Куб (геометрия)
куб | |
---|---|
Тип боковых поверхностей | Квадраты |
Количество лиц | 6-е |
Количество углов | 8-е |
Количество ребер | 12-е |
Значок Schläfli | {4.3} |
двойной к | октаэдр |
Сеть тела | |
Количество разных сетей | 11 |
Количество граней в углу | 3 |
Количество углов поверхности | 4-й |
Куб (немецкого бросок , потому что он брошен в кости игры, также регулярный шестигранник [ hɛksaeːdər ], от греческого. Hexáedron , шестигранника «или куб , из древнегреческого κύβος kybos или лат. Cubus , куб») является одним из пять Платоновых тел , точнее трехмерный многогранник ( многогранник ) с
- 6 одинаковых квадратов в качестве боковых граней
- 12 ребер одинаковой длины и
- 8 углов , в каждом из которых сходятся по три боковые поверхности.
Куб - это особый трехмерный параллелепипед , особый, а именно равносторонний кубоид и особая прямая квадратная призма . Размеры куба уже определены путем указания значения, длины ребра, диагонали поверхности, пространственной диагонали, площади поверхности или объема .
симметрия
Из-за своей высокой симметрии - все углы , ребра и стороны похожи друг на друга - куб является правильным многогранником . Он имеет
- 3 оси вращения четвертого порядка (через центры двух противоположных поверхностей ),
- 4 тройные оси вращения (через два диагонально противоположных угла),
- 6 осей двойного вращения (через центры двух диагонально противоположных граней),
- 9 зеркальных уровней (6 уровней через четыре угла каждый (например, зеленый), 3 уровня через четыре центра краев каждый (например, красный)),
- 14 поворотов (6 на 90 ° с плоскостями через четыре краевых центра каждое и 8 на 60 ° с плоскостями через шесть краевых центров каждое)
и является
- точка симметрично к центру М.
Для четырехугольной оси вращения есть 3 операции симметрии ( поворот на 90 °, 180 ° и 270 °), для трехкратной оси вращения соответственно 2 операции симметрии. Всего в группе симметрии куба 48 элементов. Они называется в Шенфлисе нотации , как в Hermann / Mauguin в нотации , как и в целом, но несколько неточным, так как октаэдрические группы или куб группы.
Отношения с другими многогранниками
Куб - это многогранник, двойственный октаэдру, и наоборот. Кроме того, угловые точки куба описывают два точечно-симметричных правильных тетраэдра , которые вместе образуют звездный тетраэдр как дополнительный правильный многогранник .
С помощью куба и октаэдра можно построить множество тел , которые также имеют группу куба в качестве группы симметрии . Так вы, например, получите
- усеченный шестигранник или усеченный куб с 6 восьмиугольника и 8 треугольников
- кубооктаэдр с 6 квадратов и 8 треугольников, т.е. 14 сторон, и 12 углов
- усеченный октаэдр или усеченного октаэдра с 6 квадратов и 8 шестиугольников
как пересечение куба с октаэдром (см. архимедовы тела ) и
- ромбического додекаэдра с 6 + 8 = 14 углов и 12 пастилок как сторон
как выпуклая оболочка объединения куба с октаэдром.
Куб является составной частью регулярной мозаики куба .
Формулы
Размеры куба с длиной ребра а | ||
---|---|---|
объем |
|
|
Внешняя поверхность | ||
Площадь поверхности | ||
Умкугельрадиус | ||
Радиус краевого шара | ||
Inc радиус сферы | ||
Диагональ комнаты | ||
Диагональ поверхности | ||
Отношение объема к сферическому объему |
||
Угол между смежными гранями / кромками |
||
Сплошные углы в углах | ||
Сферичность |
Сплошные углы в углах
Этот телесный угол очень легко получается из рассмотрения следующей ситуации.
Для трехмерного пространства используется декартова система координат , пространство в 8 октантах делится. Точка 0 трех координатных плоскостей (x, y, z) - это точка встречи 8 виртуальных кубов. С точкой 0 в качестве центра единичной сферы , телесный угол (полный угол) имеет значение Принимая во внимание, его телесный угол, таким образом, отсчитывается от точки 0, начиная только с 1 кубика, и применяется указанная единица измерения.
