Двовимірний куб. Кіберкуб - перший крок у четвертий вимір

Еволюція людського мозку проходила у тривимірному просторі. Тому нам складно уявити собі простору з розмірністю понад три. Фактично людський мозок не може уявити геометричні об'єкти з розмірністю більше трьох. І в той же час ми легко уявляємо собі геометричні об'єкти з розмірністю не тільки три, але і з розмірністю два і один.

Відмінність і аналогія між одновимірним і двовимірним просторами, а також відмінність і аналогія між двовимірним і тривимірним просторами дозволяють нам трохи відкрити ширму таємничості, яка відгороджує нас від просторів більшої розмірності. Щоб зрозуміти, як використовується ця аналогія, розглянемо дуже простий чотиривимірний об'єкт – гіперкуб, тобто чотиривимірний куб. Нехай для визначеності, скажімо, ми хочемо вирішити конкретне завдання, а саме, порахувати кількість квадратних граней чотиривимірного куба. Весь розгляд далі буде дуже несуворим, без усіляких доказів, суто за аналогією.

Щоб зрозуміти, як будується гіперкуб із звичайного куба, треба спочатку подивитися, як будується звичайний куб із звичайного квадрата. Для оригінальності викладу цього матеріалу будемо тут звичайний квадрат називати СубКубом (і не плутатимемо його з суккубом).

Щоб побудувати куб із субкуба, треба протягнути субкуб у напрямку перпендикулярному до площини субкуба у напрямку третього виміру. При цьому з кожної сторони первісного субкуба виросте субкуб, який є бічною двовимірною гранню куба, які обмежать з чотирьох сторін тривимірний об'єм куба, по дві перпендикулярно кожному напрямку в площині субкуба. І вздовж нової третьої осі теж є два субкуби, що обмежують тривимірний об'єм куба. Це та двовимірна грань, де спочатку знаходився наш субкуб і та двовимірна грань куба, куди субкуб прийшов наприкінці будівництва куба.

Те, що Ви зараз прочитали, викладено дуже докладно і з масою уточнень. І не просто. Зараз ми зробимо такий фокус, замінимо у попередньому тексті деякі слова формально таким чином:
куб -> гіперкуб
субкуб -> куб
площина -> обсяг
третього -> четвертого
двовимірної -> тривимірної
чотирьох -> шести
тривимірний -> чотиривимірний
дві -> три
площині -> просторі

В результаті отримуємо наступний осмислений текст, який вже не здається надто докладним.

Щоб побудувати гіперкуб із куба, треба протягнути куб у напрямку перпендикулярному об'єму куба у напрямку четвертого виміру. При цьому з кожної сторони первісного куба виросте куб, який є бічною тривимірною гранню гіперкуба, які обмежать з шести сторін чотиривимірний об'єм гіперкуба, по три перпендикулярно кожному напрямку в просторі куба. І вздовж нової четвертої осі також є два куби, що обмежують чотиривимірний обсяг гіперкуба. Це та тривимірна грань, де спочатку був наш куб і та тривимірна грань гіперкуба, куди куб прийшов під кінець будівництва гіперкуба.

Чому в нас така впевненість, що ми отримали правильний опис побудови гіперкубу? Та тому що такою ж формальною заміною слів ми отримуємо опис побудови куба з опису побудови квадрата. (Перевірте це самі.)

Ось тепер зрозуміло, що якщо з кожної сторони куба має вирости ще один тривимірний куб, значить, з кожного ребра початкового куба має вирости грань. Усього у куба ребер 12, отже, з'явиться додатково 12 нових граней (субкубів) у тих 6 кубів, які обмежують чотиривимірний об'єм по трьох осях тривимірного простору. І залишилися ще два куби, які обмежують цей чотиривимірний об'єм знизу та зверху вздовж четвертої осі. У кожному із цих кубів є по 6 граней.

Разом отримуємо, що гиперкуб має 12+6+6=24 квадратних граней.

На наступному малюнку показано логічну будову гіперкуба. Це як би проекція гіперкуба на тривимірний простір. При цьому виходить тривимірний каркас із ребер. На малюнку, звісно, Ви бачите проекцію цього каркаса ще й на площину.

На цьому каркасі внутрішній куб це як би початковий куб, з якого почалося побудова і обмежує чотиривимірний об'єм гіперкуба по четвертій осі знизу. Ми цей початковий куб простягаємо вгору вздовж четвертої осі виміру і він переходить у зовнішній куб. Отже, зовнішній і внутрішній куби з цього малюнка обмежують гіперкуб по четвертій осі вимірювання.

А між цими двома кубами видно ще 6 нових кубів, які стикаються загальними гранями з першими двома. Ці шість кубів обмежують наш гіперкуб по трьох осях тривимірного простору. Як бачите, вони стикаються не лише з першими двома кубами, які на цьому тривимірному каркасі внутрішній та зовнішній, але вони ще стикаються один з одним.

Можна прямо на малюнку порахувати і переконатися, що гіперкуб дійсно має 24 грані. Але виникає таке питання. Цей каркас гіперкуба у тривимірному просторі заповнений вісьмома тривимірними кубами без жодних просвітів. Щоб із цієї тривимірної проекції гіперкуба зробити справжній гіперкуб, треба вивернути цей каркас навиворіт так, щоб усі 8 кубів обмежували 4-мірний об'єм.

Робиться це так. Запрошуємо в гості мешканця чотиривимірного простору та просимо його допомогти нам. Він вистачає внутрішній куб цього каркаса і зрушує його у напрямку четвертого виміру, який перпендикулярний нашому тривимірному простору. Ми в нашому тривимірному просторі сприймаємо це так, начебто весь внутрішній каркас зник і залишився тільки каркас зовнішнього куба.

Далі наш чотиривимірний помічник пропонує свою допомогу в пологових будинках по безболісних пологах, але наших вагітних жінок лякає перспектива того, що немовля просто зникне з живота і опиниться в паралельному тривимірному просторі. Тому чотиримерцю ввічливо відмовляють.

