Куб в проекции с разных сторон. Четырёхмерный куб

Начнём с объяснения, что же такое четырёхмерное пространство.

Это - одномерное пространство, то есть просто ось OX. Любая точка на ней характеризуется одной координатой.

Теперь проведём ось OY перпендикулярно оси OX. Вот и получилось двумерное пространство, то есть плоскость XOY. Любая точка на ней характеризуется двумя координатами - абсциссой и ординатой.

Проведём ось OZ перпендикулярно осям OX и OY. Получится трёхмерное пространство, в котором у любой точки есть абсцисса, ордината и аппликата.

Логично, что четвёртая ось, OQ, должна быть перпендикулярной осям OX, OY и OZ одновременно. Но мы не можем точно построить такую ось, и потому остаётся только попытаться представить её себе. У каждой точки в четырёхмерном пространстве есть четыре координаты: x, y, z и q.

Теперь посмотрим, как появился четырёхмерный куб.

На картинке изображена фигура одномерного пространства - линия.

Если сделать параллельный перенос этой линии вдоль оси OY, а потом соединить соответствующие концы двух получившихся линий, получится квадрат.

Аналогично, если сделать параллельный перенос квадрата вдоль оси OZ и соединить соответствующие вершины, то получится куб.

А если сделать параллельный перенос куба вдоль оси OQ и соединить вершины двух этих кубов, то мы получим четырёхмерный куб. Кстати, он называется тессеракт .

Чтобы нарисовать куб на плоскости, нужно его спроецировать . Наглядно это выглядит так:

Представим, что в воздухе над поверхностью висит каркасная модель куба, то есть как бы «сделанная из проволоки», а над ней - лампочка. Если включить лампочку, обвести карандашом тень от куба, а потом выключить лампочку, то на поверхности будет изображена проекция куба.

Перейдём к немного более сложному. Ещё раз посмотрите на рисунок с лампочкой: как видите, все лучи сошлись в одной точке. Она называется точкой схода и используется для построения перспективной проекции (а бывает и параллельная, когда все лучи параллельны друг другу. Результат - не создаётся ощущения объёма, но она легче, и при том если точка схода достаточно сильно удалена от проецируемого объекта, то разница между этими двумя проекциями мало заметна). Чтобы спроецировать данную точку на данную плоскость, используя точку схода, нужно провести прямую через точку схода и данную точку, а потом найти точку пересечения получившейся прямой и плоскости. А для того, чтобы спроецировать более сложную фигуру, скажем, куб, нужно спроецировать каждую его вершину, а потом соответствующие точки соединить. Следует заметить, что алгоритм проекции пространства на подпространство можно обобщить для случая 4D->3D, а не только 3D->2D.

Как я уже говорил, мы не можем себе точно представить, как выглядит ось OQ, равно как и тессеракт. Зато мы можем получить ограниченное представление о нём, если мы спроецируем его на объём, а потом нарисуем это на экране компьютера!

Теперь поговорим о проекции тессеракта.

Слева находится проекция куба на плоскость, а справа - тессеракта на объём. Они довольно схожи: проекция куба выглядит как два квадрата, маленький и большой, один внутри другого, и у которых соответствующие вершины соединены линиями. А проекция тессеракта выглядит как два куба, маленький и большой, один внутри другого, и у которых соответствующие вершины соединены. Но мы все видели куб, и можем с уверенностью сказать, что и маленький квадрат, и большой, и четыре трапеции сверху, снизу, справа и слева от маленького квадрата, на самом деле являются квадратами, при чём равными. И у тессеракта тоже самое. И большой куб, и маленький куб, и шесть усечённых пирамид по бокам от маленького куба - это всё кубы, при чём равные.

Моя программа умеет не только рисовать проекцию тессеракта на объём, а ещё и вращать его. Рассмотрим, как делается это.

Для начала я вам расскажу, что такое вращение параллельно плоскости .

Представьте себе, что куб вращается вокруг оси OZ. Тогда каждая из его вершин описывает окружность вокруг оси OZ.

А окружность - фигура плоская. И плоскости каждой из этих окружностей параллельны между собой, и в данном случае параллельны плоскости XOY. То есть мы можем говорить не только о вращении вокруг оси OZ, а ещё и о вращении параллельно плоскости XOY.Как видим, у точек, которые вращаются параллельно оси XOY меняются только абсцисса и ордината, аппликата же остаётся неизменной И, вообще-то, мы можем говорить о вращении вокруг прямой только тогда, когда имеем дело с трёхмерным пространством. В двумерном всё вращается вокруг точки, в четырёхмерном - вокруг плоскости, в пятимерном пространстве мы говорим о вращении вокруг объёма. И если вращение вокруг точки мы можем себе представить, то вращение вокруг плоскости и объёма - что-то немыслимое. А если будем говорить о вращении параллельно плоскости, то тогда в любом n-мерном пространстве точка может вращаться параллельно плоскости.

Многие из вас, вероятно, слышали о матрице поворота. Умножив точку на неё, получим точку, повёрнутую параллельно плоскости на угол фи. Для двумерного пространства она выглядит так:

Как умножать: икс точки, повёрнутой на угол фи = косинус угла фи*икс первоначальной точки минус синус угла фи*игрек первоначальной точки;
игрек точки, повёрнутой на угол фи=синус угла фи*икс первоначальной точки плюс косинус угла фи*игрек первоначальной точки.
Xa`=cosф*Xa - sinф*Ya
Ya`=sinф*Xa + cosф*Ya
, где Xa и Ya - абсцисса и ордината точки, которую нужно повернуть, Xa` и Ya` - абсцисса и ордината уже повёрнутой точки

Для трёхмерного пространства это матрица обобщается следующим образом:

