■平行体の体積とグラミアン(その13)

 実際の計算に移る前に,これまでの流れを点検し訂正や一部修正を行ってきたが,気にかかる点はまだまだある.

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[1]正軸体版の場合

 たとえば,3次元正軸体を切頂する場合,x≧y≧z≧0なる点P(x,y,z)においてz=0,4次元の場合はx≧y≧z≧w≧0なる点P(x,y,z,w)においてw=0としてずべての稜線の長さが等しくなる条件を求めた.

 これによりn次元では2^n+2n面体が得られるのであるが,3次元正軸体を切頂切稜する場合,x≧y≧z≧0なる点P(x,y,z)においてz≠0,4次元の場合はx≧y≧z≧w≧0なる点P(x,y,z,w)においてw≠0としてずべての稜線の長さが等しくなる条件を求め無ければならない.

 すなわち,3次元でx≧y≧z>0,4次元でx≧y≧z≧w>0とすることにによって得られる多面体は2^n+2n面体ではなく,3^n−1面体になる.このわずかな違いが大きな差を生むことになるのである.

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[2]置換多面体の場合

 そこで問題となるのが正単体を切頂切稜して置換多面体を作る場合である.切頂切稜であるから,3次元でx≧y≧z>0,4次元でx≧y≧z≧w>0とすることによって2(2^n−1)面体が得られると思われるが,そうだろうか?

 2次元の場合,全体を1次元あげて3次元正単体の境界多面体

  V1(1,0,0,0)

  V2(0,1,0,0)

  V3(0,0,1,0)

  x+y+z=1

をとるとしよう.

 x≧y≧z≧0なる点P(x,y,z)が与えられたとき,ずべての稜線の長さが等しくなるのは,点Pからx=y平面,y=z平面までの距離が等しいときである.点Pを1次元境界多面体上の点(z=0)として,点P(x,y,0)からx=y平面,y=z平面までの距離を等しくとると

  (x−y)/√2=(y−z)/√2

 → x=2y,y=y,z=0

これらは,x+y+z=1上の点であるから代入すると,3y=1

 → x=2/3,y=1/3,z=0

となって正解が得られるが,これでは切頂はできても切稜できないことになる.

 ここは,x≧y≧z>0なる点P(x,y,z)が与えられたとき,点Pからx=y平面,y=z平面,z=0平面までの距離を等しくとり,

  (x−y)/√2=(y−z)/√2=z

 → y=z+√2z

   x=y+√2z=z+2√2z

これらは,x+y+z=1上の点であるから代入すると,

  3z+3√2z=1 → z=1/(3+3√2)

また,点P(x,y,z)のx=y平面に対する鏡映は(y,x,z)であるから,辺の長さは√2(x−y)=2z.

 3次元の場合は,点P(x,y,z,w)からx=y平面,y=z平面,z=w平面,w=0平面までの距離を等しくとると

  (x−y)/√2=(y−z)/√2=(z−w)/√2=w

 → z=w+√2w

   y=z+√2w=w+2√2w

   x=y+√2w=w+3√2w

これらは,x+y+z+w=1上の点であるから代入すると,

  4w+6√2w=1 → w=1/(4+6√2)

また,点P(x,y,z,w)のx=y平面に対する鏡映は(y,x,z,w)であるから,辺の長さは√2(x−y)=2w.

 一般には,S=n(n+1)/2として

 → (n+1)ω+S√2ω=1,ω=1/(n+1+S√2)

   x=(1+n√2)ω,y=(1+(n−1)√2)ω,z=(1+(n−2)√2)ω,・・・,w=ω,辺の長さは2ω.

とするのが正しいようである.

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[3]置換多面体の場合の切頂切稜面までの距離

 切頂切稜のための点Pが求まった.次は切頂切稜面までの距離の問題である.k次元面の面心は

  (1,0,0,・・・,0,0)

  (1/2,1/2,0,・・・,0,0)

  (1/3,1/3,1/3,・・・,0,0)

  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

  (1/n,1/n,1/n,・・・,1/n,0)

であるから,それと中心座標

  (1/(n+1),・・・,1/(n+1))

を結ぶ位置ベクトルはそれぞれ

  (1−1/(n+1),−1/(n+1),−1/(n+1),・・・,−1/(n+1),−1/(n+1))

  (1/2−1/(n+1),1/2−1/(n+1),−1/(n+1),・・・,−1/(n+1),−1/(n+1))

  (1/3−1/(n+1),1/3−1/(n+1),1/3−1/(n+1),・・・,−1/(n+1),−1/(n+1))

  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

  (1/n−1/(n+1),1/n−1/(n+1),・・・,1/n−1/(n+1),−1/(n+1))

  1/k−1/(n+1)=(k(n+1)−1)/k(n+1)

 これらの方向の面心は,たとえば,2次元の場合は

[1](1,0,0)方向の面心は(x,0,0).

[2](1,1,0)方向の面心は((x+y)/2,(x+y)/2,0).

[3](1,1,1)方向の面心は((x+y+z)/3,(x+y+z)/3,(x+y+z)/3).

であるから,

  (x+y+z+・・・+w)/(n+1)=1/(n+1)

より,それぞれ

  (x−1/(n+1),−1/(n+1),−1/(n+1),・・・,−1/(n+1),−1/(n+1))

  ((x+y)/2−1/(n+1),(x+y)/2−1/(n+1),−1/(n+1),・・・,−1/(n+1),−1/(n+1))

  ((x+y+z)/3−1/(n+1),(x+y+z)/3−1/(n+1),1/3−1/(n+1),・・・,−1/(n+1),−1/(n+1))

  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

  ((1−w)/n−1/(n+1),(1−w)/n−1/(n+1),・・・,(1−w)/n−1/(n+1),−1/(n+1))

になる.

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