Poliedro toroidal

En geometría, un poliedro toroidal es un tipo de poliedro que también es un toroide (un toro con g orificios), que tiene un género topológico de 1 o más. Ejemplos notables incluyen los poliedros de Császár y de Szilassi.

Es posible construir un toro poliédrico para aproximar una superficie tórica a partir de una red de caras con forma de cuadrilátero, como en este ejemplo de 6x4

Variaciones en la definición

Los poliedros toroidales se definen como colecciones de polígonos que se encuentran en sus bordes y vértices, formando una variedad con dos propiedades particulares:: cada arista debe ser compartida por exactamente dos caras polígonales, y el enlace de cada vértice debe formar un solo ciclo en el que se alternan entre las aristas y los polígonos que se encuentran en ese vértice. Para los poliedros toroidales, esta variedad además es una superficie orientable.^[1] Algunos autores restringen la frase "poliedros toroidales" para que signifique más específicamente poliedros topológicamente equivalentes a un toro (es decir, de género 1).^[2]

En esta área, es importante distinguir los poliedros toroidales incrustados (cuyas caras son polígonos planos en el espacio euclidiano tridimensional que no se cruzan entre sí), de los poliedros abstractos (superficies topológicas sin ninguna realización geométrica específica).^[3] Intermedios entre estos dos extremos son los poliedros formados por polígonos geométricos o por polígonos de estrella en el espacio euclidiano (que se pueden cruzar entre sí).

En todos estos casos, la naturaleza toroidal de un poliedro se puede verificar por su orientabilidad y por su característica de Euler, que no es positiva. La característica de Euler se generaliza a V − A + L = 2 − 2N, donde N es el número de agujeros.

Poliedros de Császár y Szilassi

Modelo interactivo de un poliedro de Szilassi, con cada cara de un color diferente. En la imagen SVG, muévase el ratón hacia la izquierda y hacia la derecha para rotarlo.[4]

Modelo interactivo de un poliedro de Csaszar. En la imagen SVG, muévase el ratón para rotarlo.[5]

Dos de los poliedros toroidales incrustados más simples posibles son los poliedros de Császár y Szilassi.

El poliedro de Császár es una figura toroidal de siete vértices con 21 aristas y 14 caras triangulares.^[6] Este y el tetraedro son los únicos poliedros conocidos en los que cada segmento de línea posible que conecta dos vértices forma una arista del poliedro.^[7] Su dual, el poliedro de Szilassi, tiene siete caras hexagonales adyacentes entre sí,^[8] e implica la mitad del teorema del número mínimo de colores necesarios para colorear un mapa en un toro (género uno), que es siete.^[9]

El poliedro de Császár tiene la menor cantidad de vértices posibles de cualquier poliedro toroidal incrustado, y el poliedro de Szilassi tiene la menor cantidad de caras posibles de cualquier poliedro toroidal incrustado.

Toroides de Stewart

Una categoría especial de poliedros toroidales está construida exclusivamente por caras poligonales regulares, sin cruces, y con una restricción adicional de que las caras adyacentes no deben estar en el mismo plano entre sí, denominados toroides de Stewart^[10] (en memoria de Bonnie Stewart, que los estudió intensamente).^[11] Son análogos a los sólidos de Johnson en el caso de los poliedros convexos. Sin embargo, a diferencia de los sólidos de Johnson, hay infinitos toroides de Stewart.^[12] Incluyen también a los deltaedros toroidales, poliedros cuyas caras son todas triángulos equiláteros.

Una clase restringida de toroides de Stewart, también definidos por Stewart, son los poliedros toroidales cuasi convexos. Estos son los toroides de Stewart que incluyen todos los bordes de sus envolventes convexas. Para estos poliedros, cada cara de la envolvente convexa se encuentra en la superficie del toroide o es un polígono cuyos bordes se encuentran en la superficie del toroide.^[13]

Toroides de Stewart por aumento de un solo poliedro

Género	1	1
Imagen
Poliedros	6 prismas hexagonales	8 octaedros
Vértices	48	24
Bordes	84	72
Caras	36	48

Toroides de Stewart por aumento mixto

Género	1		3	11	3	5 5	7 7	11
Imagen
Poliedros	4 cúpulas cuadradas 8 tetraedros	6 cúpulas triangulares 6 pirámides cuadradas	4 cúpulas triangulares 6 pirámides cuadradas	24 prismas triangulares 6 pirámides cuadradas 8 tetraedros	6 cúpulas cuadradas 4 cúpulas triangulares 12 cubos	8 cúpulas triangulares 12 cubos	6 cúpulas cuadradas 12 cubos	6 cúpulas cuadradas 8 cúpulas triangulares
Vértices	32	30	30	62	72	72	72	72
Bordes	64	60 60	72	168	144	168	168	168
Caras	32	30	38	86	68	88	84	76

Poliedros autosecantes

Octahemioctaedro

Pequeño cubicuboctaedro

Gran dodecaedro

Un poliedro que está formado por un sistema de polígonos cruzados corresponde a una variedad topológica abstracta formada por sus polígonos y su sistema de bordes y vértices compartidos, y el género del poliedro puede determinarse a partir de esta variedad abstracta. Los ejemplos incluyen el octahemioctaedro del género 1, el cubicuboctaedro pequeño del género 3 y el gran dodecaedro del género 4.

Poliedros corona

Estefanoide pentagonal. Presenta simetría diédrica pentagonal y tiene los mismos vértices que el prisma pentagonal uniforme.

Un poliedro corona o estefanoide es una figura toroidal que también es noble, siendo tanto isogonal (vértices iguales) como isoédrico (caras iguales). Los poliedros corona son auto intersecantes y topológicamente auto duales.^[14]

Véase también

• Poliedro proyectivo
• Apeiroedro sesgado (poliedro de sesgo infinito)
• Poliedro esférico
• Gráfico toroidal