■剛性をもつ骨格構造(その3)

 2次元骨組みにおいて,v頂点を抑え込むのに必要な最少の棒材数は

  e=2v−3

3次元骨組みにおいて,v頂点を抑え込むのに必要な最少の棒材数は

  e=3v−6

である.各頂点において力学的釣り合いが満たされなければならないからである.

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 n次元骨組みにおいて,v頂点をn次元空間に固定する場合,vこの頂点にはnvの自由度ある.

  e=2v−3,e=3v−6

の2,3は次元数に等しい.

 また,稜線がひとつ追加されるごとに自由度は1減る.自由度が0のとき,骨組みは固定されるので,nv個の稜線が必要と思われるかもしれないが,実際はn次元単体(三角形や四面体)は実に頑丈で安定している.その辺数と頂点数は

  v=n+1,e=n(n+1)/2

になるから,

n(n+1)/2=n(n+1)−df

  df=n(n+1)/2

となって,n次元単体の辺数分だけ少ない自由度で済むのである.

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 すなわち,

  e=2v−3,e=3v−6

の3,6はその次元の単体の辺数に等しい.

 以上より,任意の次元の骨組みにおいて,v頂点を抑え込むのに必要な最少の棒材数は

  e=nv−n(n+1)/2

で与えられることになる.

 たとえば,3次元空間の骨組み(面には堅い板が使われていないものとする)では,正四面体(v,e)=(4,6),正八面体(v,e)=(6,12),正二十面体(v,e)=(12,30)は剛体である.しかし,立方体(v,e)=(8,12)は剛体ではなく,あと6本の棒材を追加する必要がある.そして,立方体の6つの面の対角線に棒材を追加することで剛体構造にすることができる.

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