在几何学 中,扭棱 是一种多面体变换。该术语起源于开普勒 对阿基米德立体 的命名,分别为扭棱立方体 (英语:snub cube 、拉丁语 :cubus simus )和扭棱十二面体 (英语:snub dodecahedron 、拉丁语 :dodecaedron simum )[ 1] [ 2] 。一般而言,多面体经扭棱变换后可以形成两种互为手性镜像的形式,分别为顺时针方向的扭棱和逆时针方向的扭棱。以开普勒的命名对应的扭棱变换可以看做是正多面体的扩张,也就是将正多面体的面向外分开,并围绕着中心扭曲(不改变面的形状),然后加入以每个原始立体顶点为中心的正方形,并在每个原始立体之边的位置上加入成对的三角形来构成。[ 3] :99
立方体 经由康威 扭棱成扭棱立方体 过程的动画
扭棱立方体 的两种手性镜像,其为截角截半立方体 经交错 变换后的像
透过旋转小斜方截半立方体 的正方形面直到12个白色正方形变成成对的正三角形面即可构造一个扭棱立方体
考克斯特 对扭棱进行了推广,推广成能用于更广泛的均匀多面体,其定义略有不同。
康威 研究了广义的多面体变换,定义了现在称为康威多面体表示法 的多面体变换表示法,其可以运用在多面体 和各种镶嵌 或密铺 的几何形状 。康威称考克斯特 定义的扭棱变换为半扭棱变换。[ 5]
在康威多面体表示法 中,扭棱变换(康威表示法 :s)被定义为陀螺变换(英语:gyro ,康威表示法 :g,为每个n边形面被切割成n个五边形的多面体变换)的对偶多面体 (康威表示法 :d),即康威表示法s = dg = dgd[ 6] ,其等价于先经截半变换再做截角变换后进行交替 截角。康威表示法 本身避免了考克斯特 的交错 (半)变换,因为它仅适用于仅具有偶数边数的面之多面体。
More information 扭棱的形式, 多面体 ...
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在四维空间中,康威建议将扭棱二十四胞体 称为半扭棱二十四胞体。与三维的扭棱多面体不同,三维的扭棱多面体是交替 的全截(omnitruncation,即先截半再截角)的形式,而扭棱二十四胞体并非是正二十四胞体 交替的全截的形式。事实上,扭棱二十四胞体是交替 截角 的正二十四胞体[ 7] 。
从正八面体 经由考克斯特扭棱变换,变换为扭棱八面体的连续动画
考克斯特扭棱的定义略有不同,其将扭棱定义为截角 后交错 ,在这个定义下,扭棱立方体 被视为扭棱后的截半立方体 、扭棱十二面体 被视为扭棱后的截半十二面体 。在这种定义下命名的詹森多面体 有扭棱锲形体 和扭棱四角反角柱 。这种命名在高维多胞体中也有所使用,如扩展施莱夫利符号 记为s{3,4,3} ,并在考克斯特—迪肯符号 记为 的扭棱二十四胞体 [ 8] 。
一个正多面体或镶嵌若在施莱夫利符号 记为
{
p
,
q
}
{\displaystyle {\begin{Bmatrix}p,q\end{Bmatrix}}}
且考克斯特—迪肯符号 记为 ,则其截角 后的像施莱夫利符号 记为
t
{
p
,
q
}
{\displaystyle t{\begin{Bmatrix}p,q\end{Bmatrix}}}
、考克斯特—迪肯符号 记为 ,若再将这个结果进行交错变换,则其变换后的像施莱夫利符号 记为
h
t
{
p
,
q
}
=
s
{
p
,
q
}
{\displaystyle ht{\begin{Bmatrix}p,q\end{Bmatrix}}=s{\begin{Bmatrix}p,q\end{Bmatrix}}}
、考克斯特—迪肯符号记为 。要完成这个交错变换,q 必须为偶数[ 9] 。
一个拟正多面体 若在施莱夫利符号 记为
{
p
q
}
{\displaystyle {\begin{Bmatrix}p\\q\end{Bmatrix}}}
或r {p ,q } 、考克斯特—迪肯符号记为 或 ,则其截角 的像施莱夫利符号 记为
t
{
p
q
}
{\displaystyle t{\begin{Bmatrix}p\\q\end{Bmatrix}}}
或tr {p ,q } ,则这个拟正多面体的扭棱可以定义为交错的截角截半立体
h
t
{
p
q
}
=
s
{
p
q
}
{\displaystyle ht{\begin{Bmatrix}p\\q\end{Bmatrix}}=s{\begin{Bmatrix}p\\q\end{Bmatrix}}}
或 htr {p ,q } = sr {p ,q } ,和 or 。
例如,以开普勒 的扭棱立方体 是扭棱自拟正 的截半立方体 ,而截半立方体的竖式施莱夫利符号 记为
{
4
3
}
{\displaystyle {\begin{Bmatrix}4\\3\end{Bmatrix}}}
[ 10] 、考克斯特—迪肯符号 记为 ,所以扭棱立方体 的竖式施莱夫利符号 记为
s
{
4
3
}
{\displaystyle s{\begin{Bmatrix}4\\3\end{Bmatrix}}}
[ 11] 、考克斯特—迪肯符号记为 。扭棱立方体亦可以视为经过交错变换的截角截半立方体 ,截角截半立方体的竖式施莱夫利符号 记为
t
{
4
3
}
{\displaystyle t{\begin{Bmatrix}4\\3\end{Bmatrix}}}
[ 12] 、考克斯特—迪肯符号记为 。[ 13]
顶点分支度为偶数的正多面体也可以进行截角后交错的扭棱,例如扭棱八面体,施莱夫利符号
s
{
3
,
4
}
{\displaystyle s{\begin{Bmatrix}3,4\end{Bmatrix}}}
