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Four-Dimensional Regular Hexagon

Miyazaki, Koji

Abstract

On comprend facilement que les analogues quadridimensionnels du triangle régulier, du carré et du pentagone régulier (dans cet article, ils sont tous composes uniquement d’arêtes et ne comportent aucun élément à deux dimensions) sont respectivement le tétraèdre régulier, le cube et le dodécaèdre régulier (dans cet article, ils sont tous composés uniquement de faces et ne comportent aucun élément à trois dimensions). Alors, quel polyèdre est l’analogue quadridimensionnel de I’hexagone régulier, c’est-à-dire un hexagone régulier quadridimensionnel? Si nous résolvons cette énigme, nous pourrons représenter un flocon de neige, un nid d’abeille, un crayon, etc. quadridimensionnels.

Full text

Fou -Dimensional Regula Hexagon by Koji Miyazaki Rbumb Topologie s uc u ale #lo, 1984 L’hexagone bgulie quad idimensionnel On comp end acilemen que les analogues quad idimensionnels du iangle Cgu- lie , du ca C e du pen agone gulie (dans ce a icle, ils son ous composks uniquemen d’a i es e ne compo en aucun ClCmen a deux dimensions) son espec i emen le abd e gulie , le cube e le dodkcabd e gulie (dans ce a icle, ils son ous compos s uniquemen de aces e ne compo en aucun ClCmen a ois dimensions). Alo s, quel polybd e es l’analogue quad idimensionnel de I’hexagone gulie , c’es -a-di e un hexagone gulie quad idimensionnel? Si nous Csol ons ce e Cnigme, nous pou ons ep ksen e un locon de neige, un nid d’abeille, un c ayon, e c. quad i-dimensionnels. P op ib C ghmb iques de I’hexagone hulie . Les p incipales p op iC b gkom iques de l’hexagone kgulie se appo an ce a icle son les sui an es: I. I1 possMe un ce cle insc i auquel ou es les a i es son adjacen es en leu milieu. 2. 11 possMe un ce cle ci consc i auquel ous les somme s ouchen . 3. Tou es les a i es son d’Cgale longueu . 4. Tous les angles in e nes son Cgaux. 5. I1 peu c ie un pa age in ini du plan. 6. Tous les somme s son si ues su les axes isomk iques idimensionnels qui se c oisen 7. C’es un pa allClogone. 8. Deux iangles gulie s mu uellemen duals peu en y i e insc i s (Figu e 2). 9. On I’ob ien pa l’in e sec ion de deux iangles gulie s qui son mu uellemen duals (Figu e 2). 10. I1 es C oi emen appa en 6 a la jux aposi ion dense de ce cles. les uns les au es su un plan a 120” (Figu e 1). Abs ac S uc u al Topology #lo, 1984 I is easily unde s ood ha he Cdimensional analogues o he egula iangle, squa e, and egula pen agon (in his pape , all a e composed o only edges and ha e no po ion o 2-space) a e he egula e ahed on, cube, and egula dode- cahed on (in his pape , all a e composed o only aces and ha e no po ion o 3-space) espec i ely. Then, which polyhed on is he Cdimensional analogue o he egula hexagon, i.e. Cdimensional egula hexagon? I his iddle is sol ed, we can see a 4-dimensional snow lake, honeycomb, pencil, e c. Geome ical P ope ies o Regula Hexagon. egula hexagon which ela e o his pape a e as ollows: The main geome ical p ope ies o he I. I has an insc ibed ci cle which all midpoin s o edges con ac . 2. I has a ci cumsc ibed ci cle which all e ices con ac . 3. All edges ha e equal leng h. 4. All in e nal angles a e equal. 5. I can essella e in ini ely a plane. 6. All e ices a e on he 3-dimensional isome ic axes which in e sec each o he in he plane a 120” (Figu e 1). 7. I is a pa allelogon. 8. I con ains wo insc ibed egula iangles which a e mu ually dual (Figu e 2). 9. I can be ob ained by he in e sec ion o wo egula iangles which a e mu ually dual (Figu e 2). 10. I closely ela es o he closes ci cle a angemen . 28 Topologie s mc u ale #lo, 1984 Figu e 1 P op i6 b gkomk iques de I’hexagone bgulie quad idimensionnel. Les p op ii s g om - iques de l’hexagone gulie men ionn es ci-dessus peu en & e anspos es a I’espace a qua e dimensions comme sui : 1. I1 possPde une sph e insc i e a laquelle son adjacen es chacune des aces de l’hexa- gone en leu milieu. 