Программа для рисования четырёхмерного куба. Тессеракт и вообще n-мерные кубы Квадрат в 4 измерении

Начнём с объяснения, что же такое четырёхмерное пространство.

Это - одномерное пространство, то есть просто ось OX. Любая точка на ней характеризуется одной координатой.

Теперь проведём ось OY перпендикулярно оси OX. Вот и получилось двумерное пространство, то есть плоскость XOY. Любая точка на ней характеризуется двумя координатами - абсциссой и ординатой.

Проведём ось OZ перпендикулярно осям OX и OY. Получится трёхмерное пространство, в котором у любой точки есть абсцисса, ордината и аппликата.

Логично, что четвёртая ось, OQ, должна быть перпендикулярной осям OX, OY и OZ одновременно. Но мы не можем точно построить такую ось, и потому остаётся только попытаться представить её себе. У каждой точки в четырёхмерном пространстве есть четыре координаты: x, y, z и q.

Теперь посмотрим, как появился четырёхмерный куб.

На картинке изображена фигура одномерного пространства - линия.

Если сделать параллельный перенос этой линии вдоль оси OY, а потом соединить соответствующие концы двух получившихся линий, получится квадрат.

Аналогично, если сделать параллельный перенос квадрата вдоль оси OZ и соединить соответствующие вершины, то получится куб.

А если сделать параллельный перенос куба вдоль оси OQ и соединить вершины двух этих кубов, то мы получим четырёхмерный куб. Кстати, он называется тессеракт .

Чтобы нарисовать куб на плоскости, нужно его спроецировать . Наглядно это выглядит так:

Представим, что в воздухе над поверхностью висит каркасная модель куба, то есть как бы «сделанная из проволоки», а над ней - лампочка. Если включить лампочку, обвести карандашом тень от куба, а потом выключить лампочку, то на поверхности будет изображена проекция куба.

Перейдём к немного более сложному. Ещё раз посмотрите на рисунок с лампочкой: как видите, все лучи сошлись в одной точке. Она называется точкой схода и используется для построения перспективной проекции (а бывает и параллельная, когда все лучи параллельны друг другу. Результат - не создаётся ощущения объёма, но она легче, и при том если точка схода достаточно сильно удалена от проецируемого объекта, то разница между этими двумя проекциями мало заметна). Чтобы спроецировать данную точку на данную плоскость, используя точку схода, нужно провести прямую через точку схода и данную точку, а потом найти точку пересечения получившейся прямой и плоскости. А для того, чтобы спроецировать более сложную фигуру, скажем, куб, нужно спроецировать каждую его вершину, а потом соответствующие точки соединить. Следует заметить, что алгоритм проекции пространства на подпространство можно обобщить для случая 4D->3D, а не только 3D->2D.

Как я уже говорил, мы не можем себе точно представить, как выглядит ось OQ, равно как и тессеракт. Зато мы можем получить ограниченное представление о нём, если мы спроецируем его на объём, а потом нарисуем это на экране компьютера!

Теперь поговорим о проекции тессеракта.

Слева находится проекция куба на плоскость, а справа - тессеракта на объём. Они довольно схожи: проекция куба выглядит как два квадрата, маленький и большой, один внутри другого, и у которых соответствующие вершины соединены линиями. А проекция тессеракта выглядит как два куба, маленький и большой, один внутри другого, и у которых соответствующие вершины соединены. Но мы все видели куб, и можем с уверенностью сказать, что и маленький квадрат, и большой, и четыре трапеции сверху, снизу, справа и слева от маленького квадрата, на самом деле являются квадратами, при чём равными. И у тессеракта тоже самое. И большой куб, и маленький куб, и шесть усечённых пирамид по бокам от маленького куба - это всё кубы, при чём равные.

Моя программа умеет не только рисовать проекцию тессеракта на объём, а ещё и вращать его. Рассмотрим, как делается это.

Для начала я вам расскажу, что такое вращение параллельно плоскости .

Представьте себе, что куб вращается вокруг оси OZ. Тогда каждая из его вершин описывает окружность вокруг оси OZ.

А окружность - фигура плоская. И плоскости каждой из этих окружностей параллельны между собой, и в данном случае параллельны плоскости XOY. То есть мы можем говорить не только о вращении вокруг оси OZ, а ещё и о вращении параллельно плоскости XOY.Как видим, у точек, которые вращаются параллельно оси XOY меняются только абсцисса и ордината, аппликата же остаётся неизменной И, вообще-то, мы можем говорить о вращении вокруг прямой только тогда, когда имеем дело с трёхмерным пространством. В двумерном всё вращается вокруг точки, в четырёхмерном - вокруг плоскости, в пятимерном пространстве мы говорим о вращении вокруг объёма. И если вращение вокруг точки мы можем себе представить, то вращение вокруг плоскости и объёма - что-то немыслимое. А если будем говорить о вращении параллельно плоскости, то тогда в любом n-мерном пространстве точка может вращаться параллельно плоскости.

Многие из вас, вероятно, слышали о матрице поворота. Умножив точку на неё, получим точку, повёрнутую параллельно плоскости на угол фи. Для двумерного пространства она выглядит так:

Как умножать: икс точки, повёрнутой на угол фи = косинус угла фи*икс первоначальной точки минус синус угла фи*игрек первоначальной точки;
игрек точки, повёрнутой на угол фи=синус угла фи*икс первоначальной точки плюс косинус угла фи*игрек первоначальной точки.
Xa`=cosф*Xa - sinф*Ya
Ya`=sinф*Xa + cosф*Ya
, где Xa и Ya - абсцисса и ордината точки, которую нужно повернуть, Xa` и Ya` - абсцисса и ордината уже повёрнутой точки

Для трёхмерного пространства это матрица обобщается следующим образом:

Вращение параллельно плоскости XOY. Как видим, координата Z не меняется, а меняются только X и Y
Xa`=cosф*Xa - sinф*Ya + Za*0
Ya`=sinф*Xa +cosф*Ya + Za*0
Za`=Xa*0 + Ya*0 + Za*1 (по сути, Za`=Za)

Вращение параллельно плоскости XOZ. Ничего нового,
Xa`=cosф*Xa + Ya*0 - sinф*Za
Ya`=Xa*0 + Ya*1 + Za*0 (по сути, Ya`=Ya)
Za`=sinф*Xa + Ya*0 + cosф*Za

И третья матрица.
Xa`=Xa*1 + Ya*0 + Za*0 (по сути, Xa`=Xa)
Ya`=Xa*0 + cosф*Ya - sinф*Za
Za`=Xa*0 + sinф*Ya + cosф*Za

А для четвёртого измерения они выглядят вот так:


Думаю, вы уже поняли, что на что множить, потому лишний раз расписывать не буду. Зато замечу, что она делает то же самое, что и матрица для поворота параллельно плоскости в трёхмерном пространстве! И та, и эта изменяют только ординату и аппликату, а остальные координаты не трогают, потому её можно использовать и в трёхмерном случае, просто не обращая внимания на четвёртую координату.

