ทรงหลายเหลี่ยมจีโอเดสิก
ทรงหลายเหลี่ยมจีโอเดสิกเป็นทรงหลาย เหลี่ยมแบบนูน ที่สร้างจาก รูป สามเหลี่ยมซึ่งมีลักษณะใกล้เคียงกับทรงกลม โดยทั่วไปจะมีสมมาตรแบบไอโค ซาเฮดรัล กล่าวคือ มีรูปสามเหลี่ยม 6 รูปที่จุดยอดยกเว้นจุดยอดที่มี 12 จุดยอดซึ่งจะมีรูปสามเหลี่ยม 5 รูป ทรงหลายเหลี่ยมจีโอเดสิกเป็น ทรงหลายเหลี่ยม คู่ ขนานกับ ทรงหลายเหลี่ยมโกลด์เบิร์กที่สอดคล้องกันซึ่งทรงหลายเหลี่ยมโกลด์เบิร์กทั้งหมด ยกเว้นทรงที่เล็กที่สุด (ซึ่งเป็นทรงสิบสองเหลี่ยมปกติ ) มีหน้าส่วนใหญ่เป็นรูปหกเหลี่ยมการสร้างแบบโกลด์เบิร์ก-ค็อกเซเตอร์เป็นการขยายแนวคิดพื้นฐานของทรงหลายเหลี่ยมจีโอเดสิก
ทรงหลายเหลี่ยมจีโอเดสิกเป็นรูปทรงที่ประมาณทรงกลมได้ดีสำหรับการใช้งานหลายอย่าง และปรากฏในบริบทต่างๆ มากมาย ที่รู้จักกันดีที่สุดอาจเป็นโดมจีโอเดสิกซึ่งเป็นโครงสร้างทางสถาปัตยกรรมทรงครึ่งวงกลมที่ออกแบบโดยBuckminster Fullerซึ่งเป็นที่มาของชื่อทรงหลาย เหลี่ยมจีโอเดสิก ตารางจีโอเดสิกที่ใช้ใน วิชา จีโอเดสิก ก็มี รูปทรงเรขาคณิตของทรงหลายเหลี่ยมจีโอเด สิกเช่นกัน แคปซิดของไวรัส บางชนิดมีรูปร่างเป็นทรงหลายเหลี่ยมจีโอเดสิก [ 1 ] [ 2 ]และ ละออง เกสร บางชนิด ก็มีพื้นฐานมาจากทรงหลายเหลี่ยมจีโอเดสิก[ 3 ] โมเลกุลฟูล เลอรีนมีรูปร่างเป็นทรงหลายเหลี่ยมโกลด์เบิร์กทรงหลายเหลี่ยมจีโอเดสิกมีให้ใช้เป็นรูปทรงเรขาคณิตพื้นฐานในซอฟต์แวร์การสร้างแบบจำลอง 3 มิติ Blenderซึ่งเรียกว่าไอโคสเฟียร์ : เป็นทางเลือกแทนทรงกลม UVโดยมีการกระจายตัวที่สม่ำเสมอกว่า[ 4 ] [ 5 ]
การก่อสร้าง
ทรงหลายเหลี่ยมจีโอเดสิกสร้างขึ้นโดยการแบ่งหน้าของทรงหลายเหลี่ยมที่เรียบง่ายกว่า แล้วฉายจุดยอดใหม่ลงบนพื้นผิวของทรงกลม ทรงหลายเหลี่ยมจีโอเดสิกมีขอบตรงและหน้าเรียบที่ประมาณทรงหลายเหลี่ยมทรงกลมที่สร้างจากสามเหลี่ยมจีโอเดสิก
สัญกรณ์
ในหนังสือ Spherical ModelsของMagnus Wenningerรูปทรงหลายเหลี่ยมจะถูกกำหนดสัญลักษณ์ทางเรขาคณิตในรูปแบบ{3, q +} โดยที่{3, q }คือสัญลักษณ์ Schläfliสำหรับรูปทรงหลายเหลี่ยมปกติที่มีหน้าเป็นรูปสามเหลี่ยม และqคือค่าความเวเลนซ์ ของจุดยอด สัญลักษณ์ +แสดงถึงค่าความเวเลนซ์ของจุดยอดที่เพิ่มขึ้นbและcแสดงถึงคำอธิบายการแบ่งย่อย โดย1,0แทนรูปแบบพื้นฐาน มีสมมาตร 3 ระดับ ได้แก่{3,3+} สำหรับทรงสี่หน้า{3,4+} สำหรับทรงแปดหน้าและ{3,5+} สำหรับทรงยี่สิบหน้า
สัญลักษณ์คู่สำหรับทรงหลายเหลี่ยมโกลด์เบิร์กคือ{ q +,3} โดยมีจุดยอดที่มีวาเลนซ์ 3 และมี หน้าเป็นรูป qเหลี่ยมและหกเหลี่ยม มีสมมาตร 3 ประเภท ได้แก่{3+,3} สำหรับทรงสี่หน้า , {4+,3} สำหรับทรงลูกบาศก์และ{5+,3} สำหรับทรงสิบสองหน้า