Определение как набор точек
Куб может быть определена как набор из точек в трехмерном евклидовом пространстве , где абсолютные значения 3 координат в системе декартовых координат являются не более , как большой , как радиус сферы вкл . Формально эту сумму можно записать как
Вот максимальная норма или бесконечная норма вектора . Применяется для внутренней части куба и для поверхности . Согласно этому определению, центр куба является началом координат, а его ребра и грани проходят параллельно 3 осям декартовой системы координат .
В более общем смысле куб, который занимает любую позицию в трехмерном евклидовом пространстве, может быть определен с помощью векторов . Является ли вектор положения в центре и , , ортогональные векторы направления , соединяющий центр куба с центрами 3 боковых поверхностей соединить, поэтому нормальные векторами являются 3 боковыми поверхностями и ортогональная система из трехмерной векторного пространства формы, то листы количество из точек кубы определяется как множество векторов
обобщение
Обобщения куба в любом измерении также называются -мерными кубами или гиперкубами и также являются правильными многогранниками . - Мерный куб имеет ограничение стороны размерности к. Особые случаи:
- Нульмерный куб ( точка ) имеет 1 угол .
- Одномерный куб ( отрезок ) имеет 2 угла.
- Двумерный куб ( квадрат ) имеет 4 угла и 4 ребра.
- Четырехмерный гиперкуб ( тессеракт ) имеет 16 углов, 32 ребер, 24 боковых квадраты и 8 боковых кубики.
- -Мерном гиперкуб имеет фасеты ( ).
Модель -мерного куба - это единичный куб в векторном пространстве . И это готовый единичный куб.
- , То -кратно декартово произведение на единичный интервал
- выпуклая оболочка в угловых точках с координатами и
- пересечение с полупространствами и
Единичный куб - это параллельный оси куб с длиной ребра и углом в начале координат . Обобщением этой концепции являются кубоиды im , которые играют роль в многомерном анализе .
Сети куба
В кубе одиннадцать сеток (см. Иллюстрацию). Это некие гексомино . Это означает, что есть одиннадцать способов развернуть полый куб, разрезав 7 граней и разложив его на плоскости . Остальные 5 ребер соединяют 6 квадратов сети. Для того, чтобы раскрасить куб так, чтобы все соседние грани не были одного цвета, вам понадобится как минимум 3 цвета.
Графики, двойственные графики, циклы, цвета
Куб имеет неориентированный плоский граф с 8 узлами , 12 ребрами и 6 областями, назначенными ему, который является 3- регулярным , то есть 3 ребра начинаются от каждого узла, так что степень равна 3 для всех узлов. В случае плоских графов точное геометрическое расположение узлов не имеет значения. Однако важно, чтобы края не пересекались. Узлы этого кубического графа соответствуют углам куба.
В узлах куба графа могут быть окрашены с 2 -х цветов , так что соседние узлы всегда окрашены по- разному. С помощью этого переменного узла цвета, цвет меняется назад и вперед , когда вы переходите от одного узла к примыкающим один . Это означает, что хроматическое число этого графа равно 2. Кроме того, края можно раскрасить в 3 цвета, чтобы смежные края всегда были окрашены по-разному (см. Иллюстрацию). Это невозможно с 2 цветами, поэтому хроматический индекс для окраски краев равен 3 (рисунок справа иллюстрирует эту окраску).
Чтобы определить необходимое количество цветов для областей или областей, полезен двойной граф (восьмеричный граф ) с 6 узлами , 12 ребрами и 8 областями. Узлы этого графа назначаются взаимно однозначно (биективно) областям кубического графа и наоборот (см. Биективную функцию и рисунок выше). Узлы графа октадера могут быть окрашены в 3 цвета, так что соседние узлы всегда окрашиваются по-разному, но не 2 цветами, так что хроматическое число графа октад составляет 3. Из этого можно сделать косвенный вывод: поскольку хроматическое число равно 3, для такой раскраски поверхности куба или раскраски областей графа куба необходимо 3 цвета.
7 обрезанных ребер каждой сети (см. Выше) вместе с углами ( узлами ) образуют остовное дерево кубического графа . Каждая сеть точно соответствует покрывающему дереву и наоборот, так что между сетями и покрывающими деревьями существует взаимно однозначное ( биективное ) присвоение. Если вы рассматриваете сеть кубов без внешней области как граф, вы получаете двойной граф с деревом с 6 узлами и 5 ребрами и максимальной степенью узлов 4. Каждая область куба назначается узлу дерева. . Каждое теоретико-графовое созвездие (см. Изоморфизм графов ) таких деревьев встречается, некоторые также несколько раз.