А вот с формулой проекции не всё так просто. Сколько я ни читал форумов, мне не подошёл ни один из способов проекции. Параллельная мне не подходила, так как проекция не будет выглядеть объёмной. В одних формулах проекции для нахождения точки нужно решить систему уравнений(а я не знаю, как научить компьютер их решать), другие я просто-напросто не понял… В общем, я решил придумать свой способ. Рассмотрим для этого проекцию 2D->1D.

pov значит «Point of view» (точка зрения), ptp значит «Point to project» (точка, которую нужно спроецировать), а ptp` - это искомая точка на оси OX.

Углы povptpB и ptpptp`A равны как соответствующие(пунктирная линия параллельна оси OX, прямая povptp - секущая).
Икс точки ptp` равен иксу точки ptp минус длина отрезка ptp`A. Этот отрезок можно найти из треугольника ptpptp`A: ptp`A = ptpA/тангенс угла ptpptp`A. Мы можем найти этот тангенс из треугольника povptpB: тангенс угла ptpptp`A = (Ypov-Yptp)(Xpov-Xptp).
Ответ: Xptp`=Xptp-Yptp/тангенс угла ptpptp`A.

Я не стал подробно расписывать этот алгоритм тут, так как там куча частных случаев, когда формула несколько меняется. Кому это интересно - посмотрите в исходниках программы, там всё расписано в комментариях.

Для того, чтобы спроецировать точку трёхмерного пространства на плоскость, просто рассмотрим две плоскости - XOZ и YOZ, и для каждой из них решим эту задачу. В случае четырёхмерного пространства нужно рассмотреть уже три плоскости: XOQ, YOQ и ZOQ.

И наконец, про программу. Она действует так: инициализировать шестнадцать вершин тессеракта -> в зависимости от введённых пользователем команд повернуть его -> спроецировать на объём -> в зависимости от введённых пользователем команд повернуть его проекцию -> спроецировать на плоскость -> нарисовать.

Проекции и повороты я написал сам. Они работают по формулам, которые я только что описал. Библиотека OpenGL рисует линии, а так же занимается смешиванием цветов. А координаты вершин тессеракта вычисляются таким образом:

Координаты вершин линии с центром в начале координат и длинной 2 - (1) и (-1);
- " - " - квадрата - " - " - и ребром длинной 2:
(1; 1), (-1; 1), (1; -1) и (-1; -1);
- " - " - куба - " - " -:
(1; 1; 1), (-1; 1; 1), (1; -1; 1), (-1; -1; 1), (1; 1; -1), (-1; 1; -1), (1; -1; -1), (-1; -1; -1);
Как можно было заметить, квадрат - это одна линия над осью OY и одна линия под осью OY; куб - это один квадрат спереди от плоскости XOY, и один за ней; тессеракт - это один куб по ту сторону объёма XOYZ, и один - по эту. Но куда легче воспринять это чередование единиц и минус единиц, если их записать в столбик

1; 1; 1
-1; 1; 1
1; -1; 1
-1; -1; 1
1; 1; -1
-1; 1; -1
1; -1; -1
-1; -1; -1

В первом столбце один и минус один чередуются. Во втором столбце сначала идёт два плюса, потом два минуса. В третьем - четыре плюс единицы, а потом четыре минус единицы. Это были вершины куба. У тессеракта их в два раза больше, и потому нужно было написать цикл для их объявления, иначе очень легко запутаться.

Моя программа так же умеет рисовать анаглиф. Счастливые обладатели 3D-очков могут наблюдать стереоскопическую картинку. В рисовании картинки нет ничего хитрого, просто рисуется две проекции на плоскость, для правого и левого глаз. Зато программа становится намного более наглядной и интересной, а главное - даёт лучшее представление о четырёхмерном мире.

Менее значительные функции - подсветка одной из граней красным, чтобы лучше можно было разглядеть повороты, а так же мелкие удобства - регуляция координат точек-«глаз», увеличение и уменьшение скорости поворота.

Архив с программой, исходником и инструкцией пользования.

Гиперкуб и Платоновы тела

Смоделировать в системе «Вектор» усеченныйикосаэдр («футбольный мяч»)
у которого каждый пятиугольник ограниченшестиугольниками

Усечённый икосаэдр может быть получен срезанием 12 вершин с образованием граней в виде правильных пятиугольников. При этом число вершин нового многогранника увеличивается в 5 раз (12×5=60), 20 треугольных граней превращаются в правильные шестиугольники (всего граней становится 20+12=32 ), а число рёбер возрастает до 30+12×5=90 .

Шаги построения усеченного икосаэдра в системе «Вектор»

Фигуры в 4-мерном пространстве.

--à

--à ?

Например, даны куб и гиперкуб. В гиперкубе 24 грани. Значит, у 4-мерного октаэдра будет 24 вершины. Хотя нет, у гиперкуба – 8 граней кубов – в каждом центр -вершина. Значит, у 4-мерного октаэдрабудет 8 вершини того легче.

4-мерный октаэдр . Он состоит из восьми равносторонних и равных между собой тэтраэдров,
соединенных по четыре у каждой вершины.