Вращение параллельно плоскости XOY. Как видим, координата Z не меняется, а меняются только X и Y
Xa`=cosф*Xa - sinф*Ya + Za*0
Ya`=sinф*Xa +cosф*Ya + Za*0
Za`=Xa*0 + Ya*0 + Za*1 (по сути, Za`=Za)

Вращение параллельно плоскости XOZ. Ничего нового,
Xa`=cosф*Xa + Ya*0 - sinф*Za
Ya`=Xa*0 + Ya*1 + Za*0 (по сути, Ya`=Ya)
Za`=sinф*Xa + Ya*0 + cosф*Za

И третья матрица.
Xa`=Xa*1 + Ya*0 + Za*0 (по сути, Xa`=Xa)
Ya`=Xa*0 + cosф*Ya - sinф*Za
Za`=Xa*0 + sinф*Ya + cosф*Za

А для четвёртого измерения они выглядят вот так:


Думаю, вы уже поняли, что на что множить, потому лишний раз расписывать не буду. Зато замечу, что она делает то же самое, что и матрица для поворота параллельно плоскости в трёхмерном пространстве! И та, и эта изменяют только ординату и аппликату, а остальные координаты не трогают, потому её можно использовать и в трёхмерном случае, просто не обращая внимания на четвёртую координату.

А вот с формулой проекции не всё так просто. Сколько я ни читал форумов, мне не подошёл ни один из способов проекции. Параллельная мне не подходила, так как проекция не будет выглядеть объёмной. В одних формулах проекции для нахождения точки нужно решить систему уравнений(а я не знаю, как научить компьютер их решать), другие я просто-напросто не понял… В общем, я решил придумать свой способ. Рассмотрим для этого проекцию 2D->1D.

pov значит «Point of view» (точка зрения), ptp значит «Point to project» (точка, которую нужно спроецировать), а ptp` - это искомая точка на оси OX.

Углы povptpB и ptpptp`A равны как соответствующие(пунктирная линия параллельна оси OX, прямая povptp - секущая).
Икс точки ptp` равен иксу точки ptp минус длина отрезка ptp`A. Этот отрезок можно найти из треугольника ptpptp`A: ptp`A = ptpA/тангенс угла ptpptp`A. Мы можем найти этот тангенс из треугольника povptpB: тангенс угла ptpptp`A = (Ypov-Yptp)(Xpov-Xptp).
Ответ: Xptp`=Xptp-Yptp/тангенс угла ptpptp`A.

Я не стал подробно расписывать этот алгоритм тут, так как там куча частных случаев, когда формула несколько меняется. Кому это интересно - посмотрите в исходниках программы, там всё расписано в комментариях.

Для того, чтобы спроецировать точку трёхмерного пространства на плоскость, просто рассмотрим две плоскости - XOZ и YOZ, и для каждой из них решим эту задачу. В случае четырёхмерного пространства нужно рассмотреть уже три плоскости: XOQ, YOQ и ZOQ.

И наконец, про программу. Она действует так: инициализировать шестнадцать вершин тессеракта -> в зависимости от введённых пользователем команд повернуть его -> спроецировать на объём -> в зависимости от введённых пользователем команд повернуть его проекцию -> спроецировать на плоскость -> нарисовать.

Проекции и повороты я написал сам. Они работают по формулам, которые я только что описал. Библиотека OpenGL рисует линии, а так же занимается смешиванием цветов. А координаты вершин тессеракта вычисляются таким образом:

Координаты вершин линии с центром в начале координат и длинной 2 - (1) и (-1);
- " - " - квадрата - " - " - и ребром длинной 2:
(1; 1), (-1; 1), (1; -1) и (-1; -1);
- " - " - куба - " - " -:
(1; 1; 1), (-1; 1; 1), (1; -1; 1), (-1; -1; 1), (1; 1; -1), (-1; 1; -1), (1; -1; -1), (-1; -1; -1);
Как можно было заметить, квадрат - это одна линия над осью OY и одна линия под осью OY; куб - это один квадрат спереди от плоскости XOY, и один за ней; тессеракт - это один куб по ту сторону объёма XOYZ, и один - по эту. Но куда легче воспринять это чередование единиц и минус единиц, если их записать в столбик

1; 1; 1
-1; 1; 1
1; -1; 1
-1; -1; 1
1; 1; -1
-1; 1; -1
1; -1; -1
-1; -1; -1

В первом столбце один и минус один чередуются. Во втором столбце сначала идёт два плюса, потом два минуса. В третьем - четыре плюс единицы, а потом четыре минус единицы. Это были вершины куба. У тессеракта их в два раза больше, и потому нужно было написать цикл для их объявления, иначе очень легко запутаться.

Моя программа так же умеет рисовать анаглиф. Счастливые обладатели 3D-очков могут наблюдать стереоскопическую картинку. В рисовании картинки нет ничего хитрого, просто рисуется две проекции на плоскость, для правого и левого глаз. Зато программа становится намного более наглядной и интересной, а главное - даёт лучшее представление о четырёхмерном мире.

Менее значительные функции - подсветка одной из граней красным, чтобы лучше можно было разглядеть повороты, а так же мелкие удобства - регуляция координат точек-«глаз», увеличение и уменьшение скорости поворота.

Архив с программой, исходником и инструкцией пользования.

Если вы поклонник фильмов про Мстителей, первое, что может прийти вам на ум, когда вы услышите слово «Tesseract», это прозрачный кубообразный сосуд Камня бесконечности, содержащий безграничную силу.

Для поклонников Вселенной Marvel Тессеракт — это светящийся синий куб, от которого люди с не только Земли, но и других планет тоже сходят с ума. Вот почему все Мстители объединились, чтобы защитить Землян от чрезвычайно разрушительных сил Тессеракта.

Однако нужно сказать следующее: Тессеракт — это фактическое геометрическое понятие, а точнее, форма, существующая в 4D. Это не просто синий куб от Мстителей … это реальная концепция.

