Przeskocz do treści

Delta mi!

Deltoid

Sześciany i wielomiany

Joanna Jaszuńska

o artykule ...

  • Publikacja w Delcie: wrzesień 2013
  • Publikacja elektroniczna: 31-08-2013

Ile wierzchołków, krawędzi, ścian dwuwymiarowych, trójwymiarowych etc. ma math-wymiarowy sześcian?

obrazek

Rys. 1 Kolejne sześciany math-wymiarowe. Na czarno i szaro narysowano poprzedni sześcian i jego drugi egzemplarz, kolorem zaznaczono ślad przy przesuwaniu.

Rys. 1 Kolejne sześciany math-wymiarowe. Na czarno i szaro narysowano poprzedni sześcian i jego drugi egzemplarz, kolorem zaznaczono ślad przy przesuwaniu.

Przyjrzyjmy się dobrze znanym sześcianom zero-, jedno-, dwu- i trójwymiarowym. Sześcian zerowymiarowy to punkt – jeden wierzchołek. Sześcian jednowymiarowy to odcinek – dwa wierzchołki połączone krawędzią. Sześcian dwuwymiarowy to kwadrat – dwa odpowiednio połączone odcinki.

Można sobie wyobrażać, że sześcian math-wymiarowy powstaje z sześcianu math-wymiarowego przez przesunięcie go w  math-tym wymiarze (Rys. 1). Ma więc dwukrotnie więcej wierzchołków, krawędzi i ścian każdego wymiaru (odpowiadających początkowemu i końcowemu położeniu przesuwanego sześcianu), a dodatkowo ma krawędzie i ściany otrzymane jako ślady przy przesuwaniu. Wierzchołek jako swój ślad pozostawia krawędź, śladem krawędzi jest ściana dwuwymiarowa i ogólniej, śladem ściany math-wymiarowej jest ściana math-wymiarowa.

Istotnie, sześcian trójwymiarowy, otrzymany jako przesunięcie przedniej kwadratowej ściany tak, by uzyskać tylną, ma:

  • math wierzchołków (dwukrotność tego, co kwadrat),
  • math krawędzi (dwukrotność tego, co kwadrat, plus liczba wierzchołków kwadratu – powstały z nich krawędzie łączące przód i tył),
  • math ścian dwuwymiarowych (dwukrotność tego, co kwadrat, plus liczba krawędzi kwadratu – powstały z nich ściany górna, dolna, prawa i lewa),
  • jedną ścianę trójwymiarową (wnętrze, otrzymane jako ślad wnętrza przesuwanego kwadratu).
obrazek

Rys. 2 math – wymiar sześcianu, math – liczba wierzchołków, math – krawędzi, math – ścian math-wymiarowych.

Rys. 2 math – wymiar sześcianu, math – liczba wierzchołków, math – krawędzi, math – ścian math-wymiarowych.

Podsumowując, stwórzmy tabelę (Rys. 2). Wartości w kolejnym wierszu powstają przez podwojenie poprzednich i dodanie do tego poprzednich przesuniętych o jedno miejsce. Tą metodą otrzymujemy ostatni z wypisanych wierszy, dla sześcianu czterowymiarowego. Podobnie można wyznaczać dalsze wartości, choć szukanie w ten sposób np. liczby 19-wymiarowych ścian w sześcianie 42-wymiarowym byłoby dość nużące.

Sumy liczb w kolejnych wierszach to 1, 3, 9, 27, 81 – potęgi trójki. Tak być musi, bo każdy wyraz poprzedniego wiersza wliczany jest w następnym wierszu trzykrotnie: raz podwojony i jeszcze raz, po przesunięciu, dodany.

Na przemian dodając i odejmując wyrazy, uzyskujemy w wierszach 1, math math math math Czy dalej też wychodzi 1?

Rozważmy wielomiany math Dla math mamy:

pict

Następny wiersz powstaje z poprzedniego poprzez pomnożenie przez math czyli pomnożenie poprzedniego wiersza przez 2 oraz dodanie do tego poprzedniego wiersza pomnożonego przez math a więc „przesuniętego”.

Współczynniki wyżej wypisanych wielomianów są takie same, jak liczby w początkowych wierszach tabeli z rysunku 2 W następnych wierszach też uzyskamy tutaj takie same liczby, jak tam, bo procedura ich tworzenia jest identyczna. Stąd

liczba math-wymiarowych ścian w  math-wymiarowym sześcianie to współczynnik przy math w wielomianie math czyli math

Sześcian 42-wymiarowy ma więc

display-math

ścian 19-wymiarowych.

Suma liczb w  math-tym wierszu rysunku 2 to suma współczynników wielomianu math czyli jego wartość dla math a więc math

Z kolei naprzemienna suma liczb z  math-tego wiersza to wartość tego wielomianu dla math czyli math zatem faktycznie zawsze równa jest 1.