Рис. Попытка смоделировать
гипершар-гиперсферу в системе «Вектор»

Передняя – задняя грани – шары без искажения. Еще шестьшаров – можно задать черезэллипсоиды или квадратичные поверхности (через 4 линии контура как образующие) иличерез грани (сначала задаются через образующие).

Еще приемы «построить» гиперсферу
- тот же «футбольный мяч» в 4-мерном пространстве

Приложение 2

Для выпуклых многогранников имеет место свойство, связывающее число его вершин, ребер и граней, доказанное в 1752 году Леонардом Эйлером, и получившее название теоремы Эйлера.

Прежде чем его сформулировать рассмотрим известные нам многогранники и заполним следующую таб­лицу, в которой В - число вершин, Р - ребер и Г - граней данного мно­гогранника:

Название многогранника
Треугольная пирамида
Четырехугольная пирамида
Треугольная призма
Четырехугольная призма
n - угольная пирамида	n +1	2n	n +1
n - угольная призма	2n	3n	n+2
n - угольная усеченная пирамида	2n	3n	n+2

Из этой таблицы непосредственно видно, что для всех выбранных мно­гогранников имеет место равенство В - Р + Г = 2. Оказывается, что это равенство справедливо не только для этих многогранников, но и для про­извольного выпуклого многогранника.

Теорема Эйлера. Для любого выпуклого многогранника имеет место равенство

В - Р + Г = 2,

где В - число вершин, Р - число ребер и Г - число граней данного мно­гогранника.

Доказательство. Для доказательства этого равенства представим поверхность данного многогранника сделанной из эластичного материала. Удалим (вырежем) од­ну из его граней и оставшуюся поверхность растянем на плоскости. Полу­чим многоугольник (образованный ребрами удаленной грани многогранника), разбитый на более мелкие многоугольники (образованные остальными гранями многогранника).

Заметим, что многоугольники можно деформировать, увеличивать, уменьшать или даже искривлять их стороны, лишь бы при этом не происходило разрывов сторон. Число вершин, ребер и граней при этом не изменится.

Докажем, что для полученного разбиения многоугольника на более мелкие многоугольники имеет место равенство

(*)В - Р + Г " = 1,

где В – общее число вершин, Р – общее число ребер и Г " – число многоугольников, входящих в разбиение. Ясно, что Г "= Г – 1, где Г – число граней данного мно­гогранника.

Докажем, что равенство (*) не изменится, если в каком-нибудь многоугольнике данного разбиения провести диагональ (рис. 5, а). Действитель­но,после проведения такой диагонали в новом разбиении будет В вершин, Р+1 ребер и количество многоугольников увеличится на единицу. Следовательно, имеем

В - (Р + 1) + (Г "+1) = В – Р + Г ".

Пользуясь этим свойством, проведем диагонали, разбивающие входя­щие многоугольники на треугольники, и для полученного разбиения пока­жем выполнимость равенства (*) (рис. 5, б). Для этого будем последо­вательно убирать внешние ребра, уменьшая количество треугольников. При этом возможны два случая:

а) для удаления треугольника ABC требуется снять два ребра, в на­шем случае AB и BC ;

б) для удаления треугольника MKN требуется снять одно ребро, в нашем случае MN .

В обоих случаях равенство (*) не изменится. Например, в первом случае послеудаления треугольника граф будет состоять из В – 1 вершин, Р – 2 ребер и Г " – 1 многоугольника:

(В - 1) - (Р + 2) + (Г " – 1) = В – Р + Г ".

Самостоятельно рассмотрите второй случай.

Таким образом, удаление одного треугольника не меняет равенство (*). Продолжая этот процесс удаления треугольников, в конце концов, мы придем к разбиению, состоящему из одного треугольника. Для такого раз­биения В = 3, Р = 3, Г " = 1 и, следовательно, B – Р + Г " = 1. Значит, равенство (*) имеет место и для исходного разбиения, откуда оконча­тельно получаем, что для данного разбиения многоугольника справедливо равенство (*). Таким образом, для исходного выпуклого многогранника справедливо равенство В - Р + Г = 2.

Пример многогранника, для которого не выполняется соотношение Эйлера, показан на рисунке 6. Этот многогранник имеет 16 вершин, 32 ребра и 16 граней. Таким образом, для этого многогранника выполняется равенство В – Р + Г = 0.

Приложение 3.

Фильм Куб 2: Гиперкуб» (англ. Cube 2: Hypercube) - фантастический фильм, продолжение фильма «Куб».

Восемь незнакомых людей просыпаются в комнатах, имеющих форму куба. Комнаты находятся внутри четырёхмерного гиперкуба. Комнаты постоянно перемещаются путём "квантовой телепортации", и если перелезть в соседнюю комнату, то вернуться в прежнюю уже маловероятно. В гиперкубе пересекаются параллельные миры, время в некоторых комнатах течёт по-разному, и некоторые комнаты являются смертельными ловушками.

Сюжетно картина во многом повторяет историю первой части, что также отражается и на образах некоторых персонажей. В комнатах гиперкуба погибает нобелевский лауреат Розенцвейг, рассчитавший точное время уничтожения гиперкуба .

Критика

Если в первой части люди заточенные в лабиринт пытались помочь друг-другу, в этом фильме каждый сам за себя. Очень много лишних спецэффектов (они же ловушки) которые ни как не связывают логически данную часть фильма с предыдущей. То есть получается фильм Куб 2 - это этакий лабиринт будущего 2020-2030 годов, но никак не 2000. В первой части все виды ловушек может теоретически создать человек. Во второй части эти ловушки - программа какого-то компьютера, так называемая "Виртуальная реальность".

Бакаляр Мария

Изучаются способы введения понятия четырёхмерного куба (тессеракта), его строение и некоторые свойства Решается вопрос о том, какие трёхмерные объекты получаются при пересечении четырёхмерного куба гиперплоскостями, параллельными его трёхмерным граням, а также гиперплоскостями, перпендикулярными его главной диагонали. Рассмотрен применяемый для исследования аппарат многомерной аналитической геометрии.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Введение……………………………………………………………………….2

Основная часть………………………………………………………………..4

Выводы………….. …………………………………………………………..12

Список литературы…………………………………………………………..13

Введение

Четырёхмерное пространство издавна привлекало внимание, как профессиональных математиков, так и людей, далёких от занятий этой наукой. Интерес к четвёртому измерению может быть обусловлен предположением о том, что наш трёхмерный мир «погружен» в четырёхмерное пространство подобно тому, как плоскость «погружена» в трёхмерное пространство, прямая «погружена» в плоскость, а точка – в прямую. Помимо этого, четырёхмерное пространство играет важную роль в современной теории относительности (так называемое пространство-время или пространство Минковского), а также может рассматриваться как частный случай мерного евклидова пространства (при ).

