■置換多面体の空間充填性(その171)
(その168)の変数を増やしてみる.1個付け加わえただけでかなり面倒になった.
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2(2^n−1)胞体 → cosδa=−1/n,sinδa=√(n^2−1)/n^2
2^n+2n胞体 → cosδb=−1/√n,sinδb=√(n−1)/n
2^n+2n胞体 → cosδc=−(n−2)/n,sinδc=2√(n−1)/n^2
より,
u=−1/n+i√(n^2−1)/n^2
v=−1/√n+i√(n−1)/n
w=−(n−2)/n+xi√(n−1)/n^2
とおく.|u|=1,|v|=1,|w|=1
3種類の正多面体での分解合同(分解相似?)の関係式は
n1δa+nδb+n3δc≠kπ
n1δa+nδb+n3δc≠0 (mod π)
と書くことができる.
u=−1/n+i√(n^2−1)/n^2については,
u+1/n=i√(n^2−1)/n^2
より,uは2次方程式nu^2+2u+n=0の解である.
nu^2=2u+n
n^2u^3=2nu^2+n^2u=2(2u+n)+n^2u
=(4+n^2)u+2n
帰納法により
n^m-1u^m=a1u+b1 (a1≠0,b1=0 mod n)
を示すことが出来る.
同様に,w=−(n−2)/n+i2√(n−1)/n^2については,
w+(n−2)/n=i2√(n−1)/n^2
より,wは2次方程式nw^2+2(n−2)w+n=0の解であり,
n^m-1w^m=a2w+b2 (a2≠0,b2=0 mod n)
v=−1/√n+i√(n−1)/n
v+1/√n=i√(n−1)/n
nv^2+2√nv+1=0
n^m-1v^m=a3v+b3 (a3≠0,b3=0 mod n)
がいえる.
ここで,複素数の積
Z=n^N1-1u^N1・n^N2-1w^N2・n^N3-1v^N3
を考える.複素数の掛け算は偏角の足し算に対応し,実数n^N1-1,n^N2-1,n^N3-1の偏角はすべて0であるから,Zの偏角
Arg(Z)=Arg(u^N1・w^N2)=Arg(u^N1)+Arg(w^N2)+Arg(v^N3)
がnπにならないこと,すなわち,u^N1・w^N2・v^N3の虚部
Im(u^N1・w^N2・v^N3)
が0にはならないことがいえればよいことになる.
結局
Z=(a1u+b1)(a2w+b2)(a3v+b3)=Re+Imi
Im≠0
a1≠0,b1=0 (mod n)
a2≠0,b2=0 (mod n)
a3≠0,b3=0 (mod n)
に帰着されれば,N1δa+N2δc+N3δbは有理係数で線形独立であり,必要な原子が最低3種類という結論が主張できることになる.
実際,
Im=a1√(n^2−1)/n^2{((−a2(n−2)+b2n)(−a3+b3√n)/n√n−2(n−2)+2a2a3√(n−1)/n^2・√(n−1)/n}
+2a2√(n−1)/n^2{(−a1+b1n)(−a3+b3√n)/n√n−a1a3√(n^2−1)/n^2・√(n−1)/n}
+√(n−1)/n{(−a1+b1n)(−(n−2)a2+b2n)/n^2−
a1a2√(n^2−1)/n^2・√(n−1)/n^2}
と展開されるが,a1(a2+b2n)≠0により,Im≠0がいえる.すなわち,n(≧5)次元の正多胞体の元素数は≧3である.→n>3では,空間充填2^n+2n胞体と空間充填2(2^n−1)胞体は分解合同ではない.
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