А ми спантеличуємося питанням, чи не розклеїлися деякі з наших кубів при вивертанні каркасу гіперкубу навиворіт. Адже якщо якісь тривимірні куби, що оточують гіперкуб, стикаються своїми гранями з сусідами на каркасі, то вони також стикатимуться цими ж гранями, якщо чотиримерець виверне каркас навиворіт.

Знову звернемося до аналогії з просторами меншої розмірності. Порівняйте зображення каркаса гіперкуба з проекцією тривимірного куба на площину, показану на наступному малюнку.

Мешканці двовимірного простору побудували на площині каркас проекції куба на площину та запросили нас, тривимірних мешканців, вивертати цей каркас навиворіт. Ми беремо чотири вершини внутрішнього квадрата і зсуваємо їх перпендикулярно до площини. Двовимірні жителі у своїй бачать повне зникнення всього внутрішнього каркаса, і вони залишається лише каркас зовнішнього квадрата. При такій операції всі квадрати, які стикалися своїми ребрами, продовжують, як і раніше, торкатися тими самими ребрами.

Тому ми сподіваємося, що і логічна схема гіперкуба також не буде порушена при вивертанні каркаса гіперкубу навиворіт, а кількість квадратних граней гіперкуба при цьому не збільшиться і буде як і раніше 24. Це, звичайно ж, ніякий не доказ, а суто здогад за аналогією .

Після всього прочитаного тут, Ви вже легко зможете намалювати логічні каркаси п'ятивимірного куба і підрахувати, яке у нього число вершин, ребер, граней, кубів і гіперкубів. Це зовсім не важко.

Гіперкуб та Платонові тіла

Змоделювати в системі «Вектор» усічений ікосаедр («футбольний м'яч»)
у якого кожен п'ятикутник обмежений шестикутниками

Усічений ікосаедрможе бути отриманий зрізанням 12 вершин з утворенням граней у вигляді правильних п'ятикутників. При цьому кількість вершин нового багатогранника збільшується в 5 разів (12×5=60), 20 трикутних граней перетворюються на правильні шестикутники (всього граней стає 20+12=32), а число ребер зростає до 30+12×5=90.

Кроки побудови усіченого ікосаедра в системі «Вектор»

Фігури у 4-мірному просторі.

--à

--à ?

Наприклад, дано куб та гіперкуб. У гіперкубі 24 грані. Значить, у 4-мірного октаедра буде 24 вершини. Хоча ні, гіперкуб – 8 граней кубів – у кожному центрі – вершина. Значить, у 4-мірного октаедра буде 8 вершини того легше.

4-мірний октаедр. Він складається з восьми рівносторонніх і рівних між собою тетраедрів,
з'єднаних по чотири біля кожної вершини.

Рис. Спроба змоделювати
гіперкулю-гіперсферу в системі «Вектор»

Передня – задня грані – кулі без спотворення. Ще шість куль – можна задати через еліпсоїди або квадратичні поверхні (через 4 лінії контуру як утворюють) або через грані (спочатку задаються через утворюючі).

Ще прийоми «побудувати» гіперсферу
- той самий «футбольний м'яч» у 4-мірному просторі

Додаток 2

Для опуклих багатогранників має місце властивість, що зв'язує число його вершин, ребер і граней, доведене в 1752 Леонардом Ейлером, і назва теореми Ейлера.

Перш ніж його сформулювати розглянемо відомі нам багатогранники та заповнимо наступну таблицю, в якій В – число вершин, Р – ребер та Г – граней даного багатогранника:

Назва багатогранника
Трикутна піраміда
Чотирикутна піраміда
Трикутна призма
Чотирикутна призма
n -вугільна піраміда	n+1	2n	n+1
n -вугільна призма	2n	3n	n+2
n -вугільна зрізана піраміда	2n	3n	n+2

З цієї таблиці безпосередньо видно, що всім обраних багатогранників має місце рівність В - Р + Г = 2. Виявляється, що це рівність справедливо як цих багатогранників, але й довільного опуклого многогранника.

Теорема Ейлер. Для будь-якого опуклого багатогранника має місце рівність

В - Р + Г = 2,

де В – число вершин, Р – число ребер та Г – число граней даного багатогранника.

Доведення.Для підтвердження цієї рівності представимо поверхню даного багатогранника виготовленої з еластичного матеріалу. Видалимо (виріжемо) одну з його граней і поверхню, що залишилася, розтягнемо на площині. Отримаємо багатокутник (утворений ребрами віддаленої грані багатогранника), розбитий більш дрібні багатокутники (утворені іншими гранями багатогранника).

Зауважимо, що багатокутники можна деформувати, збільшувати, зменшувати або навіть викривляти їхні сторони, аби при цьому не відбувалося розривів сторін. Число вершин, ребер та граней при цьому не зміниться.

Доведемо, що для отриманого розбиття багатокутника на дрібніші багатокутники має місце рівність

(*) В - Р + Г " = 1,

де В – загальна кількість вершин, Р – загальна кількість ребер і Р” – число багатокутників, що входять у розбиття. Зрозуміло, що Р” = Г – 1, де Р – число граней даного багатогранника.

Доведемо, що рівність (*) не зміниться, якщо у якомусь багатокутнику даного розбиття провести діагональ (рис. 5, а). Справді, після проведення такої діагоналі у новому розбитті буде В вершин, Р+1 ребер і кількість багатокутників збільшиться на одиницю. Отже, маємо

В - (Р + 1) + (Г "+1) = В - Р + Г" .

Користуючись цією властивістю, проведемо діагоналі, що розбивають вхідні багатокутники на трикутники, і для отриманого розбиття покажемо здійсненність рівності (*) (рис. 5, б). Для цього будемо послідовно прибирати зовнішні ребра, зменшуючи кількість трикутників. При цьому можливі два випадки:

а) для видалення трикутника ABCпотрібно зняти два ребра, у нашому випадку ABі BC;

б) видалення трикутникаMKNпотрібно зняти одне ребро, у нашому випадкуMN.