Четырёхмерный куб (тессеракт) является объектом четырёхмерного пространства, имеющим максимально возможную размерность (подобно тому, как обычный куб является объектом трёхмерного пространства). Заметим, что он представляет и непосредственный интерес, а именно может фигурировать в оптимизационных задачах линейного программирования (как область, в которой отыскивается минимум или максимум линейной функции четырёх переменных), а также применяется в цифровой микроэлектронике (при программировании работы дисплея электронных часов). Кроме этого, сам процесс изучения четырёхмерного куба способствует развитию пространственного мышления и воображения.

Следовательно, изучение строения и специфических свойств четырёхмерного куба является достаточно актуальным. Стоит отметить, что в плане строения четырёхмерный куб изучен достаточно хорошо. Гораздо больший интерес представляет характер его сечений различными гиперплоскостями. Таким образом, основной целью данной работы является изучение строения тессеракта, а также выяснение вопроса о том, какие трёхмерные объекты будут получаться, если четырёхмерный куб рассекать гиперплоскостями, параллельными какой-то одной из его трёхмерных граней, или же гиперплоскостями, перпендикулярными его главной диагонали. Гиперплоскостью в четырёхмерном пространстве будем называть трёхмерное подпространство. Можно сказать, что прямая на плоскости – одномерная гиперплоскость, плоскость в трёхмерном пространстве – двумерная гиперплоскость.

Поставленная цель определила задачи исследования:

1) Изучить основные факты многомерной аналитической геометрии;

2) Изучить особенности построения кубов размерностей от 0 до 3;

3) Изучить строение четырёхмерного куба;

4) Аналитически и геометрически описать четырёхмерный куб;

5) Изготовить модели развёрток и центральных проекций трёхмерного и четырёхмерного кубов.

6) Пользуясь аппаратом многомерной аналитической геометрии, описать трёхмерные объекты, получающиеся при пересечении четырёхмерного куба гиперплоскостями, параллельными какой-то одной из его трёхмерных граней, или же гиперплоскостями, перпендикулярными его главной диагонали.

Полученная таким образом информация позволит лучше разобраться в строении тессеракта, а также выявить глубокую аналогию в строении и свойствах кубов различных размерностей.

Основная часть

Сначала опишем математический аппарат, которым мы будем пользоваться в ходе данного исследования.

1) Координаты вектора: если , то

2) Уравнение гиперплоскости с нормальным вектором имеет вид Здесь

3) Плоскости и параллельны тогда и только тогда, когда

4) Расстояние между двумя точками определяется следующим образом: если , то

5) Условие ортогональности векторов:

Прежде всего, выясним, каким образом можно описать четырёхмерный куб. Сделать это можно двумя способами – геометрическим и аналитическим.

Если говорить о геометрическом способе задания, то здесь целесообразно проследить процесс построения кубов, начиная с нулевой размерности. Куб нулевой размерности – это точка (заметим, кстати, что точка может также играть роль шара нулевой размерности). Далее введём первое измерение (ось абсцисс) и на соответствующей оси отметим две точки (два нульмерных куба), находящиеся на расстоянии 1 друг от друга. Получится отрезок - одномерный куб. Сразу же отметим характерную особенность: Границей (концами) одномерного куба (отрезка) являются два нульмерных куба (две точки). Далее введём второе измерение (ось ординат) и на плоскости построим два одномерных куба (два отрезка), концы которых находятся на расстоянии 1 друг от друга (фактически, один из отрезков является ортогональной проекцией другого). Соединяя соответствующие концы отрезков, получим квадрат – двумерный куб. Опять-таки отметим, что границей двумерного куба (квадрата) являются четыре одномерных куба (четыре отрезка). Наконец, введём третье измерение (ось аппликат) и построим в пространстве два квадрата таким образом, чтобы один из них являлся ортогональной проекцией другого (при этом соответствующие вершины квадратов находятся друг от друга на расстоянии 1). Соединим соответствующие вершины отрезками – получим трёхмерный куб. Видим, что границей трёхмерного куба являются шесть двумерных кубов (шесть квадратов). Описанные построения позволяют выявить следующую закономерность: на каждом шаге мерный куб «движется, оставляя след» в е измерение на расстояние 1, при этом, направление движения перпендикулярно кубу. Именно формальное продолжение этого процесса и позволяет прийти к понятию четырёхмерного куба. А именно, заставим трёхмерный куб продвинуться в направлении четвёртого измерения (перпендикулярно кубу) на расстояние 1. Действуя аналогично предыдущему, то есть, соединяя соответствующие вершины кубов, мы и получим четырёхмерный куб. необходимо отметить, что геометрически такое построение в нашем пространстве невозможно (ибо оно трёхмерно), однако здесь мы не сталкиваемся ни с какими противоречиями с логической точки зрения. Теперь перейдём к аналитическому описанию четырёхмерного куба. Оно также получается формально, с помощью аналогии. Итак, аналитическое задание нульмерного единичного куба имеет вид:

Аналитическое задание одномерного единичного куба имеет вид:

Аналитическое задание двумерного единичного куба имеет вид:

Аналитическое задание трёхмерного единичного куба имеет вид:

Теперь уже очень легко дать аналитическое представление четырёхмерного куба, а именно:

Как видим, и при геометрическом, и при аналитическом способах задания четырёхмерного куба использовался метод аналогий.

