22.07.2021

Tesseract คืออะไร? 4D คิวบ์ แอนิเมชั่นคิวบ์ 4 มิติ


จุด (±1, ±1, ±1, ±1). กล่าวอีกนัยหนึ่ง มันสามารถแสดงเป็นชุดต่อไปนี้:

tesseract นั้นถูกจำกัดด้วยไฮเปอร์เพลนแปดอัน ซึ่งจุดตัดของ tesseract นั้นกำหนดใบหน้าสามมิติของมันเอง (ซึ่งเป็นลูกบาศก์ธรรมดา) ใบหน้า 3 มิติที่ไม่ขนานกันแต่ละคู่ตัดกันเพื่อสร้างใบหน้า 2 มิติ (สี่เหลี่ยมจัตุรัส) และอื่นๆ ในที่สุด tesseract มี 8 ใบหน้า 3 มิติ 24 2 มิติ 32 ขอบและ 16 จุดยอด

คำอธิบายยอดนิยม

ลองจินตนาการว่าไฮเปอร์คิวบ์จะมีลักษณะอย่างไรโดยไม่ต้องออกจากพื้นที่สามมิติ

ใน "ช่องว่าง" หนึ่งมิติ - บนเส้น - เราเลือกส่วน AB ที่มีความยาว L บนระนาบสองมิติที่ระยะทาง L จาก AB เราวาดส่วน DC ขนานกับมันและเชื่อมต่อปลายของมัน คุณจะได้ CDBA สี่เหลี่ยมจัตุรัส ทำซ้ำการดำเนินการนี้ด้วยระนาบ เราได้ลูกบาศก์ CDBAGHFE สามมิติ และด้วยการเลื่อนลูกบาศก์ในมิติที่สี่ (ตั้งฉากกับสามตัวแรก) ด้วยระยะทาง L เราจะได้ไฮเปอร์คิวบ์ CDBAGHFEKLJIOPNM

การสร้าง tesseract บนเครื่องบิน

ส่วนหนึ่งมิติ AB ทำหน้าที่เป็นด้านข้างของ CDBA สี่เหลี่ยมจัตุรัสสองมิติ สี่เหลี่ยมจัตุรัสคือด้านข้างของลูกบาศก์ CDBAGHFE ซึ่งในทางกลับกันจะเป็นด้านข้างของไฮเปอร์คิวบ์สี่มิติ ส่วนของเส้นตรงมีจุดขอบเขตสองจุด สี่เหลี่ยมจัตุรัสมีจุดยอดสี่จุด และลูกบาศก์มีแปดจุด ดังนั้น ในไฮเปอร์คิวบ์สี่มิติ จะมีจุดยอด 16 จุด: จุดยอด 8 จุดของลูกบาศก์ดั้งเดิมและจุดยอด 8 จุดขยับในมิติที่สี่ มันมี 32 ขอบ - 12 อันแต่ละอันให้ตำแหน่งเริ่มต้นและสุดท้ายของลูกบาศก์ดั้งเดิม และอีก 8 ขอบ "วาด" จุดยอดแปดของมันที่ย้ายไปอยู่ในมิติที่สี่ เหตุผลเดียวกันนี้สามารถทำได้สำหรับใบหน้าของไฮเปอร์คิวบ์ ในพื้นที่สองมิติ มันคือหนึ่ง (ตัวสี่เหลี่ยมจัตุรัสเอง) ลูกบาศก์มี 6 อัน (สองหน้าจากสี่เหลี่ยมที่ย้าย และอีกสี่หน้าจะอธิบายด้านข้างของมัน) ไฮเปอร์คิวบ์สี่มิติมี 24 หน้าสี่เหลี่ยม - 12 สี่เหลี่ยมของลูกบาศก์ดั้งเดิมในสองตำแหน่งและ 12 สี่เหลี่ยมจากขอบสิบสองของมัน

เนื่องจากด้านข้างของสี่เหลี่ยมจัตุรัสเป็นส่วนหนึ่งมิติ 4 ส่วน และด้านข้าง (ใบหน้า) ของลูกบาศก์คือสี่เหลี่ยมสองมิติ 6 ช่อง ดังนั้นสำหรับ "ลูกบาศก์สี่มิติ" (tesseract) ด้านข้างจึงเป็นลูกบาศก์สามมิติ 8 ลูก ช่องว่างของคู่ตรงข้ามของลูกบาศก์ tesseract (นั่นคือ ช่องว่างสามมิติที่ลูกบาศก์เหล่านี้อยู่) ขนานกัน ในรูปคือลูกบาศก์: CDBAGHFE และ KLJIOPNM, CDBAKLJI และ GHFEOPNM, EFBAMNJI และ GHDCOPLK, CKIAGOME และ DLJBHPNF

ในทำนองเดียวกัน เราสามารถหาเหตุผลสำหรับไฮเปอร์คิวบ์ต่อไปได้ มากกว่ามิติ แต่มันน่าสนใจกว่ามากที่จะเห็นว่าไฮเปอร์คิวบ์สี่มิติจะมีลักษณะอย่างไรสำหรับเราซึ่งเป็นผู้อยู่อาศัยในอวกาศสามมิติ ให้เราใช้วิธีการเปรียบเทียบที่คุ้นเคยอยู่แล้วสำหรับสิ่งนี้

ลองนำเส้นลวด ABCDHEFG มามองด้วยตาข้างเดียวจากด้านข้างของใบหน้า เราจะเห็นและสามารถวาดสี่เหลี่ยมสองช่องบนระนาบ (ทั้งหน้าใกล้และไกล) เชื่อมต่อกันด้วยเส้นสี่เส้น - ขอบด้านข้าง ในทำนองเดียวกัน ไฮเปอร์คิวบ์สี่มิติในปริภูมิสามมิติจะดูเหมือน "กล่อง" สองลูกบาศก์ที่สอดเข้าด้วยกันและเชื่อมต่อกันด้วยขอบแปดด้าน ในกรณีนี้ "กล่อง" เอง - ใบหน้าสามมิติ - จะถูกฉายบนพื้นที่ "ของเรา" และเส้นที่เชื่อมต่อกันจะยืดไปในทิศทางของแกนที่สี่ คุณยังสามารถลองนึกภาพลูกบาศก์ที่ไม่ได้อยู่ในการฉายภาพ แต่เป็นภาพเชิงพื้นที่

เช่นเดียวกับที่ลูกบาศก์สามมิติถูกสร้างขึ้นโดยสี่เหลี่ยมจัตุรัสที่ขยับตามความยาวของใบหน้า ลูกบาศก์ที่ถูกเลื่อนไปยังมิติที่สี่จะก่อตัวเป็นไฮเปอร์คิวบ์ มันถูกจำกัดด้วยแปดก้อนซึ่งในอนาคตจะมีลักษณะที่สวยงามบ้าง ตัวเลขที่ซับซ้อน. ไฮเปอร์คิวบ์สี่มิตินั้นประกอบด้วยลูกบาศก์จำนวนอนันต์ เช่นเดียวกับลูกบาศก์สามมิติสามารถ "ตัด" เป็นสี่เหลี่ยมแบนจำนวนอนันต์

