Interested Article - Многогранник Джонсона
- 2021-02-01
- 2
Многогранник Джонсона или тело Джонсона — это выпуклый многогранник , каждая грань которого является правильным многоугольником и при этом он не является ни платоновым телом , ни архимедовым , ни призмой , ни антипризмой . Всего существует 92 тела Джонсона.
Примером тела Джонсона служит пирамида с квадратным основанием и сторонами в виде правильных треугольников ( J 1 (М 2) . Она имеет 1 квадратную грань и 4 треугольных.
Как и во всяком строго выпуклом теле, у этих многогранников к каждой вершине примыкает по меньшей мере три грани и сумма их углов (прилегающих к вершине) меньше 360º. Поскольку правильные многоугольники имеют углы по меньшей мере в 60º, максимум пять граней могут прилегать к вершине. Пятиугольная пирамида ( J 2 ) является примером, в котором имеется вершина пятого порядка (то есть с пятью гранями).
Хотя нет явного ограничения на правильные многоугольники, которые могут служить гранями тел Джонсона, на самом деле грани могут иметь только 3, 4, 5, 6, 8 или 10 сторон, причём треугольные грани (не менее четырёх) имеются у любого тела Джонсона.
Из тел Джонсона удлинённый четырёхскатный повёрнутый бикупол ( J 37 ), который называют также псевдоромбокубооктаэдром , единственный обладает свойством локальной вершинной однородности — в каждой вершине находятся 4 грани и их расположение одинаково — 3 квадрата и 1 треугольник. Однако тело вершинно транзитивным не является, поскольку обладает различной изометрией в различных вершинах, что и делает его телом Джонсона, а не архимедовым телом .
История
В 1966 году Норман Джонсон опубликовал список, в котором присутствовали все 92 тела, и дал им названия и номера. Он высказал гипотезу, что их только 92, то есть других нет.
Ранее, в 1946 году Л. Н. Есаулова прислала А. Д. Александрову письмо, в котором доказала, что правильногранных многогранников (кроме 5 правильных многогранников, 13 полуправильных и двух бесконечных серий (призмы и антипризм) может существовать лишь конечное число. В 1961 году Александров передал это письмо В. А. Залгаллеру, возможно из-за заметки Джонсона 1960 года .
В 1967 году Виктор Залгаллер опубликовал доказательство того, что список Джонсона полон. К решению была привлечена группа школьников школы № 239 . Полное доказательство заняло около 4 лет с привлечением компьютерной техники . В доказательстве также существенно использовалась теорема Александрова о выпуклых многогранниках .
Терминология
Названия тел Джонсона имеют большую описательную способность. Большинство этих тел можно построить из нескольких тел ( пирамид , куполов и ротонд ), добавляя платоновы и архимедовы тела, призмы и антипризмы .
- Би- означает, что две копии тел соединены по основаниям. Для куполов и ротонд они могут быть соединены по граням одного типа ( прямые ) или по разным ( повёрнутые ). Октаэдр , например, является квадратной бипирамидой , кубооктаэдр — повёрнутым треугольным бикуполом , а икосододекаэдр — повёрнутой пятиугольной биротондой .
- Удлинённый означает, что к телу присоединена призма или она вставлена между двумя частями тела. Ромбокубооктаэдр , например, является удлинённым квадратным прямым бикуполом .
- Скрученно удлинённый означает, что к телу присоединена антипризма или она вставлена между двумя частями тела. Икосаэдр , например, является скрученно удлинённой пятиугольной бипирамидой .
- Наращённый означает, что пирамида или купол присоединён к грани тела.
- Отсечённый означает, что пирамида или купол отрезан от тела.
- Скрученный означает, что купол, принадлежащий многограннику, повёрнут таким же образом, как в повёрнутых бикуполах.
Последние три операции — наращение , отсечение и поворот — могут быть осуществлены более одного раза на достаточно больших многогранниках. Для операций, осуществлённых два раза, добавляется дважды . ( Дважды скрученное тело имеет два повёрнутых купола.) Для операций, осуществлённых три раза, добавляется трижды . (У трижды отсечённого тела удалены три пирамиды или купола.)
