Біпіраміда

Матеріал з testwiki
Версія від 08:05, 18 серпня 2024, створена imported>TohaomgBot (Перекладено дати в примітках з англійської на українську)
(різн.) ← Попередня версія | Поточна версія (різн.) | Новіша версія → (різн.)
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Множина біпірамід

П'ятикутна біпіраміда (приклад)
Тип Множина біпірамід
Властивості Опуклий, гране-транзитивний (ізоедр)
Комбінаторика
Елементи 2n граней;
3n ребер (n коротких + 2n довгих);
n + 2 вершини (n {4-го степеня} + 2{n-го}).
Грані

2n рівних рівнобедрених трикутників

Характеристика Ейлера

χ=ΓP+B=2

Конфігурація грані V n.4.4
Вершинна фігура 2 правильних n кутників
n ромбів
Класифікація
Позначення • dPnШаблон:Не перекладено, як двоїстий до n-кутної призми)
Символ Шлефлі { } + {n} Шаблон:Sfn Шаблон:Rp
Діаграма Коксетера-Динкіна

Шаблон:ДКД або (m2mno)

Група симетрії Шаблон:Не перекладено, [n,2], (*n22), порядок 4nШаблон:Sfn Шаблон:Rp
(Діедрична симетрія n-Призми)
Група поворотів

Dn, [n,2]+, (n22), порядок 2n

Двоїстий багатогранник Пряма n кутна призма
Розгортка

Біпіраміда або дипірамідабагатогранник, який складається з плоского багатокутника і двох точок (які не лежать у площині цього багатокутника та знаходяться по різні сторони від неї) та всіх відрізків, що сполучають ці дві вершини біпіраміди (пікові вершини) з вершинами багатокутника (екваторіального багатокутника).

Відрізки, що сполучають пікові вершини біпіраміди з її екваторіальними вершинами, називаються бічними ребрами. Всі грані біпіраміди є трикутниками (в загальному випадку різними і різносторонніми).

Біпіраміда або дипіраміда — тривимірний багатогранник, утворений шляхом з'єднання двох пірамід основою до основи, симетрично відносно площини їх спільної основи (кожна з пірамід є дзеркальним відображенням іншої). [1] [2] Шаблон:SfnШаблон:Rp

При цьому грані основ цих пірамід не розглядаються як грань біпіраміди. Шаблон:Sfn Шаблон:Rp А в місці їх з'єднання з ребер основ пірамід формується плоский багатокутник (екваторіальний багатокутник біпіраміди).

Якщо дві пікові вершини біпіраміди лежать на прямій, що перпендикулярна до площини екваторіального багатокутника, і проходить через його центроїд, біпіраміда називається прямою. Якщо ця пряма не походить через центроїд екваторіального багатокутника, біпіраміда є похилою. Шаблон:Sfn Шаблон:Rp Докладніше про різновиди біпірамід див. нижче в розділі «Деякі варіації та узагальнення біпірамід».

Правильна n‒кутна біпіраміда — біпіраміда, екваторіальним багатокутником якої є [[Правильний многокутник|правильний Шаблон:Mvar-кутник]], а пікові вершини лежать на прямій, що проходить через його центр перпендикулярно до площини цього Шаблон:Mvar‒кутника, на рівній відстані від неї. Тобто це багатогранник, утворений з'єднанням двох правильних пірамід по їх основам.

Правильна Шаблон:Mvar‒кутна біпіраміда складається з Шаблон:Mvar конгруентних рівнобедрених трикутників. Має Шаблон:Mvar ребер (n екваторіальних + 2n бічних) та Шаблон:Mvar вершини (n екваторіальних + 2 пікові).

Правильна Шаблон:Mvar‒кутна біпіраміда є двоїстим багатогранником до правильної призми.