ด้วยการตัดลูกบาศก์สามมิติหกหน้า คุณสามารถสลายมันให้เป็นรูปแบน - การพัฒนา มันจะมีสี่เหลี่ยมจัตุรัสในแต่ละด้านของใบหน้าเดิม บวกอีกหนึ่ง - ใบหน้าตรงข้ามกับมัน การพัฒนาสามมิติของไฮเปอร์คิวบ์สี่มิติจะประกอบด้วยลูกบาศก์ดั้งเดิม ลูกบาศก์หกก้อนที่ "เติบโต" จากมัน บวกอีกหนึ่งอัน - "ไฮเปอร์เฟซ" สุดท้าย

คุณสมบัติของ tesseract เป็นส่วนขยายของคุณสมบัติ รูปทรงเรขาคณิตลดมิติลงสู่พื้นที่สี่มิติ

ประมาณการ

สู่อวกาศสองมิติ

โครงสร้างนี้จินตนาการได้ยาก แต่มีความเป็นไปได้ที่จะฉายภาพ tesseract ลงในช่องว่าง 2 มิติหรือ 3 มิติ นอกจากนี้ การฉายภาพบนระนาบช่วยให้เข้าใจตำแหน่งของจุดยอดของไฮเปอร์คิวบ์ได้ง่าย ด้วยวิธีนี้ สามารถรับภาพที่ไม่ได้สะท้อนความสัมพันธ์เชิงพื้นที่ภายใน tesseract อีกต่อไป แต่แสดงให้เห็นโครงสร้างลิงก์จุดยอด ดังในตัวอย่างต่อไปนี้:

ภาพที่สามแสดง tesseract ในแบบมีมิติเท่ากัน สัมพันธ์กับจุดก่อสร้าง มุมมองนี้น่าสนใจเมื่อใช้ tesseract เป็นพื้นฐานสำหรับเครือข่ายทอพอโลยีเพื่อเชื่อมโยงโปรเซสเซอร์หลายตัวในการคำนวณแบบขนาน

สู่อวกาศสามมิติ

หนึ่งในการคาดการณ์ของ tesseract บนพื้นที่สามมิติคือลูกบาศก์สามมิติที่ซ้อนกันสองอัน จุดยอดที่สอดคล้องกันซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยเซกเมนต์ ลูกบาศก์ด้านในและด้านนอกมีขนาดต่างกันในพื้นที่ 3 มิติ แต่ลูกบาศก์เท่ากันในพื้นที่ 4 มิติ เพื่อให้เข้าใจถึงความเท่าเทียมกันของลูกบาศก์ทั้งหมดของ tesseract จึงมีการสร้างแบบจำลองการหมุนของ tesseract

  • ปิรามิดที่ถูกตัดทอนหกอันตามขอบของ tesseract เป็นรูปภาพที่มีลูกบาศก์เท่ากับหกก้อน อย่างไรก็ตาม ลูกบาศก์เหล่านี้อยู่ที่ tesseract เหมือนกำลังสอง (ใบหน้า) อยู่ที่ลูกบาศก์ แต่ในความเป็นจริง tesseract สามารถแบ่งออกเป็นลูกบาศก์จำนวนอนันต์ เช่นเดียวกับที่ลูกบาศก์สามารถแบ่งออกเป็นช่องสี่เหลี่ยมจำนวนอนันต์ หรือสี่เหลี่ยมจัตุรัสสามารถแบ่งออกเป็นส่วนจำนวนอนันต์

การฉายภาพที่น่าสนใจอีกประการของ tesseract ลงบนพื้นที่สามมิติคือรูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูนสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูนที่มีเส้นทแยงมุมสี่เส้นที่วาด เชื่อมจุดยอดตรงข้ามคู่กันที่มุมขนาดใหญ่ของรูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูน ในกรณีนี้ จุดยอด 14 จุดจาก 16 จุดของ tesseract ถูกฉายเป็น 14 จุดยอดของ dodecahedron สี่เหลี่ยมขนมเปียกปูน และการคาดการณ์ของ 2 จุดที่เหลือจะอยู่ตรงกลาง ในการฉายภาพบนพื้นที่สามมิติ ความเสมอภาคและความขนานของด้านหนึ่งมิติ สองมิติ และสามมิติทั้งหมดจะถูกรักษาไว้

คู่สเตอริโอ

Stereopair ของ tesseract ถูกแสดงเป็นภาพสองภาพบนพื้นที่สามมิติ การแสดงภาพของ tesseract นี้ออกแบบมาเพื่อแสดงถึงความลึกเป็นมิติที่สี่ มีการดูคู่สเตอริโอเพื่อให้ตาแต่ละข้างเห็นภาพเหล่านี้เพียงภาพเดียว ภาพสามมิติจะเกิดขึ้นที่สร้างความลึกของ tesseract

Tesseract แฉ

พื้นผิวของ tesseract สามารถคลี่ออกเป็นแปดลูกบาศก์ (คล้ายกับที่พื้นผิวของลูกบาศก์สามารถกางออกเป็นหกสี่เหลี่ยม) มีการตีแผ่ของ tesseract ที่แตกต่างกัน 261 ครั้ง การแผ่ออกของ tesseract สามารถคำนวณได้โดยการพล็อตมุมที่เชื่อมต่อกันบนกราฟ