2. II possede une sphe e ci consc i e a laquelle ous les somme s ouchen . 3. Tou es les aces son iden iques. 4. Tous les angles solides son gaux. 5. I1 peu empli a I’in ini un espace B ois dimensions. 6. Tous les somme s son si ues su les axes isom iques quad idimensionnels qui se 7. C’es un pa all loed e. 8. Deux poly d es gulie s mu uellemen duals peu en y S e insc i s. 9. On I’ob ien pa l’in e sec ion de deux poly d es gulie s qui son mu uellemen duals. 10. I1 es oi emen appa en 6 a la jux aposi ion dense de sph es. c oisen les uns les au es dans un espace i ois dimensions a 109028’ (Figu e 3). Compa aison de ce ains poly6d es conside & comme des hexagones 6gulie s quad idimen- sionnels. Ce ains poly d es peu en & e consid is comme des hexagones kgulie s quad idimensionnels. Le Tableau 1 les compa e en enan comp e des p op i s ghmL iques men ionnks ci-hau . Les in e sec ions ma qu6es pa des as isques indiquen que les p op i s g om iques on C sa is ai es. Figu e 1 Geome ical P ope ies o CDimensional Regula Hexagon. The abo e men ioned geo- me ical p ope ies o he egula hexagon can be ex ended in o 4-space as ollows: 1. I has an insc ibed sphe e which all cen al poin s o aces con ac . 2. I has a ci cumsc ibed sphe e which all e ices con ac . 3. All aces a e iden ical. 4. All solid-angles a e equal. 5. I can ill in ini ely a 3-space. 6. All e ices a e on he Cdimensional isome ic axes which in e sec each o he in a 3-space a 109O28’ (Figu e 3). 7. I is a pa allelohed on. 8. I con ains wo insc ibed egula polyhed a which a e mu ually dual. 9. I can be ob ained by he in e sec ion o wo egula polyhed a which a e mu ually dual. 10. I closely ela es o he closes sphe e a angemen . Compa ison o some Polyhed a as 4Dimensional Regula Hexagon. The e a e some polyhed a which can be hough o as he Cdimensional egula hexagon. Table 1 shows hei compa ison acco ding o he abo e men ioned geome ical p ope ies. The c oss- ings ha ing as e isk show ha he geome ical p ope ies a e sa is ied. S mc u al Topology #lo, 1984 29 Figu e 3 Le cube conside 6 comme hexagone kgulie quad idimensionnel. D’ap s le Tableau 1, le cube poss de le plus g and nomb e d’as isques. Pa consequen , on peu pense que le cube es celui qui se app oche le plus de I’hexagone quad idimensionnel igulie . Feu Da id B isson a dessini des locons de neige quad idimensionnels insc i s dans des cubes comme on peu le oi B la Figu e 4. II a d’abo d comp is que les locons de neige idimensionnels son des oiles de Da id subdi is es selon la h o ie ac ale de Mandel- b o . Ensui e, il a imagin des locons quad idimensionnels p odui s pa une subdi ision similai e de la s ella oc angula de Keple . II semble que, pou hi, I’hexagone gulie quad idimensionnel ai le cube. Tou e ois, le cube ne peu pas sa is ai e aux p op i is g om iques 9 e 10, e de plus, il es de mani e ce aine I’analogue du ca . Le hombidodkaM e conside e comme hexagone bgulie quad idimensionnel. Dans ce a icle, le hombidodkca d e don ou es les aces on des diagonales de appo 1: J2 e son dual, le cuboc a d e, son consid s comme les hexagones quad idimensionnels igulie s. Ensemble, ils peu en sa is ai e ii ou es les p op i is giomi iques. En ce qui conce ne les p op i s 8 e 9, la Figu e 5 illus e commen elles son sa is ai es. De plus, ou es les a & es e les segmen s de d oi e elian le cen e du cuboc a2d e a ous ses somme s son mu uellemen igales 1 la longueu du ayon de la sphk e ci consc i e, ce qui 6 ai aussi le cas pou I’hexagone igulie . D pendan des ci cons ances, l’on adop e le hombidod cakd e ou le cuboc akd e, bien que le p emie soi sa is aisan dans la plupa des cas. 12 3 4 5 6 7 8 9 10 Cube ******** Cube Oc akd e igulie **** * Regula Oc ahed on Ti a d e onqu ** * T unca ed Te ahed on P isme hexagonal * ** * Hexagonal P ism Oc a d e onqu ** ** T unca ed Oc ahed on Cuboc a d e Rhombidod ca d e * * * * * * * Rhombic Dodecahed on ** * Cuboc ahed on Tableau 1 - Table 1 Cube as CDimensional Regula Hexagon. Acco ding o Table 1, he cube has he la ges numbe o he