ค่าของbและcแบ่งออกเป็นสามระดับ:
- คลาส I ( b = 0หรือc = 0 ): {3, q +} หรือ{3, q +} แทนการแบ่งแบบง่าย โดยที่ขอบเดิมถูกแบ่งออกเป็นbขอบย่อย
- คลาส II ( b = c ): {3, q +} สามารถมองเห็นได้ง่ายกว่าจากทรงหลายเหลี่ยมคู่{ q ,3}ที่มี หน้าเหลี่ยม qหน้าซึ่งถูกแบ่งออกเป็นสามเหลี่ยมที่มีจุดศูนย์กลางก่อน จากนั้นขอบทั้งหมดจะถูกแบ่งออกเป็นขอบย่อยb ขอบ
- คลาส III : {3, q +} มีค่าที่ไม่เท่ากันและไม่เป็นศูนย์สำหรับbและcและมีอยู่ในคู่ไครัล สำหรับb > cเราสามารถกำหนดให้เป็นรูปแบบมือขวา และc > bเป็นรูปแบบมือซ้าย
การแบ่งย่อยในชั้นที่ 3 ในที่นี้ไม่ได้เรียงตัวตามขอบเดิมโดยตรง สามารถแยกตารางย่อยได้โดยการพิจารณาการปูพื้นด้วยรูปสามเหลี่ยมวางรูปสามเหลี่ยมขนาดใหญ่ไว้บนจุดยอดของตาราง และเดินตามเส้นทางจากจุดยอดหนึ่งไปbก้าวในทิศทางหนึ่ง แล้วเลี้ยว ไม่ว่าจะเป็นตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิกา จากนั้นเดินอีกcก้าวไปยังจุดยอดหลักถัดไป
ตัวอย่างเช่นทรงยี่สิบหน้าคือ{3,5+} และทรงสิบสองหน้าเพนทาคิส { 3,5+} ถือเป็นทรงสิบสองหน้าปกติที่มีหน้าห้าเหลี่ยมแบ่งออกเป็น 5 สามเหลี่ยม

ด้านหลักของการแบ่งย่อยเรียกว่าสามเหลี่ยมโพลีเฮดรัลหลัก (PPT) หรือโครงสร้างการแบ่งย่อยการคำนวณ PPT เพียงจุดเดียวจะช่วยให้สามารถสร้างรูปทรงทั้งหมดได้
ความถี่ ของ ทรงหลายเหลี่ยมจีโอเดสิกถูกกำหนดโดยผลรวมของν = b + c ฮา ร์มอนิกคือความถี่ย่อยและสามารถเป็นตัวหารจำนวนเต็มใดๆ ของν ได้ คลาส II จะมีฮาร์มอนิกเป็น 2 เสมอเนื่องจากν = 2b
ค่าจำนวนสามเหลี่ยม (Triangulation number) คือ T = b² + bc + c² ค่านี้คูณด้วยจำนวนหน้าเดิม จะแสดงจำนวนสามเหลี่ยมที่รูปทรงหลายเหลี่ยมใหม่จะมี
| คอนเวย์ | u I = (kt)I | (k)tI | ktI |
|---|---|---|---|
| ภาพ | |||
| รูปร่าง | ไอโคซาเฮดรอนแบ่งย่อยความถี่ 3 ระดับ | ทรงยี่สิบหน้าตัด K | ทรงหลายเหลี่ยมจีโอเดสิก (3,0) |
ในกรณีนี้{3,5+} โดยมีความถี่ν = 3และจำนวนการแบ่งเป็นรูปสามเหลี่ยมT = 9แต่ละเวอร์ชันของรูปหลายเหลี่ยมจะมีจุดยอด 92 จุด (80 จุดเมื่อขอบหกเส้นเชื่อมต่อกัน และ 12 จุดเมื่อขอบห้าเส้นเชื่อมต่อกัน) ขอบ 270 เส้น และหน้า 180 หน้า
องค์ประกอบ
จำนวนองค์ประกอบถูกระบุโดยเลขสามเหลี่ยมT = b 2 + bc + c 2โพลีเฮดราจีโอเดสิกสองอันที่แตกต่างกันอาจมีจำนวนองค์ประกอบเท่ากัน ตัวอย่างเช่น{3,5+} และ{3,5+} ต่างก็มีT = 49
| สมมาตร | ทรงยี่สิบหน้า | ทรงแปดเหลี่ยม | ทรงสี่เหลี่ยมด้านเท่า |