Тессеракт — это объект в 4 измерениях. Но прежде чем мы подробно объясним его, давайте начнем с самого начала.

Что такое «измерение»?

Каждый человек слышал термины 2D и 3D, представляя соответственно двумерные или трехмерные объекты пространства. Но что представляют собой эти измерения?

Измерение — это просто направление, в котором вы можете пойти. Например, если вы рисуете линию на листе бумаги, вы можете идти либо влево / вправо (по оси x), либо в направлении вверх / вниз (ось y). Таким образом, мы говорим, что бумага двумерна, так как вы можете идти только в двух направлениях.

В 3D есть ощущение глубины.

Теперь, в реальном мире, помимо упомянутых выше двух направлений (слева / справа и вверх / вниз), вы также можете пойти «в / из». Следовательно, в 3D-пространстве добавляется ощущение глубины. Поэтому мы говорим, что реальная жизнь 3-мерная.

Точка может представлять 0 измерений (поскольку она не перемещается в любом направлении), линия представляет 1 измерение (длина), квадрат представляет 2 измерения (длина и ширина), а куб представляет 3 измерения (длина, ширина и высота).

Возьмите 3D-куб и замените каждую его грань (которая в настоящее время является квадратом) кубом. И вот! Форма, которую вы получаете, — это и есть тессеракт.

Что такое тессеракт?

Проще говоря, тессеракт — это куб в 4-мерном пространстве. Вы также можете сказать, что это 4D-аналог куба. Это 4D-форма, где каждая грань является кубом.

Вот простой способ концептуализации размеров: квадрат — двумерный; поэтому каждый из его углов имеет 2 линии, отходящих от него под углом 90 градусов друг к другу. Куб — 3D, поэтому каждый из его углов имеет 3 линии, сходящие с него. Аналогичным образом, тессеракт представляет собой 4D-форму, поэтому каждый угол имеет 4 линии, отходящих от него.

Почему трудно представить себе тессеракт?

Поскольку мы, как люди, эволюционировали, чтобы визуализировать объекты в трех измерениях, все, что входит в дополнительные измерения, такие как 4D, 5D, 6D и т. д., не имеет для нас большого смысла, потому что мы вообще не можем их представить. Наш мозг не может понять 4-го измерения в пространстве. Мы просто не можем об этом думать.

Однако только потому, что мы не можем визуализировать концепцию многомерных пространств, это не значит, что она не может существовать.

Бакаляр Мария

Изучаются способы введения понятия четырёхмерного куба (тессеракта), его строение и некоторые свойства Решается вопрос о том, какие трёхмерные объекты получаются при пересечении четырёхмерного куба гиперплоскостями, параллельными его трёхмерным граням, а также гиперплоскостями, перпендикулярными его главной диагонали. Рассмотрен применяемый для исследования аппарат многомерной аналитической геометрии.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Введение……………………………………………………………………….2

Основная часть………………………………………………………………..4

Выводы………….. …………………………………………………………..12

Список литературы…………………………………………………………..13

Введение

Четырёхмерное пространство издавна привлекало внимание, как профессиональных математиков, так и людей, далёких от занятий этой наукой. Интерес к четвёртому измерению может быть обусловлен предположением о том, что наш трёхмерный мир «погружен» в четырёхмерное пространство подобно тому, как плоскость «погружена» в трёхмерное пространство, прямая «погружена» в плоскость, а точка – в прямую. Помимо этого, четырёхмерное пространство играет важную роль в современной теории относительности (так называемое пространство-время или пространство Минковского), а также может рассматриваться как частный случай мерного евклидова пространства (при ).

Четырёхмерный куб (тессеракт) является объектом четырёхмерного пространства, имеющим максимально возможную размерность (подобно тому, как обычный куб является объектом трёхмерного пространства). Заметим, что он представляет и непосредственный интерес, а именно может фигурировать в оптимизационных задачах линейного программирования (как область, в которой отыскивается минимум или максимум линейной функции четырёх переменных), а также применяется в цифровой микроэлектронике (при программировании работы дисплея электронных часов). Кроме этого, сам процесс изучения четырёхмерного куба способствует развитию пространственного мышления и воображения.

Следовательно, изучение строения и специфических свойств четырёхмерного куба является достаточно актуальным. Стоит отметить, что в плане строения четырёхмерный куб изучен достаточно хорошо. Гораздо больший интерес представляет характер его сечений различными гиперплоскостями. Таким образом, основной целью данной работы является изучение строения тессеракта, а также выяснение вопроса о том, какие трёхмерные объекты будут получаться, если четырёхмерный куб рассекать гиперплоскостями, параллельными какой-то одной из его трёхмерных граней, или же гиперплоскостями, перпендикулярными его главной диагонали. Гиперплоскостью в четырёхмерном пространстве будем называть трёхмерное подпространство. Можно сказать, что прямая на плоскости – одномерная гиперплоскость, плоскость в трёхмерном пространстве – двумерная гиперплоскость.

Поставленная цель определила задачи исследования:

1) Изучить основные факты многомерной аналитической геометрии;

2) Изучить особенности построения кубов размерностей от 0 до 3;

3) Изучить строение четырёхмерного куба;

4) Аналитически и геометрически описать четырёхмерный куб;

5) Изготовить модели развёрток и центральных проекций трёхмерного и четырёхмерного кубов.

6) Пользуясь аппаратом многомерной аналитической геометрии, описать трёхмерные объекты, получающиеся при пересечении четырёхмерного куба гиперплоскостями, параллельными какой-то одной из его трёхмерных граней, или же гиперплоскостями, перпендикулярными его главной диагонали.

Полученная таким образом информация позволит лучше разобраться в строении тессеракта, а также выявить глубокую аналогию в строении и свойствах кубов различных размерностей.