Иногда слова дважды недостаточно. Необходимо отличать тела, в которых изменены две противоположные грани от тел, в которых изменены другие грани. Когда изменённые грани параллельны, в название добавляется противоположно . ( Дважды противоположно наращённое тело имеет две параллельные грани (противоположные) с добавленными телами.) Если же изменения касаются граней, не являющихся противоположными, в название добавляется косо . ( Дважды косо наращённое тело имеет две грани с добавленными телами, но грани не противоположны.)
Несколько названий происходят от многоугольников, из которых собрано тело Джонсона.
- Если определить месяц как группу из двух треугольников, присоединённых к квадрату, слово клинокорона соответствует клиновидной короноподобной группе, образованной двумя месяцами. Слово двуклиноид или двуклинник означает две таких группы.
В данной статье используются названия из статьи Залгаллера . Вместе с номерами многогранников, данными Джонсоном, в скобках приводится составной номер из статьи Залгаллера. В этом составном номере
- П n обозначает призму с n -угольным основанием.
- А n обозначает антипризму с n -угольным основанием.
- М n обозначает тело с индесом n (то есть в этом случае тело строится на основе другого тела).
- Подчёркивание означает поворот тела
Замечание : М n не совпадает с J n . Так, квадратная пирамида J 1 (М 2 ) имеет индекс 1 у Джонсона и индекс 2 у Залгаллера.
Список
Пирамиды
Первые два тела Джонсона, J 1 и J 2 , являются пирамидами . Треугольная пирамида является правильным тетраэдром , так что не является телом Джонсона.
Правильные | J 1 (М 2 ) | J 2 (М 3 ) |
---|---|---|
Треугольная пирамида
( Тетраэдр ) |
Квадратная пирамида | Пятиугольная пирамида |
Куполы и ротонды
Следующие четыре многогранника являются тремя куполами и одной ротондой .
Куполы | Ротонды | |||
---|---|---|---|---|
Однородные | J 3 (М 4 ) | J 4 (М 5 ) | J 5 (М 6 ) | J 6 (М 9 ) |
Треугольная призма | Трёхскатный купол | Четырёхскатный купол | Пятискатный купол | Пятискатная ротонда |
Связанные однородные многогранники | ||||
Кубооктаэдр | Ромбокубооктаэдр | Ромбоикосододекаэдр | Икосододекаэдр | |
Удлинённые и скрученно удлинённые пирамиды
Следующие пять многогранников Джонсона являются удлинёнными и скручено удлинёнными пирамидами. Они представляют собой склеивание двух многогранников. В случае скрученно удлинённой треугольной пирамиды три пары смежных треугольников копланарны, так что тело не является многогранником Джонсона.
(или наращённые призмы) |
(или наращённые антипризмы) |
||||
---|---|---|---|---|---|
J 7 (М 1 +П 3 ) | J 8 (М 2 +П 4 ) | J 9 (М 3 +П 5 ) | Копланарная | J 10 (М 2 +А 4 ) | J 11 (М 3 +А 5 ) |
Удлинённая треугольная пирамида | Удлинённая четырёхугольная пирамида | Удлинённая пятиугольная пирамида | Скрученно удлинённая треугольная пирамида | Скрученно удлинённая четырёхугольная пирамида | Скрученно удлинённая пятиугольная пирамида |
Наращённая треугольная призма | Наращённый куб | Наращённая пятиугольная призма | Наращённый октаэдр | Наращённая квадратная антипризма | Наращённая пятиугольная антипризма |
Получено из многогранников | |||||
тетраэдр
Треугольная призма |
Квадратная пирамида
куб |
Пятиугольная пирамида
пятиугольная призма |
тетраэдр
октаэдр |
Квадратная пирамида
квадратная антипризма |
пятиугольная пирамида
пятиугольная антипризма |
Бипирамиды
Следующими многогранниками Джонсона являются бипирамиды , и :
Бипирамиды | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
J 12 (2М 1 ) | Правильная | J 13 (2М 3 ) | J 14 (М 1 +П 3 +М 1 ) | J 15 (М 2 +П 4 +М 2 ) | J 16 (М 3 +П 5 +М 3 ) | Копланарная | J 17 (М 2 +А 4 +М 2 ) | Правильные |
Треугольная бипирамида |
квадратная бипирамида
( октаэдр ) |
Пятиугольная бипирамида | Удлинённая треугольная бипирамида | Удлинённая четырёхугольная бипирамида | Удлинённая пятиугольная бипирамида |
