小型星形十二面体

小型星形十二面体-Robert Webb

小型星形十二面体–Robert Webb的Stella软件

这个小星状十二面体由12个五角星或五角星,每个顶点有5个五角星。它是四个非凸多面体之一,面为正多边形或星形,称为开普勒–Poinsot多面体.

开普勒研究了小星状十二面体。它出现在他的和谐蒙迪1619年出版。然而,它也可以在威尼斯圣马克大教堂的地面马赛克中找到,似乎是由保罗·乌切洛早在1430年。

威尼斯圣马可大教堂地面马赛克——保罗·乌切洛

威尼斯圣马克大教堂地面马赛克——保罗·乌切洛

后来埃舍尔在他的两幅版画中使用了它:Constrast:秩序与混乱引力.

小型星状十二面体和其他开普勒-蓬索特固体对早期地形学家提出了挑战。如果我们将小的星状十二面体视为有12个五面体,每条边上有两个面,那么它应该有(12乘以5/2=30)个边。由于它也有12个顶点,其Euler特征应该是

$$\chi\,=\,V–E+F,=\、12–30+12,=\;–6 $$

由于表面的属(g)与其欧拉特征有关,因此小星状十二面体应该有属(4)!Poinsot首先注意到了这一点,它引起了人们对欧拉公式(V–E+F=2\)有效性的一些困惑,我们现在意识到它只适用于凸多面体。

然而,事实上,我们可以将小的星状十二面体视为从亏格4的表面\(\西格玛\)到三维空间的连续映射的图像。这张地图在每个五角星的中心都有2级的分支点,在图片中隐藏起来了!

事实上,如果我们认为星状十二面体定义了球体的分支覆盖层,那么这个分支覆盖层就变成了黎曼曲面。二十面体的方向保持对称性显然充当了这个黎曼曲面的保角变换。因此,它至少具有交替群{A} _5个\)对称性。

这是克莱因在1877年观察到的:

•Felix Klein、Weitere Untersuchungenüber das Ikosaeder、,数学。安纳伦 12(1877), 321–384.

黎曼曲面(Sigma)可以由12个五边形平铺,每个角5个相交。这些对应于小星形十二面体的12个五角形。由于这种平铺,\(\Sigma \)也可以被认为是双曲线平面\(\mathbb{H}^2)由作为等距线的离散群\(\Gamma\)执行。该组通过规则双曲五边形保留双曲线平面的平铺,每个角5个相交:

{5,5}瓷砖-Jeff Weeks

{5,5}瓷砖–Jeff Weeks

这种双曲线平面的平铺称为{5,5}瓷砖.

小星状十二面体是从黎曼曲面(Sigma)到(mathbb{R}^3)的某个映射的图像。但这个曲面也可以以不同的方式映射到\(\mathbb{R}^3),从而得到另一个开普勒-蓬索特多面体,即大十二面体:

大十二面体-Robert Webb的Stella软件

伟大的十二面体–Robert Webb的Stella软件

这并不奇怪,因为大十二面体有12个五边形面,每个顶点有5个面。然而,最终的解释是,大十二面体是二重的在小的星形十二面体中,一个面的顶点位于另一个面的中心,而{5,5}瓷砖是它自己的对偶!

有关大十二面体的更多信息,请参阅此帖子,其中解释了它与异常对称代码的联系:

Golay代码.

黎曼曲面(Sigma)与五次方程也有着有趣的联系。黎曼曲面也称为“复曲线”,因为其上的点可以用单个复数局部描述。Klein表明,(Sigma)与这些齐次方程所描述的复杂曲线同构:

$$\sum_{i=1}^5 z_i=0,\qquad\sum_{i=1}^5 z_i^2=0,\ qquad_sum_}i=1}^5 z_ i^3=0$$

这三个方程在五个复变量中选取了一组复维2,但当我们“投影化”,识别出相差一个复倍数的解时,我们得到了嵌入在投影空间(mathbb{C}\mathrm{P}^4)中的复曲线。

这称为Bring曲线,并且它是著名的,因为它具有亏格4的任何复曲线(或黎曼曲面)中最大可能的对称群。事实上,这个群体不仅仅是{A} _5个\)但对称群{S} _5个\).

我们可以看到\(\mathrm{S} _5个\)通过将Bring曲面与五次方程关联,起到对称的作用。考虑形式的五次方

$$Q(z)=(z-z_1)\cdots(z–z_5)$$

如果这三个方程

$$\sum_{i=1}^5 z_i=0,\qquad\sum_{i=1}^5 z_i^2=0,\ qquad_sum_}i=1}^5 z_ i^3=0$$

hold,然后\(Q \)采用特殊形式

$$Q(z)=z^5+pz+Q$$

相反,如果(Q)采用这种特殊形式,则其根(z_1,dots,z_5)服从所列的三个方程。因此,布林曲线是一组有序的5元组((z_1,dots,z_5))、模标量因子,它们是形式为(z^5+pz+q)的某些五次曲线的根。

有关这些主题的更多信息,请参阅:

•马蒂亚斯·韦伯,开普勒小星状十二面体作为黎曼曲面,太平洋数学杂志。 220(2005), 167–182.

