■高次元の正多面体(その11)

 (その10)では,n次元双対立方体と正単体の輪郭線処理を行ったが,その際,

a)n次元立方体(正2n胞体)は,

  頂点数: 2^n,

  稜数:  2^(n-1)n,

  四角形数:2^(n-3)n(n−1)

からなっていて,各頂点のまわりにはn本の稜,n(n−1)/2個の正方形が集まっている.また,各稜のまわりにはn−1個の正方形が集まっている.・・・と書いた.

 

 頂点数をf0,稜数をf1,面数をf2で表すことにすると,稜の両端にはそれぞれ頂点があり,四角形は四辺形であるから,頂点まわりの稜数は

  2f1/f0=n

頂点まわりの四角形数は

  4f2/f0=n(n−1)/2

稜まわりの四角形数は

  4f2/f1=n−1

と計算されるというのがその根拠である.

 

b)n次元双対立方体(正2^n胞体)では

  頂点数: 2n,

  稜数:  2n(n−1),

  三角形数:2n(n−1)^2/3

であるから,同様に,

  2f1/f0=2(n−1)

  3f2/f0=(n−1)^2

  3f2/f1=n−1

より,各頂点からは2(n−1)本の稜がでる.各頂点のまわりには(n−1)^2個の三角形,また,各稜のまわりにはn−1個の三角形が集まっている.

 

c)n次元正単体(正n+1胞体)の場合,

  頂点数: n+1,

  稜数:  (n+1)n/2,

  三角形数:n(n^2−1)/6

である.これも同様に,

  2f1/f0=n

  3f2/f0=n(n−1)/2

  3f2/f1=n−1

と計算される.すなわち,各頂点からはn本の稜がでる.各頂点のまわりにはn(n−1)/2個の三角形,また,各稜のまわりにはn−1個の三角形が集まっている.

 

  □f2/f1=n−1(超立方体)

  △f2/f1=n−1(双対立方体・正単体)

より,いずれの場合も,各稜のまわりにはn−1個の面が集まっているものと思われたのだが,このことが輪郭線処理に際して問題になった.

 

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 問題点をもう一度説明しておきたい.

 

 n次元立方体と正単体では1つの頂点からn本の稜がでる.そのうち1本の稜を定めると,その稜のまわりの(n−1)面上で,いま描こうとしている稜に平行なn−1本の線を求めることができる.

 

 しかし,双対立方体では各頂点から

  2f1/f0=2(n−1)

本の稜がでる.したがって,1本の稜を定めたとき,その稜のまわりの2(n−2)面上で,いま描こうとしている稜に平行な2(n−2)本の線を求めることができることになる.

 

 このことが,稜まわりの面数

  3f2/f1=n−1

と矛盾するのではないか? という点が問題となったのである.

 

 n=3では,両者は,

  n−1=2,2(n−2)=2

と偶然一致するが,一般のn次元では合致しないことは明らかである.実際に数え上げていくと,双対立方体では2(n−2)が正しいのであるが,なぜ一致しないのか,この原因についての理解を深めたいというのが,次回のコラムの狙いである.

 

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