Основная часть

Сначала опишем математический аппарат, которым мы будем пользоваться в ходе данного исследования.

1) Координаты вектора: если , то

2) Уравнение гиперплоскости с нормальным вектором имеет вид Здесь

3) Плоскости и параллельны тогда и только тогда, когда

4) Расстояние между двумя точками определяется следующим образом: если , то

5) Условие ортогональности векторов:

Прежде всего, выясним, каким образом можно описать четырёхмерный куб. Сделать это можно двумя способами – геометрическим и аналитическим.

Если говорить о геометрическом способе задания, то здесь целесообразно проследить процесс построения кубов, начиная с нулевой размерности. Куб нулевой размерности – это точка (заметим, кстати, что точка может также играть роль шара нулевой размерности). Далее введём первое измерение (ось абсцисс) и на соответствующей оси отметим две точки (два нульмерных куба), находящиеся на расстоянии 1 друг от друга. Получится отрезок - одномерный куб. Сразу же отметим характерную особенность: Границей (концами) одномерного куба (отрезка) являются два нульмерных куба (две точки). Далее введём второе измерение (ось ординат) и на плоскости построим два одномерных куба (два отрезка), концы которых находятся на расстоянии 1 друг от друга (фактически, один из отрезков является ортогональной проекцией другого). Соединяя соответствующие концы отрезков, получим квадрат – двумерный куб. Опять-таки отметим, что границей двумерного куба (квадрата) являются четыре одномерных куба (четыре отрезка). Наконец, введём третье измерение (ось аппликат) и построим в пространстве два квадрата таким образом, чтобы один из них являлся ортогональной проекцией другого (при этом соответствующие вершины квадратов находятся друг от друга на расстоянии 1). Соединим соответствующие вершины отрезками – получим трёхмерный куб. Видим, что границей трёхмерного куба являются шесть двумерных кубов (шесть квадратов). Описанные построения позволяют выявить следующую закономерность: на каждом шаге мерный куб «движется, оставляя след» в е измерение на расстояние 1, при этом, направление движения перпендикулярно кубу. Именно формальное продолжение этого процесса и позволяет прийти к понятию четырёхмерного куба. А именно, заставим трёхмерный куб продвинуться в направлении четвёртого измерения (перпендикулярно кубу) на расстояние 1. Действуя аналогично предыдущему, то есть, соединяя соответствующие вершины кубов, мы и получим четырёхмерный куб. необходимо отметить, что геометрически такое построение в нашем пространстве невозможно (ибо оно трёхмерно), однако здесь мы не сталкиваемся ни с какими противоречиями с логической точки зрения. Теперь перейдём к аналитическому описанию четырёхмерного куба. Оно также получается формально, с помощью аналогии. Итак, аналитическое задание нульмерного единичного куба имеет вид:

Аналитическое задание одномерного единичного куба имеет вид:

Аналитическое задание двумерного единичного куба имеет вид:

Аналитическое задание трёхмерного единичного куба имеет вид:

Теперь уже очень легко дать аналитическое представление четырёхмерного куба, а именно:

Как видим, и при геометрическом, и при аналитическом способах задания четырёхмерного куба использовался метод аналогий.

Теперь, используя аппарат аналитической геометрии, выясним, какое имеет строение четырёхмерный куб. Сначала выясним, какие элементы в него входят. Здесь опять можно воспользоваться аналогией (для выдвижения гипотезы). Границей одномерного куба являются точки (нульмерные кубы), двумерного куба – отрезки (одномерные кубы), трёхмерного куба – квадраты (двумерные грани). Можно предположить, что границей тессеракта являются трёхмерные кубы. Для того чтобы это доказать, уточним, что понимается под вершинами, рёбрами и гранями. Вершинами куба назовём его угловые точки. То есть, координатами вершин могут являться нули или единицы. Таким образом, обнаруживается связь между размерностью куба и числом его вершин. Применим комбинаторное правило произведения – так как вершина мерного куба имеет ровно координат, каждая из которых равна нулю или единице (независимо от всех остальных), то всего имеется вершин. Таким образом, у любой вершины все координаты фиксированы и могут равняться или . Если же зафиксировать все координаты (положив каждую из них равной или , независимо от остальных), кроме одной, то получим прямые, содержащие рёбра куба. Аналогично предыдущему, можно сосчитать, что их ровно штук. А если теперь зафиксировать все координаты (положив каждую из них равной или , независимо от остальных), кроме каких-нибудь двух, получим плоскости, содержащие двумерные грани куба. Используя правило комбинаторики, найдём, что их ровно штук. Далее аналогично – зафиксировав все координаты (положив каждую из них равной или , независимо от остальных), кроме каких-нибудь трёх, получим гиперплоскости, содержащие трёхмерные грани куба. Пользуясь тем же правилом, вычислим их количество – ровно и т.д. Для нашего исследования этого будет достаточно. Применим полученные результаты к строению четырёхмерного куба, а именно, во всех выведенных формулах положим . Стало быть, четырёхмерный куб имеет: 16 вершин, 32 ребра, 24 двумерные грани, и 8 трёхмерных граней. Для наглядности зададим аналитически все его элементы.

Вершины четырёхмерного куба:

Рёбра четырёхмерного куба ():

Двумерные грани четырёхмерного куба (аналогичные ограничения):

Трёхмерные грани четырёхмерного куба (аналогичные ограничения):

Теперь, когда строение четырёхмерного куба и способы его задания описаны с достаточной полнотой, приступим к реализации главной цели – выяснению характера различных сечений куба. Начнём с элементарного случая, когда сечения куба параллельны одной из его трёхмерных граней. Например, рассмотрим его сечения гиперплоскостями, параллельными грани Из аналитической геометрии известно, что любое такое сечение будет задаваться уравнением Зададим соответствующие сечения аналитически:

Как видим, получено аналитическое задание трёхмерного единичного куба, лежащего в гиперплоскости

Для установления аналогии запишем сечение трёхмерного куба плоскостью Получим:

Это квадрат, лежащий в плоскости . Аналогия очевидна.