Tesseract ในงานศิลปะ

  • ใน New Plain ของ Edwine A. Abbott ไฮเปอร์คิวบ์เป็นผู้บรรยาย
  • ในตอนหนึ่งของ The Adventures of Jimmy Neutron "อัจฉริยะเด็ก" จิมมี่ประดิษฐ์ไฮเปอร์คิวบ์สี่มิติที่เหมือนกับกล่องพับจากนวนิยายเรื่อง Glory Road (1963) โดย Robert Heinlein
  • Robert E. Heinlein กล่าวถึงไฮเปอร์คิวบ์ในนิยายวิทยาศาสตร์อย่างน้อยสามเรื่อง ในบ้านสี่มิติ (บ้านที่ Teel สร้างขึ้น) เขาบรรยายถึงบ้านที่สร้างขึ้นโดยการตีแผ่ของ tesseract และจากแผ่นดินไหว "ก่อตัว" ในมิติที่สี่และกลายเป็น "ของจริง" tesseract
  • ในนวนิยายเรื่อง Glory Road โดย Heinlein มีการอธิบายว่ากล่องไฮเปอร์มิติที่ด้านในใหญ่กว่าด้านนอก
  • เรื่องราวของ Henry Kuttner "All Borog's Tenals" อธิบายของเล่นเพื่อการศึกษาสำหรับเด็กจากอนาคตอันไกลโพ้น ซึ่งมีโครงสร้างคล้ายกับ tesseract
  • ในนวนิยายของ Alex Garland ( ) คำว่า "tesseract" ใช้สำหรับการแฉสามมิติของไฮเปอร์คิวบ์สี่มิติ แทนที่จะเป็นไฮเปอร์คิวบ์เอง นี่เป็นคำอุปมาที่ออกแบบมาเพื่อแสดงว่าระบบการรับรู้ควรกว้างกว่าระบบที่รับรู้ได้
  • เนื้อเรื่องของ The Cube 2: Hypercube มุ่งเน้นไปที่คนแปลกหน้าแปดคนที่ติดอยู่ใน "ไฮเปอร์คิวบ์" หรือเครือข่ายของลูกบาศก์ที่เชื่อมโยงกัน
  • ละครโทรทัศน์ Andromeda ใช้เครื่องกำเนิด tesseract เป็นอุปกรณ์สมรู้ร่วมคิด มีไว้เพื่อควบคุมพื้นที่และเวลาเป็นหลัก
  • จิตรกรรม " การตรึงกางเขน"(Corpus Hypercubus) โดย Salvador Dali ()
  • หนังสือการ์ตูน Nextwave แสดงให้เห็นยานพาหนะที่มี 5 โซน tesseract
  • ในอัลบั้ม Voivod Nothingface หนึ่งในเพลงชื่อ "In my hypercube"
  • ในนวนิยาย Route Cube ของ Anthony Pierce หนึ่งในดวงจันทร์โคจรของ IDA เรียกว่า tesseract ที่ถูกบีบอัดเป็น 3 มิติ
  • ในซีรีส์ "School" Black Hole "" ในฤดูกาลที่สามมีตอน "Tesseract" ลูคัสกดปุ่มลับและโรงเรียนก็เริ่ม "มีรูปร่างเหมือนเทสเซอแรคท์ทางคณิตศาสตร์"
  • คำว่า "tesseract" และคำว่า "tesse" ที่มาจากคำว่า "Wrinkle of Time" ของ Madeleine L'Engle
  • TesseracT เป็นชื่อของกลุ่ม djent ของอังกฤษ
  • ในซีรีส์ภาพยนตร์ Marvel Cinematic Universe Tesseract เป็นองค์ประกอบสำคัญของโครงเรื่อง ซึ่งเป็นสิ่งประดิษฐ์จากจักรวาลที่มีรูปร่างคล้ายไฮเปอร์คิวบ์
  • ในเรื่องราวของ Robert Sheckley เรื่อง "Miss Mouse and the Fourth Dimension" นักเขียนลึกลับคนรู้จักของผู้แต่งพยายามที่จะดู tesseract โดยมองหาอุปกรณ์ที่เขาออกแบบเป็นเวลาหลายชั่วโมง: ลูกบอลบนขาที่มีแท่งติดอยู่ ที่ปลูกลูกบาศก์วางทับด้วยสัญลักษณ์ลึกลับทุกประเภท เรื่องนี้กล่าวถึงงานของฮินตัน
  • ในภาพยนตร์เรื่อง The First Avenger, The Avengers Tesseract เป็นพลังงานของทั้งจักรวาล

ชื่ออื่น

  • Hexadecachoron (อังกฤษ) Hexadecachoron)
  • ออคโตโชรอน (อังกฤษ) Octachoron)
  • tetracube
  • 4-cube
  • Hypercube (หากไม่ระบุจำนวนมิติ)

หมายเหตุ

วรรณกรรม

  • ชาร์ลส์ เอช. ฮินตัน มิติที่สี่ พ.ศ. 2447 ISBN 0-405-07953-2
  • มาร์ติน การ์ดเนอร์, Mathmatical Carnival, 1977. ISBN 0-394-72349-X
  • เอียน สจ๊วร์ต, Concepts of Modern Mathematics, 1995. ISBN 0-486-28424-7

ลิงค์

ในภาษารัสเซีย
  • โปรแกรม Transformer4D การก่อตัวของแบบจำลองสามมิติของวัตถุสี่มิติ (รวมถึง Hypercube)
  • โปรแกรมที่ใช้การสร้าง tesseract และการแปลงความสัมพันธ์ทั้งหมดด้วยซอร์ส C++

เป็นภาษาอังกฤษ

  • Mushware Limited เป็นโปรแกรมเอาท์พุต tesseract ( เทรนเนอร์ Tesseractได้รับอนุญาตภายใต้ GPLv2) และเกมยิงมุมมองบุคคลที่หนึ่ง 4 มิติ ( อดาแนกซิส; กราฟิก ส่วนใหญ่เป็นสามมิติ มีเวอร์ชัน GPL ในที่เก็บ OS)

Tesseract (จากภาษากรีก τέσσερες ἀκτῖνες - สี่รังสี) - ไฮเปอร์คิวบ์สี่มิติ - อะนาล็อกของลูกบาศก์ในพื้นที่สี่มิติ

รูปภาพเป็นการฉายภาพ (มุมมอง) ของลูกบาศก์สี่มิติบนพื้นที่สามมิติ

ตามพจนานุกรมของ Oxford คำว่า "tesseract" ได้รับการประกาศเกียรติคุณและใช้ในปี 1888 โดย Charles Howard Hinton (1853-1907) ในหนังสือ A New Age of Thought ต่อมาบางคนเรียกร่างเดียวกันว่า "เตตระคิวบ์"

เรขาคณิต

tesseract ธรรมดาในพื้นที่สี่มิติแบบยุคลิดถูกกำหนดให้เป็นเรือนูนของจุด (±1, ±1, ±1, ±1) กล่าวอีกนัยหนึ่ง มันสามารถแสดงเป็นชุดต่อไปนี้:

tesseract นั้นถูกจำกัดด้วยไฮเปอร์เพลนแปดอัน ซึ่งจุดตัดกับ tesseract นั้นกำหนดใบหน้าสามมิติของมัน (ซึ่งเป็นลูกบาศก์ธรรมดา) ใบหน้า 3 มิติที่ไม่ขนานกันแต่ละคู่ตัดกันเพื่อสร้างใบหน้า 2 มิติ (สี่เหลี่ยมจัตุรัส) และอื่นๆ ในที่สุด tesseract มี 8 ใบหน้า 3 มิติ 24 2 มิติ 32 ขอบและ 16 จุดยอด

คำอธิบายยอดนิยม

ลองจินตนาการว่าไฮเปอร์คิวบ์จะมีลักษณะอย่างไรโดยไม่ต้องออกจากพื้นที่สามมิติ

ใน "ช่องว่าง" หนึ่งมิติ - บนเส้น - เราเลือกส่วน AB ที่มีความยาว L บนระนาบสองมิติที่ระยะทาง L จาก AB เราวาดส่วน DC ขนานกับมันและเชื่อมต่อปลายของมัน รับสี่เหลี่ยม ABCD ทำซ้ำการดำเนินการนี้กับระนาบ เราได้ลูกบาศก์ ABCDHEFG สามมิติ และด้วยการเลื่อนลูกบาศก์ในมิติที่สี่ (ตั้งฉากกับสามตัวแรก) ด้วยระยะทาง L เราจะได้ไฮเปอร์คิวบ์ ABCDEFGHIJKLMNOP
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/1/13/Build_tesseract.PNG