Теперь, используя аппарат аналитической геометрии, выясним, какое имеет строение четырёхмерный куб. Сначала выясним, какие элементы в него входят. Здесь опять можно воспользоваться аналогией (для выдвижения гипотезы). Границей одномерного куба являются точки (нульмерные кубы), двумерного куба – отрезки (одномерные кубы), трёхмерного куба – квадраты (двумерные грани). Можно предположить, что границей тессеракта являются трёхмерные кубы. Для того чтобы это доказать, уточним, что понимается под вершинами, рёбрами и гранями. Вершинами куба назовём его угловые точки. То есть, координатами вершин могут являться нули или единицы. Таким образом, обнаруживается связь между размерностью куба и числом его вершин. Применим комбинаторное правило произведения – так как вершина мерного куба имеет ровно координат, каждая из которых равна нулю или единице (независимо от всех остальных), то всего имеется вершин. Таким образом, у любой вершины все координаты фиксированы и могут равняться или . Если же зафиксировать все координаты (положив каждую из них равной или , независимо от остальных), кроме одной, то получим прямые, содержащие рёбра куба. Аналогично предыдущему, можно сосчитать, что их ровно штук. А если теперь зафиксировать все координаты (положив каждую из них равной или , независимо от остальных), кроме каких-нибудь двух, получим плоскости, содержащие двумерные грани куба. Используя правило комбинаторики, найдём, что их ровно штук. Далее аналогично – зафиксировав все координаты (положив каждую из них равной или , независимо от остальных), кроме каких-нибудь трёх, получим гиперплоскости, содержащие трёхмерные грани куба. Пользуясь тем же правилом, вычислим их количество – ровно и т.д. Для нашего исследования этого будет достаточно. Применим полученные результаты к строению четырёхмерного куба, а именно, во всех выведенных формулах положим . Стало быть, четырёхмерный куб имеет: 16 вершин, 32 ребра, 24 двумерные грани, и 8 трёхмерных граней. Для наглядности зададим аналитически все его элементы.

Вершины четырёхмерного куба:

Рёбра четырёхмерного куба ():

Двумерные грани четырёхмерного куба (аналогичные ограничения):

Трёхмерные грани четырёхмерного куба (аналогичные ограничения):

Теперь, когда строение четырёхмерного куба и способы его задания описаны с достаточной полнотой, приступим к реализации главной цели – выяснению характера различных сечений куба. Начнём с элементарного случая, когда сечения куба параллельны одной из его трёхмерных граней. Например, рассмотрим его сечения гиперплоскостями, параллельными грани Из аналитической геометрии известно, что любое такое сечение будет задаваться уравнением Зададим соответствующие сечения аналитически:

Как видим, получено аналитическое задание трёхмерного единичного куба, лежащего в гиперплоскости

Для установления аналогии запишем сечение трёхмерного куба плоскостью Получим:

Это квадрат, лежащий в плоскости . Аналогия очевидна.

Сечения четырёхмерного куба гиперплоскостями дают совершенно аналогичные результаты. Это будут также единичные трёхмерные кубы, лежащие в гиперплоскостях соответственно.

Сейчас рассмотрим сечения четырёхмерного куба гиперплоскостями, перпендикулярными его главной диагонали. Сначала решим эту задачу для трёхмерного куба. Используя вышеописанный способ задания единичного трёхмерного куба, заключает, что в качестве главной диагонали можно взять, например, отрезок с концами и . Значит, вектор главной диагонали будет иметь координаты . Следовательно, уравнение любой плоскости, перпендикулярной главной диагонали, будет иметь вид:

Определим границы изменения параметра . Так как , то, почленно складывая эти неравенства, получим:

Или .

Если , то (в силу ограничений). Аналогично - если , то . Значит, при и при секущая плоскость и куб имеют ровно одну общую точку ( и соответственно). Теперь заметим следующее. Если (опять-таки в силу ограничений переменных). Соответствующие плоскости пересекают сразу три грани, ибо, в противном случае, секущая плоскость была бы параллельна одной из них, что не имеет места по условию. Если , то плоскость пересекает все грани куба. Если же , то плоскость пересекает грани . Приведём соответствующие выкладки.

Пусть Тогда плоскость пересекает грань по прямой , причём . Грань , причём . Грань плоскость пересекает по прямой , причём

Пусть Тогда плоскость пересекает грань:

грань по прямой , причём .

грань по прямой , причём .

грань по прямой , причём .

грань по прямой , причём .

грань по прямой , причём .

грань по прямой , причём .

На этот раз получается шесть отрезков, имеющих последовательно общие концы:

Пусть Тогда плоскость пересекает грань по прямой , причём . Грань плоскость пересекает по прямой , причём . Грань плоскость пересекает по прямой , причём . То есть, получаются три отрезка, имеющих попарно общие концы: Таким образом, при указанных значениях параметра плоскость будет пересекать куб по правильному треугольнику с вершинами

Итак, здесь приведено исчерпывающее описание плоских фигур, получающихся при пересечении куба плоскостью, перпендикулярной его главной диагонали. Основная идея состояла в следующем. Необходимо понять, какие грани пересекает плоскость, по каким множествам она их пересекает, как эти множества связаны между собой. Например, если выяснялось, что плоскость пересекает ровно три грани по отрезкам, которые имеют попарно общие концы, то сечением являлся равносторонний треугольник (что доказывается непосредственным подсчётом длин отрезков), вершинами которого и служат эти концы отрезков.

Пользуясь этим же аппаратом и той же идеей исследования сечений, совершенно аналогично можно вывести следующие факты:

1) Вектор одной из главных диагоналей четырёхмерного единичного куба имеет координаты

2) Любая гиперплоскость, перпендикулярная главной диагонали четырёхмерного куба, может быть записана в виде .

3) В уравнении секущей гиперплоскости параметр может изменяться от 0 до 4;

4) При и секущая гиперплоскость и четырёхмерный куб имеют одну общую точку (и соответственно);

5) При в сечении будет получаться правильный тетраэдр;

6) При в сечении будет получаться октаэдр;

7) При в сечении будет получаться правильный тетраэдр.