Скрученно удлинённая треугольная бипирамида
( ромбоэдр ) |
Скрученно удлинённая четырёхугольная бипирамида |
Скрученно удлинённая пятиугольная бипирамида
( икосаэдр ) |
Получено из многогранников | ||||||||
тетраэдр | Квадратная пирамида | Пятиугольная пирамида |
тетраэдр
Треугольная призма |
Квадратная пирамида
куб |
Пятиугольная пирамида
пятиугольная призма |
тетраэдр
октаэдр |
Квадратная пирамида
|
Пятиугольная пирамида
Пятиугольная антипризма |
Удлинённые куполы и ротонды
Удлинённая ротонда | Скрученно удлинённая ротонда | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Копланарные | J 18 (М 4 +П 6 ) | J 19 (М 5 +П 8 ) | J 20 (М 6 +П 10 ) | J 21 (М 9 +П 10 ) | Вогнутые | J 22 (М 4 +А 6 ) | J 23 (М 5 +А 8 ) | J 24 (М 6 +А 10 ) | J 25 (М 9 +А 10 ) |
Удлинённый двускатный купол | Удлинённый трёхскатный купол | Удлинённый четырёхскатный купол | Удлинённый пятискатный купол | Удлинённая пятискатная ротонда | Скрученно удлинённый двускатный купол | Скрученно удлинённый трёхскатный купол | Скрученно удлинённый четырёхскатный купол | Скрученно удлинённый пятискатный купол | Скрученно удлинённая пятискатная ротонда |
Получены из многогранников | |||||||||
Квадратная призма
Треугольная призма |
Шестиугольная призма
Трёхскатный купол |
Восьмиугольная призма
Четырёхскатный купол |
Десятиугольная призма
Пятискатный купол |
Десятиугольная призма
Пятискатная ротонда |
Треугольная призма |
Шестиугольная антипризма
Трёхскатный купол |
Четырёхскатный купол |
Пятискатный купол |
Пятискатная ротонда |
Бикуполы
Повёрнутые треугольные бикуполы являются полуправильными многогранниками (в данном случае — архимедовыми телами ), так что они не принадлежат классу многогранников Джонсона.
Прямые куполы | Повёрнутые куполы | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Копланарный | J 27 (2М 4 ) | J 28 (2М 5 ) | J 30 (2М 6 ) | J 26 (П 3 + П 3 ) | Полуправильный | J 29 (М 5 + М 5 ) | J 31 (М 6 + М 6 ) |
Двускатный прямой бикупол | Трёхскатный прямой бикупол | Четырёхскатный прямой бикупол | Пятискатный прямой бикупол |
Двускатный повёрнутый бикупол
( гиробифастигиум ) |
Треугольный повёрнутый бикупол
( кубооктаэдр ) |
Четырёхскатный повёрнутый бикупол | Пятискатный повёрнутый бикупол |
Получены из многогранников | |||||||
Куполоротонды и биротонды
Куполоротонды | Биротонды | ||
---|---|---|---|
J 32 (М 6 +М 9 ) | J 33 (М 6 + М 9 ) | J 34 (2М 9 ) | Полуправильная |
Пятискатная прямая куполоротонда | Пятискатная повёрнутая куполоротонда | Пятискатная прямая биротонда |
Пятискатная повёрнутая биротонда
икосододекаэдр |
Получены из многогранников | |||
Пятискатный купол
Пятискатная ротонда |
Пятискатная ротонда | ||
Удлинённые бикуполы
Копланарный | J 35 (М 4 +П 6 +М 4 ) | Полуправильный | J 38 (М 6 +П 10 +М 6 ) | Копланарный | J 36 (М 4 +П 6 + М 4 ) | J 37 (М 5 +П 8 + М 5 ) | J 39 (М 6 +П 10 + М 6 ) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Удлинённый двускатный прямой бикупол | Удлинённый трёхскатный прямой бикупол |
Удлинённый квадратный прямой бикупол
( ромбокубооктаэдр ) |
Удлинённый пятискатный прямой бикупол | Удлинённый двухскатный повёрнутый бикупол | Удлинённый трёхскатный повёрнутый бикупол | Удлинённый четырёхскатный повёрнутый бикупол | Удлинённый пятискатный повёрнутый бикупол |
Удлинённые куполоротонды и биротонды
Удлинённые куполоротонды | Удлинённые биротонды | ||
---|---|---|---|
J 40 (М 6 +П 10 +М 9 ) | J 41 (М 6 +П 10 + М 9 ) | J 42 (М 9 +П 10 +М 9 ) | J 43 (М 9 +П 10 + М 9 ) |
Удлинённая пятискатная прямая куполоротонда | Удлинённая пятискатная повёрнутая куполоротонда | Удлинённая пятискатная прямая биротонда | Удлинённая пятискатная повёрнутая биротонда |
Скрученно удлинённые бикуполы, куполоротонды и биротонды
Следующие тела Джонсона имеют две хиральные формы.