В обох випадках рівність (*) не зміниться. Наприклад, у першому випадку після видалення трикутника граф складатиметься з В – 1 вершин, Р – 2 ребер та Г” – 1 багатокутника:

(В - 1) - (Р + 2) + (Г" - 1) = В - Р + Г".

Самостійно розгляньте другий випадок.

Таким чином, видалення одного трикутника не змінює рівність (*). Продовжуючи цей процес видалення трикутників, зрештою ми прийдемо до розбиття, що складається з одного трикутника. Для такого розбиття В = 3, Р = 3, Г " = 1 і, отже, B - Р + Г " = 1. Отже, рівність (*) має місце і для вихідного розбиття, звідки остаточно отримуємо, що для даного розбиття багатокутника справедлива рівність (*). Таким чином, для вихідного опуклого багатогранника справедлива рівність В – Р + Г = 2.

Приклад багатогранника, для якого не виконується співвідношення Ейлера,показаний малюнку 6. Цей багатогранник має 16 вершин, 32 ребра і 16 граней. Отже, при цьому багатогранника виконується рівність В – Р + Г = 0.

Додаток 3.

Фільм Куб 2: Гіперкуб» (англ. Cube 2: Hypercube) – фантастичний фільм, продовження фільму «Куб».

Вісім незнайомих людей прокидаються у кімнатах, що мають форму куба. Кімнати знаходяться усередині чотиривимірного гіперкубу. Кімнати постійно переміщуються шляхом "квантової телепортації", і якщо перелізти до сусідньої кімнати, то повернутися до попередньої вже малоймовірно. У гіперкубі перетинаються паралельні світи, час у деяких кімнатах протікає по-різному, і деякі кімнати є смертельними пастками.

Сюжетно картина багато в чому повторює історію першої частини, що також відбивається і образах деяких персонажів. У кімнатах гіперкуба гине нобелівський лауреат Розенцвейг, який розрахував точний час знищення гіперкуба.

Критика

Якщо в першій частині люди ув'язнені в лабіринт намагалися допомогти один одному, у цьому фільмі кожен сам за себе. Дуже багато зайвих спецефектів (вони ж пастки) які ніяк не пов'язують логічно цю частину фільму з попередньою. Тобто виходить фільм Куб 2 - це такий собі лабіринт майбутнього 2020-2030 років, але ніяк не 2000. У першій частині всі види пасток може теоретично створити людину. У другій частині ці пастки – програма якогось комп'ютера, так звана "Віртуальна реальність".

Якщо з вами стався незвичайний випадок, ви побачили дивну істоту або незрозуміле явище, вам наснився незвичайний сон, ви побачили в небі НЛО або стали жертвою викрадення прибульців, ви можете надіслати нам свою історію і вона буде опублікована на нашому сайті ===> .

Вчення про багатовимірні простори почали з'являтися у середині ХІХ століття. Ідею чотиривимірного простору вчені запозичили фантасти. У своїх творах вони розповіли світові про дивовижні дива четвертого виміру.

Герої їхніх творів, використовуючи властивості чотиривимірного простору, могли з'їсти вміст яйця, не пошкодивши шкаралупи, випити напій, не розкриваючи пляшку. Викрадачі витягували скарби із сейфа через четвертий вимір. Хірурги виконували операції над внутрішніми органами, не розрізаючи тканини тіла пацієнта.

Тессеракт

У геометрії гіперкуб – це n-мірна аналогія квадрата (п = 2) та куба (п = 3). Чотиривимірний аналог звичайного нашого 3-мірного куба відомий під назвою тесеракт (tesseract). Тессеракт відноситься до куба, як куб відноситься до квадрата. Більш формально, тессеракт може бути описаний як правильний опуклий чотиривимірний багатогранник, межа якого складається з восьми кубічних осередків.

Кожна пара непаралельних тривимірних граней перетинається, утворюючи двовимірні грані (квадрати), і таке інше. Остаточно, тессеракт має 8 тривимірними гранями, 24 двовимірними, 32 ребрами та 16 вершинами.
До речі згідно з Оксфордським словником, слово tesseract було придумано і почало використовуватися в 1888 році Чарльзом Говардом Хінтоном (1853-1907) в його книзі «Нова ера думки». Пізніше деякі люди назвали ту ж фігуру тетракубом (грец. Тетра - чотири) - чотиривимірним кубом.

Побудова та опис

Спробуємо уявити, як виглядатиме гіперкуб, не виходячи з тривимірного простору.
В одновимірному «просторі» - на лінії - виділимо відрізок АВ довжиною L. На двовимірній площині на відстані L від АВ намалюємо паралельний відрізок DC і з'єднаємо їх кінці. Вийде квадрат CDBA. Повторивши цю операцію із площиною, отримаємо тривимірний куб CDBAGHFE. А зсунувши куб у четвертому вимірі (перпендикулярно першим трьом) на відстань L, ми отримаємо гіперкуб CDBAGHFEKLJIOPNM.

Аналогічним чином можна продовжити міркування для гіперкубів більшої кількості вимірювань, але набагато цікавіше подивитися, як для нас, мешканців тривимірного простору, виглядатиме чотиривимірний гіперкуб.

Візьмемо дротяний куб ABCDHEFG і подивимось на нього одним оком з боку грані. Ми побачимо і можемо намалювати на площині два квадрати (ближню та далеку його грані), з'єднані чотирма лініями – бічними ребрами. Аналогічним чином чотиривимірний гіперкуб у просторі трьох вимірювань буде виглядати як два кубічні «ящики», вставлені один в одного і з'єднані вісьмома ребрами. При цьому самі "ящики" - тривимірні грані - проектуватимуться на "наш" простір, а лінії, що їх з'єднують, простягнуться у напрямку четвертої осі. Можна спробувати уявити собі куб над проекції, а просторовому зображенні.