В графе куба 12 кругов Гамильтона , но нет кругов Эйлера .
Срезанные поверхности куба
Если куб вырезан из плоскости, поверхность разреза может быть треугольником , квадратом , (неправильным) пятиугольником или шестиугольником . В качестве поверхности среза также возможны равносторонний треугольник , квадрат или правильный шестиугольник.
Срезать поверхность в форме правильного пятиугольника - без параллельных сторон - невозможно, так как две поверхности в кубе параллельны друг другу.
Кубическая сетка
Кубическая сетка представляет собой расположение бесконечного числа точек в трехмерном евклидовом пространстве . Эти точки можно рассматривать как все точки в трехмерной декартовой системе координат , где все 3 координаты являются целыми числами . Этот набор точек можно формально назвать множеством
быть написанным.
Эта кубическая решетка является аксиально симметричной , осесимметричной и точкой симметрии , так что она имеет все симметрии в группе октаэдра или куба группы. Кроме того, это трансляционной симметрии для всех векторов с целым длины , которые проходят параллельно 3 осям координат, то есть бесконечное число векторов , , , , где , , являются целыми числами и , , в 3 единичные векторы в трехмерном eudklidischen векторное пространство .
Такие соображения играют важную роль в кристаллографии . Кубическая решетка соответствует кубической кристаллической системе .
Если бесконечное количество параллельных плоскостей , каждая на расстоянии 1, размещается перпендикулярно трем координатным осям через эту кубическую сетку точек , то создается кубическая сетка поверхностей (см. Иллюстрацию). Эти уровни могут быть более формальными, чем установленные
быть написанным.
Если трехмерное пространство также полностью заполнено, трехмерная мозаика ( заполнение комнаты ) создается из конгруэнтных кубов с одинаковой длиной ребра (см. Заполнение комнаты кубами ).
Удвоение куба
Удвоение куба , также известный как проблема гастроном в описывает геометрическую задачу построения второго куба для данного куба , который имеет в два раза объем первого куба . Задача принадлежит к трем « классическим задачам античной математики » и возникла уже в V веке до нашей эры. Создан в Древней Греции .
Если вы попытаетесь работать над проблемой исключительно с помощью вспомогательных средств, которые Евклид использует в своих элементах , а именно с помощью циркуля и линейки без опознавательных знаков , решить ее не удастся. Французский математик Пьер Ванцель доказал это в 1837 году. Если это ограничение ослабить и допустить дополнительную помощь, такую как соответствующая отметка на линейке или специальные кривые, можно построить куб с удвоенным объемом. Некоторое количество таких возможных решений было известно еще в древности.
Комната заполняется кубиками
Трехмерное евклидово пространство может быть полностью заполнено с многогранниками или в комбинации с архимедовыми твердых (и призмами ) одной и той же длиной кромки. Такое трехмерное плиточные это называется наполнение комнаты . Следующие заливки комнаты содержат кубики:
Заполнение помещения ромбическим кубооктаэдром , кубооктаэдром и кубом
Заполнение комнаты ромбическим кубооктаэдром, кубом и тетраэдром
Заполнение помещения усеченным шестигранником , ромбическим кубооктаэдром, восьмиугольной призмой и кубом
Заполнение помещения большим ромбическим кубооктаэдром , усеченным октаэдром и кубом
Связь с другими наполнителями комнаты
Куб или правильный шестигранник - единственное платоново твердое тело, которое можно использовать для заполнения пространства исключительно конгруэнтными многогранниками . В углах этих кубиков одинакового размера , то образуют куб сетку . Этот заряд камеры связан с двумя другими зарядами камеры, которые состоят только из конгруэнтных многогранников: пространство, заполненное усеченными октаэдрами (английский: bitruncated cubic honeycomb ), и пространство, заполняющее Rhombendodekaedern (английский: ромбические додекаэдрические соты ).
Если взять чередующееся заполнение половины комнаты кубиками длины ребра , т.е. каждый 2-й куб заполнения комнаты, и квадратную пирамиду с квадратом длины стороны и высоты наружу разместить на всех квадратных боковых поверхностях куба, то конгруэнтно ромбические додекаэдры созданы , которые формируют номера заливки в полностью. Двугранный угол на базу из квадратных пирамид это все приводит к краям 12 куба углу так . Таким образом, 24 равнобедренных треугольника, лежащих на краях куба, образуют 12 ромбов и образуется ромбический додекаэдр. Согласно теореме Пифагора , эти ромбические додекаэдры имеют длину ребра и, очевидно, объем . С помощью формулы для объема квадратной пирамиды это тоже получается (см. Анимацию).
