正多胞体 一覧

正多胞体は 正多面体を 4次元の世界に 拡張したもの。

*正多面体: 正四面体、立方体(正六面体)、正八面体、正十二面体、正廿面体。

1種類の 正多面体が、各頂点の まわりに 合同な 正多面錐に なるように あつまっている。4次元空間内で すべての 頂点・稜・面・体 (胞) が 均一に 配置されている。

全部で 6種類 ある。正多面体より 1つ おおいのが おもしろい。正多胞体の 性質を さぐる 基本的な 方法は、3次元の 正多面体からの 類推である。そのため、正多面体について ある程度 理解していることが 前提となる。映像「次元」では、それぞれの 平行投影と 透視投影が 紹介されている。

以下、文字数の 関係で、「二十」を 「廿」と かく。例: 正二十四胞体→正廿四胞体、正百二十胞体→正百廿胞体。

正五胞体

頂点数と 体数が 最小であるという イミで、もっとも 単純である。4つの点が 正四面体を つくり、5つ目の点が その「上」に あって、合計5つの 四面体が できる。したがって、「正四面錐」の 一種である。正多胞体の なかで 唯一、頂点数や 体数が 奇数である。4次元の 単体 (Simplex) と よばれる。三角形、四面体、五胞体、六房体、七ペタ体… と 次元が あがっていく。

四乗体 (正八胞体)

8つの 立方体から できている。"立方" や "cube" には "三乗" のイミが あることに ならい、Allenは "四乗体" と 命名した。4次元でいう 「マス目」に あたり、超立方体正測体ともいう。正方形 (四角形)、立方体 (六面体)、四乗体 (八胞体)、五乗体 (十房体)、六乗体 (十二ペタ体)… という系列を えがく。

正十六胞体

正八面体の 発展形と いえる。正八面体は、正四角錐を 2つ 底面で はりあわせると できる。このことから 正十六胞体は、正八面体を 底とする 超錐を 2つ はりあわせた 図形と いえる。また 正八面体を 面の方向から みると 三角反柱として とらえられるのと 同様、正十六胞体は 「四面反柱」と いえる。4Dの 正軸体である。この図形の 中心を 座標軸の 原点に もってくると、各頂点は 4本の軸上に 2つずつ あり、かつ 原点から 等距離にある。正八面体は 単独では 3D空間を 充填しないが、正十六胞体は 4D空間充填形である。

正廿四胞体

正多胞体のうちで もっとも 特殊なものであり、正多面体には 対応物が ない。だが、菱形十二面体に 対応する。正十六胞体を 理解する手順と 同様に、まず 菱形十二面体を 明確に理解する 必要が ある。この名を きいたことが ない人も おおいので、まずは もっとも みぢかな 立方体から、その なりたちを 紹介しよう。


立方体には 8つの頂点と 6つの面が ある。この6つの各面の 中心を つかんで 外側に ひきのばし、各面を 底とする 四角錐にする。となりあう 2つの三角形の面が 共面になるまで つづける。すると、元の立方体の 12本の稜の位置に それぞれ、菱形が でき、菱形十二面体が うまれる。これは 2種類の頂点を もつ: 元の立方体の 8つの頂点 (3射=各点に3稜が会する) + 面の中心から「ひきぬかれた」6つの頂点 (4射)。そして、元の立方体の 稜は、菱形の対角線となり、もはや 図形の境界では ない。

4Dで おなじ操作を すると どうなるか。四乗体 (超立方体) は 16の頂点と 8つの胞を もつ。我々は、この8つの立方体の中心を つかんで 外側に ひきのばし、立方錐を つくることを 想像している。となりあう四角錐が 「共体」になるまで ひろげると、2つの 逆むきの四角錐が 八面体を形成する。

すなわち、四乗体は 24枚の (2次元) 面を もつため、各面の位置に 八面体が 合計24個 できる。そして、その八面体が 正八面体であることは 幾何学的に証明できる! 元の四乗体の 面は すべて なくなり、正八面体の中の 空洞の正方形構造に なる。元の四乗体の頂点16個は 4+4=8射となり、体の中心から「ひきぬかれた」頂点8個も 8射となる。

つまり、菱形十二面体の 高次元版は、正多胞体に みごとに "昇格" する! じつに 奇跡的なり! 四乗体の 対角長は 整数2であるため、対角線方向の稜長と 元の軸方向の稜長とが ひとしくなる、ということだろう。

菱形十二面体の 二面角が 120°で、3D空間充填形で あるのと 同様に、正廿四胞体の 二体角 (二胞角) も 120°で、4D空間を 充填する。

正百廿胞体

120個の 正十二面体から つくられる。各辺に 3つの正十二面体が あつまる。

正多胞体のうち 最大の 600個の 頂点を もつ。これらの頂点を 適切に えらぶと、ほかの5種類の 正多胞体を すべて つくれる。ほかの どの図形にも ない 「包容力」を もつ。次節で 紹介する 正六百胞体を 5つ 包含し、また ほかの 正多胞体には ふくまれない 正五胞体も 120個 包含する。この性質に ちなんでか、宇宙の すべては 正百廿胞体の 形を している、と いわれることも ある。