ส่วนหนึ่งมิติ AB ทำหน้าที่เป็นด้านของสี่เหลี่ยม ABCD สองมิติ สี่เหลี่ยมจัตุรัสคือด้านข้างของลูกบาศก์ ABCDHEFG ซึ่งในทางกลับกันจะเป็นด้านข้างของไฮเปอร์คิวบ์สี่มิติ ส่วนของเส้นตรงมีจุดขอบเขตสองจุด สี่เหลี่ยมจัตุรัสมีจุดยอดสี่จุด และลูกบาศก์มีแปดจุด ดังนั้น ในไฮเปอร์คิวบ์สี่มิติ จะมีจุดยอด 16 จุด: จุดยอด 8 จุดของลูกบาศก์ดั้งเดิมและจุดยอด 8 จุดขยับในมิติที่สี่ มันมี 32 ขอบ - 12 อันแต่ละอันให้ตำแหน่งเริ่มต้นและสุดท้ายของลูกบาศก์ดั้งเดิม และอีก 8 ขอบ "วาด" จุดยอดแปดของมันที่ย้ายไปอยู่ในมิติที่สี่ เหตุผลเดียวกันนี้สามารถทำได้สำหรับใบหน้าของไฮเปอร์คิวบ์ ในพื้นที่สองมิติ มันคือหนึ่ง (ตัวสี่เหลี่ยมจัตุรัสเอง) ลูกบาศก์มี 6 อัน (สองหน้าจากสี่เหลี่ยมที่ย้าย และอีกสี่หน้าจะอธิบายด้านข้างของมัน) ไฮเปอร์คิวบ์สี่มิติมี 24 หน้าสี่เหลี่ยม - 12 สี่เหลี่ยมของลูกบาศก์ดั้งเดิมในสองตำแหน่งและ 12 สี่เหลี่ยมจากขอบสิบสองของมัน

ในทำนองเดียวกัน เราสามารถหาเหตุผลสำหรับไฮเปอร์คิวบ์ที่มีมิติจำนวนมากขึ้นต่อไปได้ แต่น่าสนใจกว่ามากที่จะเห็นว่าไฮเปอร์คิวบ์สี่มิติจะมีลักษณะอย่างไรสำหรับเรา ผู้ที่อาศัยอยู่ในพื้นที่สามมิติ ให้เราใช้วิธีการเปรียบเทียบที่คุ้นเคยอยู่แล้วสำหรับสิ่งนี้

Tesseract แฉ

ลองนำเส้นลวด ABCDHEFG มามองด้วยตาข้างเดียวจากด้านข้างของใบหน้า เราจะเห็นและสามารถวาดสี่เหลี่ยมสองช่องบนระนาบ (ทั้งหน้าใกล้และไกล) เชื่อมต่อกันด้วยเส้นสี่เส้น - ขอบด้านข้าง ในทำนองเดียวกัน ไฮเปอร์คิวบ์สี่มิติในปริภูมิสามมิติจะดูเหมือน "กล่อง" สองลูกบาศก์ที่สอดเข้าด้วยกันและเชื่อมต่อกันด้วยขอบแปดด้าน ในกรณีนี้ "กล่อง" เอง - ใบหน้าสามมิติ - จะถูกฉายลงบนพื้นที่ "ของเรา" และเส้นที่เชื่อมต่อกันจะขยายออกไปในมิติที่สี่ คุณยังสามารถลองนึกภาพลูกบาศก์ที่ไม่ได้อยู่ในการฉายภาพ แต่เป็นภาพเชิงพื้นที่

เช่นเดียวกับที่ลูกบาศก์สามมิติถูกสร้างขึ้นโดยสี่เหลี่ยมจัตุรัสที่ขยับตามความยาวของใบหน้า ลูกบาศก์ที่ถูกเลื่อนไปยังมิติที่สี่จะก่อตัวเป็นไฮเปอร์คิวบ์ มันถูก จำกัด ด้วยแปดลูกบาศก์ซึ่งในอนาคตจะดูเหมือนร่างที่ค่อนข้างซับซ้อน ส่วนหนึ่งของมันซึ่งยังคงอยู่ในพื้นที่ "ของเรา" นั้นถูกวาดด้วยเส้นทึบและส่วนที่เข้าไปในไฮเปอร์สเปซนั้นถูกประ ไฮเปอร์คิวบ์สี่มิตินั้นประกอบด้วยลูกบาศก์จำนวนอนันต์ เช่นเดียวกับลูกบาศก์สามมิติสามารถ "ตัด" เป็นสี่เหลี่ยมแบนจำนวนอนันต์

ด้วยการตัดลูกบาศก์สามมิติหกหน้า คุณสามารถสลายมันให้เป็นรูปแบน - ตาข่าย มันจะมีสี่เหลี่ยมจัตุรัสในแต่ละด้านของใบหน้าเดิม บวกอีกหนึ่ง - ใบหน้าตรงข้ามกับมัน การพัฒนาสามมิติของไฮเปอร์คิวบ์สี่มิติจะประกอบด้วยลูกบาศก์ดั้งเดิม ลูกบาศก์หกก้อนที่ "เติบโต" จากมัน บวกอีกหนึ่งอัน - "ไฮเปอร์เฟซ" สุดท้าย

คุณสมบัติของ tesseract เป็นการขยายคุณสมบัติของรูปทรงเรขาคณิตที่มีขนาดเล็กลงไปสู่พื้นที่สี่มิติ

ประมาณการ

สู่อวกาศสองมิติ

โครงสร้างนี้ยากที่จะจินตนาการ แต่เป็นไปได้ที่จะฉายภาพ tesseract ลงในช่องว่าง 2D หรือ 3D นอกจากนี้ การฉายภาพบนระนาบช่วยให้เข้าใจตำแหน่งของจุดยอดของไฮเปอร์คิวบ์ได้ง่าย ด้วยวิธีนี้ สามารถรับภาพที่ไม่ได้สะท้อนความสัมพันธ์เชิงพื้นที่ภายใน tesseract อีกต่อไป แต่แสดงให้เห็นโครงสร้างลิงก์จุดยอด ดังในตัวอย่างต่อไปนี้:


สู่อวกาศสามมิติ

การฉายภาพของ tesseract ลงในพื้นที่สามมิติคือลูกบาศก์สามมิติที่ซ้อนกันสองอัน จุดยอดที่สอดคล้องกันซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยเซกเมนต์ ลูกบาศก์ด้านในและด้านนอกมีขนาดต่างกันในพื้นที่ 3 มิติ แต่ลูกบาศก์เท่ากันในพื้นที่ 4 มิติ เพื่อให้เข้าใจถึงความเท่าเทียมกันของลูกบาศก์ทั้งหมดของ tesseract จึงมีการสร้างแบบจำลองการหมุนของ tesseract


ปิรามิดที่ถูกตัดทอนหกอันตามขอบของ tesseract เป็นรูปภาพที่มีลูกบาศก์เท่ากับหกก้อน
คู่สเตอริโอ

Stereopair ของ tesseract ถูกแสดงเป็นภาพสองภาพบนพื้นที่สามมิติ การแสดงภาพของ tesseract นี้ออกแบบมาเพื่อแสดงถึงความลึกเป็นมิติที่สี่ มีการดูคู่สเตอริโอเพื่อให้ตาแต่ละข้างเห็นภาพเหล่านี้เพียงภาพเดียว ภาพสามมิติจะเกิดขึ้นที่สร้างความลึกของ tesseract

Tesseract แฉ

พื้นผิวของ tesseract สามารถคลี่ออกเป็นแปดลูกบาศก์ (คล้ายกับที่พื้นผิวของลูกบาศก์สามารถกางออกเป็นหกสี่เหลี่ยม) มีการตีแผ่ของ tesseract ที่แตกต่างกัน 261 ครั้ง การแผ่ออกของ tesseract สามารถคำนวณได้โดยการพล็อตมุมที่เชื่อมต่อกันบนกราฟ