Скрученно удлинённая куполоротонда | Скрученно удлинённая биротонда | ||||
---|---|---|---|---|---|
Невыпуклый | J 44 (М 4 +А 6 +М 4 ) | J 45 (М 5 +А 8 +М 5 ) | J 46 (М 6 +А 10 +М 6 ) | J 47 (М 6 +А 10 +М 9 ) | J 48 (М 9 +А 10 +М 9 ) |
Скрученно удлинённый двускатный бикупол | Скрученно удлинённый трёхскатный бикупол | Скрученно удлинённый четырёхскатный бикупол | Скрученно удлинённый пятискатный бикупол | Скрученно удлинённая пятискатная куполоротонда | Скрученно удлинённая пятискатная биротонда |
Получены из многогранников | |||||
Треугольная призма
Четырёхугольная антипризма |
Трёхскатный купол
Шестиугольная антипризма |
Четырёхскатный купол
|
Пятискатный купол
|
Пятискатный купол
Пятискатная ротонда |
Пятискатная ротонда
|
Наращённые треугольные призмы
J
7
(М
1
+ П
3
)
(повторно) |
J 49 (П 3 +М 2 ) | J 50 (П 3 +2М 2 ) | J 51 (П 3 +3М 2 ) | |
---|---|---|---|---|
Удлинённая треугольная пирамида | Наращённая треугольная призма | Дважды наращённая треугольная призма | Трижды наращённая треугольная призма | |
Получены из многогранников | ||||
Треугольная призма
тетраэдр |
Треугольная призма
Квадратная пирамида |
|||
Наращённые пятиугольные и шестиугольные призмы
Наращённые пятиугольные призмы | Наращённые шестиугольные призмы | ||||
---|---|---|---|---|---|
J 52 (П 5 +М 2 ) | J 53 (П 5 +2М 2 ) | J 54 (П 6 +М 2 ) | J 55 (М 2 +П 6 +М 2 ) | J 56 (П 6 +2М 2 ) | J 57 (П 6 +3М 2 ) |
Наращённая пятиугольная призма | Дважды наращённая пятиугольная призма | Наращённая шестиугольная призма | Дважды противоположно наращённая шестиугольная призма | Дважды косо наращённая шестиугольная призма | Трижды наращённая шестиугольная призма |
Получены из многогранников | |||||
Пятиугольная призма
Квадратная пирамида |
Шестиугольная призма
Квадратная пирамида |
||||
Наращённые додекаэдры
Правильный | J 58 (М 15 +М 3 ) | J 59 (М 3 +М 15 +М 3 ) | J 60 (М 15 +2М 3 ) | J 61 (М 15 +3М 3 ) |
---|---|---|---|---|
Додекаэдр | Наращённый додекаэдр | Дважды противоположно наращённый додекаэдр | Дважды косо наращённый додекаэдр | Трижды наращённый додекаэдр |
Получены из многогранников | ||||
Додекаэдр и пятиугольная пирамида | ||||
Отсечённые икосаэдры
Правильный |
J
11
(М
3
+А
5
)
(повторно) |
J 62 (М 7 +М 3 ) | J 63 (М 7 ) | J 64 (М 7 +М 1 ) |
---|---|---|---|---|
Икосаэдр |
Отсечённый икосаэдр
( Скрученно удлинённая пятиугольная пирамида ) |
Дважды косо отсечённый икосаэдр | Трижды отсечённый икосаэдр | Наращённый трижды отсечённый икосаэдр |
Получены из многогранников | ||||
Трижды отсечённый икосаэдр , пятиугольная пирамида и тетраэдр | ||||
Наращённые усечённые тетраэдры и кубы
J 65 (М 10 +М 4 ) | J 66 (М 11 +М 5 ) | J 67 (М 5 +М 11 +М 5 ) |
---|---|---|
Наращённый усечённый тетраэдр | Наращённый усечённый куб | Дважды наращённый усечённый куб |
Получены из многогранников | ||
Усечённый тетраэдр
Трёхскатный купол |
Усечённый куб
Четырёхскатный купол |
|
Наращённые усечённые додекаэдры
Полуправильный | J 68 (М 6 +М 12 ) | J 69 (М 6 +М 12 +М 6 ) | J 70 (М 12 +2М 6 ) | J 71 (М 12 +3М 6 ) |