Соответственно, здесь гиперплоскость пересекает тессеракт по плоскости, на которой в силу ограничений переменных выделяется треугольная область (аналогия – плоскость пересекала куб по прямой, на которой в силу ограничений переменных выделялся отрезок). В случае 5) гиперплоскость пересекает ровно четыре трёхмерные грани тессеракта, то есть, получаются четыре треугольника, имеющих попарно общие стороны, иначе говоря, образующие тетраэдр (как это можно подсчитать - правильный). В случае 6) гиперплоскость пересекает ровно восемь трёхмерных граней тессеракта, то есть, получаются восемь треугольников, имеющих последовательно общие стороны, иначе говоря, образующие октаэдр. Случай 7) полностью аналогичен случаю 5).

Проиллюстрируем сказанное конкретным примером. А именно, исследуем сечение четырёхмерного куба гиперплоскостью В силу ограничений переменных, данная гиперплоскость пересекает следующие трёхмерные грани: Грань пересекается по плоскости В силу ограничений переменных имеем: Получим треугольную область с вершинами Далее, получим треугольник При пересечении гиперплоскости с гранью получим треугольник При пересечении гиперплоскости с гранью получим треугольник Таким образом, вершины тетраэдра имеют следующие координаты . Как легко подсчитать, этот тетраэдр действительно является правильным.

Выводы

Итак, в процессе данного исследования были изучены основные факты многомерной аналитической геометрии, изучены особенности построения кубов размерностей от 0 до 3, изучено строение четырёхмерного куба, аналитически и геометрически описан четырёхмерный куб, изготовлены модели развёрток и центральных проекций трёхмерного и четырёхмерного кубов, аналитически описаны трёхмерные объекты, получающиеся при пересечении четырёхмерного куба гиперплоскостями, параллельными какой-то одной из его трёхмерных граней, или же гиперплоскостями, перпендикулярными его главной диагонали.

Проведённое исследование позволило выявить глубокую аналогию в строении и свойствах кубов различных размерностей. Использованную методику проведения аналогии можно применить при исследовании, например, мерной сферы или мерного симплекса. А именно, мерную сферу можно определить как множество точек мерного пространства, равноудалённых от заданной точки, которая называется центром сферы. Далее, мерный симплекс можно определить как часть мерного пространства, ограниченную минимальным числом мерных гиперплоскостей. Например, одномерный симплекс – отрезок (часть одномерного пространства, ограниченная двумя точками), двумерный симплекс – треугольник (часть двумерного пространства, ограниченная тремя прямыми), трёхмерный симплекс – тетраэдр (часть трёхмерного пространства, ограниченная четырьмя плоскостями). Наконец, мерный симплекс определим как часть мерного пространства, ограниченную гиперплоскостью размерности .

Отметим, что, несмотря на многочисленные применения тессеракта в некоторых областях науки, данное исследование всё же является в значительной степени математическим изысканием.

Список литературы

1) Бугров Я.С., Никольский С.М. Высшая математика, т.1 –М.: Дрофа, 2005 – 284 с.

2) Квант. Четырёхмерный куб / Дужин С., Рубцов В., №6, 1986.

3) Квант. Как начертить мерный куб / Демидович Н.Б., №8, 1974.

Как только я стала в состоянии после операции читать лекции, первый же вопрос, который задали студенты:

Когда вы нам нарисуете 4-мерный куб? Ильяс Абдульхаевич нам обещал!

Я помню, что мои дорогие френды иногда любят минутку математического ликбеза. Поэтому кусочек своей лекции для математиков я напишу и тут. И постараюсь без занудства. Лекцию в каких-то моментах я читаю строже, конечно.

Давайте сначала договоримся. 4-мерное, а тем более 5-6-7- и вообще k-мерное пространство нам в чувственных ощущениях не дано.
"Мы убоги, потому что всего лишь трехмерны," -- как говорил мой преподаватель в воскресной школе, который первым и рассказал мне, что такое 4-мерный куб. Воскресная школа была, естественно, крайне религиозная -- математическая. В тот раз мы вот изучали гипер-кубы. За неделю до этого мат.индукцию, через неделю после этого гамильтоновы циклы в графах -- соответственно, это 7 класс.

Мы не можем 4-мерный куб потрогать, понюхать, услышать или увидеть. Что же мы можем с ним сделать? Мы можем его себе представить! Потому что наш мозг гораздо более сложная штука, чем наши глаза и руки.

Итак, для того, чтобы понять, что такое 4-мерный куб, давайте поймем сначала то, что нам доступно. Что такое 3-мерный куб?

Ладно-ладно! Я не прошу у вас четкого математического определения. Просто представьте себе самый простой и обыкновенный трех-мерный куб. Представили?

Хорошо.
Для того, чтобы понять, как же обобщить 3-мерный куб в 4-мерное пространство, давайте сообразим, что же такое 2-мерный куб. Так это просто -- это же квадрат!

У квадрата 2 координаты. У куба три. Точки квадрата -- точки с двумя координатами. Первая от 0 до 1. И вторая от 0 до 1. У точек куба три координаты. И каждая -- любое число от 0 до 1.

Логично себе представить, что 4-мерный куб -- это такая штука, у которой 4 координаты и все от 0 до 1.

/* Тут же логично представить себе 1-мерный куб, который не что иное как простой отрезок от 0 до 1. */

Так, стоп, а как же рисовать 4-мерный куб? Ведь мы не можем на плоскости нарисовать 4-мерное пространство!
Но ведь 3-мерное пространство мы тоже не рисуем на плоскости, мы рисуем его проекцию на 2-мерную плоскость рисунка. Третью координату (z) мы располагаем под углом, представляя себе, что ось из плоскости рисунка идет "к нам".

Теперь совершенно ясно, как же рисовать 4-мерный куб. Точно так же, как третью ось мы расположили под некоторым углом, возьмем четвертую ось и тоже расположим под некоторым углом.
И -- вуаля! -- проекция 4-мерного куба на плоскость.

Что? Что это вообще? Слышу я всегда шепот с задних парт. Давайте я подробнее объясню, что же это за мешанина линий.
Смотрите сначала на трехмерный куб. Что мы сделали? Мы взяли квадрат и протащили его вдоль третьей оси (z). Это как много-много бумажных квадратов, склеенных в стопку между собой.
С 4-мерным кубом то же самое. Давайте четвертую ось для удобства и для сайнс-фикшн будем называть "ось времени". Нам надо взять обычный трех-мерный куб и протащить его во времени от времени "сейчас" до времени "через час".