Tesseract ในงานศิลปะ

ใน New Plain ของ Edwine A. Abbott ไฮเปอร์คิวบ์เป็นผู้บรรยาย
ในตอนหนึ่งของ The Adventures of Jimmy Neutron: "Boy Genius" จิมมี่ได้ประดิษฐ์ไฮเปอร์คิวบ์สี่มิติที่เหมือนกับกล่องพับจากภาพยนตร์ Glory Road ของไฮน์ไลน์ในปี 1963
Robert E. Heinlein กล่าวถึงไฮเปอร์คิวบ์ในนิยายวิทยาศาสตร์อย่างน้อยสามเรื่อง ในบ้านสี่มิติ (บ้านที่สร้างโดย Teel) (1940) เขาบรรยายถึงบ้านที่สร้างขึ้นโดยเป็นการเผยแผ่ของ tesseract
ในนวนิยายเรื่อง Glory Road ของไฮน์ไลน์ มีการบรรยายถึงจานขนาดใหญ่ที่ด้านในใหญ่กว่าด้านนอก
เรื่องสั้นของ Henry Kuttner เรื่อง "Mimsy Were the Borogoves" อธิบายของเล่นเพื่อการศึกษาสำหรับเด็กจากอนาคตอันไกลโพ้น ซึ่งมีโครงสร้างคล้ายกับ tesseract
ในนวนิยายของ Alex Garland (1999) คำว่า "tesseract" ใช้สำหรับการแฉสามมิติของไฮเปอร์คิวบ์สี่มิติ แทนที่จะเป็นไฮเปอร์คิวบ์เอง นี่เป็นคำอุปมาที่ออกแบบมาเพื่อแสดงว่าระบบการรับรู้ควรกว้างกว่าระบบที่รับรู้ได้
เนื้อเรื่องของ Cube 2: Hypercube มีศูนย์กลางอยู่ที่คนแปลกหน้าแปดคนที่ติดอยู่ใน "ไฮเปอร์คิวบ์" หรือเครือข่ายของลูกบาศก์ที่เชื่อมต่อกัน
ละครโทรทัศน์ Andromeda ใช้เครื่องกำเนิด tesseract เป็นอุปกรณ์สมรู้ร่วมคิด มีวัตถุประสงค์หลักเพื่อควบคุมพื้นที่และเวลา
ภาพวาด "การตรึงกางเขน" (Corpus Hypercubus) โดย Salvador Dali (1954)
หนังสือการ์ตูน Nextwave แสดงให้เห็นยานพาหนะที่มี 5 โซน tesseract
ในอัลบั้ม Voivod Nothingface หนึ่งในเพลงชื่อ "In my hypercube"
ในนวนิยาย Route Cube ของ Anthony Pierce หนึ่งในดวงจันทร์โคจรของ IDA เรียกว่า tesseract ที่ถูกบีบอัดเป็น 3 มิติ
ในซีรีส์ "School" Black Hole "" ในฤดูกาลที่สามมีตอน "Tesseract" ลูคัสกดปุ่มลับและโรงเรียนก็เริ่มเป็นรูปเป็นร่างเหมือนเทสเซอแรคท์ทางคณิตศาสตร์
คำว่า "tesseract" และคำว่า "tesse" ที่มาจากคำว่า "Wrinkle of Time" ของ Madeleine L'Engle

หากคุณเป็นแฟนตัวยงของภาพยนตร์อเวนเจอร์ส สิ่งแรกที่คุณนึกถึงเมื่อคุณได้ยินคำว่า "เทสเซอแรค" คือภาชนะรูปทรงลูกบาศก์โปร่งใสของอินฟินิตี้สโตนที่มีพลังไร้ขีดจำกัด

สำหรับแฟน ๆ ของ Marvel Universe Tesseract เป็นลูกบาศก์สีน้ำเงินที่เปล่งประกายซึ่งผู้คนไม่เพียง แต่จากโลกเท่านั้น แต่ยังรวมถึงดาวเคราะห์ดวงอื่นด้วย นั่นเป็นเหตุผลที่เหล่าอเวนเจอร์สได้รวมตัวกันเพื่อปกป้อง Earthlings จากเหตุการณ์สุดวิสัย พลังทำลายล้างเทสเซอแรคท์

สิ่งที่ต้องพูดคือ: tesseract เป็นแนวคิดทางเรขาคณิตที่แท้จริง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง รูปร่างที่มีอยู่ใน 4D ไม่ใช่แค่ลูกบาศก์สีฟ้าจาก The Avengers... มันเป็นแนวคิดที่แท้จริง

tesseract เป็นวัตถุใน 4 มิติ แต่ก่อนที่เราจะอธิบายอย่างละเอียด เรามาเริ่มกันตั้งแต่ต้น

"การวัด" คืออะไร?

ทุกคนเคยได้ยินคำว่า 2D และ 3D ซึ่งเป็นตัวแทนของวัตถุอวกาศสองมิติหรือสามมิติตามลำดับ แต่สิ่งเหล่านี้คืออะไร?

มิติเป็นเพียงทิศทางที่คุณสามารถไป ตัวอย่างเช่น หากคุณกำลังวาดเส้นบนกระดาษ คุณสามารถไปทางซ้าย/ขวา (แกน x) หรือขึ้น/ลง (แกน y) เราเลยบอกว่ากระดาษเป็นแบบสองมิติ เนื่องจากคุณสามารถเดินได้สองทิศทางเท่านั้น

มีความลุ่มลึกในแบบ 3 มิติ

ในโลกแห่งความเป็นจริง นอกจากสองทิศทางที่กล่าวมาแล้ว (ซ้าย/ขวา และขึ้น/ลง) คุณยังสามารถเข้า/ออกได้ ดังนั้นจึงเพิ่มความรู้สึกลึกลงไปในพื้นที่ 3 มิติ ดังนั้นเราจึงกล่าวว่า ชีวิตจริง 3 มิติ

จุดสามารถแทน 0 มิติ (เพราะมันไม่เคลื่อนที่ไปในทิศทางใด ๆ), เส้นแทน 1 มิติ (ความยาว), สี่เหลี่ยมแทน 2 มิติ (ความยาวและความกว้าง) และลูกบาศก์แทน 3 มิติ (ความยาว ความกว้าง และความสูง ).

ใช้ลูกบาศก์ 3 มิติและแทนที่แต่ละหน้า (ซึ่งปัจจุบันเป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัส) ด้วยลูกบาศก์ แล้วก็! รูปร่างที่คุณได้รับคือ tesseract

เทสเซอแรคท์คืออะไร?