Сечения четырёхмерного куба гиперплоскостями дают совершенно аналогичные результаты. Это будут также единичные трёхмерные кубы, лежащие в гиперплоскостях соответственно.

Сейчас рассмотрим сечения четырёхмерного куба гиперплоскостями, перпендикулярными его главной диагонали. Сначала решим эту задачу для трёхмерного куба. Используя вышеописанный способ задания единичного трёхмерного куба, заключает, что в качестве главной диагонали можно взять, например, отрезок с концами и . Значит, вектор главной диагонали будет иметь координаты . Следовательно, уравнение любой плоскости, перпендикулярной главной диагонали, будет иметь вид:

Определим границы изменения параметра . Так как , то, почленно складывая эти неравенства, получим:

Или .

Если , то (в силу ограничений). Аналогично - если , то . Значит, при и при секущая плоскость и куб имеют ровно одну общую точку ( и соответственно). Теперь заметим следующее. Если (опять-таки в силу ограничений переменных). Соответствующие плоскости пересекают сразу три грани, ибо, в противном случае, секущая плоскость была бы параллельна одной из них, что не имеет места по условию. Если , то плоскость пересекает все грани куба. Если же , то плоскость пересекает грани . Приведём соответствующие выкладки.

Пусть Тогда плоскость пересекает грань по прямой , причём . Грань , причём . Грань плоскость пересекает по прямой , причём

Пусть Тогда плоскость пересекает грань:

грань по прямой , причём .

грань по прямой , причём .

грань по прямой , причём .

грань по прямой , причём .

грань по прямой , причём .

грань по прямой , причём .

На этот раз получается шесть отрезков, имеющих последовательно общие концы:

Пусть Тогда плоскость пересекает грань по прямой , причём . Грань плоскость пересекает по прямой , причём . Грань плоскость пересекает по прямой , причём . То есть, получаются три отрезка, имеющих попарно общие концы: Таким образом, при указанных значениях параметра плоскость будет пересекать куб по правильному треугольнику с вершинами

Итак, здесь приведено исчерпывающее описание плоских фигур, получающихся при пересечении куба плоскостью, перпендикулярной его главной диагонали. Основная идея состояла в следующем. Необходимо понять, какие грани пересекает плоскость, по каким множествам она их пересекает, как эти множества связаны между собой. Например, если выяснялось, что плоскость пересекает ровно три грани по отрезкам, которые имеют попарно общие концы, то сечением являлся равносторонний треугольник (что доказывается непосредственным подсчётом длин отрезков), вершинами которого и служат эти концы отрезков.

Пользуясь этим же аппаратом и той же идеей исследования сечений, совершенно аналогично можно вывести следующие факты:

1) Вектор одной из главных диагоналей четырёхмерного единичного куба имеет координаты

2) Любая гиперплоскость, перпендикулярная главной диагонали четырёхмерного куба, может быть записана в виде .

3) В уравнении секущей гиперплоскости параметр может изменяться от 0 до 4;

4) При и секущая гиперплоскость и четырёхмерный куб имеют одну общую точку (и соответственно);

5) При в сечении будет получаться правильный тетраэдр;

6) При в сечении будет получаться октаэдр;

7) При в сечении будет получаться правильный тетраэдр.

Соответственно, здесь гиперплоскость пересекает тессеракт по плоскости, на которой в силу ограничений переменных выделяется треугольная область (аналогия – плоскость пересекала куб по прямой, на которой в силу ограничений переменных выделялся отрезок). В случае 5) гиперплоскость пересекает ровно четыре трёхмерные грани тессеракта, то есть, получаются четыре треугольника, имеющих попарно общие стороны, иначе говоря, образующие тетраэдр (как это можно подсчитать - правильный). В случае 6) гиперплоскость пересекает ровно восемь трёхмерных граней тессеракта, то есть, получаются восемь треугольников, имеющих последовательно общие стороны, иначе говоря, образующие октаэдр. Случай 7) полностью аналогичен случаю 5).

Проиллюстрируем сказанное конкретным примером. А именно, исследуем сечение четырёхмерного куба гиперплоскостью В силу ограничений переменных, данная гиперплоскость пересекает следующие трёхмерные грани: Грань пересекается по плоскости В силу ограничений переменных имеем: Получим треугольную область с вершинами Далее, получим треугольник При пересечении гиперплоскости с гранью получим треугольник При пересечении гиперплоскости с гранью получим треугольник Таким образом, вершины тетраэдра имеют следующие координаты . Как легко подсчитать, этот тетраэдр действительно является правильным.

Выводы

Итак, в процессе данного исследования были изучены основные факты многомерной аналитической геометрии, изучены особенности построения кубов размерностей от 0 до 3, изучено строение четырёхмерного куба, аналитически и геометрически описан четырёхмерный куб, изготовлены модели развёрток и центральных проекций трёхмерного и четырёхмерного кубов, аналитически описаны трёхмерные объекты, получающиеся при пересечении четырёхмерного куба гиперплоскостями, параллельными какой-то одной из его трёхмерных граней, или же гиперплоскостями, перпендикулярными его главной диагонали.

