■ミンコフスキーの定理とドローネーの定理

 今回のコラムで紹介するドローネー(Delaunay)はロシア人だが,論文をすべてフランス語で発表したので,フランス人と誤解される場合が多い.これは彼の先祖がナポレオンとともにロシアに行きそこに留まったことによる.

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【1】フェドロフの平行多面体とミンコフスキーの定理

 フェドロフは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種類しかないことを証明した.さらに,ミンコフスキーはn次元ユークリッド空間で格子タイリングできる凸多面体は最大2(2^n−1)個の(n−1)次元面をもつことを証明した.

 長い間,2(2^n−1)がn次元空間充填多面体の面数の上限であると信じられてきた.すなわち,3次元空間充填多面体の面数の上限は14面であり,14面以上の面をもつことは不可能であると・・・.しかし,平行移動のほかに回転や鏡映操作も許せば,さらに多くの多面体が空間充填可能となる.

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【2】ドローネーの定理

 ドローネーはミンコフスキーの定理を一般化し,最大

  f=2^n(1+t)−2

個の面をもつことを示した.tは互いに平行移動で重なる分割におけるクラスの最小数である.

 n=3に対しては互いに平行移動で重なる分割におけるクラスの最大数はt=48,したがって,空間充填多面体の面の数はf≦390を意味するが,この見積もりは明らかに大きすぎると思われる.

 エンゲルは38面をもつタイルをいくつか作ったが,

  2^3(1+4)−2=38

であるからt≧4を意味している.ちなみに現在は4≦f≦38であるすべてのfに対し,空間充填可能な凸f面体が存在することが判明している.

 たとえば,t=5ならばf=46となるが,

[Q1]38より大きい面数のタイルは存在するだろうか?

[Q2]面数に上限はあるだろうか?

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【3】おまけ

 ドローネーの名を冠する数学用語としては,ドローネー分割があげられる.ボロノイ分割の双対がドローネー分割で,2次元ドローネー分割は三角形分割,3次元ドローネー分割は四面体分割になる.また,平均曲率一定の回転面は「ドローネー曲面」と呼ばれている.

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