พูดง่ายๆ ว่า tesseract เป็นลูกบาศก์ในพื้นที่ 4 มิติ คุณยังสามารถพูดได้ว่านี่คือลูกบาศก์ที่เทียบเท่า 4 มิติ นี่คือรูปร่าง 4 มิติ โดยที่แต่ละหน้าเป็นลูกบาศก์

การฉายภาพ 3 มิติของ tesseract ที่ทำการหมุนสองครั้งรอบระนาบมุมฉากสองระนาบ
ภาพ: Jason Hise

นี่เป็นวิธีง่ายๆ ในการกำหนดมิติข้อมูล สี่เหลี่ยมจัตุรัสเป็นแบบสองมิติ แต่ละมุมจึงมีเส้น 2 เส้นต่อจากมุม 90 องศาถึงกัน ลูกบาศก์เป็นแบบ 3 มิติ ดังนั้นแต่ละมุมของมันจึงมี 3 เส้นลากออกมาจากลูกบาศก์ ในทำนองเดียวกัน tesseract เป็นรูป 4D ดังนั้นแต่ละมุมจึงมี 4 เส้นต่อจากนี้

เหตุใดจึงยากที่จะจินตนาการถึง tesseract?

เนื่องจากเราในฐานะมนุษย์ได้พัฒนาเพื่อแสดงวัตถุในสามมิติ อะไรก็ตามที่มีมิติพิเศษเช่น 4D, 5D, 6D ฯลฯ จึงไม่สมเหตุสมผลสำหรับเราเพราะเราไม่สามารถเห็นภาพเหล่านั้นได้เลย แนะนำ สมองของเราไม่สามารถเข้าใจมิติที่ 4 ในอวกาศได้ เราไม่สามารถคิดเกี่ยวกับมัน

ในทางเรขาคณิต ไฮเปอร์คิวบ์- มัน - การเปรียบเทียบมิติของสี่เหลี่ยมจัตุรัส ( = 2) และลูกบาศก์ ( = 3). นี่คือรูปนูนปิดซึ่งประกอบด้วยกลุ่มของเส้นคู่ขนานที่อยู่บนขอบด้านตรงข้ามของรูปและเชื่อมต่อกันที่มุมฉาก

ตัวเลขนี้เรียกอีกอย่างว่า tesseract(เทสเซอแรคท์). tesseract อยู่ที่ลูกบาศก์ในขณะที่ลูกบาศก์อยู่ที่สี่เหลี่ยม อย่างเป็นทางการมากขึ้น tesseract สามารถอธิบายเป็น polytope สี่มิตินูนปกติ (polytope) ที่มีขอบเขตประกอบด้วยแปดลูกบาศก์เซลล์

ตามพจนานุกรมภาษาอังกฤษของ Oxford คำว่า "tesseract" ได้รับการประกาศเกียรติคุณในปี 1888 โดย Charles Howard Hinton และใช้ในหนังสือของเขา A New Era of Thought คำนี้มาจากภาษากรีกว่า "τεσσερες ακτινες" ("สี่แฉก") อยู่ในรูปของแกนพิกัดสี่แกน นอกจากนี้ในบางแหล่งเรียกว่าตัวเลขเดียวกัน tetracube(เตตระคิวบ์).

-ไฮเปอร์คิวบ์มิติเรียกอีกอย่างว่า n-cube.

จุดคือไฮเปอร์คิวบ์ของมิติ 0 หากคุณเปลี่ยนจุดด้วยหน่วยความยาว คุณจะได้ส่วนของความยาวหน่วย - ไฮเปอร์คิวบ์ของมิติ 1 นอกจากนี้ หากคุณเปลี่ยนส่วนด้วยหน่วยความยาวในทิศทางตั้งฉาก ไปยังทิศทางของเซ็กเมนต์ คุณจะได้ลูกบาศก์ - ไฮเปอร์คิวบ์ของมิติ 2 เลื่อนสี่เหลี่ยมจัตุรัสด้วยหน่วยความยาวในทิศทางตั้งฉากกับระนาบของสี่เหลี่ยม จะได้ลูกบาศก์ - ไฮเปอร์คิวบ์ของมิติ 3 กระบวนการนี้ สามารถสรุปให้เป็นมิติข้อมูลจำนวนเท่าใดก็ได้ ตัวอย่างเช่น หากคุณเลื่อนลูกบาศก์ด้วยหน่วยความยาวในมิติที่สี่ คุณจะได้ tesseract

ตระกูลของไฮเปอร์คิวบ์เป็นหนึ่งในโพลิเฮดราปกติเพียงไม่กี่ชนิดที่สามารถแสดงได้ในทุกมิติ

องค์ประกอบไฮเปอร์คิวบ์

มิติไฮเปอร์คิวบ์ มี2 "ด้าน" (เส้นหนึ่งมิติมี 2 จุด; สี่เหลี่ยมสองมิติ - 4 ด้าน; ลูกบาศก์สามมิติ - 6 หน้า; tesseract สี่มิติ - 8 เซลล์) จำนวนจุดยอด (จุด) ของไฮเปอร์คิวบ์คือ2 (ตัวอย่างเช่น สำหรับลูกบาศก์ - จุดยอด 2 3 จุด)

ปริมาณ -ไฮเปอร์คิวบ์มิติบนขอบเขต -cube เท่ากับ

ตัวอย่างเช่น บนเส้นขอบของไฮเปอร์คิวบ์มี 8 คิวบ์ 24 สี่เหลี่ยม 32 ขอบและ 16 จุดยอด

องค์ประกอบของไฮเปอร์คิวบ์
n-cube ชื่อ จุดสุดยอด
(0 ใบหน้า)
ขอบ
(1 หน้า)
ขอบ
(2 หน้า)
เซลล์
(3 หน้า)
(4 หน้า) (5 หน้า) (6 หน้า) (7 หน้า) (8 หน้า)
0-cube Dot 1
1-cube ส่วน 2 1
2-cube สี่เหลี่ยม 4 4 1
3-cube คิวบ์ 8 12 6 1
4-cube tesseract 16 32 24 8 1
5-cube เพนเทอแรคท์ 32 80 80 40 10 1
6 คิว Hexeract 64 192 240 160 60 12 1
7-cube เฮปเทอแรคท์ 128 448 672 560 280 84 14 1
8 คิว Octeract 256 1024 1792 1792 1120 448 112 16 1
9-cube Eneneract 512 2304 4608 5376 4032 2016 672 144 18

การฉายภาพเครื่องบิน

การก่อตัวของไฮเปอร์คิวบ์สามารถแสดงได้ดังนี้:

  • สามารถเชื่อมต่อจุด A และ B สองจุดเพื่อสร้างส่วนของเส้นตรง AB
  • สองส่วนคู่ขนาน AB และ CD สามารถเชื่อมต่อกันเป็นรูปสี่เหลี่ยม ABCD
  • สี่เหลี่ยมคู่ขนาน ABCD และ EFGH สามารถรวมกันเพื่อสร้างลูกบาศก์ ABCDEFGH
  • ลูกบาศก์คู่ขนาน ABCDEFGH และ IJKLNOP สามารถเชื่อมต่อเพื่อสร้างไฮเปอร์คิวบ์ ABCDEFGHIJKLMNOP

โครงสร้างหลังนี้ไม่ง่ายที่จะจินตนาการ แต่สามารถถ่ายทอดภาพฉายออกเป็นสองหรือสามมิติได้ นอกจากนี้ การฉายภาพบนระนาบ 2D ยังมีประโยชน์มากกว่าโดยการจัดเรียงตำแหน่งของจุดยอดที่คาดการณ์ไว้ ในกรณีนี้ สามารถรับภาพที่ไม่ได้สะท้อนถึงความสัมพันธ์เชิงพื้นที่ขององค์ประกอบภายใน tesseract อีกต่อไป แต่แสดงให้เห็นโครงสร้างของการเชื่อมต่อจุดยอด ดังในตัวอย่างด้านล่าง