Правильна Шаблон:Mvar‒кутна біпіраміда має групу симетрії Шаблон:Math порядку Шаблон:Math (Шаблон:Не перекладено правильної призми). Шаблон:Sfn Шаблон:Rp Шаблон:Sfn Шаблон:Rp Шаблон:Sfn Шаблон:Rp

Шаблон:^

Має наступні елементи симетрії:

  • Шаблон:Mvar осей обертання 2-го порядку;
  • Шаблон:Mvar площин дзеркального відбиття,
  • одну вісь обертання Шаблон:Mvar-го порядку, що проходить через дві пікові вершини,
  • площину симетрії, що проходить через екваторіальний Шаблон:Mvar‒кутник.

Якщо Шаблон:Mvar парне, то є центр симетрії.

Піраміди та біпіраміди існують як нескінченні множини багатогранників, так само, як множини призм, антипризм, трапецоедрів, куполів, бікуполів та ін.

При збільшенні числа сторін екваторіального багатокутника, в границі формується замкнена гладка плоска крива (зокрема з правильного Шаблон:Mvar‒кутника сформується коло) і утворюється тіло, обмежене двома конусами, для яких ця крива є спільною.

Формули

Нехай в правильній прямій Шаблон:Mvar‒кутній біпіраміді :

  • Шаблон:Mvar — довжина ребра екваторіального багатокутника біпіраміди;
  • Шаблон:Mvar — довжина ребра, що поєднує пікову та екваторіальну вершини біпіраміди (бічне ребро біпіраміди);
  • Шаблон:Mvar — відстань між двома піковими вершинами (висота біпіраміди);
Для правильної прямої Шаблон:Mvar‒кутної біпіраміди:
Довжина бічного ребра l=12h2+a2sin2(πn)
Радіус вписаної сфери
(дотикається до всіх граней)
r=ah2a2+h2tan2(πn)
Площа поверхні S=na2h2+a2cot2(πn)
Об'єм V=na2h12cot(πn)

Центр мас лежить на середині відрізка, що сполучає пікові вершини біпіраміди (ця точка збігається з центром екваторіального правильного багатокутника та центром вписаної сфери).

Шаблон:Clear

Описати сферу навколо правильної прямої Шаблон:Mvar‒кутної біпіраміди можливо лише за умови: ah=sin(πn). Радіус описаної сфери (проходить через всі вершини) в цьому випадку буде дорівнювати R=h2=12sin(πn)a.

Напівписана сфера (дотична до всіх ребер) існує за умови: h2l=cos(πn). Радіус напіввписаної сфери в цьому випадку буде дорівнювати ρ=12tan(πn)a.



Об'єм біпіраміди, екваторіальним багатокутником якої є довільний плоский багатокутник, а пікові вершини розташовані симетрично відносно площини цього багатокутника:

V=13Sекв.бh

де Шаблон:Mvarплоща области, обмеженої екваторіальним багатокутником;

Шаблон:Mvar — відстань між двома піковими вершинами біпіраміди (висота біпіраміди).

Кути

Кути багатогранника
Кут грані при піковій вершині α1=2arctan(ah2+a2cot2(πn))
Кут грані при екваторіальній вершині α2=α3=arctan(1ah2+a2cot2(πn))
Кут між ребрами екваторіального багатокутника α=1800(n2)n градусів =(n2)πn радіан.
Кут між бічними ребрами біпіраміди γ=2arctan(hasin(πn))
Двогранний кут при ребрі екваторіального багатокутника β1=2arctan(hatan(πn))
Двогранний кут при бічному ребрі β2=2arctan(1hh2sin2(πn)+a2tan2(πn)sin2(πn))
Тілесний кут при піковій вершині Ω1=2π2narcsin(cos(πn)tan2(πn)tan2(α12))
=2π2narcsin(hsin(πn)h2+a2cot2(πn)) Шаблон:Sfn
Тілесний кут при екваторіальній вершині Ω2=8arctan(tan(β1+β24)tan(β1β24)tan2(β24))

Пов'язані та споріднені багатогранники

Прямі симетричні біпіраміди, екваторіальним багатокутником яких є правильний n-кутник належать до родини багатогранників, двоїстих до однорідних призм. Шаблон:БіпірамідиТакож:

  1. Трикутна біпіраміда, всі грані якої — правильні трикутники (а отже, і всі ребра біпіраміди рівні) є багатогранником Джонсона J12;
  2. Квадратна біпіраміда, всі грані якої — правильні трикутники є правильним октаедром (одним з багатогранників Платона);
  3. П'ятикутна біпіраміда, всі грані якої — правильні трикутники є багатогранником Джонсона J13.