Если вместо этого, только кубики из чередующихся рядов будут взяты из чередующегося заполнения половины комнаты - независимо от того, какое из трех измерений - то есть каждый 4-й куб исходного заполнения комнаты, каждый квадрат под углом 45 ° с половиной площади в середина Помещается между двумя соседними кубами одного и того же слоя, и углы этих квадратов, которые находятся ближе всего друг к другу, соединяются ребрами, затем конгруэнтные усеченные октаэдры с 6 квадратами каждый и 8 правильных шестиугольников в качестве боковых поверхностей , полностью заполнить в пространстве . В центрах в результате правильных шестиугольников являются углами исходных кубов. Углы квадратных боковых поверхностей усеченных октаэдров являются боковыми центрами «невидимых» квадратов с длиной стороны . Таким образом, усеченные октаэдры имеют длину ребра и, очевидно, объем . С помощью формулы для объема квадратной пирамиды это тоже получается (см. Анимацию).
Переменный половина наполнения комнаты с кубиками создает начинку комнаты , изготовленную из конгруэнтных ромбических додекаэдров
Переменная четвертовали наполнение комнаты с кубиками создает начинку номера , выполненную из конгруэнтен усеченного октаэдра
Мастерство
Вставленный куб
Из более сотни спичек можно сделать кубики, которые держатся вместе простым зажимом и трением.
оригами
С помощью техники оригами кубик можно сделать из отдельных листов бумаги без использования клея.
Токарный станок
На токарном станке для металлорежущей обработки куб можно также изготавливать в трехкулачковом патроне с использованием четырехкулачкового патрона или мягкого трубчатого держателя. Превратить комбинацию из четырех незакрепленных, но невнятных кубиков, один внутри другого, - задача мастерства . Эта заготовка по-английски называется кубиком токаря . У трех внешних кубов есть большие отверстия с каждой стороны, которые, как окно, позволяют видеть следующий или следующий внутри. Размеры трех внутренних кубов рассчитаны таким образом, чтобы даже диагональная поверхность не проходила через это отверстие в следующем, более крупном кубе. Необходимо подрезать каждую сторону внутренних кубиков и временно закрепить их клеем или воском, если шестая сторона будет обрабатываться в последнюю очередь.
Смотри тоже
веб ссылки
- Евклид: Stoicheia. Книга XIII.15. Куб сферы
- Представление косых изображений, центральных проекций, сетей и сечений кубов
- Пазл для пространственной концепции кубиков
- интерактивное отображение многомерных кубов
Индивидуальные доказательства
- ↑ Сусуму Онака, Департамент материаловедения и инженерии, Токийский технологический институт: простые уравнения, определяющие формы различных выпуклых многогранников: правильных многогранников и многогранников, составленных из кристаллографически малоиндексной плоскости
- ^ Мартин Хенк, Юрген Рихтер-Геберт, Гюнтер М. Циглер, Технический университет Берлина: Основные свойства выпуклых многогранников
- ↑ Wolfram Demonstrations Project: Все 11 складных сетей куба
- ↑ C.Dalfó, MA Fiol: Графики, друзья и знакомые. (PDF) 2. Рукопожатие: раскраски и булева алгебра. Universitat Политекника Каталунья, Departament де Matematica Aplicada IV, 2010, стр. 5 , доступ к 31 мая 2020 года .
- ↑ Ричард Голдстоун, Роберт Суззи Валли: Развертывание куба . В: Журнал математики колледжа . Лента 50 , нет. 3 , 28 мая 2019 г., ISSN 0746-8342 , стр. 173-184 , DOI : 10,1080 / 07468342.2019.1580108 ( researchgate.net [PDF]).
- ^ Wolfram Math World: кубический график
- ^ Wolfram MathWorld: Кубическая решетка
- ↑ Проф. Хольгер Кольманн, Лейпцигский университет: Теория групп 2 и 3 - Теория групп в кристаллографии
- ↑ Ханс Смессерт, logicgeometry.org: Логическая геометрия ромбического додекаэдра оппозиций
- ↑ themetalcutter: Куб в кубе / Turners cube youtube.com, видео (43:07) от 19 августа 2015 г., доступ 17 марта 2017 г.