ภาพประกอบแรกแสดงให้เห็นว่ามีการสร้าง tesseract โดยหลักการโดยการรวมลูกบาศก์สองก้อนเข้าด้วยกัน แบบแผนนี้คล้ายกับแบบแผนสำหรับการสร้างลูกบาศก์จากสองสี่เหลี่ยม แผนภาพที่สองแสดงให้เห็นว่าขอบทั้งหมดของ tesseract มีความยาวเท่ากัน โครงการนี้ยังถูกบังคับให้ค้นหาลูกบาศก์ที่เชื่อมต่อถึงกัน ในแผนภาพที่สาม จุดยอดของ tesseract จะตั้งอยู่ตามระยะทางตามใบหน้าที่สัมพันธ์กับจุดด้านล่าง โครงร่างนี้น่าสนใจเนื่องจากใช้เป็นโครงร่างพื้นฐานสำหรับโทโพโลยีเครือข่ายของการเชื่อมต่อโปรเซสเซอร์ในการจัดระเบียบการคำนวณแบบขนาน: ระยะห่างระหว่างสองโหนดไม่เกิน 4 ความยาวขอบ และมีหลายวิธีในการปรับสมดุลโหลด

ไฮเปอร์คิวบ์ในงานศิลปะ

ไฮเปอร์คิวบ์ปรากฏในนิยายวิทยาศาสตร์มาตั้งแต่ปี 2483 เมื่อโรเบิร์ต ไฮน์ไลน์ ในเรื่อง "บ้านที่นกเป็ดน้ำสร้างขึ้น" ("และเขาสร้างบ้านคดเคี้ยว") บรรยายถึงบ้านที่สร้างขึ้นในรูปทรงของเทสเซอแรคท์ ในเรื่องนี้ ต่อ บ้านหลังนี้ถูกพับ กลายเป็น tesseract สี่มิติ หลังจากนั้นไฮเปอร์คิวบ์ก็ปรากฏในหนังสือและนวนิยายหลายเล่ม

Cube 2: Hypercube ประมาณแปดคนที่ติดอยู่ในเครือข่ายของไฮเปอร์คิวบ์

ภาพวาด Crucifixion (Corpus Hypercubus), 1954 โดย Salvador Dali แสดงให้เห็นว่าพระเยซูถูกตรึงกางเขนด้วยการสแกน tesseract ภาพวาดนี้สามารถพบเห็นได้ในพิพิธภัณฑ์ศิลปะ (พิพิธภัณฑ์ศิลปะเมโทรโพลิแทน) ในนิวยอร์ก

บทสรุป

ไฮเปอร์คิวบ์เป็นหนึ่งในออบเจ็กต์สี่มิติที่ง่ายที่สุดในตัวอย่างซึ่งคุณสามารถเห็นความซับซ้อนและความผิดปกติทั้งหมดของมิติที่สี่ และสิ่งที่ดูเหมือนเป็นไปไม่ได้ในสามมิติ ก็เป็นไปได้ในสี่อย่างเช่น ตัวเลขที่เป็นไปไม่ได้ ตัวอย่างเช่น แท่งของสามเหลี่ยมที่เป็นไปไม่ได้ในสี่มิติจะเชื่อมต่อกันเป็นมุมฉาก และตัวเลขนี้จะมีลักษณะเช่นนี้จากทุกมุมมอง และจะไม่ถูกบิดเบือน ต่างจากการใช้สามเหลี่ยมที่เป็นไปไม่ได้ในพื้นที่สามมิติ (ดูรูปที่

Bacalier Maria

กำลังศึกษาวิธีการแนะนำแนวคิดของลูกบาศก์สี่มิติ (tesseract) โครงสร้างและคุณสมบัติบางอย่าง คำถามเกี่ยวกับวัตถุสามมิติที่ได้รับเมื่อลูกบาศก์สี่มิติตัดกันโดยไฮเปอร์เพลนขนานกับสามมิติของมัน ใบหน้าที่มีมิติ เช่นเดียวกับไฮเปอร์เพลนที่ตั้งฉากกับแนวทแยงหลัก พิจารณาเครื่องมือของเรขาคณิตวิเคราะห์หลายมิติที่ใช้สำหรับการวิจัย

ดาวน์โหลด:

ดูตัวอย่าง:

บทนำ………………………………………………………………………….2

ส่วนหลัก………………………………………………………………..4

สรุปผล………….. …………………………………………………………..12

ข้อมูลอ้างอิง…………………………………………………………..13

บทนำ

พื้นที่สี่มิติดึงดูดความสนใจของทั้งนักคณิตศาสตร์มืออาชีพและผู้ที่ไม่ได้ฝึกฝนวิทยาศาสตร์นี้มานานแล้ว ความสนใจในมิติที่สี่อาจเกิดจากการสันนิษฐานว่าโลกสามมิติของเรา "แช่" อยู่ในอวกาศสี่มิติ เช่นเดียวกับที่เครื่องบิน "แช่" ในพื้นที่สามมิติ เส้นตรงก็ "แช่" ใน ระนาบและจุดเป็นเส้นตรง นอกจากนี้ พื้นที่สี่มิติยังมีบทบาทสำคัญใน ทฤษฎีสมัยใหม่ทฤษฎีสัมพัทธภาพ (สิ่งที่เรียกว่า กาล-อวกาศ หรือ อวกาศ Minkowski) และยังถือได้ว่าเป็นกรณีพิเศษอีกด้วยปริภูมิแบบยุคลิดมิติ (for).

คิวบ์สี่มิติ (tesseract) เป็นออบเจ็กต์ของสเปซสี่มิติที่มีมิติสูงสุดที่เป็นไปได้ โปรดทราบว่าสิ่งนี้เป็นที่สนใจโดยตรงเช่นกัน กล่าวคือ อาจปรากฏในปัญหาการปรับให้เหมาะสมของโปรแกรมเชิงเส้นตรง (เป็นพื้นที่ซึ่งพบฟังก์ชันเชิงเส้นต่ำสุดหรือสูงสุดของตัวแปรสี่ตัว) และยังใช้ในไมโครอิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัลด้วย (เมื่อ การเขียนโปรแกรมการทำงานของการแสดงนาฬิกาอิเล็กทรอนิกส์) นอกจากนี้กระบวนการในการศึกษาลูกบาศก์สี่มิติยังมีส่วนช่วยในการพัฒนาการคิดเชิงพื้นที่และจินตนาการ

ดังนั้นการศึกษาโครงสร้างและคุณสมบัติเฉพาะของลูกบาศก์สี่มิติจึงมีความเกี่ยวข้องมาก ควรสังเกตว่าในแง่ของโครงสร้างลูกบาศก์สี่มิติได้รับการศึกษาค่อนข้างดี สิ่งที่น่าสนใจกว่านั้นคือลักษณะของส่วนต่างๆ ของไฮเปอร์เพลนต่างๆ ดังนั้น วัตถุประสงค์หลักของงานนี้คือเพื่อศึกษาโครงสร้างของ tesseract รวมทั้งเพื่อชี้แจงคำถามว่าจะได้รับวัตถุสามมิติอะไรหากลูกบาศก์สี่มิติถูกตัดโดยไฮเปอร์เพลนขนานกับหนึ่งในสามของ ใบหน้าที่มีมิติหรือโดยไฮเปอร์เพลนตั้งฉากกับแนวทแยงหลัก ไฮเปอร์เพลนในสเปซสี่มิติคือสเปซย่อยสามมิติ เราสามารถพูดได้ว่าเส้นตรงบนระนาบคือไฮเปอร์เพลนหนึ่งมิติ ระนาบในพื้นที่สามมิติคือไฮเปอร์เพลนสองมิติ