Подібно до того, як тривимірний куб утворюється квадратом, зрушеним на довжину грані, куб, зрушений у четвертий вимір, сформує гіперкуб. Його обмежують вісім кубів, які в перспективі виглядатимуть як досить складна фігура. Сам же чотиривимірний гіперкуб можна розбити на нескінченну кількість кубів, подібно до того, як тривимірний куб можна «нарізати» на нескінченну кількість плоских квадратів.

Розрізавши шість граней тривимірного куба, можна розкласти в плоску фігуру - розгортку. Вона матиме по квадрату з кожного боку вихідної грані плюс ще один - грань, протилежну їй. А тривимірна розгортка чотиривимірного гіперкуба складатиметься з вихідного куба, шести кубів, що «виростають» із нього, плюс ще одного – кінцевої «гіперграні».

Гіперкуб у мистецтві

Тессеракт настільки цікава постать, що неодноразово привертав увагу письменників та кінематографістів.
Роберт Е. Хайнлайн кілька разів згадував гіперкуби. У «Будинку, який збудував Тіл», (1940) він описав будинок, побудований як розгортка тесеракту, а потім внаслідок землетрусу «що склався» в четвертому вимірі і став «реальним» тесерактом. У романі «Дорога слави» Хайнлайна описано гіперрозмірну скриньку, яка була зсередини більша, ніж зовні.

Розповідь Генрі Каттнера «Всі теналі борогові» описує розвиваючу іграшку для дітей з далекого майбутнього, за будовою схожу на тессеракт.

Сюжет фільму "Куб 2: Гіперкуб" зосереджується на восьми незнайомцях, спійманих у пастку в "гіперкубі", або мережі пов'язаних кубів.

Паралельний світ

Математичні абстракції викликали до життя уявлення про існування паралельних світів. Під такими розуміються дійсності, які є одночасно з нашою, але незалежно від неї. Паралельний світ може мати різні розміри: від невеликої географічної області до цілого всесвіту. У паралельному світі події відбуваються по-своєму, він може відрізнятись від нашого світу, як в окремих деталях, так і практично у всьому. При цьому фізичні законипаралельного світу не обов'язково аналогічні законам нашого Всесвіту.

Ця тема – благодатний ґрунт для письменників-фантастів.

На картині Сальвадора Далі «Розп'яття на хресті» зображено тесеракт. "Розп'яття або Гіперкубічне тіло" - картина іспанського художника Сальвадора Далі, написана в 1954 році. Зображує розп'ятого Ісуса Христа на розгортанні тесеракту. Картина зберігається у Музеї Метрополітен у Нью-Йорку

Все почалося в 1895 році, коли Герберт Уеллс розповіддю «Двері в стіні» відкрив для фантастики існування паралельних світів. У 1923 році Уеллс повернувся до ідеї паралельних світів і помістив до них утопічну країну, куди вирушають персонажі роману «Люди як боги».

Роман не залишився непоміченим. У 1926 році з'явилося оповідання Г. Дента «Імператор країни „Якщо"». У оповіданні Дента вперше виникла ідея про те, що можуть існувати країни (світи), історія яких могла піти не так, як історія реальних країн у нашому світі. ці не менш реальні, ніж наші.

У 1944 році Хорхе Луїс Борхес опублікував у своїй книзі «Вигадані історії» розповідь «Сад розбіжних стежок». Тут ідея розгалуження часу була нарешті виражена з граничною ясністю.
Незважаючи на появу перелічених вище творів, ідея багатосвітності почала серйозно розвиватися у науковій фантастиці лише наприкінці сорокових років XX століття, приблизно тоді, коли аналогічна ідея виникла у фізиці.

Одним із піонерів нового напряму у фантастиці був Джон Біксбі, який припустив у оповіданні «Вулиця одностороннього руху» (1954), що між світами можна рухатися лише в один бік - вирушивши зі свого світу в паралельний, ви вже не повернетеся назад, але так і будете переходити з одного світу до наступного. Втім, повернення у свій світ також не виключається – для цього необхідно, щоб система світів була замкнута.

У романі Кліффорда Саймака «Кільце навколо Сонця» (1982) описані численні планети Земля, що існують кожна у своєму світі, але на одній і тій же орбіті, і відрізняються ці світи та ці планети одна від одної лише незначним (на мікросекунду) зрушенням у часі . Численні Землі, які відвідує герой роману, утворюють єдину системусвітів.

Цікавий погляд на розгалуження світів висловив Альфред Бестер у оповіданні «Людина, яка вбила Магомета» (1958). "Міняючи минуле, - стверджував герой оповідання, - змінюєш його тільки для себе". Іншими словами, після зміни минулого виникає відгалуження історії, в якому лише для персонажа, який вчинив зміну, ця зміна існує.

У повісті братів Стругацьких «Понеділок починається в суботу» (1962) описані подорожі персонажів у різні варіанти описуваного фантастами майбутнього - на відміну від подорожей, що вже існували у фантастиці, в різні варіанти минулого.

Втім, навіть просте перерахування всіх творів, у яких торкається тема паралельності світів, зайняло б надто багато часу. І хоча фантасти, як правило, науково не обґрунтовують постулат про багатовимірність, в одному вони мають рацію - це гіпотеза, яка має право на існування.
Четвертий вимір тесеракта все ще чекає на нас у гості.

Віктор Савінов

Бакаляр Марія

Вивчаються способи введення поняття чотиривимірного куба (тесеракта), його будова та деякі властивості Вирішується питання про те, які тривимірні об'єкти виходять при перетині чотиривимірного куба гіперплощинами, паралельними його тривимірним граням, а також гіперплощинами, перпендикулярними. Розглянуто використовуваний для дослідження апарат багатовимірної аналітичної геометрії.

