■計算可能な多胞体(その2)

[1]2(2^n−1)面体(置換多面体)の体積公式

  V2=3√3/2

  V3=8√2

  V4=125√5/4

  V5=324√3

  V6=16807√7/8

  V7=65536

[2]3^n−1面体の体積公式

  V2=2(1+√2)

  V3=22+14√2

  V4=262+184√2

  V5=4106+3128√2

  V6=91236+57172√2

  V7=4(476709+393581√2)

 これらは,線分の「ミンコフスキー和」

  vol(V)=Σ|det(vi1,・・・,vin)|

として求積したものです.どのように計算したのか,ポイントを示しておきます.

===================================

【1】2(2^n−1)胞体の場合

 稜の長さが√2の正単体の高さHnは,

  Hn=√(1+1/n)

で与えられる.すなわち,辺の長さを1に規格化すると,高さは

  Hn=√(1+1/n)/√2

で与えられる.

 (n+1)次元の場合,新しく加わった軸上の正の側に1辺の長さが1となるように新しい頂点を取り,中心が原点にくるように全体を平行移動させると,

  Hn・n/(n+1)=√(n/2(n+1))

  −Hn・1/(n+1)=−√(1/2n(n+1))

より,具体的な座標値は

  (−1/2, −√(1/12),−√(1/24),−√(1/40),・・・,−√(1/2n(n+1)))

  (+1/2, −√(1/12),−√(1/24),−√(1/40),・・・,−√(1/2n(n+1)))

  (0,√(1/3),−√(1/24),−√(1/40),・・・,−√(1/2n(n+1)))

  (0,0,√(3/8),−√(1/40),・・・,−√(1/2n(n+1)))

  (0,0,0,√(2/5),・・・,−√(1/2n(n+1)))

  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

  (0,0,0,0,・・・,+√(n/2(n+1)))

となる.

 たとえば,2次元正単体の3頂点は

  (−1/2,−√(1/12))

  (+1/2,−√(1/12))

  (0,√(1/3))

3次元正単体の4頂点は

  (−1/2,−√(1/12),−√(1/24))

  (+1/2,−√(1/12),−√(1/24))

  (0,√(1/3),−√(1/24))

  (0,0,√(3/8))

 そこで,

  aj=√(1/2j(j+1))

とおくと,

  P0(−a1,−a2,−a3,−a4,・・・,−an)

  P1(+a1,−a2,−a3,−a4,・・・,−an)

  P2(0,+2a2,−a3,−a4,・・・,−an)

  P3(0,0,+3a3,−a4,・・・,−an)

  P4(0,0,0,+4a4,・・・,−an)

  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

  Pn(0,0,0,0,・・・,+nan)

 P0が原点になるように平行移動させると,

  P0(0,0,0,0,・・・,0)

  P1(2a1,0,0,0,・・・,0)

  P2(a1,3a2,0,0,・・・,0)

  P3(a1,a2,4a3,0,・・・,0)

  ・・・・・・・・・・・・・

  Pn-1(a1,a2,a3,a4,・・・,nan-1,0)

  Pn(a1,a2,a3,a4,・・・,(n+1)an)

 n(n+1)/2組の平行なn次元ベクトルは

  P0P1=(2a1,0,0,0,・・・,0)

  P0P2=(a1,3a2,0,0,・・・,0)

  P0P3=(a1,a2,4a3,0,・・・,0)

  P0P4=(a1,a2,a3,5a4,・・・,0)

  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・

  P0Pn-1(a1,a2,a3,a4,・・・,nan-1,0)

  P0Pn=(a1,a2,a3,a4,・・・,(n+1)an)

  P1P2=(−a1,3a2,0,0,・・・,0)

  P1P3=(−a1,a2,4a3,0,・・・,0)

  P1P4=(−a1,a2,a3,5a4,・・・,0)

  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

  P1Pn-1(−a1,a2,a3,a4,・・・,nan-1,0)

  P1Pn=(−a1,a2,a3,・・・,(n+1)an)

  P2P3=(0,−2a2,4a3,0,・・・,0)

  P2P4=(0,−2a2,a3,5a4,・・・,0)

  ・・・・・・・・・・・・・・

  P2Pn-1(0,−2a2,a3,a4,・・・,nan-1,0)

  P2Pn=(0,−2a2,a3,a4,・・・,(n+1)an)

  P3P4=(0,0,−3a3,5a4,・・・,0)

  ・・・・・・・・・・・・・・

  P3Pn-1(0,0,−3a3,a4,・・・,nan-1,0)

  P3Pn=(0,0,−3a3,a4,・・・,(n+1)an)

  Pn-1Pn=(0,0,0,・・・,−(n−1)an-1,(n+1)an)

であって,それぞれノルムで割って規格化する必要がある.

===================================

【2】3^n−1胞体の場合

 n次元立方体の頂点は

  (±1,±1,・・・,±1)

n次元正軸体の頂点の座標は

  (±1,0,・・・,0)

  (0,±1,・・・,0)

  ・・・・・・・・・・・

  (0,±0,・・・,1)

で与えられるから,n^2組の平行な規格化n次元ベクトルは

  (1,0,・・・,0)

  (0,1,・・・,0)

  ・・・・・・・・・・

  (0,0,・・・,1)

  (±1,−1,0,・・・,0)/√2

  (±1,0,−1,・・・,0)/√2

  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・

  (±1,0,0,・・・,−1)/√2

  (0,±1,−1,0,・・・,0)/√2

  (0,±1,0,−1,・・・,0)/√2

  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

  (0,±1,0,0,・・・,−1)/√2

  (0,0,・・・,±1,−1)/√2

===================================