Проведённое исследование позволило выявить глубокую аналогию в строении и свойствах кубов различных размерностей. Использованную методику проведения аналогии можно применить при исследовании, например, мерной сферы или мерного симплекса. А именно, мерную сферу можно определить как множество точек мерного пространства, равноудалённых от заданной точки, которая называется центром сферы. Далее, мерный симплекс можно определить как часть мерного пространства, ограниченную минимальным числом мерных гиперплоскостей. Например, одномерный симплекс – отрезок (часть одномерного пространства, ограниченная двумя точками), двумерный симплекс – треугольник (часть двумерного пространства, ограниченная тремя прямыми), трёхмерный симплекс – тетраэдр (часть трёхмерного пространства, ограниченная четырьмя плоскостями). Наконец, мерный симплекс определим как часть мерного пространства, ограниченную гиперплоскостью размерности .

Отметим, что, несмотря на многочисленные применения тессеракта в некоторых областях науки, данное исследование всё же является в значительной степени математическим изысканием.

Список литературы

1) Бугров Я.С., Никольский С.М. Высшая математика, т.1 –М.: Дрофа, 2005 – 284 с.

2) Квант. Четырёхмерный куб / Дужин С., Рубцов В., №6, 1986.

3) Квант. Как начертить мерный куб / Демидович Н.Б., №8, 1974.

Тессеракт - четырёхмерный гиперкуб - куб в четырёхмерном пространстве.
Согласно Оксфордскому словарю, слово tesseract было придумано и начало использоваться в 1888 Чарльзом Говардом Хинтоном (1853-1907) в его книге «Новая эра мысли». Позже некоторые люди назвали ту же самую фигуру тетракубом (греч. τετρα - четыре) - четырёхмерным кубом.
Обычный тессеракт в евклидовом четырёхмерном пространстве определяется как выпуклая оболочка точек (±1, ±1, ±1, ±1). Иначе говоря, он может быть представлен в виде следующего множества:
[-1, 1]^4 = {(x_1,x_2,x_3,x_4) : -1 = Тессеракт ограничен восемью гиперплоскостями x_i= +- 1, i=1,2,3,4 , пересечение которых с самим тессерактом задаёт его трёхмерные грани (являющиеся обычными кубами). Каждая пара непараллельных трёхмерных граней пересекается, образуя двумерные грани (квадраты), и так далее. Окончательно, тессеракт обладает 8 трёхмерными гранями, 24 двумерными, 32 рёбрами и 16 вершинами.
Популярное описание
Попытаемся представить себе, как будет выглядеть гиперкуб, не выходя из трёхмерного пространства.
В одномерном «пространстве» - на линии - выделим отрезок АВ длиной L. На двумерной плоскости на расстоянии L от АВ нарисуем параллельный ему отрезок DC и соединим их концы. Получится квадрат CDBA. Повторив эту операцию с плоскостью, получим трёхмерный куб CDBAGHFE. А сдвинув куб в четвёртом измерении (перпендикулярно первым трём) на расстояние L, мы получим гиперкуб CDBAGHFEKLJIOPNM.
Одномерный отрезок АВ служит стороной двумерного квадрата CDBA, квадрат - стороной куба CDBAGHFE, который, в свою очередь, будет стороной четырёхмерного гиперкуба. Отрезок прямой имеет две граничные точки, квадрат - четыре вершины, куб - восемь. В четырёхмерном гиперкубе, таким образом, окажется 16 вершин: 8 вершин исходного куба и 8 сдвинутого в четвёртом измерении. Он имеет 32 ребра - по 12 дают начальное и конечное положения исходного куба, и ещё 8 рёбер «нарисуют» восемь его вершин, переместившихся в четвёртое измерение. Те же рассуждения можно проделать и для граней гиперкуба. В двумерном пространстве она одна (сам квадрат), у куба их 6 (по две грани от переместившегося квадрата и ещё четыре опишут его стороны). Четырёхмерный гиперкуб имеет 24 квадратные грани - 12 квадратов исходного куба в двух положениях и 12 квадратов от двенадцати его рёбер.
Как сторонами квадрата являются 4 одномерных отрезка, а сторонами (гранями) куба являются 6 двухмерных квадратов, так и для «четырёхмерного куба» (тессеракта) сторонами являются 8 трёхмерных кубов. Пространства противоположных пар кубов тессеракта (то есть трёхмерные пространства, которым эти кубы принадлежат) параллельны. На рисунке это кубы: CDBAGHFE и KLJIOPNM, CDBAKLJI и GHFEOPNM, EFBAMNJI и GHDCOPLK, CKIAGOME и DLJBHPNF.
Аналогичным образом можно продолжить рассуждения для гиперкубов большего числа измерений, но гораздо интереснее посмотреть, как для нас, жителей трёхмерного пространства, будет выглядеть четырёхмерный гиперкуб. Воспользуемся для этого уже знакомым методом аналогий.
Возьмём проволочный куб ABCDHEFG и поглядим на него одним глазом со стороны грани. Мы увидим и можем нарисовать на плоскости два квадрата (ближнюю и дальнюю его грани), соединённые четырьмя линиями - боковыми рёбрами. Аналогичным образом четырёхмерный гиперкуб в пространстве трёх измерений будет выглядеть как два кубических «ящика», вставленных друг в друга и соединённых восемью рёбрами. При этом сами «ящики» - трёхмерные грани - будут проецироваться на «наше» пространство, а линии, их соединяющие, протянутся в направлении четвёртой оси. Можно попытаться также представить себе куб не в проекции, а в пространственном изображении.
Подобно тому, как трёхмерный куб образуется квадратом, сдвинутым на длину грани, куб, сдвинутый в четвёртое измерение, сформирует гиперкуб. Его ограничивают восемь кубов, которые в перспективе будут выглядеть как некая довольно сложная фигура. Сам же четырёхмерный гиперкуб состоит из бесконечного количества кубов, подобно тому как трёхмерный куб можно «нарезать» на бесконечное количество плоских квадратов.
Разрезав шесть граней трёхмерного куба, можно разложить его в плоскую фигуру - развёртку. Она будет иметь по квадрату с каждой стороны исходной грани плюс ещё один - грань, ей противоположную. А трёхмерная развёртка четырёхмерного гиперкуба будет состоять из исходного куба, шести кубов, «вырастающих» из него, плюс ещё одного - конечной «гиперграни».
Свойства тессеракта представляют собой продолжение свойств геометрических фигур меньшей размерности в четырёхмерное пространство.