摘要。我们提供了与小型星状十二面体相关联的亏格4黎曼曲面的雅可比矩阵的一个新的几何计算。从Threlfall的描述开始,我们在这个曲面上引入了其他与全纯1-形式相关的平面共形几何。它们使我们能够证明,雅可比矩阵与一条椭圆曲线的四重乘积是同根的,该椭圆曲线的晶格常数可以用两种不同的方法确定,从而在超几何积分之间产生了一种意想不到的关系。我们还获得了一个新的柏拉图式曲面镶嵌。

小型星形十二面体-Cyp

小型星形十二面体–Cyp

这张小型星形十二面体的特色图片是用罗伯特·韦伯的Stella软件并放置在Wikicommons上. The same is true of the picture of the大十二面体Robert Webb允许任何人出于任何目的使用这些图片,前提是版权持有人的身份得到了适当的确认。圣马克大教堂(Basilica of St Mark)地面马赛克的图片来自本页:

•乔治·哈特,保罗·乌切洛的多面体.

但可用在Wikicommons上,其中它被列为公共领域。{5,5}瓷砖的图片由绘制汤姆·阮使用Jeff Week的KaleidoTile软件并置于公共领域在Wikicommons上小星形十二面体的旋转图像由塞浦路斯并放置在Wikicommons上在a下Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0未导出许可证。


视觉洞察力是一个分享有助于解释高等数学主题的醒目图像的地方。我一直在寻找真正美丽的图像,所以如果你知道,请留言在这里让我知道!

关于“小型星形十二面体

  1. 我对你所写内容的一些幼稚理解并不一致,我很好奇其中的差距。我假设“分段线性”(黎曼度量)在该上下文中与分段欧几里德表示相同。即使我假设浸没在$\mathfrak{R}^3$中产生的度量知道二阶分支点,五边形尖端的内角仍然是$\pi/5$,但由于五个五边形在双曲空间平铺的每个顶点相交,这些五边形的内角是$2\pi/5$。所以这里没有保留角度,这与我对“共形”的解释相矛盾。我想除了细分顶点的奇点外,它在任何地方都是共形的?

    • 说得好。我的评论没有真正的意义,所以我会修正它。你真的需要做一些其他的事情来查看小星形十二面体上的共形结构。

      例如:将其径向投影到2个球体上,以通过球形五边形对2个球体进行某种“平铺”,但这些五边形彼此重叠。将每个球形五边形细分为10个球形直角三角形。

      这些三角形有内角\(\pi/2)(因为它们是直角三角形),\(2\pi/5\)(因为十个三角形在每个五角星的中心相交,但这是一个二阶的分支点),和\(\ pi/5)(因为五个五角星,因此十个三角形也在小星状十二面体的每个“尖角”相交)。因此,我们称之为((2,5/2,5))Schwarz三角形.

      每个五角星由10个这种类型的三角形覆盖,共有12个五角星,所以我们用120个球面三角形实现了黎曼球面的一种平铺。然而,这些三角形重叠,所以它不是通常意义上的平铺。他们实际上定义了黎曼球体分支覆盖层的平铺,每个五角星的中心有一个2级分支点!

      如前所述,球体上三角形的内角为\(\pi/2,2\pi/5\)和\(\pi/5\)。分支盖有12个二级分支点,每个五角星的中心各一个,因此位于这些点上的内角(2\pi/5)在分支盖上减半。

      因此,我们的分支覆盖(称为Bring’s curve)得到了一个黎曼度量,其中它由内角为\(pi/2,\pi/5\)和\(\pi/5)的恒曲率三角形平铺。由于这些角的总和为\(9\pi/10\),小于180度,因此这些不是球面三角形:它们自然地生活在双曲线空间中!

      事实上,它们是通过对双曲空间(如上所示)进行{5,5}平铺,并将每个五边形细分为10个双曲直角三角形而得到的三角形。这些是等腰的直角三角形!

      • 然而,似乎应该有一个保角映射,一种“分段赤平投影”,从实际的小型星形十二面体向下到2个球体!我想这只是无法在顶点处进行角度保护。所以我最初的想法可能并没有完全错;我想你发现它在哪里坏了。

        • 是的,回想起来更有意义。在网页上拨弄提醒我,常曲率的空间(例如2球体)局部共形平坦,多面体除顶点外明显平坦。

        • 正确的。

          你可能知道,一些定理或其他表示每个紧致Riemann曲面共形等价于具有常数正曲率(如果曲面是拓扑球体)、消失曲率(如果表面是拓扑环面)或常数负曲率(如果该曲面具有更高亏格)的度量的曲面。在最后一种情况下(这是最令人兴奋的情况),具有常曲率黎曼度量的曲面是双曲平面由作为等距线的离散群的商。

          然而,每个黎曼曲面本地共形等价于平面。也就是说,无论保角结构是什么,你都可以在你喜欢的点附近选择一个平坦的黎曼度量,甚至在曲面的多边形分解中的每个多边形上。这会将曲率推到顶点,在那里表现为角度不足。这些角度缺陷的总和必须是曲面亏格的2倍。

  2. 判别式z^5-pz+q5^{5} q个^4 +4^{4} 第页^{5}因此z^5-5z+4为零,判别式z^5-5z-4为零,判别式为兹^5为0。这些是唯一的多项式形式z^5-pz+q带有判别零。这些对应于什么点?

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