Ці три багатогранники є дельтаедрами.

Шаблон:Не перекладено з правильними гранями (тобто з усіма рівними ребрами) є виродженим багатогранником, всі ребра і вершини якого лежать в одній площині, дві пікові вершини збігаються, а ребра, що сполучають їх з екваторіальними вершинами є подвійними в цій площині. Тому невироджена шестикутна правильна біпіраміда є першим в родині багатогранником, бічні ребра якого є обов'язково довшими за ребра екваторіального багатокутника.

Деякі варіації та узагальнення біпірамід

Термін біпіраміда мона застосувати також щодо багатогранників, що утворені поєднанням двох пірамід незалежно від симетрії, дзеркальності частин або їх форми. Форму деяких з них набувають кристали мінералів.

Похила біпіраміда

Похила біпіраміда

Біпіраміду з довільним екваторіальним багатокутником можна вважати прямою біпірамідою, якщо її пікові вершини (дві вершини, що не лежать в площині екваторіального багатокутника) лежать на прямій, яка перпендикулярна до площини цього багатокутника, та проходить через його центроїд. Якщо ця пряма не проходить через центроїд екваторіального багатокутника, то біпіраміда є похилою.

Похила біпіраміда, екваторіальним багатокутником якої є [[Правильний многокутник|правильний Шаблон:Mvar‒кутник]], утворюється при поєднанні двох однакових похилих пірамід в однаковій орієнтації. При цьому пікові вершини лежать на прямій, що перпендикулярна до площини екваторіального Шаблон:Mvar‒кутника та не проходить через його центр .

Похила біпіраміда є симетричною відносно площини екваторіального Шаблон:Mvar‒кутника.

   Шаблон:Clear

Асиметрична біпіраміда

Дві пікові вершини асиметричної біпіраміди не лежать симетрично відносно площини екваторіального багатокутника.

Можуть бути такі випадки:

Асиметрична біпіраміда

1) Асиметрична біпіраміда — утворюється при поєднанні двох пірамід, основою яких є довільні конгруентні багатокутники.

При цьому пікові вершини проєктуються в різні точки на площину екваторіального багатокутника.

1а) Зокрема, багатокутник основи може бути і правильним, але при цьому пікові вершини не проєктуються в одну точку на площину екваторіального багатокутника. Наприклад, коли поєднуються дві однакові похилі піраміди, основами яких є правильні конгруентні багатокутники, в різній орієнтації.

2) Асиметрична біпіраміда — утворюється при поєднанні двох пірамід, основами яких є довільні конгруентні багатокутники.

При цьому пікові вершини лежать на прямій, перпендикулярній до площини екваторіального багатокутника, але на різній відстані від неї (тобто поєднувані піраміди мають різну висоту).

3) Асиметрична пряма біпіраміда — пряма біпіраміда, пікові вершини якої лежать на різній відстані від площини екваторіального багатокутника.

При цьому основою поєднуваних пірамід може бути довільний багатокутник, а їх пікові вершини проєктуються в центроїд цього багатокутника.

Асиметрична пряма біпіраміда, основою якої є правильний багатокутник Асиметрична похила біпіраміда, основою якої є правильний багатокутник

Асиметрична пряма біпіраміда, основою якої є правильний Шаблон:Mvar‒кутник утворюється при поєднанні двох прямих правильних пірамід з різною висотою.

При цьому основою поєднуваних пірамід є правильний Шаблон:Mvar‒кутник, а їх пікові вершини проєктуються в його центр.

Пікові вершини асиметричної похилої біпіраміди, основою якої є правильний Шаблон:Mvar‒кутник лежать на прямій, яка перпендикулярна до площини екваторіального багатокутника, але не проходить через її центр.