Учения о многомерных пространствах начали появляться в середине XIX века в работах Г. Грассмана, А. Кэли, Б. Римана, В. Клиффорда, Л. Шлефли и других математиков. В начале XX века с появлением теории относительности А. Эйнштейна и идей Г. Минковского в физике стали использовать четырехмерную пространственно-временную систему координат.

Потом идею четырехмерного пространства у ученых позаимствовали фантасты. В своих произведениях они поведали миру об удивительных чудесах четвертого измерения. Герои их произведений, используя свойства четырехмерного пространства, могли съесть содержимое яйца, не повредив скорлупы, выпить напиток, не вскрывая пробку бутылки. Похитители извлекали сокровища из сейфа через четвертое измерение. Звенья цепи легко можно рассоединить, а узел на веревке развязать, не прикасаясь к ее концам. Хирурги выполняли операции над внутренними органами, не разрезая ткани тела пациента. Мистики поместили души усопших в четвертое измерение. Для обычного человека идея четырехмерного пространства осталась непонятной и таинственной, а многие вообще считают четырехмерное пространство плодом воображения ученых и фантастов, не имеющего никакого отношения к реальности.

Проблема восприятия

Традиционно считается, что воспринимать и представлять четырехмерные фигуры человек не может, так как он трехмерное существо. Субъект воспринимает трехмерные фигуры с помощью сетчатки глаза, которая двумерна. Для восприятия четырехмерных фигур необходима трехмерная сетчатка, но у человека такой возможности нет.

Чтобы составить наглядное представление о четырехмерных фигурах, будем использовать аналогии из пространств низшей размерности для экстраполяции на фигуры высшей размерности, пользоваться методом моделирования, применять методы системного анализа для поиска закономерностей между элементами четырехмерных фигур. Предложенные модели должны адекватно описывать свойства четырехмерных фигур, не противоречить друг другу и давать достаточное представление о четырехмерной фигуре и, в первую очередь, о ее геометрической форме. Так как в литературе нет систематического и наглядного описания четырехмерных фигур, а имеются только их названия с указанием некоторых свойств, мы предлагаем начать изучение четырехмерных фигур с самой простой – четырехмерного куба, который называется гиперкубом.

Определение гиперкуба

Гиперкубом называется правильный политоп, ячейкой которого является куб.

Политоп – это четырехмерная фигура, граница которой состоит из многогранников. Аналогом ячейки политопа является грань многогранника. Гиперкуб является аналогом трехмерного куба.

Мы будем иметь представление о гиперкубе, если познаем его свойства. Субъект воспринимает некоторый объект, представляя его в виде некоторой модели. Воспользуемся данным методом, и представление о гиперкубе изложим в виде различных моделей.

Аналитическая модель

Будем рассматривать одномерное пространство (прямую линию) как упорядоченное множество точек M (x ), где x – координата произвольной точки прямой. Тогда единичный отрезок задается указанием двух точек: A (0) и B (1).

Плоскость (двумерное пространство) можно рассматривать как упорядоченное множество точек M (x ; y ). Единичный квадрат будет полностью определен его четырьмя вершинами: A (0; 0), B (1; 0), C (1; 1), D (0; 1). Координаты вершин квадрата получены добавлением к координатам отрезка нуля, а потом единицы.

Трехмерное пространство – упорядоченное множество точек M (x ; y ; z ). Для задания трехмерного куба необходимо восемь точек:

A (0; 0; 0), B (1; 0; 0), C (1; 1; 0), D (0; 1; 0),

E (0; 0; 1), F (1; 0; 1), G (1; 1; 1), H (0; 1; 1).

Координаты куба получены из координат квадрата добавлением нуля, а потом единицы.

Четырехмерное пространство есть упорядоченное множество точек M (x ; y ; z ; t ). Для задания гиперкуба нужно определить координаты шестнадцати его вершин:

A (0; 0; 0; 0), B (1; 0; 0; 0), C (1; 1; 0; 0), D (0; 1; 0; 0),

E (0; 0; 1; 0), F (1; 0; 1; 0), G (1; 1; 1; 0), H (0; 1; 1; 0),

K (0; 0; 0; 1), L (1; 0; 0; 1), M (1; 1; 0; 1), N (0; 1; 0; 1),

O (0; 0; 1; 1), P (1; 0; 1; 1), R (1; 1; 1; 1), S (0; 1; 1; 1).

Координаты гиперкуба получены из координат трехмерного куба добавлением четвертой координаты, равной нулю, а потом единице.

Используя формулы аналитической геометрии для четырехмерного евклидового пространства, можно получить свойства гиперкуба.
В качестве примера рассмотрим вычисление длины главной диагонали гиперкуба. Пусть требуется найти расстояние между точками A (0, 0, 0, 0) и R (1, 1, 1, 1). Для этого воспользуемся формулой расстояния в четырехмерном евклидовом пространстве.

В двумерном пространстве (на плоскости) расстояние между точками A (x 1 , y 1) и B (x 2 , y 2) вычисляется по формуле

Эта формула следует из теоремы Пифагора.

Соответствующая формула расстояния между точками A (x 1 , y 1 , z 1) и B (x 2 , y 2 , z 2) в трехмерном пространстве имеет вид

И в одномерном пространстве (на прямой) между точками A(x 1) и B(x 2) можно записать соответствующую формулу расстояния:

Аналогично расстояние между точками A (x 1 , y 1 , z 1 , t 1) и B (x 2 , y 2 , z 2 , t 2) в четырехмерном пространстве будет вычисляться по формуле:

Для предложенного примера находим

Таким образом, аналитически гиперкуб существует, и его свойства можно описать не хуже, чем свойства трехмерного куба.

