แอนติปริซึม

ในทางเรขาคณิตแอนติปริซึม n ด้านหรือn- แอ นติปริซึมคือรูปทรงหลายเหลี่ยมที่ประกอบด้วยสำเนาขนานกันโดยตรงสองสำเนา(ไม่ใช่ภาพสะท้อน) ของรูปหลายเหลี่ยมnด้านเชื่อมต่อกันด้วยแถบสามเหลี่ยม สลับกัน 2n รูปโดยใช้สัญลักษณ์คอนเวย์A n แทน
แอนติปริซึมเป็นกลุ่มย่อยของปริซึมมาทอยด์และเป็นโพลีเฮดรอน แบบสั้นชนิดหนึ่ง (ที่เสื่อมสภาพ )
แอนติปริซึมมีลักษณะคล้ายปริซึมยกเว้นว่าฐานจะบิดเบี้ยวสัมพันธ์กัน และด้านข้าง (ที่เชื่อมต่อฐาน) เป็น รูปสามเหลี่ยม 2n รูปแทนที่จะเป็นรูปสี่เหลี่ยมn รูป
รูปทรงหลายเหลี่ยมคู่ของ ปริซึมแอนติปริซึม nด้าน คือ รูปทรงสี่เหลี่ยมคางหมูnด้าน
ประวัติศาสตร์
ในหนังสือHarmonices Mundi ปี 1619 โยฮันเนส เคปเลอร์สังเกตเห็นการมีอยู่ของตระกูลแอนติปริซึมอนันต์[ 1 ]โดยทั่วไปแล้วถือว่าเป็นการค้นพบรูปทรงเหล่านี้เป็นครั้งแรก แต่รูปทรงเหล่านี้อาจเป็นที่รู้จักมาก่อนหน้านั้นแล้ว: บล็อกพิมพ์ที่ไม่มีลายเซ็นสำหรับโครงร่างของแอนติปริซึมหกเหลี่ยมได้รับการระบุว่าเป็นของฮีโรนีมัส อันเดรียซึ่งเสียชีวิตในปี 1556 [ 2 ]
คำว่า "antiprism" ในภาษาเยอรมันถูกนำมาใช้สำหรับรูปทรงเหล่านี้ในศตวรรษที่ 19 โดย Karl Heinze ให้เครดิตแก่Theodor Wittsteinว่า เป็นผู้นำมาใช้ [ 3 ]แม้ว่าคำว่า "anti-prism" ในภาษาอังกฤษจะถูกใช้มาก่อนสำหรับปริซึมเชิงแสงที่ใช้เพื่อยกเลิกผลกระทบขององค์ประกอบเชิงแสงหลัก[ 4 ]แต่การใช้คำว่า "antiprism" ในภาษาอังกฤษในความหมายทางเรขาคณิตครั้งแรกปรากฏในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ในผลงานของHSM Coxeter [ 5 ]
กรณีพิเศษ
แอนติปริซึมขวา
สำหรับปริซึมแอนติปริซึมที่มี ฐาน เป็นรูปหลายเหลี่ยมปกติnด้าน โดยทั่วไปจะพิจารณากรณีที่สำเนาทั้งสองนี้บิดกันด้วยมุม180 / nองศาแกนของรูปหลายเหลี่ยมปกติคือเส้นที่ตั้งฉากกับระนาบของรูปหลายเหลี่ยมและอยู่ตรงกลางของรูปหลายเหลี่ยม
สำหรับแอนติปริซึมที่มีฐาน รูป n เหลี่ยม ปกติที่เท่ากันทุกประการบิดด้วยมุม180 / nองศาจะได้ความสม่ำเสมอมากขึ้นหากฐานมีแกนเดียวกัน กล่าวคือ (สำหรับฐานที่ไม่อยู่ในระนาบ เดียวกัน ) หากเส้นที่เชื่อมจุดศูนย์กลางของฐานตั้งฉากกับระนาบของฐาน แอนติปริซึมนั้นเรียกว่าแอนติปริซึมมุมฉากและ หน้าด้านข้าง ทั้ง 2nหน้าจะเป็นรูปสามเหลี่ยมหน้าจั่ว[ 6 ]