赤道上に 10個の 正十二面体が 輪のように ならんでおり、投影図では ネックレスの ようである。ここから、二体角が 正十角形の 内角と ひとしい 144° であることが たしかめられる。

全体を 4次元球 (玲) に みたてると、120個の 正十二面体は、北極に 1個、北極圏に 12個、中緯度に 20個、北回帰線に 12個、赤道に 30個… という 要領で ならんでいる。実は 「赤道」のイミは 先ほどと ことなっている。ここに、4次元球 (玲) の構造を 理解する 手がかりが ある。またの機会に くわしく のべる。

正六百胞体

正多胞体のうちで 体数が 最大である。600個の 正四面体を あつめて つくられる。5つの正四面体を 1稜に あつめると 角度が 360°に ちかくなるため、中心を おおうには これだけの 数を 要する。各頂点には 20個の正四面体が あつまり、正廿面体を 形づくる。

600個の 正四面体の かわりに、120個の 正廿面体を たがいに くいこみあうように つなげても、この形が できる。これは 星型正多胞体の 1種になる。正廿面体と 大十二面体の 関係に にている。

正廿四胞体を もとに つくる 方法がある。正廿四胞体を構成する 正八面体の 辺を 黄金分割して 正廿面体を つくり、それぞれに 「廿面錐」を はりつけると 合計480個の 正四面体が できる。最後に、すきまを 合計120個の 正四面体で うめる。

正廿面体からは 正五角錐を 最大3つ とりのぞけて、正三角形と 正五角形から なる 多面体が できた。同様に 正六百胞体から 正廿面錐を とりのぞく 操作を すれば、正四面体と 正廿面体から なる 多胞体が できる。それには 3億以上もの種類が 存在する。

一覧表

四乗体と正十六胞体は、たがいに 双対。ならびに、正百廿胞体と正六百胞体は たがいに 双対。正五胞体は 自己双対。正廿四胞体も 自己双対。双対 同士では シュレーフリ記号が 左右反転している。

二体角 (二胞角) は 6つのうち なんと 4つが 整数になる。

シュ記号 二体角 胞数 頂点数 辺数 面数
正五胞体 正四面体 3,3,3 75.52° 5 10
四乗体 立方体 4,3,3 90° 8 16 32 24
正十六胞体 正四面体 3,3,4 120° 16 8 24 32
正廿四胞体 正八面体 3,4,3 24 96
正百廿胞体 正十二面体 5,3,3 144° 120 600 1200 720
正六百胞体 正四面体 3,3,5 164.48° 600 120 720 1200

List of regulars in 4D

Regular polychora are extensions of regular polyhedra to the 4D world. Each shape is surrounded by regular 3D shapes, each of which gather around a vertex in a uniform manner.


Compared to 5 Platonic solids in 3D, there are six regular 4D shapes, making it more diverse than in 3D.

From now on, since I'm too lazy to write the full names of shapes, I will use short names coined by mathematician Jonathan Bowers. Tet: tetrahedron; Oct: octahedron; Doe: dodecahedron; Ike: icosahedron; and so on. These are pronounced according to the rules of phonics.

Pen = Regular pentachoron

This is the simplest 4D shape in terms of number of vertices. Four points form a Tet, and the fifth point is "above" it, connecting to all existing points & making a total of 5 Tet's. Thus, it's a tetrahedral pyramid. It is the only one of the six with odd numbers of vertices and cells.

In 4D space, some of the coordinate values must be irrational number. To construct it easily, choose unit points in 5D space: \((1,0,0,0,0)\) and its permutations.

Tes = Tesseract / Regular octachoron

A 4D hypercube, also called measure polytopes. Natural extension of square & cube. Composed of eight cubes. We can obtain it by vertically moving and duplicating a cube and connecting the corresponding vertices.

Among hypercubes in all dimensions, the Tes is the only one that the distance between the center and any vertex is equal to the edge length. This is because the square root of the dimensions, which is the diagonal length of the hypercube, is the integer 2 in 4D.

Hex = Regular hexadecachoron

The 4D cross polytope, also called orthoplex. Analogous to the Oct in 3D. First, we tend to view the Oct as two square pyramids joined at their bases. Similarly, two octahedral pyramids attach on the bases to form a Hex. Second, just like the Oct is a triangular antiprism, the Hex is a tetrahedral antiprism.

If we bring the center of this figure to the origin of the coordinate axes, two vertices are on each of the four axes, equidistant from the origin.

Among orthoplexes in all dimensions above 2D, the Hex is the only one that is a space-filling shape.

Ico = Regular icositetrachoron

This is the most special of the regular polychora, with no counterpart in regulars in 3D. What this corresponds to is the non-regular shape, rhombic dodecahedron (Rad). Similar to the procedure for understanding the Hex, it is necessary to clearly understand the Rad first. Since many of you have never heard of this name, let's start with the idea of its formation. It begins with a cube.