Завантажити:

Попередній перегляд:

Введение……………………………………………………………………….2

Основна частина………………………………………………………………..4

Висновки………….. …………………………………………………………..12

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

Вступ

Чотиривимірний простір здавна привертав увагу як професійних математиків, так і людей, далеких від занять цією наукою. Інтерес до четвертого виміру може бути обумовлений припущенням про те, що наш тривимірний світ «занурений» у чотиривимірний простір подібно до того, як площина «занурена» у тривимірний простір, пряма «занурена» у площину, а точка – у пряму. Крім цього, чотиривимірний простір відіграє важливу роль у сучасної теоріївідносності (так званий простір-час або простір Мінковського), а також може розглядатися як окремий випадокмірного евклідового простору (при).

Чотиривимірний куб (тесеракт) є об'єктом чотиривимірного простору, що має максимально можливу розмірність (подібно до того, як звичайний куб є об'єктом тривимірного простору). Зауважимо, що він представляє і безпосередній інтерес, а може фігурувати в оптимізаційних завданнях лінійного програмування (як область, в якій знаходиться мінімум або максимум лінійної функції чотирьох змінних), а також застосовується в цифровій мікроелектроніці (при програмуванні роботи дисплея електронного годинника). Крім цього, сам процес вивчення чотиривимірного куба сприяє розвитку просторового мислення та уяви.

Отже, вивчення будови та специфічних властивостей чотиривимірного куба є досить актуальним. Варто зазначити, що у плані будівлі чотиривимірний куб вивчений досить добре. Набагато більший інтерес представляє характер його перерізів різними гіперплощинами. Таким чином, основною метою даної роботи є вивчення будови тесеракту, а також з'ясування питання про те, які тривимірні об'єкти будуть виходити, якщо чотиривимірний куб розсікати гіперплощинами, паралельними якійсь одній з його тривимірних граней, або гіперплощинами, перпендикулярними його головній діагоналі. Гіперплощиною в чотиривимірному просторі називатимемо тривимірний підпростір. Можна сказати, що пряма на площині – одномірна гіперплощина, площина у тривимірному просторі – двовимірна гіперплощина.

Поставлена мета визначила завдання дослідження:

1) Вивчити основні факти багатовимірної аналітичної геометрії;

2) Вивчити особливості побудови кубів розмірностей від 0 до 3;

3) Вивчити будову чотиривимірного куба;

4) Аналітично та геометрично описати чотиривимірний куб;

5) Виготовити моделі розгорток та центральних проекцій тривимірного та чотиривимірного кубів.

6) Користуючись апаратом багатовимірної аналітичної геометрії, описати тривимірні об'єкти, що виходять при перетині чотиривимірного куба гіперплощинами, паралельними якійсь одній з його тривимірних граней, або гіперплощинами, перпендикулярними його головній діагоналі.

Отримана таким чином інформація дозволить краще розібратися в будові тесеракту, а також виявити глибоку аналогію у будові та властивостях кубів різних розмірів.

Основна частина

Спочатку опишемо математичний апарат, яким ми користуватимемося під час цього дослідження.

1) Координати вектора: якщо, то

2) Рівняння гіперплощини з нормальним вектороммає вигляд Тут

3) Площини та паралельні тоді і лише тоді, коли

4) Відстань між двома точками визначається так: якщо, то

5) Умова ортогональності векторів:

Насамперед, з'ясуємо, яким чином можна описати чотиривимірний куб. Зробити це можна двома способами – геометричним та аналітичним.

Якщо говорити про геометричний спосіб завдання, то тут доцільно простежити процес побудови кубів, починаючи з нульової розмірності. Куб нульової розмірності - це точка (зауважимо, до речі, що точка може також грати роль кулі нульової розмірності). Далі введемо перший вимір (вісь абсцис) і на відповідній осі відзначимо дві точки (два нульмерні куби), що знаходяться на відстані 1 один від одного. Вийде відрізок – одномірний куб. Відразу відзначимо характерну особливість: Кордоном (кінцями) одномірного куба (відрізка) є два нульмерні куби (дві точки). Далі введемо другий вимір (вісь ординат) і на площиніпобудуємо два одномірні куби (два відрізки), кінці яких знаходяться на відстані 1 один від одного (фактично, один з відрізків є ортогональною проекцією іншого). Поєднуючи відповідні кінці відрізків, отримаємо квадрат – двомірний куб. Знову ж таки зазначимо, що межею двовимірного куба (квадрату) є чотири одновимірні куби (чотири відрізки). Нарешті, введемо третій вимір (вісь аплікат) і збудуємо у просторідва квадрати таким чином, щоб один з них був ортогональною проекцією іншого (при цьому відповідні вершини квадратів знаходяться одна від одної на відстані 1). З'єднаємо відповідні вершини відрізками – отримаємо тривимірний куб. Бачимо, що межею тривимірного куба є шість двовимірних кубів (шість квадратів). Описані побудови дозволяють виявити таку закономірність: на кожному кроцімірний куб «рухається, залишаючи слід» уе вимір на відстань 1, при цьому напрям руху перпендикулярно кубу. Саме формальне продовження цього процесу дозволяє прийти до поняття чотиривимірного куба. А саме, змусимо тривимірний куб просунутися у напрямку четвертого виміру (перпендикулярно кубу) на відстань 1. Діючи аналогічно попередньому, тобто, з'єднуючи відповідні вершини кубів, ми отримаємо чотиривимірний куб. Необхідно відзначити, що геометрично така побудова в нашому просторі неможлива (бо вона тривимірна), проте тут ми не стикаємося з жодними протиріччями з логічного погляду. Тепер перейдемо до аналітичного опису чотиривимірного куба. Воно також виходить формально за допомогою аналогії. Отже, аналітичне завдання нульмерного одиничного куба має вигляд:

Аналітичне завдання одновимірного одиничного куба має вигляд:

Аналітичне завдання двовимірного одиничного куба має вигляд:

Аналітичне завдання тривимірного одиничного куба має вигляд:

Тепер вже дуже легко дати аналітичну виставу чотиривимірного куба, а саме:

Як бачимо, і за геометричного, і за аналітичного способів завдання чотиривимірного куба використовувався метод аналогій.