|---|---|---|---|
| ฐาน | อิโคซาเฮดรอน{3,5} = {3,5+} | ทรงแปดเหลี่ยม{3,4} = {3,4+} | ทรงสี่หน้า{3,3} = {3,3+} |
| ภาพ | |||
| เครื่องหมาย | {3,5+} | {3,4+} | {3,3+} |
| จุดยอด | 10 T + 2 | 4 ที + 2 | 2 T + 2 |
| ใบหน้า | 20 ตัน | 8 ที | 4 ที |
| ขอบ |
ความสัมพันธ์กับทรงหลายเหลี่ยมโกลด์เบิร์ก
ทรงหลายเหลี่ยมจีโอเดสิกเป็นทรงหลายเหลี่ยม คู่ขนานของทรงหลายเหลี่ยม โกลด์เบิร์ก ทรงหลายเหลี่ยมโกลด์เบิร์กยังมีความสัมพันธ์กันในแง่ที่ว่า การใช้ตัวดำเนินการ kis (การแบ่งหน้าออกเป็นรูปสามเหลี่ยมที่มีจุดศูนย์กลาง) จะสร้างทรงหลายเหลี่ยมจีโอเดสิกใหม่ และการตัดจุดยอดของทรงหลายเหลี่ยมจีโอเดสิกจะสร้างทรงหลายเหลี่ยมโกลด์เบิร์กใหม่ ตัวอย่างเช่น ทรงหลายเหลี่ยมโกลด์เบิร์กG (2,1) เมื่อถูก kis แล้ว จะกลายเป็น {3,5+} 4,1 และเมื่อตัดจุดยอดของมันจะกลายเป็นG ( )และในทำนองเดียวกัน{3,5+} เมื่อตัดจุดยอดจะกลายเป็นG(4,1)และเมื่อkis แล้ว จะกลาย เป็น{3,5+ }
ตัวอย่าง
คลาส I
ชั้นเรียนที่ 2
ชั้นเรียนที่ 3
แบบจำลองทรงกลม
หนังสือ Spherical ModelsของMagnus Wenningerสำรวจการแบ่งย่อยเหล่านี้ในการสร้างแบบจำลองทรงหลายเหลี่ยมหลังจากอธิบายการสร้างแบบจำลองเหล่านี้แล้ว เขาได้อธิบายการใช้ตารางสามเหลี่ยมเพื่อทำเครื่องหมายรูปแบบ โดยสามเหลี่ยมจะถูกระบายสีหรือถูกยกเว้นในแบบจำลอง[ 6 ]
ดูเพิ่มเติม
- สัญกรณ์ทรงหลายเหลี่ยมของคอนเวย์– วิธีการอธิบายทรงหลายเหลี่ยมลำดับสูง
บรรณานุกรม
- วิลเลียมส์, โรเบิร์ต (1979). รากฐานทางเรขาคณิตของโครงสร้างธรรมชาติ: หนังสืออ้างอิงด้านการออกแบบหน้า142–144 , รูปที่ 4-49, 50, 51 คัสเตอร์ทรงกลม 12 ลูก, ทรงกลม 42 ลูก, ทรงกลม 92 ลูก
- Pugh, Antony (1976). "บทที่ 6. โพลีเฮดราเชิงเรขาคณิตของ R. Buckminster Fuller และโพลีเฮดราที่เกี่ยวข้อง" โพลีเฮดรา: แนวทางเชิงภาพ
- เวนนิงเกอร์, แม็กนัส (1979). แบบจำลองทรงกลม . สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ . ISBN 978-0-521-29432-4MR 0552023เก็บถาวรจากต้นฉบับ เมื่อ วันที่ 4 กรกฎาคม 2551 จัดพิมพ์ซ้ำโดย Dover (1999), ISBN 978-0-486-40921-4.
- Popko, Edward S. (2012). "บทที่ 8. แผนผังการแบ่งส่วน, 8.1 สัญกรณ์จีโอเดสิก, 8.2 หมายเลขการสร้างสามเหลี่ยม, 8.3 ความถี่และฮาร์โมนิก, 8.4 สมมาตรของตาราง, 8.5 ชั้นที่ 1: ทางแยกและทางข้าม, 8.5.1 การกำหนดสามเหลี่ยมหลัก, 8.5.2 จุดอ้างอิงขอบ" ทรงกลมที่แบ่งส่วน: จีโอเดสิกและการแบ่งส่วนทรงกลมอย่างเป็นระเบียบ