Двоїстим багатогранником до асиметричної правильної прямої Шаблон:Mvar-кутної біпіраміди є пряма Шаблон:Mvar-кутна зрізана піраміда.

Асиметрична правильна пряма Шаблон:Mvar-кутна біпіраміда має групу симетрії Шаблон:Math, порядку Шаблон:Math (тобто циклічну симетрію правильної піраміди).

Шаблон:Clear

Біпіраміди, всі грані яких — конгруентні різносторонні трикутники

Приклад: бічотирикутна біпіраміда (Шаблон:Math). Її основа — рівносторонній напівправильний восьмикутник.
Приклад ізотоксального 2n-кутника — рівносторонній напівправильний восьмикутник (дитетрагон).

Реберно-транзитивна (ізотоксальна) пряма (симетрична) бі-Шаблон:Mvar-кутна біпіраміда (або ді-Шаблон:Mvar-гональна біпіраміда) — це пряма (симетрична) Шаблон:Math-кутна біпіраміда, утворена поєднанням пірамід, основою яких є рівносторонній напівправильний 2n-кутник з чергуванням двох типів вершин.

Всі грані такої біпіраміди є конгруентними різносторонніми трикутниками, і цей багатогранник є ізоедром. Його можна розглядати як інший тип прямого симетричного бі-Шаблон:Mvar-кутного скаленоедра, екваторіальним багатокутником якого є плоский напівправильний рівносторонній (ізотоксальний) багатокутник.

Ізотоксальна пряма (симетрична) бі-Шаблон:Mvar-кутна біпіраміда має Шаблон:Mvar осей обертання 2-го порядку, що проходять через протилежні екваторіальні вершини, Шаблон:Mvar площин дзеркального відбиття, що проходять через протилежні паралельні ребра, одну вісь обертання Шаблон:Mvar-го порядку, що проходить через дві пікові вершини (вона також є віссю симетрії Шаблон:Не перекладено) [3], площину симетрії, що проходить через екваторіальні вершини. Всі ці елементи симетрії утворюють групу симетрії Шаблон:Math порядку Шаблон:Math. (Відбиття відносно площини екваторіального багатокутника відповідає повороту-відбиттю на 0°. Якщо Шаблон:Mvar парне, то існує симетрія відносно центру, що відповідає повороту на 180° з дзеркальним відбиттям).

Шаблон:Clear

Приклад з Шаблон:Math:

Ізотоксальна пряма (симетрична) бітрикутна біпіраміда (дітригональна біпіраміда) має три подібні вертикальні площини симетрії, які перетинаються по (вертикальній) осі обертання 3-го порядку; перпендикулярно до них розташована четверта площина симетрії (горизонтальна); на перетині трьох вертикальних площин симетрії з горизонтальною площиною знаходяться три подібні (горизонтальні) осі обертання 2-го порядку, кожна з яких перпендикулярна до площини симетрії; дві вертикальні площини ділять кути між двома горизонтальними осями навпіл; центр симетрії відсутній.Шаблон:SfnШаблон:Rp

Приклад з Шаблон:Math:

Ізотоксальна пряма (симетрична) бічотирикутна біпіраміда (дітетрагональна біпіраміда) має чотири вертикальні площини симетрії двох типів, які перетинаються по (вертикальній) осі обертання 4-го порядку; перпендикулярно до них розташована п'ята площина симетрії (горизонтальна); на перетині чотирьох вертикальних площин симетрії з горизонтальною площиною знаходяться чотири (горизонтальні) осі обертання 2-го порядку двох типів, кожна з яких перпендикулярна до площини симетрії; дві вертикальні площини ділять кути між двома горизонтальними осями навпіл; є центр симетрії.Шаблон:SfnШаблон:Rp
Приклади ромбічних біпірамід

У кристалографії розрізняють ізотоксальні прямі (симетричні) дідигональні (8-гранні), дітригональні (12-гранні), дітетрагональні (16-гранні) та дігексагональні (24-гранні) біпіраміди. [3] [4]

Бі-Шаблон:Mvar-кутні біпіраміди мають щонайменше вісім граней, і такі біпіраміди топологічно еквівалентні правильному октаедру. Восьмигранна (Шаблон:Math) ізотоксальна пряма (симетрична) дідигональна біпіраміда називається ромбічною біпірамідою[4], оскільки її пласка багатокутна основа є ромбом, хоча фактично всі її грані є різносторонніми трикутниками.