、考克斯特—迪肯符号 ,其为交错 的截角八面体 施莱夫利符号
t
{
3
,
4
}
{\displaystyle t{\begin{Bmatrix}3,4\end{Bmatrix}}}
[ 14] 、考克斯特—迪肯符号 。八面体在这种定义下的扭棱结果称为伪二十面体 ,一个拓朴与正二十面体 完全相同但具备五角十二面体群对称性的立体[ 15] 。
考克斯特扭棱也允许将反棱柱 的施莱夫利符号 定义为
s
{
2
n
}
{\displaystyle s{\begin{Bmatrix}2\\n\end{Bmatrix}}}
[ 16] :403 或
s
{
2
,
2
n
}
{\displaystyle s{\begin{Bmatrix}2,2n\end{Bmatrix}}}
,基于n角柱的
t
{
2
n
}
{\displaystyle t{\begin{Bmatrix}2\\n\end{Bmatrix}}}
或
t
{
2
,
2
n
}
{\displaystyle t{\begin{Bmatrix}2,2n\end{Bmatrix}}}
。其中
{
2
,
n
}
{\displaystyle {\begin{Bmatrix}2,n\end{Bmatrix}}}
是一个退化的n面形 ,其可以视为由二角形 镶嵌球面的几何结构。
More information ...
扭棱多面形 , {2,2p}
图像
考克斯特 符号
... ...
施莱夫利 符号
s{2,4}
s{2,6}
s{2,8}
s{2,10}
s{2,12}
s{2,14}
s{2,16} ...
s{2,∞}
sr{2,2}
s
{
2
2
}
{\displaystyle s{\begin{Bmatrix}2\\2\end{Bmatrix}}}
sr{2,3}
s
{
2
3
}
{\displaystyle s{\begin{Bmatrix}2\\3\end{Bmatrix}}}
sr{2,4}
s
{
2
4
}
{\displaystyle s{\begin{Bmatrix}2\\4\end{Bmatrix}}}
sr{2,5}
s
{
2
5
}
{\displaystyle s{\begin{Bmatrix}2\\5\end{Bmatrix}}}
sr{2,6}
s
{
2
6
}
{\displaystyle s{\begin{Bmatrix}2\\6\end{Bmatrix}}}
sr{2,7}
s
{
2
7
}
{\displaystyle s{\begin{Bmatrix}2\\7\end{Bmatrix}}}
sr{2,8}...
s
{
2
8
}
{\displaystyle s{\begin{Bmatrix}2\\8\end{Bmatrix}}}
...
sr{2,∞}
s
{
2
∞
}
{\displaystyle s{\begin{Bmatrix}2\\\infty \end{Bmatrix}}}
康威 表示法
A2 = T
A3 = O
A4
A5
A6
A7
A8...
A∞
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非均匀多面体也可以扭棱,但需要满足考克斯特扭棱的条件。考克斯特扭棱只能作用在顶点分支度全为偶数的立体上[ 13] 。这允许了许多多面体 的扭棱,包括了无穷集合的立体。例如:
More information 扭棱双四角锥, 扭棱双六角锥 ...
扭棱双锥体 sdt{2,p}
扭棱双四角锥
扭棱双六角锥
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扭棱截半双锥体 srdt{2,p}
扭棱均匀星形多面体由其施瓦茨三角形 (p q r)构造,具有合理有序的镜像对称角,且所有镜像都处于活动和交替的状态[ 17] 。
扭棱的均匀星形多面体
s{3/2,3/2}
s{(3,3,5/2)}
sr{5,5/2}
s{(3,5,5/3)}
sr{5/2,3}
sr{5/3,5}
s{(5/2,5/3,3)}
sr{5/3,3}
s{(3/2,3/2,5/2)}
s{3/2,5/3}
More information 原像, 截角 ...
多面体变换
原像
截角
截半
过截角
对偶
扩展
全截
交错
半变换
扭棱
t0 {p,q} {p,q}
t01 {p,q} t{p,q}
t1 {p,q} r{p,q}
t12 {p,q} 2t{p,q}
t2 {p,q} 2r{p,q}
t02 {p,q} rr{p,q}
t012 {p,q} tr{p,q}
ht0 {p,q} h{q,p}
ht12 {p,q} s{q,p}
ht012 {p,q} sr{p,q}
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Conway, (2008)[ 4] Coxeter's semi-snub operation
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Norman Johnson Uniform Polytopes , Manuscript (1991)
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John H. Conway , Heidi Burgiel, Chaim Goodman-Strass, The Symmetries of Things 2008, ISBN 978-1-56881-220-5
埃里克·韦斯坦因 . Snubification . MathWorld .