กลุ่มสมมาตรของปริซึมแอนติปริซึมมุมฉากnคือD ที่มีอันดับ4 nซึ่งเรียกว่าสมมาตรแอนติปริซึมเนื่องจากสามารถได้มาจากการหมุนครึ่งล่างของปริซึมโดยสัมพันธ์กับครึ่งบน โพลีเฮดรอนเว้าที่สร้างขึ้นในลักษณะนี้จะมีกลุ่มสมมาตรนี้ ดังนั้นจึงมีคำนำหน้า "anti" ก่อน "prismatic" [ 7 ]มีข้อยกเว้นสองประการที่มีกลุ่มที่แตกต่างจากD :
- n = 2 :ทรงสี่เหลี่ยมด้าน เท่าปกติ ซึ่งมีกลุ่มสมมาตรขนาดใหญ่ T อันดับ 24ซึ่งมี D สามเวอร์ชัน เป็นกลุ่มย่อย
- n = 3 : ทรงแปดเหลี่ยมปกติซึ่งมีกลุ่มสมมาตรขนาดใหญ่ O ลำดับ 48ซึ่งมี D สี่เวอร์ชัน เป็นกลุ่มย่อย [ 8 ]
ถ้าปริซึมแอนติปริซึม 2 หรือ 3 เหลี่ยมด้านขวาไม่เป็นเอกรูป กลุ่มสมมาตรของมันจะเป็นD หรือD ตามปกติ กลุ่มสมมาตรจะมีอินเวอร์ชั่นก็ต่อเมื่อnเป็นจำนวนคี่
กลุ่มการหมุนคือD ที่มีอันดับ2 nยกเว้นในกรณีต่อไปนี้:
- n = 2 : ทรงสี่เหลี่ยมด้านเท่าปกติ ซึ่งมีกลุ่มการหมุนขนาดใหญ่ Tลำดับที่ 12ซึ่งมีกลุ่มย่อยเพียงกลุ่มเดียว D ;
- n = 3 : ทรงแปดเหลี่ยมปกติ ซึ่งมีกลุ่มการหมุนขนาดใหญ่ Oลำดับที่ 24ซึ่งมี D สี่เวอร์ชัน เป็นกลุ่มย่อย
ถ้าปริซึมแอนติปริซึม 2 หรือ 3 ด้านตั้งฉากไม่เป็นแบบเอกรูป กลุ่มการหมุนของมันจะเป็นD หรือD ตามปกติ ปริซึมแอนติปริซึม n ด้าน ตั้งฉากมี ฐานเป็นรูป nเหลี่ยมปกติที่เท่ากันทุกประการ และด้านข้างเป็นรูปสามเหลี่ยมหน้าจั่วที่เท่ากันทุกประการ ดังนั้นจึงมีกลุ่มสมมาตร (ไดเฮดรัล) เดียวกันกับ ปริซึมแอนติปริซึม n ด้านแบบเอกรูป สำหรับn ≥ 4
พิกัดคาร์ทีเซียนสำหรับจุดยอดของปริซึมแอ นติปริซึมมุมฉาก n ด้าน (กล่าวคือ มี ฐานเป็นรูป nเหลี่ยมปกติ และ ด้านข้างเป็นรูปสามเหลี่ยมหน้าจั่ว 2n ด้านโดยรัศมีวงกลมล้อมรอบฐานเท่ากับ 1) คือ:
โดยที่0 ≤ k ≤ 2 n – 1 ;
ถ้า ปริซึมแอนติ nตัวมีความสม่ำเสมอ (กล่าวคือ ถ้าสามเหลี่ยมเป็นรูปสามเหลี่ยมด้านเท่า) แล้ว:
แอนติปริซึมแบบสม่ำเสมอ
แอนติปริซึมn เอก รูปมี รูป n เหลี่ยม ปกติที่เท่ากัน สอง รูปเป็นฐาน และมี สามเหลี่ยมด้านเท่า 2n รูปเป็นด้านข้าง เช่นเดียวกับปริซึมเอกรูป แอนติปริซึมเอกรูปก็ก่อตัวเป็นชั้นอนันต์ของทรงหลายเหลี่ยมที่สลับจุดยอด สำหรับn = 2จะได้แอนติปริซึมสองเหลี่ยม (แอนติปริซึมเสื่อมสภาพ) ซึ่งมีลักษณะเหมือนกับทรงสี่เหลี่ยมด้าน เท่าปกติ สำหรับn = 3 ทรงแปดเหลี่ยมปกติจะเป็นแอนติปริซึมสามเหลี่ยม (แอนติปริซึมไม่เสื่อมสภาพ) [ 6 ]