Пряма ромбічна біпіраміда має символ Шлефлі { } + { } + { } та є двоїстим багатогранником до прямої прямокутної призми (прямокутного паралелепіпеда) символ Шлефлі якої: { } × { } × { }. Шаблон:Sfn Шаблон:Rp

Шаблон:Clear

Скаленоедр

Приклад: дітригональний скаленоедр (Шаблон:Math)

Узагапьненням прямої правильної біпіраміди а також бі-Шаблон:Mvar-кутної біпіраміди може бути скаленоедр — багатогранник, всі грані якого — конгруентні різносторонні трикутники. Навідміну від біпіраміди, його екваторіальним багатокутником є не плоский рівносторонній (правильний або напівправильний) багатокутник, а просторовий зигзагоподібний рівносторонній багатокутник.[4] Шаблон:SfnШаблон:Rp

Скаленоедр має дві пікові вершини і Шаблон:Math вершин просторового екваторіального багатокутника, Шаблон:Math граней і Шаблон:Math ребер; він топологічно еквівалентний до Шаблон:Math-кутної прямої біпіраміди і є гране-транзитивним тілом (ізоедром).[4]

Правильний прямий (симетричний) бі-Шаблон:Mvar-кутний скаленоедр (або ді-Шаблон:Mvar-гональний скаленоедр) має Шаблон:Mvar осей обертання 2-го порядку, що проходять через середини протилежних (паралельних) екваторіальних ребер, Шаблон:Mvar площин дзеркального відбиття, що проходять через протилежні паралельні бічні ребра, одну вісь обертання Шаблон:Mvar-го порядку, що проходить через дві пікові вершини (вона також є віссю симетрії Шаблон:Не перекладено порядку Шаблон:Math — при Шаблон:Math поворотах з дзеркальним відбиттям навколо цієї осі тіло переходить саме в себе)[3]. Всі ці елементи симетрії утворюють групу симетрії Шаблон:Math порядку Шаблон:Math. (Якщо Шаблон:Mvar непарне, то існує симетрія відносно центру, що відповідає повороту на 180° з дзеркальним відбиттям).


Приклад з Шаблон:Math:

Правильний прямий (симетричний) дітригональний (бітрикутний) скаленоедр має три подібні вертикальні площини симетрії, які перетинаються по (вертикальній) осі обертання 3-го порядку (вона ж є віссю симетрії обертання з дзеркальним відбиттям 6-го порядку); кут між цими площинами дорівнює 60°. Має три подібні (горизонтальні) осі обертання 2-го порядку, кожна з яких перпендикулярна до площини симетрії. Має центр симетрії.Шаблон:SfnШаблон:Rp

Приклад з Шаблон:Math:

Правильний прямий (симетричний) дітетрагональний (бічотирикутний) скаленоедр має лише одну вертикальну тв дві горизонтальні осі обертання 2-го порядку; дві вертикальні площини ділять навпіл кути між парою горизонтальних осей і вертикальною віссю обертання з дзеркальним відбиттям (4-го порядку); центру симетрії не має. Шаблон:SfnШаблон:Rp

У кристалографії розрізняють правильні прямі (симетричні) дідигональні (8-гранні) та дітригональні (12-гранні) скаленоедри. [3] [4]

Скаленоедри мають щонайменше вісім граней, і такі багатогранники топологічно еквівалентні правильному октаедру. Восьмигранний (Шаблон:Math):

правильний прямий (симетричний) дідигональий скаленоедр називається (в кристалографії) тетрагональним скаленоедром. [3] [4]

Неопукла біпаміда

Неопукла біпіраміда — тіло, утворене поєднанням двох пірамід з конгруентними основами у вигляді неопуклого багатокутника.