---|---|---|---|---|
Усечённый додекаэдр | Наращённый усечённый додекаэдр | Дважды противоположно наращённый усечённый додекаэдр | Дважды косо наращённый усечённый додекаэдр | Трижды наращённый усечённый додекаэдр |
Скрученные ромбоикосододекаэдры
J 72 ( М 6 +М 14 +М 6 = М 6 +М 13 +2М 6 ) | J 73 ( М 6 +М 14 + М 6 ) | J 74 (2 М 6 +М 13 +М 6 ) | J 75 (3 М 6 +М 13 ) |
---|---|---|---|
Скрученный ромбоикосододекаэдр | Дважды противоположно скрученный ромбоикосододекаэдр | Дважды косо скрученный ромбоикосододекаэдр | Трижды скрученный ромбоикосододекаэдр |
Отсечённые ромбоикосододекаэдры
J 76 (М 6 +М 14 =2М 6 +М 13 ) | J 77 (М 14 + М 6 ) | J 78 (М 13 +М 6 + М 6 ) | J 79 (М 13 +2 М 6 ) |
---|---|---|---|
Отсечённый ромбоикосододекаэдр | Противоположно скрученный отсечённый ромбоикосододекаэдр | Косо скрученный отсечённый ромбоикосододекаэдр | Дважды косо скрученный отсечённый ромбоикосододекаэдр |
J 80 (М 14 ) | J 81 (М 13 +М 6 ) | J 82 (М 14 + М 6 ) | J 83 (М 13 ) |
Дважды противоположно отсечённый ромбоикосододекаэдр | Дважды косо отсечённый ромбоикосододекаэдр | Скрученный дважды отсечённый ромбоикосододекаэдр | Трижды отсечённый ромбоикосододекаэдр |
Плосконосые антипризмы
антипризмы можно построить альтерованием усечённых антипризм. Два тела являются многогранниками Джонсона, одно тело правильное, а остальные нельзя построить с помощью правильных треугольников.
J 84 (М 25 ) | Правильный | J 85 (М 28 ) | Неправильный |
---|---|---|---|
Тело Джонсона | Правильный | Тело Джонсона | Вогнутый |
Плосконосый двуклиноид ss{2,4} |
икосаэдр ss{2,6} |
Плосконосая квадратная антипризма ss{2,8} |
ss{2,10} |
невозможно построить из
правильных треугольников |
Другие
J 86 (М 22 ) | J 87 (М 22 +М 3 ) | J 88 (М 23 ) | |
---|---|---|---|
Клинокорона | Наращённая клинокорона | Большая клинокорона | |
J 89 (М 21 ) | J 90 (М 24 ) | J 91 (М 8 ) | J 92 (М 20 ) |
Уплощённая большая клинокорона | Опоясанный двуклинник | Двойная серпоротонда | Уплощённая треугольная клиноротонда |
Классификация по типам граней
Треугольные грани
Пять многогранников Джонсона являются дельтаэдрами , то есть все их грани — правильные треугольники:
|
|
Треугольные и квадратные грани
Двадцать четыре многогранника Джонсона имеют только треугольные и четырёхугольные грани:
Треугольные и пятиугольные грани
Одиннадцать тел Джонсона имеют только треугольные и пятиугольные грани:
|
|
Треугольные, квадратные и шестиугольные грани
Восемь многогранников Джонсона имеют только треугольные, квадратные и шестиугольные грани:
|
|
Треугольные, квадратные и восьмиугольные грани
Пять многогранников Джонсона имеют только треугольные, квадратные и восьмиугольные грани:
|
|
Вписываемые в сферу многогранники Джонсона
25 многогранников Джонсона имеют вершины, которые лежат на одной сфере: 1—6, 11, 19, 27, 34, 37, 62, 63, 72—83. Все эти многогранники можно получить из правильных или однородных многогранников путём поворота (купола) или отсечения (купола или пирамиды) .