| ชื่อแอนติปริซึม | ปริซึมคู่ | (สามเหลี่ยม) ปริซึมแอนติสามเหลี่ยม | ปริซึมสี่เหลี่ยมจัตุรัส (ทรงสี่เหลี่ยมจัตุรัส) | ปริซึมแอนติรูปห้าเหลี่ยม | แอนติปริซึมหกเหลี่ยม | แอนติปริซึมเจ็ดเหลี่ยม | ... | แอนติปริซึมอะเพโรโกนัล |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ภาพทรงหลายเหลี่ยม | ... | |||||||
| ภาพการปูพื้นทรงกลม | ภาพปูกระเบื้องระนาบ | |||||||
| การกำหนดค่าจุดยอด | 2.3.3.3 | 3.3.3.3 | 4.3.3.3 | 5.3.3.3 | 6.3.3.3 | 7.3.3.3 | ... | ∞.3.3.3 |
แผนภาพ Schlegelของปริซึมแอนติกึ่งปกติเหล่านี้มีดังต่อไปนี้:
คุณสมบัติ
ปริมาตรและพื้นที่ผิว
ให้aเป็นความยาวด้านของ ปริซึมแอนติปริซึม รูปหลายเหลี่ยมnด้านที่มีความสม่ำเสมอ ปริมาตรของมันคือ: และพื้นที่ผิวคือ: นอกจากนี้ ปริมาตรของแอนติปริซึมสี่เหลี่ยม มุมฉากปกติ n ด้าน ที่มีความยาวด้านฐานlและความสูงhจะได้รับจาก: [ 9 ]
อนุพันธ์
รัศมีวงกลมล้อมรอบแนวนอนของรูปทรงเรขาคณิตปกติ-กอนที่ฐานคือ
จุดยอดที่ฐานอยู่ที่
จุดยอดด้านบนอยู่ที่
โดยใช้การประมาณค่าเชิงเส้น จุดบนขอบสามเหลี่ยมด้านนอกของปริซึมแอนติปริซึมที่เชื่อมจุดยอดด้านล่างกับจุดยอดด้านบนจะอยู่ที่
และที่
โดยการสร้างผลรวมของกำลังสองของและพิกัดในเวกเตอร์สองตัวก่อนหน้านี้ ตัวหนึ่งคือกำลังสองของรัศมีวงกลมล้อมรอบส่วนนี้ที่ระดับความสูงเป็น
ส่วนตัดขวางที่ระดับความสูงเหนือฐานคือ-กอน (ตัดทอน)-กอน) กับด้านยาวสลับกับด้านยาว(ค่าเหล่านี้ได้มาจากความยาวของผลต่างระหว่างเวกเตอร์สองตัวก่อนหน้า) สามารถแยกย่อยได้เป็นสามเหลี่ยมไร้เส้นไอโซเซลของขอบและ(ครึ่งเส้นรอบวง)) บวก สามเหลี่ยมไร้เส้นไอโซเซลของขอบและ(ครึ่งเส้นรอบวง)ตามสูตรของเฮรอน พื้นที่ของสามเหลี่ยมเหล่านี้คือ
และ
พื้นที่ของส่วนนี้คือและปริมาตรคือ
ปริมาตรของปริซึมเหลี่ยมมุมฉากn ด้านที่มีความยาว lและความสูง hเท่ากันคือ: ซึ่งเล็กกว่าของแอนติปริซึม
การสรุปโดยทั่วไป
ในมิติที่สูงกว่า
แอนติปริซึมสี่มิติสามารถกำหนดได้ว่ามีโพลีเฮดราคู่ขนาน สอง อันเป็นหน้าตรงข้ามกัน โดยที่แต่ละหน้าสามมิติระหว่างหน้าทั้งสองนั้นมาจากส่วนคู่ขนานสองส่วนของโพลีเฮดรา ได้แก่ จุดยอดและรูปหลายเหลี่ยมคู่ขนาน หรือขอบคู่ขนานสองขอบ โพลีเฮดรานูนสามมิติทุกอันจะเทียบเท่ากับหน้าตรงข้ามกันสองหน้าของแอนติปริซึมสี่มิติที่สร้างขึ้นจากโพลีเฮดรามาตรฐานและโพลีเฮดราคู่ขนาน[ 10 ]อย่างไรก็ตาม มีโพลีเฮดราสี่มิติบางอันที่ไม่สามารถรวมกับโพลีเฮดราคู่ขนานเพื่อสร้างแอนติปริซึมห้ามิติได้[ 11 ]
โพลีเฮดราที่ตัดกันเอง