as e isks. The e o e, i may be hough ha he cube is closes o a Cdimensional egula hexagon. The la e Da id B isson designed 4-dimensional snow- lakes insc ibed in cubes as in Figu e 4. Fi s , he g asped ha 3-dimensional snow lakes a e he s a s o Da id subdi ided acco ding o he ac al heo y o Mandelb o . And nex , he imagined Cdimensional snow lakes such ha he Keple ’s s ella oc angula is subdi ided. I seems ha he Cdimensional egula hexagon o him was he cube. Howe e , he cube can no sa is y he geome ical p ope ies 9 and 10, and u he mo e, i is su ely he analogue o he squa e. Rhombic Dodecahed on as CDimensional Regula Hexagon. In his pape , he hombic dodecahed on all o whose aces ha e he diagonals o he a io 1: J2 and i s dual, he cuboc ahed on, a e hough o as he Cdimensional egula hexagons. They can sa is y all o he geome ical p ope ies by helping one ano he . Conce ning p ope ies 8 and 9, he si ua ions a e as in Figu e 5. And mo eo e , all o he edges and lines connec ing he body-cen e wi h all he e ices o he cuboc ahed on a e mu ually equal o he leng h o he adius o he ci cumsc ibed sphe e, as in he condi ion o he egula hexagon. I depends upon ci cums ances which o he hombic dodecahed on o cuboc ahed on is adop ed, hough he o me may be sui able in mos cases. 30 Topoiogie s uc u ale #lo, 1984 Figu e 4 Figu e 5 Flocon de neige quad idimensionnel. La Figu e 6 p sen e des cons uc ions de locons de neige quad idimensionnels a pa i de hombidod ca d es. Le 7 a il 1983, a la sugges- ion d’un japonais, la na e e spa iale Khallenge ,, a en e de ai e des locons de neige dans I’espace pou les sous ai e a I’ac ion de la g a i . Malheu eusemen , cela n’a pas ussi. Mais si cela a ai ussi, les locons de neige se aien els qu’a la Figu e 6, pa ce qu’une gou e d’eau ci culai e de ien sphe ique dans I’espace, lo squ’elle n’es pas soumise a l’ac ion de la g a i i. C’es la mZme chose dans I’espace a qua e dimensions. Nid d’abeille quad idimensionnel. La Figu e 7 p sen e un nid d’abeille quad idimen- sionnel e une abeille quad idimensionnelle. Dans un espace idimensionnel, un nid d’abeille es compose de ubes, chacun ayan la o me d’un hombidod ca d e, c’es -&di e la o me ex ieu e d’un cube a qua e dimen- sions allong le long d’un ensemble d’a i es mu uellemen pa all les. E quand ce nid d’abeille a ois dimensions es coup pa un plan pe pendiculai emen aux a i es allon- g es, le pa age gulie qui appa ai es compos uniquemen d’hexagones igulie s; en d’au es mo s, nous ape ce ons une jux aposi ion dense de ce cles. Dans ce cas, chaque hexagone gulie de ien un pa allilo-hexagone lo squ’il es p oje obliquemen su un plan. Au con ai e, la base de chaque ube de ien un hexagone gulie compos de ois losanges lo squ’il es p oje o hogonalemen su un plan pe pendiculai e aux a i es allong es. 4Dimensional Snow lake. Figu e 6 shows Cdimensional snow lakes buil acco ding o he hombic dodecahed a. On Ap il 7, 1983, he space shu le “Challenge ” a emp ed o make snow lakes in space ha ing no g a i y acco ding o a p oposal by a Japanese. Reg e ully, i ended in a ailu e. Bu , i i p o ed success ul, he snow lakes migh ha e become as in Figu e 6 because a ci cula d op o wa e would become sphe ical in space, ha ing no g a i y. So also in 4-space. 4-Dimensional Honeycomb. Figu e 7 shows a bdimensional honeycomb and a 4-dimensional bee. In 3-space, a honeycomb is composed o some ubes each o which has he shape o a hombic dodecahed on, i.e. he ou e shape o he Ccube, elonga ed along one se o mu ually pa allel edges. And when his 3-honeycomb is cu pe pendicula o he elon- ga ed edges by a plane, he egula essella ion c ea ed uses only egula hexagons; in o he wo ds, he closes ci cle a angemen appea s as he sec ion. He e, each egula hexagon becomes a pa allelo-hexagon when i is obliquely p ojec ed on o a plane. On he con a y, he base o each ube becomes a egula hexagon composed o h ee hombi when i is o hogonally p ojec ed on o a plane which is pe pendicula o he elonga ed edges. S uc u al Topology #lo, 1984 31 Donc, dans l’espace a qua e dimensions, un nid d’abeille peu i e composC de ubes ayan chacun La o me d’un hombicosa d e, c’es -a-di e La o me ex ieu e du cube B cinq dimensions allonge le long d’un ensemble d’a i es mu uellemen pa all les. E lo sque ce nid d’abeille quad idimensionnel es coupe pa un hype -plan, pe pendiculai- emen aux a & es allongees, le seau d’al Coles qui appa ai poss de uniquemen des hombidod cakd es; donc, nous ape ce ons une jux aposi ion dense de sph es. Ici, chaque hombidodeca d e de ien un pa allklo-dod caed e, pa exemple, le <<second hombidodCcaed e,, de Bilinski, lo squ’il es p oje obliquemen dans un espace B ois dimensions. Au con ai e, la base de chaque ube de ien un hombidodeca d e compos de qua e homboides lo squ’il es p oje de aGon o hogonale dans un espace ois dimensions pe pendiculai e aux a i es allongees. Une abeille quad idimensionnelle poss de une i e e un co ps, mais ois yeux, ois an ennes e ois ailes paisses comme des ca o es. The e o e, in Cspace, a honeycomb may be composed o some ubes each o which has he shape o a hombic icosahed on, i.e. he ou e shape o he Scube, elonga ed along one se o mu ually pa allel edges. And when his Choneycomb is cu pe pendicula o he elonga ed edges by a hype -plane, he <<honeycomb,, has only hombic dodecahed a; so he closes sphe e a angemen appea s as he sec ion. He e, each hombic dodecahed on becomes a pa allelododecahed on, e.g. Bilinski’s .second hombic dodecahed on*, when i is obliquely p ojec ed on o 3-space. On he con a y, he base o each ube becomes a hombic dodecahed on composed o ou homboids when i is o hogonally p ojec ed in o a 3-space which is pe pendicula o he elonga ed edges. A Cdimensional bee has one head and one body, bu h ee each o eyes, an ennae, and wings hick like ca o s. Figu e 6 S uc u al Topology #lo, 1984 33 Un c ayon quad idimensionnel. La Figu e 8 p sen e un c ayon quad idimensionnel. Dans un espace a ois dimensions, un c ayon a la o me d’un p ime hexagonal egulie don un des bou s es I’hexagone gulie ou n’impo e quel pa allilo-hexagone e don I’au e bou es aiguisien o me d’un c6ne ci culai e don la base a six hype boles comme a es. Alo s, dans un espace a qua e dimensions, un c ayon a la o me d’un hype - p isme hexagonal don un des bou s es le hombidod cakd e ou ou pa allelo- dodecaid e e don l’au e bou es aiguise en o me d’un hype -c6ne ci culai e don la base posskde douze hype boloides comme aces (des hype -a i es). &Dimensional Pencil. Figu e 8 shows a Cdimensional pencil. In 3-space, a pencil has he shape o he egula hexagonal p ism o which one end is he egula hexagon o any pa allelo-hexagon and he o he end is sha ed in he o m o a ci cula cone whose base has six hype bolas as he edges. So, in Cspace, a pencil has he shape o he hype - hexagonal p ism o which one end is he hombic dodecahed on o any pa allelo- dodecahed on and he o he end is sha ed in he o m o a hype -ci cula cone whose base has wel e hype boloids as he aces (hype -edges). Figu e 8 34 Topologie sm uc u ale #lo, 1984 Addendum. Lo s de la seconde en a i e, le le‘ sep emb e 1983, Challenge >> Cussi B ab ique des locons de neige dans l’espace, en a d’apesan eu . Bien que la d ini ion des images ob enues su un Cc an de B aun lahe A d si e (Figu e 9), il es possible de cons a e la esemblance de celles-ci a ec nos dessins pa o dina eu de locons de neige quad idimensionnels hombidod ca d iques (Figu e 10). Addendum. On Sep embe 1,1983, “Challenge ” p o ed success ul in he second a emp o make snow lakes in space ha ing no g a i y, hough he pic u es on a B aun ube we e no so clea (Figu e 9). They esemble ou compu e g aphics o hombic dodecahed a1 Mimensional snow lakes (Figu e 10). Figu e 9’ Ad esse de I’au eu : Koji Miyazaki Kobe Uni e si y 1-2-1 Tsu ukabu u Nada-Ku Kobe-Shi 657 Japan * Une g acieuse du Jou nal Asahi Figu e 10’ Add ess o he au ho : Koji Miyazaki Kobe Uni e si y 1-2-1 Tsu ukabu u Nada-Ku Kobe-Shi 657 Japan * By he cou esy o he Asahi Newspape