Тепер, використовуючи апарат аналітичної геометрії, з'ясуємо, яке має будова чотиривимірний куб. Спочатку з'ясуємо, які елементи до нього входять. Тут знову можна скористатися аналогією (висування гіпотези). Кордоном одновимірного куба є точки (нульмерні куби), двовимірного куба – відрізки (одномірні куби), тривимірного куба – квадрати (двовимірні грані). Можна припустити, що межею тесеракту є тривимірні куби. Для того, щоб це довести, уточнимо, що розуміється під вершинами, ребрами та гранями. Вершинами куба назвемо його кутові точки. Тобто координатами вершин можуть бути нулі або одиниці. Таким чином, виявляється зв'язок між розмірністю куба та числом його вершин. Застосуємо комбінаторне правило твору – тому що вершинамірного куба має рівнокоординат, кожна з яких дорівнює нулю або одиниці (незалежно від решти), то всього євершин. Таким чином, у будь-якої вершини всі координати фіксовані і можуть дорівнюватиабо . Якщо ж зафіксувати всі координати (поклавши кожну з них рівноюабо незалежно від інших), крім однієї, то отримаємо прямі, що містять ребра куба. Аналогічно попередньому, можна порахувати, що їх рівноштук. А якщо тепер зафіксувати всі координати (поклавши кожну з них рівноюабо , незалежно від інших), крім якихось двох, отримаємо площини, що містять двовимірні грані куба. Використовуючи правило комбінаторики, знайдемо, що їх рівноштук. Далі аналогічно - зафіксувавши всі координати (поклавши кожну з них рівноюабо , незалежно від інших), крім якихось трьох, отримаємо гіперплощини, що містять тривимірні грані куба. Користуючись тим самим правилом, обчислимо їх кількість – рівноі т.д. Для нашого дослідження цього буде достатньо. Застосуємо отримані результати до будови чотиривимірного куба, а саме у всіх виведених формулах покладемо. Отже, чотиривимірний куб має: 16 вершин, 32 ребра, 24 двовимірні грані, і 8 тривимірних граней. Для наочності поставимо аналітично всі його елементи.

Вершини чотиривимірного куба:

Ребра чотиривимірного куба ():

Двовимірні грані чотиривимірного куба (аналогічні обмеження):

Тривимірні грані чотиривимірного куба (аналогічні обмеження):

Тепер, коли будова чотиривимірного куба та способи його завдання описані з достатньою повнотою, приступимо до реалізації головної мети – з'ясування характеру різних перерізів куба. Почнемо з елементарного випадку, коли перерізи куба паралельні до однієї з його тривимірних граней. Наприклад, розглянемо його перерізи гіперплощинами, паралельними грані.З аналітичної геометрії відомо, що будь-який такий перетин задаватиметься рівняннямЗадамо відповідні перерізи аналітично:

Як бачимо, отримано аналітичне завдання тривимірного одиничного куба, що лежить у гіперплощині

Для встановлення аналогії запишемо переріз тривимірного куба площиноюОтримаємо:

Це квадрат, що лежить у площині. Аналогія очевидна.

Перетину чотиривимірного куба гіперплощинамидають аналогічні результати. Це будуть також поодинокі тривимірні куби, що лежать у гіперплощинах.відповідно.

Зараз розглянемо перерізи чотиривимірного куба гіперплощинами, перпендикулярними його головній діагоналі. Спочатку вирішимо це завдання для тривимірного куба. Використовуючи вищеописаний спосіб завдання одиничного тривимірного куба, робить висновок, що в якості головної діагоналі можна взяти, наприклад, відрізок з кінцямиі . Значить, вектор головної діагоналі матиме координати. Отже, рівняння будь-якої площини, перпендикулярної головній діагоналі, матиме вигляд:

Визначимо межі зміни параметра. Так як , то, почленно складаючи ці нерівності, отримаємо:

Або.

Якщо то (З огляду на обмежень). Аналогічно – якщо, то. Значить, при та при січна площина і куб мають рівно одну загальну точку (і відповідно). Тепер зауважимо наступне. Якщо(Знову-таки в силу обмежень змінних). Відповідні площини перетинають відразу три грані, бо, інакше, січна площина була б паралельна однієї з них, що немає місця за умовою. Якщото площина перетинає всі грані куба. Якщо ж, то площина перетинає грані. Наведемо відповідні викладки.

Нехай Тоді площинаперетинає граньпо прямій, причому. Грань, причому. Грань площина перетинає по прямій, причому

Нехай Тоді площинаперетинає грань:

грань по прямій, причому.

На цей раз виходить шість відрізків, що мають послідовно загальні кінці:

Нехай Тоді площинаперетинає граньпо прямій, причому. Грань площина перетинає по прямій, до того ж . Грань площина перетинає по прямій, причому . Тобто виходять три відрізки, що мають попарно загальні кінці:Таким чином, при вказаних значеннях параметраплощина перетинатиме куб по правильному трикутнику з вершинами

Отже, тут наведено вичерпний опис плоских фігур, що виходять при перетині куба площиною перпендикулярної його головної діагоналі. Основна ідея полягала у наступному. Необхідно зрозуміти, які грані перетинає площину, за якими множинами вона їх перетинає, як ці множини пов'язані між собою. Наприклад, якщо з'ясовувалося, що площина перетинає рівно три грані по відрізках, які мають попарно загальні кінці, то перетином був рівносторонній трикутник (що доводиться безпосереднім підрахунком довжин відрізків), вершинами якого служать ці кінці відрізків.