A cube has eight vertices and six faces. Grab the centers of these six faces and stretch them outward to form four-sided pyramids. Continue until the two adjacent triangles are co-planar. Then, a rhombus is formed at each of the 12 ridges of the original cube. The Rad has two types of vertices: the 8 vertices of the original cube (3-shot) and the 6 vertices "pulled" from the center of the faces (4-shot). Edges of the original cube are now diagonals of rhombi and are no longer boundaries of the figure.

What happens if we perform the same operation in 4D? The Tes has 16 vertices and 8 cells. We imagine that we grab the centers of these 8 cubic cells and stretch them outward to form a cubic pyramid with each cell. When two adjacent square pyramids are stretched until they are corealmic, the two inverted square pyramids form an octahedron.

Since a Tes has 24 (two-dimensional) faces, a total of 24 Oct's can be formed where the faces were. And we can prove geometrically that the Oct's are in fact regular! All the faces of the original Tes disappear, leaving hollow square structures within the Oct's. There are two types of vertices: the 16 vertices of the original Tes (4+4=8-shot) + the 8 vertices that have been "pulled out" from the center of the cells (8-shot).

Therefore, the higher-dimensional version of the Rad successfully "promotes" to a regular polychoron! What a miracle! I understand this phenomenon this way: since the diagonal of the Tes is an integer 2, the lengths of diagonal edges and the original axial edges are equal.

Just as the Rad has a dihedral angle of 120° and is a 3D space-filling shape, the Ico has a dichoral angle of 120° and fills 4D space.

Hi = Regular hecatonicosachoron

Made up of 120 Doe's. Three Doe's gather on each side.

Beginners of 4D geometry tend to think of the final regular in 4D, 600-cell, as the most fascinating & daunting. However, in terms of numbers of vertices, 600-cell has only 120, but this 120-cell has 600. Therefore, I may say that 120-cell is the hardest to comprehend.

It has the most vertices among the regular polychora, 600. Not only it's the largest, it "contains" all other regulars in 4D. That is, if we choose & connect these vertices correctly, we can make all five other types. It even contains 5 Ex's, which is in the next section, and 120 Pen's, which is not contained in any other regular 4D shape. In 3D, a Doe contains cubes and Tet's, but the "capacity" of the Hi is much higher than that of the Doe. Perhaps because of this property, the entire universe is said to be in the shape of the Hi.

Ten Doe's are on the equator, forming a ring which looks like a necklace in a projection. Thus, the dichoral angle is equivalent to the interior angle of a regular decagon, 144°.

If we consider the whole as a glome (hypersphere), 120 Doe's are arranged in the following order: 1 at the North Pole, 12 at the Arctic Circle, 20 at mid-latitudes, 12 at the Tropic of Cancer, 30 at the equator, and so on. In fact, the "equator" has the different meaning from in the previous section. Here is a clue to understanding the structure of the glome: I will tell you more about it in another article.

Ex = Regular hexacosichoron

It has the most cells, 600 Tet's. Five Tet's around a single edge make the angle close to 360°, so it takes this many to cover the center. At each vertex, 12 lines and 20 Tet's form an Ike.

We may obtain this shape by wedgeing 120 Ike's together instead of 600 Tet's. This is a type of star polychoron. It is similar to the relationship between the Ike and the great dodecahedron (Gad).

There is a way to construct an Ex based on an Ico. First, separate each edge of Oct cells into golden sections, which are then rearranged into an Ike. Then, attach an Ike pyramid to each Ike to form a total of 480 Tet's. Finally, fill the gaps with 120 Tet's.

From the icosahedron, we can remove at most three pentagonal pyramids, resulting in a polyhedron consisting of regular triangles and pentagons. Similarly, by removing Ike-pyramids from an Ex, a polychoron consisting of Tet's and Ike's can be formed. There are more than 300 million different kinds of them.

Entire list

The Pen and the Ico are duals of themselves, while the Tes and the Hex as well as the Hi and the Ex are duals of each other. The Schläfli symbols are reversed for each pair.

Surprisingly, four out of six have integers as dichoral angles.

Symbol: Schläfli symbol. Angle: dichoral angle. C,V,E,F: # of cells, vertices, edges, faces. Shot: # of lines touch a vertex. Lobed: # of faces touch a vertex. Hung: # of cells touch a vertex. Piece: # of faces touch an edge. Chambered: # of cells touch an edge. Fold: # of cells touch a face (always 2 in 4D).

Cell Symbol Angle C V E F s l h p c f
5-cell Tet 3,3,3 75.52° 5 10 4 6 4 3 3 2
8-cell Cube 4,3,3 90° 8 16 32 24 4 6 4 3 3 2
16-cell Tet 3,3,4 120° 16 8 24 32 6 12 8 4 4 2
24-cell Oct 3,4,3 24 96 8 12 6 3 3 2
120-cell Doe 5,3,3 144° 120 600 1200 720 4 6 4 3 3 2
600-cell Tet 3,3,5 164.48° 600 120 720 1200 12 30 20 5 5 2

Links

Jonathan Bowers
Polytope Wiki
本家 Wiki
4次元の半正多胞体
アコニック・ランド
4次元図形の基礎雑学
QFBox
四次元への扉
4次元多胞体を見るWebアプリ
高次元の正多胞体(その5)

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