У нас есть куб "сейчас". На рисунке он розовый.

А теперь тащим его вдоль четвертой оси -- вдоль оси времени (я ее показала зеленым). И получаем куб будущего -- голубой.

Каждая вершина "куба сейчас" во времени оставляет след -- отрезочек. Соединяющий ее теперешнюю с ней же будущей.

Короче, без лирики: нарисовали два одинаковых 3-мерных куба и соединили соответствующие вершины.
Точно так же, как делали с 3-мерным кубом (нарисовали 2 одинаковых 2-мерных куба и соединили вершины).

Чтобы нарисовать 5-мерный куб, вам придется нарисовать две копии 4-мерного куба (4-мерный куб с пятой координатой 0 и 4-мерный куб с пятой координатой 1) и соединить соответствующие вершины ребрами. Правда, на плоскости выйдет такая мешанина ребер, что понять что-либо будет почти невозможно.

Когда мы представили себе 4-мерный куб и даже смогли его нарисовать, можно его по-всякому исследовать. Не забывая исследовать его и в уме, и по картинке.
Напрмер. 2-мерный куб ограничен с 4 сторон 1-мерными кубами. Это логично: по каждой из 2 координат у него есть и начало, и конец.
3-мерный куб ограничен с 6 сторон 2-мерными кубами. По каждой из трех координат у него есть начало и конец.
Значит, 4-мерный куб должен быть ограничен восемью 3-мерными кубами. По каждой из 4 координат -- с двух сторон. На рисунке выше мы явно видим 2 грани, ограничивающие его по координате "время".

Вот тут -- два кубика (они чуть-чуть косые потому, что у них 2 размерности спроецированы на плоскость под углом), ограничивающие наш гипер-куб слева и справа.

Нетрудно так же заметить "верхний" и "нижний".

Самое сложное -- понять визуально, где "передний" и "задний". Передний начинается от передней грани "куба сейчас" и до передней грани "куба будущего" -- он рыжий. Задний соответственно, фиолетовый.

Их труднее всего заметить, потому что под ногами путаются другие кубы, которые ограничивают гипер-куб по другой спроецированной координате. Но заметьте, что кубы все-таки разные! Вот еще раз картинка, где выделен "куб сейчас" и "куб будущего".

Конечно, можно спроецировать 4-мерный куб в 3-мерное пространство.
Первая возможная пространственная модель понятно как выглядит: надо взять 2 каркаса куба и соединить их соответствующие вершины новым ребром.
У меня такой модели сейчас в наличии нет. На лекции я студентам показываю немного другую 3-мерную модель 4-мерного куба.

Знаете, как куб проецируют на плоскость вот так.
Как будто мы смотрим на куб сверху.

Ближняя грань, понятно, большая. А дальняя грань выглядит поменьше, мы ее видим сквозь ближнюю.

Вот так же можно проецировать 4-мерный куб. Куб сейчас побольше, куб будущего мы видим в отдалении, поэтому он выглядит меньше.

С другой стороны. Со стороны вершины.

Прямо ровно со стороны грани:

Со стороны ребра:

И последний ракурс, несимметричный. Из раздела "ты еще скажи, что я ему между ребер заглядывал".

Ну, а дальше можно придумывать всякое. Например, как бывает развертка 3-мерного куба на плоскость (это как надо вырезать лист бумаги, чтобы при сворачивании получить куб), так же бывает развертка 4-мерного куба в пространство. Это как надо вырезать кусок дерева, чтобы сворачивая его в 4-мерном пространстве мы получили тессеракт.

Можно изучать не просто 4-мерный куб, а вообще n-мерные кубы. Например, правда ли, что радиус сферы, описанной вокруг n-мерного куба меньше, чем длина ребра этого куба? Или вот вопрос попроще: а сколько вершин у n-мерного куба? А сколько ребер (1-мерных граней)?

Если с вами произошел необычный случай, вы увидели странное существо или непонятное явление, вы можете прислать нам свою историю и она будет опубликована на нашем сайте ===> .

Учения о многомерных пространствах начали появляться в середине XIX века. Идею четырехмерного пространства у ученых позаимствовали фантасты. В своих произведениях они поведали миру об удивительных чудесах четвертого измерения.

Герои их произведений, используя свойства четырехмерного пространства, могли съесть содержимое яйца, не повредив скорлупы, выпить напиток, не вскрывая пробку бутылки. Похитители извлекали сокровища из сейфа через четвертое измерение. Хирурги выполняли операции над внутренними органами, не разрезая ткани тела пациента.

Тессеракт

В геометрии гиперкуб - это n-мерная аналогия квадрата (п = 2) и куба (п = 3). Четырёхмерный аналог обычного нашего 3-мерного куба известен под названием тессеракт (tesseract). Тессеракт относится к кубу, как куб относится к квадрату. Более формально, тессеракт может быть описан как правильный выпуклый четырехмерный многогранник, чья граница состоит из восьми кубических ячеек.

Каждая пара непараллельных трёхмерных граней пересекается, образуя двумерные грани (квадраты), и так далее. Окончательно, тессеракт обладает 8 трёхмерными гранями, 24 двумерными, 32 рёбрами и 16 вершинами.
Кстати согласно Оксфордскому словарю, слово tesseract было придумано и начало использоваться в 1888 Чарльзом Говардом Хинтоном (1853-1907) в его книге «Новая эра мысли». Позже некоторые люди назвали ту же самую фигуру тетракубом (греч. тетра - четыре) - четырёхмерным кубом.

Построение и описание

Попытаемся представить себе, как будет выглядеть гиперкуб, не выходя из трёхмерного пространства.
В одномерном «пространстве» - на линии - выделим отрезок АВ длиной L. На двумерной плоскости на расстоянии L от АВ нарисуем параллельный ему отрезок DC и соединим их концы. Получится квадрат CDBA. Повторив эту операцию с плоскостью, получим трёхмерный куб CDBAGHFE. А сдвинув куб в четвёртом измерении (перпендикулярно первым трём) на расстояние L, мы получим гиперкуб CDBAGHFEKLJIOPNM.