Користуючись цим апаратом і тієї ж ідеєю дослідження перерізів, цілком аналогічно можна вивести такі факты:

1) Вектор однієї з головних діагоналей чотиривимірного одиничного куба має координати

2) Будь-яка гіперплощина, перпендикулярна головній діагоналі чотиривимірного куба, може бути записана у вигляді.

3) У рівнянні січної гіперплощини параметрможе змінюватись від 0 до 4;

4) При і січна гіперплощина та чотиривимірний куб мають одну загальну точку (і відповідно);

5) При у перерізі виходитиме правильний тетраедр;

6) При у перетині виходитиме октаедр;

7) При у перерізі буде виходити правильний тетраедр.

Відповідно, тут гиперплоскость перетинає тессеракт по площині, де через обмежень змінних виділяється трикутна область (аналогія – площина перетинала куб по прямий, де через обмежень змінних виділявся відрізок). У разі 5) гіперплощина перетинає рівно чотири тривимірні грані тессеракта, тобто, виходять чотири трикутники, що мають попарно спільні сторони, інакше кажучи, що утворюють тетраедр (як це можна підрахувати – правильний). У разі 6) гіперплощина перетинає рівно вісім тривимірних граней тессеракта, тобто виходять вісім трикутників, що мають послідовно загальні сторони, інакше кажучи, що утворюють октаедр. Випадок 7) повністю аналогічний випадку 5).

Проілюструємо сказане конкретним прикладом. А саме, досліджуємо переріз чотиривимірного куба гіперплощиноюВ силу обмежень змінних дана гіперплощина перетинає наступні тривимірні грані:Грань перетинається по площиніВ силу обмежень змінних маємо:Отримаємо трикутну область із вершинамиДалі,отримаємо трикутникПри перетині гіперплощини з граннюотримаємо трикутникПри перетині гіперплощини з граннюотримаємо трикутникТаким чином, вершини тетраедра мають наступні координати. Як легко підрахувати, цей тетраедр справді є правильним.

Висновки

Отже, в процесі даного дослідження були вивчені основні факти багатовимірної аналітичної геометрії, вивчено особливості побудови кубів розмірностей від 0 до 3, вивчено будову чотиривимірного куба, аналітично і геометрично описано чотиривимірний куб, виготовлено моделі розгорток і центральних проекцій тривимірно-чотиримірних. об'єкти, що виходять при перетині чотиривимірного куба гіперплощинами, паралельними якійсь одній з його тривимірних граней, або гіперплощинами, перпендикулярними його головній діагоналі.

Проведене дослідження дозволило виявити глибоку аналогію у будові та властивостях кубів різних розмірностей. Використану методику проведення аналогії можна застосувати для дослідження, наприклад,мірної сфери абомірного симплексу. А саме,мірну сферу можна визначити як безліч точокмірного простору, рівновіддалених від заданої точки, Яка називається центром сфери. Далі,мірний симплекс можна визначити як частинумірного простору, обмежену мінімальним числоммірних гіперплощин. Наприклад, одновимірний симплекс - відрізок (частина одновимірного простору, обмежена двома точками), двовимірний симплекс - трикутник (частина двовимірного простору, обмежена трьома прямими), тривимірний симплекс - тетраедр (частина тривимірного простору, обмежена чотирма). Зрештою,мірний симплекс визначимо як частинумірного простору, обмеженугіперплощиною розмірності.

Зазначимо, що, незважаючи на численні застосування тесеракту в деяких галузях науки, дане дослідження все ж таки є значною мірою математичним дослідженням.

Список літератури

1) Бугров Я.С., Микільський С.М. Вища математика, Т.1 -М.: Дрофа, 2005 - 284 с.

2) квант. Чотиривимірний куб / Дужин С., Рубцов Ст, №6, 1986.

3) квант. Як накреслити мірний куб/Демидович Н.Б., №8, 1974.

Крапок (±1, ±1, ±1, ±1). Інакше кажучи, він може бути представлений у вигляді наступної множини:

Тессеракт обмежений вісьмома гіперплощинами, перетин яких із самим тесерактом задає його тривимірні грані (які є звичайними кубами). Кожна пара непаралельних тривимірних граней перетинається, утворюючи двовимірні грані (квадрати), і таке інше. Остаточно, тессеракт має 8 тривимірними гранями, 24 двовимірними, 32 ребрами та 16 вершинами.

Проекції

На двовимірний простір

Ця структура складна для уяви, але можливо спроектувати тессеракт у двовимірні або тривимірні простори. Крім того, проектування на площину дозволяє легко зрозуміти розташування вершин гіперкубу. Таким чином, можна отримати зображення, які більше не відображають просторові відносини в межах тесеракту, але які ілюструють структуру зв'язку вершин, як у таких прикладах:

Третя картинка демонструє тесеракт в ізометрії щодо точки побудови. Це уявлення представляє інтерес під час використання тесеракта як основи для топологічної мережі, щоб пов'язати багаторазові процесори у паралельних обчисленнях.

На тривимірний простір

Одна з проекцій тесеракта на тривимірний простір являє собою два вкладені тривимірні куби, відповідні вершини яких з'єднані між собою відрізками. Внутрішній та зовнішній куби мають різні розміри у тривимірному просторі, але у чотиривимірному просторі це рівні куби. Для розуміння рівності всіх кубів тессеракта була створена модель тессеракта, що обертається.

Шість усічених пірамід по краях тесеракт - це зображення рівних шести кубів. Однак ці куби для тессеракта – як квадрати (грані) для куба. Але насправді тессеракт можна розділити на нескінченну кількість кубів, як куб – на нескінченну кількість квадратів, або квадрат – на нескінченну кількість відрізків.

Ще одна цікава проекція тесеракта на тривимірне простір є ромбододекаедр з проведеними чотирма його діагоналями, що з'єднують пари протилежних вершин при великих кутах ромбів. При цьому 14 з 16 вершин тессеракта проектуються в 14 вершин ромбододекаедра, а проекції 2 збігаються в його центрі. У такій проекції тривимірне простір зберігаються рівність і паралельність всіх одновимірних, двовимірних і тривимірних сторін.