Динамическая модель

Аналитическая модель гиперкуба очень абстрактна, поэтому рассмотрим другую модель – динамическую.

Точка (нульмерная фигура), двигаясь в одном направлении, порождает отрезок (одномерную фигуру). Отрезок, двигаясь в направлении перпендикулярно самому себе, создает квадрат (двумерную фигуру). Квадрат, двигаясь в направлении перпендикулярно плоскости квадрата, создает куб (трехмерную фигуру).

Куб, двигаясь перпендикулярно трехмерному пространству, в котором он находился первоначально, порождает гиперкуб (четырехмерную фигуру).

Граница гиперкуба трехмерна, конечна и замкнута. Она состоит из трехмерного куба в начальном положении, трехмерного куба в конечном положении и шести кубов, образованных при движении квадратов исходного куба в направлении четвертого измерения. Вся граница гиперкуба состоит из 8 трехмерных кубов (ячеек).

При движении в первоначальном положении куб имел 8 вершин и в конечном положении также 8 вершин. Следовательно, гиперкуб имеет в общей сложности 16 вершин.

Из каждой вершины исходят по четыре взаимно перпендикулярных ребра. Всего ребер у гиперкуба – 32. В первоначальном положении у него было 12 ребер, в конечном положении также 12 ребер, и 8 ребер образовали вершины куба при движении в четвертом измерении.

Таким образом, граница гиперкуба состоит из 8 кубов, которые состоят из 24 квадратов. А именно, 6 квадратов в исходном положении, 6 – в конечном, и 12 квадратов, образованных при движении 12 ребер в направлении четвертого измерения.

Геометрическая модель

Динамическая модель гиперкуба может показаться недостаточно наглядной. Поэтому рассмотрим геометрическую модель гиперкуба. Как мы получаем геометрическую модель трехмерного куба? Мы делаем его развертку, а из развертки «склеиваем» модель куба. Развертка трехмерного куба состоит из квадрата, к сторонам которого приложено по квадрату плюс еще один квадрат. Примыкающие квадраты поворачиваем вокруг сторон квадрата, а соседние стороны квадратов соединяем друг с другом. А оставшиеся четыре стороны замыкаем последним квадратом (рис. 1).

Аналогично рассмотрим развертку гиперкуба. Его разверткой будет являться трехмерная фигура, состоящая из исходного трехмерного куба, шести кубов, примыкающих к каждой грани исходного куба и еще одного куба. Всего восемь трехмерных кубов (рис. 2). Чтобы из данной развертки получить четырехмерный куб (гиперкуб), нужно повернуть на 90 градусов каждый из прилегающих кубов. Эти прилегающие кубы будут расположены в другом трехмерном пространстве. Соседние грани (квадраты) кубов соединить друг с другом. Вложить восьмой куб гранями в оставшееся незаполненное пространство. Получим четырехмерную фигуру – гиперкуб, граница которого состоит из восьми трехмерных кубов.

Изображение гиперкуба

Выше было показано, как из трехмерной развертки «склеить» модель гиперкуба. Изображения мы получаем с помощью проекции. Центральная проекция трехмерного куба (его изображение на плоскости) выглядит следующим образом (рис. 3). Внутри квадрата находится другой квадрат. Соответствующие вершины квадрата соединены отрезками. Прилегающие квадраты изображены в виде трапеций, хотя в трехмерном пространстве это квадраты. Внутренний и внешний квадраты разных размеров, но в реальном трехмерном пространстве это равные квадраты.

Аналогично центральная проекция четырехмерного куба на трехмерное пространство будет выглядеть так: внутри одного куба находится другой куб. Соответствующие вершины кубов соединены отрезками. Внутренний и внешний кубы имеют разные размеры в трехмерном пространстве, но в четырехмерном пространстве это равные кубы (рис. 4).

Шесть усеченных пирамид – это изображения равных шести ячеек (кубов) четырехмерного куба.

Эту трехмерную проекцию можно нарисовать на плоскости и убедиться в истинности свойств гиперкуба, полученных с помощью динамической модели.

Гиперкуб имеет 16 вершин, 32 ребра, 24 грани (квадрата), 8 ячеек (кубов). Из каждой вершины исходят по четыре взаимно-перпендикулярных ребра. Границей гиперкуба является трехмерная замкнутая выпуклая фигура, объем которой (боковой объем гиперкуба) равняется восьми единичным трехмерных кубам. Внутри себя эта фигура содержит единичный гиперкуб, гиперобъем которого равняется гиперобъему единичного гиперкуба.

Заключение

В данной работе ставилась цель дать первоначальное знакомство с четырехмерным пространством. Сделано это было на примере самой простой фигуры – гиперкуба.

Мир четырехмерного пространства удивителен! В нем, наряду с похожими фигурами в трехмерном пространстве, существуют и фигуры, аналогов которых нет в трехмерном пространстве.

Многие явления материального мира, макромира и мегамира, несмотря на грандиозные успехи в физике, химии и астрономии, так и остались необъяснимыми.

Нет единой теории, объясняющей все силы природы. Нет удовлетворительной модели Вселенной, объясняющей ее строение и исключающей парадоксы.

Познав свойства четырехмерного пространства и позаимствовав некоторые идеи из четырехмерной геометрии, можно будет не только построить более строгие теории и модели материального мира, но и создать инструменты и системы, функционирующие по законам четырехмерного мира, тогда возможности человека окажутся еще более впечатляющими.

Главная » Сленг » Куб в проекции с разных сторон. Четырёхмерный куб