Октаэдр | Кубооктаэдр | Ромбокубооктаэдр | |||
---|---|---|---|---|---|
J 1 (М 2)
|
J 3 (М 4)
|
J 27 (2М 4)
|
J 4 (М 5)
|
J 19 (М 5 +П 8)
|
J 37 (М 5 +П 8 +М 5)
|
Икосаэдр | Икосододекаэдр | ||||
---|---|---|---|---|---|
J 2 (М 3)
|
J 63 (М 7)
|
J 62 (М 7 +М 3)
|
J 11 (М 3 +А 5)
|
J 6 (М 9)
|
J 34 (2М 9)
|
J 5 (М 6)
|
J 76 (М 6 +М 14)
|
J 80 (М 14)
|
J 81 (М 13 +М 6)
|
J 83 (М 13)
|
J 72 (М 6 +М 14 +М 6)
|
J 73 (М 6 +М 14 + М 6)
|
J 74 (2 М 6 +М 13 +М 6)
|
J 75 (3 М 6 +М 13)
|
J 77 (М 14 + М 6)
|
J 78 (М 13 +М 6 + М 6)
|
J 79 (М 13 +2М 6)
|
J 82 (М 14 + М 6)
|
См. также
Примечания
- от 8 декабря 2012 на Wayback Machine .
- Johnson N. W. Convex polyhedra with regular faces (preliminary report) // Notices Amer. Math. Soc. — 1960. — С. 952 .
- .
- от 2 мая 2014 на Wayback Machine .
Литература
- Гурин А. М. (рус.) // Сиб. электрон. матем. изв. — 2010. — Т. 7 . — С. A.5—A.23 .
- Norman W. Johnson . // Canadian Journal of Mathematics. — 1966. — Т. 18 . — С. 169—200 . — ISSN . — doi : . (Содержит оригинальное перечисление 92 тел и гипотезу, что других нет.)
- Залгаллер В. А. . — М. — Л. : Наука, 1967. — Т. 2. — 221 с. — (Зап. научн. сем. ЛОМИ). (Первое доказательство, что существует только 92 тел Джонсона.)
- Anthony Pugh. Глава 3. Дальнейшие выпуклые многогранники // Polyhedra: A visual approach. — California: University of California Press Berkeley, 1976. — ISBN 0-520-03056-7 .
- Брёндстед А. Введение в теорию выпуклых многогранников. — М. : Мир, 1988.
- Sylvain Gagnon. « (недоступная ссылка) », Structural Topology. — 1982. — № 6. — P. 83—95.
- Many links
- by George W. Hart.
- Weisstein, Eric W. (англ.) на сайте Wolfram MathWorld .
- by Jim McNeill
- by Vladimir Bulatov
- attempts to discover , a generalization of the Johnson solids to 4 dimensional space
Ссылки
- Sylvain Gagnon. « (недоступная ссылка) ». — Structural Topology. — 1982. — № 6. — P. 83—95.
- Many links
- by George W. Hart.
- Weisstein, Eric W. (англ.) на сайте Wolfram MathWorld .
- by Jim McNeill
- by Vladimir Bulatov
- attempts to discover , a generalization of the Johnson solids to 4-dimensional space
- 2021-02-01
- 2