Куб (геометрия)

куб
120px-Шестигранник-slowturn.gif
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 Шестигранник плоский color.svg
Количество разных сетей 11
Количество граней в углу 3
Количество углов поверхности 4-й
Кубики в формате STL

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

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

Куб в проекции шкафа (диметрия)
с примерами осей вращения и зеркальных плоскостей (красная и зеленая)

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

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 с двойным октаэдром. В центрах квадратов являются углами октаэдра.

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

как пересечение куба с октаэдром (см. архимедовы тела ) и

как выпуклая оболочка объединения куба с октаэдром.

Куб является составной частью регулярной мозаики куба .

Формулы

Размеры куба с длиной ребра а
объем

01 Cube sizes.png

 без зарегистрированных углов
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

Телесный угол в центре  (точка = 0) единичной сферы ( )

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
    • Углы ( )
    • Края ( )
    • Квадраты как площади ( )
    • Куб как объем ( )
    • Гиперкубы измерения как
    фасеты ( ).

Модель -мерного куба - это единичный куб в векторном пространстве . И это готовый единичный куб.

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.

Анимация кубической сети
Различные сети куба

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.

Раскраска изображает
куб, описывающий двойной октаэдр.

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.

Узловая раскраска кубического графа
Раскраска ребер кубического графа
Раскраска площадей кубического графа с двойной раскраской узлов графа октаэдра

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 .

Куб граф Гамильтон цикл

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

Конечная часть кубической поверхностной решетки (кубическая решетка), имеющая форму кубоида . Эти самолеты работать параллельно друг с другом. На прямой линии пересечения этих плоскостей идут параллельно друг другу. В точках пересечения образуют кубическую решетку точки .

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

Синий куб имеет в два раза объем зеленого 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 твердыхпризмами ) одной и той же длиной кромки. Такое трехмерное плиточные это называется наполнение комнаты . Следующие заливки комнаты содержат кубики:

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).

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

Commons : cube  - коллекция изображений, видео и аудио файлов

Индивидуальные доказательства

  1. 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
  2. ^ Мартин Хенк, Юрген Рихтер-Геберт, Гюнтер М. Циглер, Технический университет Берлина: Основные свойства выпуклых многогранников
  3. Wolfram Demonstrations Project: Все 11 складных сетей куба
  4. 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 .
  5. 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]).
  6. ^ Wolfram Math World: кубический график
  7. ^ Wolfram MathWorld: Кубическая решетка
  8. Проф. Хольгер Кольманн, Лейпцигский университет: Теория групп 2 и 3 - Теория групп в кристаллографии
  9. Ханс Смессерт, logicgeometry.org: Логическая геометрия ромбического додекаэдра оппозиций
  10. themetalcutter: Куб в кубе / Turners cube youtube.com, видео (43:07) от 19 августа 2015 г., доступ 17 марта 2017 г.