Аналогичным образом можно продолжить рассуждения для гиперкубов большего числа измерений, но гораздо интереснее посмотреть, как для нас, жителей трёхмерного пространства, будет выглядеть четырёхмерный гиперкуб.

Возьмём проволочный куб ABCDHEFG и поглядим на него одним глазом со стороны грани. Мы увидим и можем нарисовать на плоскости два квадрата (ближнюю и дальнюю его грани), соединённые четырьмя линиями - боковыми рёбрами. Аналогичным образом четырёхмерный гиперкуб в пространстве трёх измерений будет выглядеть как два кубических «ящика», вставленных друг в друга и соединённых восемью рёбрами. При этом сами «ящики» - трёхмерные грани - будут проецироваться на «наше» пространство, а линии, их соединяющие, протянутся в направлении четвёртой оси. Можно попытаться также представить себе куб не в проекции, а в пространственном изображении.

Подобно тому, как трёхмерный куб образуется квадратом, сдвинутым на длину грани, куб, сдвинутый в четвёртое измерение, сформирует гиперкуб. Его ограничивают восемь кубов, которые в перспективе будут выглядеть как некая довольно сложная фигура. Сам же четырёхмерный гиперкуб можно разбить на бесконечное количество кубов, подобно тому, как трёхмерный куб можно «нарезать» на бесконечное количество плоских квадратов.

Разрезав шесть граней трёхмерного куба, можно разложить его в плоскую фигуру - развёртку. Она будет иметь по квадрату с каждой стороны исходной грани плюс ещё один - грань, ей противоположную. А трёхмерная развёртка четырёхмерного гиперкуба будет состоять из исходного куба, шести кубов, «вырастающих» из него, плюс ещё одного - конечной «гиперграни».

Гиперкуб в искусстве

Тессеракт настолько интересная фигура, что неоднократно привлекал внимание писателей и кинематографистов.
Роберт Э. Хайнлайн несколько раз упоминал гиперкубы. В «Доме, который построил Тил», (1940) он описал дом, построенный как развёртка тессеракта, а затем вследствие землетрясения «сложившийся» в четвёртом измерении и ставший «реальным» тессерактом. В романе «Дорога славы» Хайнлайна описана гиперразмерная шкатулка, которая была изнутри больше, чем снаружи.

Рассказ Генри Каттнера «Все тенали бороговы» описывает развивающую игрушку для детей из далёкого будущего, по строению похожую на тессеракт.

Сюжет фильма «Куб 2: Гиперкуб» сосредотачивается на восьми незнакомцах, пойманных в ловушку в «гиперкубе», или сети связанных кубов.

Параллельный мир

Математические абстракции вызвали к жизни представление о существовании параллельных миров. Под таковыми понимаются реальности, которые существуют одновременно с нашей, но независимо от неё. Параллельный мир может иметь различные размеры: от небольшой географической области до целой вселенной. В параллельном мире события происходят по-своему, он может отличаться от нашего мира, как в отдельных деталях, так и практически во всём. При этом физические законы параллельного мира не обязательно аналогичны законам нашей Вселенной.

Эта тема - благодатная почва для писателей-фантастов.

На картине Сальвадора Дали «Распятие на кресте» изображен тессеракт. «Распятие или Гиперкубическое тело», - картина испанского художника Сальвадора Дали, написанная в 1954 году. Изображает распятого Иисуса Христа на развертке тессеракта. Картина хранится в Музее Метрополитен в Нью-Йорке

Всё началось в 1895 году, когда Герберт Уэллс рассказом «Дверь в стене» открыл для фантастики существование параллельных миров. В 1923 году Уэллс вернулся к идее параллельных миров и поместил в один из них утопическую страну, куда отправляются персонажи романа «Люди как боги».

Роман не остался незамеченным. В 1926 году появился рассказ Г. Дента «Император страны „Если"». В рассказе Дента впервые возникла идея о том, что могут существовать страны (миры), история которых могла пойти не так, как история реальных стран в нашем мире. И миры эти не менее реальны, чем наш.

В 1944 году Хорхе Луис Борхес опубликовал в своей книге «Вымышленные истории» рассказ «Сад расходящихся тропок». Здесь идея ветвления времени была, наконец, выражена с предельной ясностью.
Несмотря на появление перечисленных выше произведений, идея многомирия начала серьёзно развиваться в научной фантастике лишь в конце сороковых годов XX века, примерно тогда же, когда аналогичная идея возникла в физике.

Одним из пионеров нового направления в фантастике был Джон Биксби, предположивший в рассказе «Улица одностороннего движения» (1954), что между мирами можно двигаться лишь в одну сторону - отправившись из своего мира в параллельный, вы уже не вернетесь назад, но так и будете переходить из одного мира в следующий. Впрочем, возвращение в свой мир также не исключается - для этого необходимо, чтобы система миров была замкнута.

В романе Клиффорда Саймака «Кольцо вокруг Солнца» (1982) описаны многочисленные планеты Земля, существующие каждая в своём мире, но на одной и той же орбите, и отличаются эти миры и эти планеты друг от друга лишь незначительным (на микросекунду) сдвигом во времени. Многочисленные Земли, которые посещает герой романа, образуют единую систему миров.

Любопытный взгляд на ветвление миров высказал Альфред Бестер в рассказе «Человек, который убил Магомета» (1958). «Меняя прошлое, - утверждал герой рассказа, - меняешь его только для себя». Иными словами, после изменения прошлого возникает ответвление истории, в котором лишь для персонажа, совершившего изменение, это изменение и существует.

В повести братьев Стругацких «Понедельник начинается в субботу» (1962) описаны путешествия персонажей в разные варианты описываемого фантастами будущего - в отличие от уже существовавших в фантастике путешествий в различные варианты прошлого.

Впрочем, даже простое перечисление всех произведений, в которых затрагивается тема параллельности миров, заняло бы слишком много времени. И хотя фантасты, как правило, научно не обосновывают постулат о многомерности, в одном они правы - это гипотеза, которая имеет право на существование.
Четвертое измерение тессеракта все еще ждет нас в гости.

Виктор Савинов