ปริซึมแอนติรูปดาวเอกรูปจะถูกตั้งชื่อตามฐานรูปหลายเหลี่ยมดาว{ p / q }และมีอยู่ทั้งในรูปแบบเดินหน้าและถอยหลัง (ไขว้) รูปแบบไขว้จะมีรูปจุดยอด ที่ตัดกัน และแสดงด้วยเศษส่วน "กลับด้าน": p /( p – q )แทนที่จะเป็นp / q ; ตัวอย่างเช่น (5/3) แทนที่จะเป็น (5/2)
ปริซึม แอ นติ รูปดาวตั้งฉากn-แอนติปริซึมมีฐานเป็นรูปหลายเหลี่ยมนูนปกติหรือรูปดาว สองรูปที่เท่า กันทุกประการ และมีแกนร่วมกัน และ มีด้านข้างเป็นรูปสามเหลี่ยมหน้าจั่ว2n รูป
ปริซึมรูปดาวใดๆ ที่มี ฐานเป็นรูปนูน ปกติหรือรูปหลายเหลี่ยมดาว สามารถทำให้เป็น ปริซึมรูปดาว ตั้งฉากได้ (โดยการเลื่อนและ/หรือบิดฐานด้านใดด้านหนึ่ง หากจำเป็น)

ในรูปแบบย้อนกลับ แต่ไม่ใช่ในรูปแบบไปข้างหน้า สามเหลี่ยมที่เชื่อมฐานนูนหรือฐานรูปดาวจะตัดกับแกนสมมาตรการหมุน ดังนั้น:
- ปริซึมแอนติแบบดาวกลับด้านที่มีฐานเป็นรูปหลายเหลี่ยมนูนปกติไม่สามารถมีขอบทุกด้านยาวเท่ากันได้ ดังนั้นจึงไม่สามารถเป็นรูปทรงเอกรูปได้ "ข้อยกเว้น": ปริซึมแอนติแบบดาวกลับด้านที่มีฐานเป็นรูปสามเหลี่ยมด้านเท่า (การจัดเรียงจุดยอด: 3.3/2.3.3) สามารถเป็นรูปทรงเอกรูปได้ แต่ในกรณีนั้น มันจะมีลักษณะเหมือนรูปสามเหลี่ยมด้านเท่า: มันคือรูปทรงหลายเหลี่ยมดาวเสื่อมสภาพ
- ในทำนองเดียวกัน ปริซึมแอนติแบบดาวกลับด้านบางรูปที่มีฐานเป็นรูปหลายเหลี่ยมดาวปกติ ไม่สามารถมีความยาวขอบเท่ากันทุกด้านได้ ดังนั้นจึงไม่สามารถเป็นแบบสม่ำเสมอได้ ตัวอย่างเช่น ปริซึมแอนติแบบดาวกลับด้านที่มีฐานเป็นรูปหลายเหลี่ยมดาวปกติ{7/5} (การจัดเรียงจุดยอด: 3.3.3.7/5) ไม่สามารถเป็นแบบสม่ำเสมอได้
นอกจากนี้ ยัง สามารถสร้างสารประกอบแอนติปริซึมรูปดาวที่มีฐานรูปดาว{ p / q } -gon ปกติได้ หาก pและqมีตัวประกอบร่วมกัน ตัวอย่างเช่น แอนติปริซึมรูปดาว (10/4) คือสารประกอบของแอนติปริซึมรูปดาว (5/2) สองตัว
ปริซึม คู่ของ ( p / q ) แอนติปริซึมที่มีq < p /2คือสี่เหลี่ยมคางหมูp / qและปริซึมคู่ของปริซึมคู่ของ ( p / q ) แอนติปริซึมที่มีq > p /2กล่าวคือ แอนติปริซึมไขว้ คือ สี่เหลี่ยมคางหมูเว้า ( p / q ) โดยที่ "เว้า" หมายถึงหน้า 2 มิติของทรงตัน 3 มิติ[ 12 ]
จำนวนของแอนติปริซึมไขว้ที่สม่ำเสมอ