Одним з прикладів є увігнута чотирикутна біпіраміда, що є неправильним увігнутим октаедром (восьмигранником).

Шаблон:Clear

Зірчаста біпіраміда

Зірчаста біпіраміда утворюється при поєднанні двох однакових пірамід, основою яких є зірчастий багатокутник; поєднання здійснюється симетрично щодо площини основи. Зірчасті біпіраміди є багатогранниками з самоперетинами.[5]

Якщо поєднуються дві піраміди, основою яких є [[Зірчатий многокутник|правильний зірчастий багатокутник Шаблон:Math]], а вершина проєктується в його центр (тобто висота ортогональна до площини основи), то отримаємо правильну пряму зірчасту біпіраміду. Її гранями є конгруентні рівнобедрені трикутники і багатогранник є ізоедром.

Шаблон:Math - біпіраміда має діаграму Коксетера — Динкіна Шаблон:CDD .

Приклади правильних прямих зірчастих біпірамід:
Основа 5/2-кутник 7/2-кутник 7/3-кутник 8/3-кутник
Зображення

4-вимірні політопи з біпірамідальними комірками

Двоїстими політопами до кожного Шаблон:Не перекладено опуклого правильного 4-вимірного політопа є комірково-транзитивний (ізохорний) 4-вимірний політоп, комірками якого є біпіраміди.

4-вимірні політопи з біпірамідальними комірками
Характеристики 4-вимірного політопа Співвідношення в біпірамідах
Двоїстий до

повністю зрізаного політопа

Діаграма Коксетера — Динкіна Комірки Шаблон:Mvar Шаблон:Mvar Шаблон:Mvar Шаблон:Mvar Шаблон:Tmath Шаблон:Tmath Біпірамідальні комірки Діаграма Коксетера — Динкіна Шаблон:Overline Шаблон:OverlineШаблон:Efn Шаблон:Tmath Шаблон:Tmath
П.з. 5-комірник Шаблон:ДКД 10 5 5 4 6 3 3 Трикутна біпіраміда Шаблон:ДКД 23 0.667 17 17
Шаблон:Не перекладено Шаблон:ДКД 32 16 8 4 12 3 4 Трикутна б. Шаблон:ДКД 23 0.624 25 15
Шаблон:Не перекладено Шаблон:ДКД 96 24 24 8 12 4 3 Трикутна б. Шаблон:ДКД 223 0.745 111 511
Шаблон:Не перекладено Шаблон:ДКД 1200 600 120 4 30 3 5 Трикутна б Шаблон:ДКД 513 0.613 10+9561 712561
П.з. 16-комірник Шаблон:ДКД 24 Шаблон:Efn 8 16 6 6 3 3 Квадратна біпіраміда Шаблон:ДКД 2 1 13 13
П.з. кубічний стільник Шаблон:ДКД 6 12 3 4 Квадратна б. Шаблон:ДКД 1 0.866 12 0
Шаблон:Не перекладено Шаблон:ДКД 720 120 600 12 6 3 3 П'ятикутна біпіраміда Шаблон:ДКД 5+355 1.447 11+4541 11+4541

Позначення в таблиці:

  • Шаблон:Mvar — пікова вершина біпіраміди;
  • Шаблон:Mvar — екваторіальна вершина;
  • Шаблон:Overline — відстань між суміжними вершинами на екваторі (дорівнює 1);
  • Шаблон:Overline — довжина ребра, що поєднує пікову та екваторіальну вершини;
  • Шаблон:Overline — Відстань між піковими вершинами.

Біпіраміда 4-політопа матиме вершини Шаблон:Mvar там, де зустрічаються пікові вершини Шаблон:Mvar-біпірамід. Вона матиме вершини Шаблон:Mvar там, де зустрічаються вершини типу Шаблон:Mvar Шаблон:Mvar-біпірамід.


Оскільки комірки мають бути прилеглі до краю, то

NEEarccosCEE2π,NAEarccosCAE2π.Див.також

Примітки

Шаблон:Reflist

Література

Посилання


Шаблон:Багатогранники