+x4=2で切る.この超平面はCを通るほか,次の点を通る.4交点は

  (1/2,1/2,1/2,1/2)=M

  (1,1/3,1/3,1/3)=F

  (2/3,2/3,2/3,0)=E

  (1,1/2,1/2,0)=N

である.

 この3次元切り口はM,N,C,E,Fを5頂点とする四角錐である.このうち,M,N,E,Fはx1+x2+x3+x4=2,x2=x3で表される2次元平面上にあり,凧型である.凧型MNEFは辺の長さ1:√2:√3の直角三角形の斜辺(MN)を併せてできる形で,

  ∠EMF=arccos(1/3)    (正四面体の二面角)

  ∠ENF=arccos(−1/3)   (正八面体の二面角)

  ME=MF=1/√3

  EN=NF=1/√6

  MN=1/√2

  EF=2/3

全体はこの凧型をCから射影した四角錐である.

 したがって,半片のうちO,D側をとると,頂点は7点:O,D,C,M,N,E,F.このうちM,N,E,Fはx1+x2+x3+x4=2,x2=x3で表される2次元平面上にあるが,そのほか,次の4点ずつが同一の2次元平面上にある.

  O,D,M,F:x2=x3,x3=x4で表される平面

  O,D,N,E:x2=x3,x4=0で表される平面

 MF,ENの延長はODの延長と(2,0,0,0)で交わる.したがって,前記7頂点を2個ずつ結ぶ線分のうち,MN,EF,DF,MD,ON,EDの6本は1つの面上に退化し,多胞体の辺(稜)にはならない.辺は7C2−6=15本である.

 胞は次の6胞である.それを表す超平面とそのうえにある頂点を示す.

x1+x2+x3+x4=2:M,N,E,F,C   四角錐(頂点C,5面)

x2=x3       :O,D,M,N,E,F 三角柱(5面)

x3=x4       :O,D,C,M,F   四角錐(頂点C,5面)

x4=0        :O,D,C,N,E   四角錐(頂点C,5面)

x1=1        :D,C,N,F     三角錐(四面体,4面)

x1=x2       :O,C,M,E     三角錐(四面体,4面)

 こらら6個の超平面は独立で,これ以上の退化は生じない.面は合計

  (5×4+4×2)÷2=14面

である.うち上記3平面が四角形,他の11枚が三角形.

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 前記の座標から辺の長さはすべて容易に計算できる.

  OD=DC=1,OM=1,OE=2/√3,OC=√2,MC=1,

  DN=1/√2,DF=1/√3,ME=MF=1/√3,

  NE=NF=1/√6,CN=1/√2,CE=CF=√(2/3)

辺にならない退化した対角線は

  MN=1/√2,EF=2/3,OF=2/√3,DE=1,DM=1,

  ON=√(3/2)

 面はMENF,ODFM,ODNEが四角形,他の11面(ODC,DFN,DFC,CNE,CNF,CME,CMF,OME,DCN,OCE,OCM)が三角形.

 辺にはすべて3面,3胞が交わる.このことは4角形×3個+3角形×11個=45=3×15本.また,5面5頂点の3次元多面体は四角錐(8辺)に限られ,5面6頂点の3次元多面体は位相的には三角柱(9辺)の形になることから,胞の辺はのべ8辺×3個+9辺×1個=45=3×15辺より納得される.

 前述x2=x3での切り口(6頂点体)はMENF,MFOD,NEODが四角形で,3辺MF,NE,ODで境され,上下に△DFNと△OMEがふたをしている三角柱状である.

 頂点から出る辺の数(グラフ理論でいえば枝数)は退化が生じている頂点Cが6枝(CO,CD,CE,CF,CN,CMと他の全頂点と直接に結ばれる).他の6頂点は4枝(4×6+6×1=30=2×15本).四角錐3個はすべて頂点Cが4枝であり,三角柱状の形(x2=x3による切り口)は唯一頂点Cを含まない.

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【5】n次元の場合の面数

 頂点数(および胞数)はわかったが,中間の次元の辺や面の個数の一般式については気になるところである.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,単体を切った切り口がどうなるかを順次調べた方が早道である.組み合わせ的方法によって求めてみよう.

 結論を先にいうと,fjをn次元多面体のj次元面の数とし,

  (f0,f1,・・・,fn-2,fn-1)

を各次元における面数とおくと,n次元立方体の基本単体の半切体は

 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)

となる.

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 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

  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

  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.

 奇数→偶数次元(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

  fj’=fj+fj-1

が成立する.これは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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【6】まとめ

 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)

  f0=k^2+k+1

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

 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)

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