ถ้า ใช้สัญลักษณ์( p / q ) สำหรับแอนติปริซึมแล้ว สำหรับ q > p /2แอนติปริซึมจะเป็นแบบไขว้ (ตามนิยาม) และสำหรับq < p /2จะไม่เป็นแบบไขว้ ในส่วนนี้ถือว่าแอนติปริซึมทั้งหมดไม่ใช่แบบเสื่อมสภาพ กล่าวคือp ≥ 3 , q ≠ p /2นอกจากนี้ เงื่อนไข( p , q ) = 1 ( pและqเป็นจำนวนเฉพาะสัมพัทธ์) ก็เป็นจริงเช่นกัน เนื่องจากไม่รวมจำนวนประกอบในการนับ จำนวนแอนติปริซึมแบบไขว้ที่สม่ำเสมอสำหรับp ที่กำหนด สามารถหาได้โดยใช้อสมการอย่างง่าย เงื่อนไขเกี่ยวกับq ที่เป็นไปได้ คือ
- p / 2 < q < 2 / 3 pและ( p , q ) =1
ตัวอย่าง:
- p = 3: 2 ≤ q ≤ 1 – ปริซึมสามเหลี่ยมไขว้แบบสม่ำเสมอไม่มีอยู่จริง
- p = 5: 3 ≤ q ≤ 3 – แอนติปริซึมหนึ่งอันของประเภท (5/3) สามารถเป็นแบบสม่ำเสมอได้
- p = 29: 15 ≤ q ≤ 19 – มีความเป็นไปได้ห้าแบบ (15 ถึง 19) ดังแสดงในคอลัมน์ขวาสุด ใต้ปริซึมนูน (29/1) ในภาพด้านบน
- p = 15: 8 ≤ q ≤ 9 – แอนติปริซึมที่มี q = 8 เป็นคำตอบ แต่ต้องปฏิเสธ q = 9 เนื่องจาก (15,9) = 3 และ 15/9 = 5/3แอนติปริซึม( 15/9 ) เป็นส่วนประกอบของแอนติปริซึมสาม ตัว ( 5/3 ) เนื่องจาก 9 สอดคล้องกับอสมการ ส่วนประกอบนี้จึงสามารถเป็นเอกรูปได้ และถ้าเป็น เช่นนั้น ส่วนประกอบของมันก็ต้องเป็นเอกรูปด้วยเช่นกัน อันที่จริง แอนติปริซึม (5/3) สามารถเป็นเอกรูปได้ตามตัวอย่างที่ 2
ในคอลัมน์แรกของตารางต่อไปนี้ สัญลักษณ์ต่างๆ คือ สัญลักษณ์ของ Schoenflies, Coxeter และ orbifold ตามลำดับ
| กลุ่มสมมาตร | ดาวสม่ำเสมอ(ตัวย่อ) [ 13 ] | ดวงดาวที่ถูกต้อง | |||
|---|---|---|---|---|---|
| D [2,3] (2*3) | |||||
| D [2 + ,8] (2*4) | |||||
| D [2,5] (*225) | |||||
| D [2 + ,10] (2*5) | |||||
| D [2 + ,12] (2*6) | |||||
| D [2,7] (*227) | |||||
| D [2 + ,14] (2*7) | |||||
| D [2 + ,16] (2*8) | |||||
| D [2,9] (*229) | |||||
| D [2 + ,18] (2*9) | |||||
| D [2 + ,20] (2*10) | |||||
| D [2,11] (*2.2.11) | |||||
| D [2 + ,22] (2*11) | |||||
| D [2 + ,24] (2*12) | |||||
| ... | ... | ||||
ดูเพิ่มเติม
- กราฟแอนติปริซึม , กราฟของแอนติปริซึม
- แกรนด์แอนติปริซึมรูปทรงหลายเหลี่ยมสี่มิติ
- รูปหลายเหลี่ยมเฉียงคือรูปหลายเหลี่ยมสามมิติที่มีส่วนนูนเป็นปริซึมตรงข้าม
อ่านเพิ่มเติม
- แอนโทนี พิวจ์ (1976). โพลีเฮดรา: แนวทางเชิงภาพ . แคลิฟอร์เนีย: สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์. ISBN 0-520-03056-7.บทที่ 2: รูปทรงหลายเหลี่ยมแบบอาร์คิมีเดียน ปริซึม และแอนติปริซึม
ลิงก์ภายนอก
สื่อที่เกี่ยวข้องกับAntiprisms ใน Wikimedia Commons- ไวส์สไตน์, เอริค ดับเบิลยู. "แอนติปริซึม" . แมธเวิลด์ .