Стереопара

Стереопара тесеракт зображується як дві проекції на тривимірний простір. Таке зображення тесеракта розроблялося з метою уявити глибину, як четвертий вимір. Стереопара розглядається так, щоб кожне око бачив лише одне з цих зображень, виникає стереоскопічна картина, яка відтворює глибину тесеракту.

Розгортка тесеракту

Поверхня тесеракт може бути розгорнута у вісім кубів (аналогічно тому, як поверхня куба може бути розгорнута в шість квадратів). Існує 261 різна розгортка тесеракту. Розгортки тесеракту можуть бути підраховані нанесенням на граф з'єднаних кутів.

Тессеракт у мистецтві

У Едвін А. «Нова Рівнина Абботта», гіперкуб виступає оповідачем.
В одному епізоді "Пригод Джиммі Нейтрона" "хлопчик-геній" Джиммі винаходить чотиривимірний гіперкуб, ідентичний фолдбоксу з роману "Дорога слави" (1963) Роберта Хайнлайна.
Роберт Е. Хайнлайн згадував гіперкуби, принаймні, у трьох науково-фантастичних оповіданнях. У «Будинку чотирьох вимірів» («Будинок, який збудував Тіл», ) він описав будинок, побудований як розгортка тесеракта, а потім внаслідок землетрусу «що склався» в четвертому вимірі і став «реальним» тесерактом.
У романі «Дорога слави» Хайнлайна описано гіперрозмірну скриньку, яка була зсередини більша, ніж зовні.
Розповідь Генрі Каттнера «Всі теналі борогові» описує розвиваючу іграшку для дітей з далекого майбутнього, за будовою схожу на тессеракт.
У романі Алекса Гарленда () термін «тессеракт» використовується для тривимірної розгортки чотиривимірного гіперкуба, а не гіперкуба безпосередньо. Це метафора, покликана показати, що система, що пізнає, повинна бути ширшою за пізнавану.
Сюжет фільму "Куб 2: Гіперкуб" зосереджується на восьми незнайомцях, спійманих у пастку в "гіперкубі", або мережі пов'язаних кубів.
Телесеріал "Андромеда" використовує тессеракт-генератори як пристрій змови. Вони передусім призначені, щоб керувати простором та часом.
Картина "Розп'яття на хресті" (Corpus Hypercubus) Сальвадора Далі ().
Комікси «Nextwave comic book» зображують засіб пересування, що включає 5 зон тессеракта.
В альбомі Voivod Nothingface одна з композицій названа «У моєму гіперкубі».
У романі Ентоні Пірса «Маршрут Куба» одна з орбітальних місяців Міжнародної асоціації розвитку називається тесерактом, який був стиснутий у 3 виміри.
У серіалі «Школа „Чорна діра“» у третьому сезоні є серія «Тессеракт». Лукас натискає на секретну кнопку і школа починає «складатися як математичний тесеракт».
Термін "тессеракт" і похідний від нього термін "тесувати" зустрічається в повісті Мадлен Л'Енгл "Складка часу".
TesseracT назва британської джент групи.
У серії фільмів Кінематографічний всесвіт Marvel Тессеракт – це ключовий елемент сюжету, космічний артефакт у формі гіперкуба.
В оповіданні Роберта Шеклі «Міс Мишка і четвертий вимір» один письменник-езотерик, знайомець автора, намагається побачити тессеракт, годинами дивлячись на сконструйований ним прилад: кулю на ніжці із застромленими в нього стрижнями, на які насаджені куби, обклеєні всіма езотеричними символами. У оповіданні згадується праця Хінтона.
У фільмах Перший месник, месники. Тессеракт-енергія всесвіту

Інші назви

Гексадекахорон (англ. Hexadecachoron)
Октохорон (англ. Octachoron)
Тетракуб
4-Куб
Гіперкуб (якщо не визначається кількість вимірювань)

Примітки

Література

Charles H. Хінтон. Fourth Dimension, 1904. ISBN 0-405-07953-2
Martin Gardner, Mathmatical Carnival, 1977. ISBN 0-394-72349-X
Ian Stewart, Concepts of Modern Mathematics, 1995. ISBN 0-486-28424-7

Посилання

Російською мовою

Програма Transformator4D. Формування моделей тривимірних проекцій чотиривимірних об'єктів (зокрема і Гіперкубу).
Програма, що реалізує побудову тесеракта і його афінні перетворення, з вихідниками на С++.

Англійською мовою

Mushware Limited - програма виведення тесеракту ( Tesseract Trainer, ліцензія сумісна з GPLv2) та шутер від першої особи у чотиривимірному просторі ( Adanaxis; графіка, переважно, тривимірна; є версія під GPL у репозиторіях ОС).

Багатогранники

Правильні
(Платонові тіла)

Зірчастий додекаедр Зірковий ікосододекаедр Зірковий ікосоедр Зоряний багатогранник

Випуклі

Архімедові тіла	Кубооктаедр Ікосододекаедр Усічений тетраедр Усічений октаедр Усічений ікосоедр Усічений куб Усічений додекаедр Ромбокубоктаедр Ромбоікосододекаедр Ромбоусічений кубоктаедр Ромбоусічений ікосододека
Каталанові тіла	Ромбододекаедр Ромботріаконтаедр Тріакістетраедр Тетракісгексаедр Пентакісдодекаедр Тріакісоктаедр Тріакісікосаедр Дельтоїдальний ікосітетраедр Дельтоїдальний гексеконтаедр Пентагональний ікосітетраедр Пентагональний гексеконеда
Без повної просторової симетрії	Піраміда Призма Біпіраміда Антипризму Зоноедр Паралелепіпед Ромбоедр Призматоїд Усічена піраміда
Пентагондодекаедр Паралелоедр

Формули
теореми,
теорії

Інше