Deltoid
Sześciany i wielomiany
Ile wierzchołków, krawędzi, ścian dwuwymiarowych, trójwymiarowych etc. ma -wymiarowy sześcian?
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 -wymiarowy powstaje z sześcianu -wymiarowego przez przesunięcie go w -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 -wymiarowej jest ściana -wymiarowa.
Istotnie, sześcian trójwymiarowy, otrzymany jako przesunięcie przedniej kwadratowej ściany tak, by uzyskać tylną, ma:
- wierzchołków (dwukrotność tego, co kwadrat),
- krawędzi (dwukrotność tego, co kwadrat, plus liczba wierzchołków kwadratu – powstały z nich krawędzie łączące przód i tył),
- 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).
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, Czy dalej też wychodzi 1?
Rozważmy wielomiany Dla mamy:
Następny wiersz powstaje z poprzedniego poprzez pomnożenie przez czyli pomnożenie poprzedniego wiersza przez 2 oraz dodanie do tego poprzedniego wiersza pomnożonego przez 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 -wymiarowych ścian w -wymiarowym sześcianie to współczynnik przy w wielomianie czyli
Sześcian 42-wymiarowy ma więc
ścian 19-wymiarowych.
Suma liczb w -tym wierszu rysunku 2 to suma współczynników wielomianu czyli jego wartość dla a więc
Z kolei naprzemienna suma liczb z -tego wiersza to wartość tego wielomianu dla czyli zatem faktycznie zawsze równa jest 1.