เป้าหมายที่กำหนดวัตถุประสงค์ของการศึกษา:

1) ศึกษาข้อเท็จจริงพื้นฐานของเรขาคณิตวิเคราะห์หลายมิติ

2) เพื่อศึกษาคุณลักษณะของการสร้างลูกบาศก์ขนาดตั้งแต่ 0 ถึง 3

3) ศึกษาโครงสร้างของลูกบาศก์สี่มิติ

4) อธิบายลูกบาศก์สี่มิติในเชิงวิเคราะห์และเชิงเรขาคณิต

5) สร้างแบบจำลองของการกวาดและการฉายภาพส่วนกลางของลูกบาศก์สามมิติและสี่มิติ

6) การใช้เครื่องมือของเรขาคณิตวิเคราะห์หลายมิติ อธิบายวัตถุสามมิติที่ได้จากการข้ามลูกบาศก์สี่มิติโดยไฮเปอร์เพลนขนานกับหนึ่งในใบหน้าสามมิติของมัน หรือโดยไฮเปอร์เพลนที่ตั้งฉากกับแนวทแยงหลัก

ข้อมูลที่ได้รับในลักษณะนี้จะช่วยให้เข้าใจโครงสร้างของ tesseract ได้ดีขึ้น ตลอดจนเปิดเผยการเปรียบเทียบเชิงลึกในโครงสร้างและคุณสมบัติของลูกบาศก์ในมิติต่างๆ

ส่วนสำคัญ

อันดับแรก เราอธิบายเครื่องมือทางคณิตศาสตร์ที่เราจะใช้ในหลักสูตรการศึกษานี้

1) พิกัดเวกเตอร์: if, แล้ว

2) สมการไฮเปอร์เพลนที่มีเวกเตอร์ปกติดูเหมือนที่นี่

3) เครื่องบินและ จะขนานกันก็ต่อเมื่อ

4) ระยะห่างระหว่างจุดสองจุดถูกกำหนดดังนี้: if, แล้ว

5) สภาพมุมฉากของเวกเตอร์:

ก่อนอื่น มาดูกันว่าสามารถอธิบายลูกบาศก์สี่มิติได้อย่างไร ซึ่งสามารถทำได้สองวิธี - เรขาคณิตและการวิเคราะห์

หากเราพูดถึงวิธีการตั้งค่าทางเรขาคณิต ขอแนะนำให้ทำตามขั้นตอนการสร้างลูกบาศก์โดยเริ่มจากมิติศูนย์ คิวบ์ศูนย์มิติเป็นจุด (โปรดทราบว่าจุดหนึ่งสามารถเล่นบทบาทของลูกบอลศูนย์มิติได้) ต่อไป เราแนะนำมิติแรก (แกน abscissa) และบนแกนที่สอดคล้องกัน เราทำเครื่องหมายจุดสองจุด (ลูกบาศก์ศูนย์สองมิติ) ซึ่งอยู่ห่างจากกัน 1 อัน ผลลัพธ์คือส่วน - ลูกบาศก์หนึ่งมิติ เราทราบทันที ลักษณะเด่น: ขอบเขต (สิ้นสุด) ของคิวบ์หนึ่งมิติ (เซ็กเมนต์) เป็นลูกบาศก์ศูนย์สองลูกบาศก์ (สองจุด) ต่อไป เราแนะนำมิติที่สอง (แกน y) และบนระนาบมาสร้างลูกบาศก์หนึ่งมิติสองอัน (สองเซ็กเมนต์) กัน ปลายของมันอยู่ห่างจากกัน 1 อัน (อันที่จริงหนึ่งในเซกเมนต์เป็นการฉายมุมฉากของอีกอันหนึ่ง) เชื่อมต่อปลายที่สอดคล้องกันของเซ็กเมนต์เราจะได้สี่เหลี่ยม - ลูกบาศก์สองมิติ อีกครั้ง เราสังเกตว่าขอบเขตของลูกบาศก์สองมิติ (สี่เหลี่ยมจัตุรัส) คือลูกบาศก์หนึ่งมิติสี่ก้อน (สี่ส่วน) สุดท้าย เราแนะนำมิติที่สาม (แกนประยุกต์) และสร้างในอวกาศสองช่องสี่เหลี่ยมในลักษณะที่หนึ่งในนั้นเป็นเส้นโครงฉากมุมฉากของอีกช่องหนึ่ง (ในกรณีนี้ จุดยอดที่สอดคล้องกันของสี่เหลี่ยมจัตุรัสอยู่ที่ระยะห่าง 1 จากกันและกัน) เชื่อมต่อจุดยอดที่สอดคล้องกับเซ็กเมนต์ - เราได้ลูกบาศก์สามมิติ เราจะเห็นว่าขอบเขตของลูกบาศก์สามมิติคือลูกบาศก์สองมิติหกอัน (หกสี่เหลี่ยม) โครงสร้างที่อธิบายทำให้สามารถเปิดเผยความสม่ำเสมอต่อไปนี้: ในแต่ละขั้นตอนลูกบาศก์มิติ "เคลื่อนที่ทิ้งร่องรอย" ในนี่คือการวัดที่ระยะ 1 ในขณะที่ทิศทางการเคลื่อนที่ตั้งฉากกับลูกบาศก์ มันเป็นความต่อเนื่องอย่างเป็นทางการของกระบวนการนี้ที่ช่วยให้เรามาถึงแนวคิดของลูกบาศก์สี่มิติ กล่าวคือให้ลูกบาศก์สามมิติเคลื่อนที่ไปในทิศทางของมิติที่สี่ (ตั้งฉากกับลูกบาศก์) ที่ระยะ 1 ทำหน้าที่คล้ายกับก่อนหน้านั่นคือการเชื่อมต่อจุดยอดที่สอดคล้องกันของลูกบาศก์เราจะ รับลูกบาศก์สี่มิติ ควรสังเกตว่าการก่อสร้างดังกล่าวเป็นไปไม่ได้ในเชิงเรขาคณิตในพื้นที่ของเรา (เพราะเป็นแบบสามมิติ) แต่ที่นี่เราไม่พบความขัดแย้งใด ๆ จากมุมมองเชิงตรรกะ ตอนนี้ มาดูคำอธิบายเชิงวิเคราะห์ของลูกบาศก์สี่มิติกัน นอกจากนี้ยังได้รับอย่างเป็นทางการด้วยความช่วยเหลือของการเปรียบเทียบ ดังนั้น, งานวิเคราะห์คิวบ์หน่วยศูนย์มิติมีรูปแบบ:

งานวิเคราะห์ของคิวบ์หน่วยหนึ่งมิติมีรูปแบบดังนี้:

งานวิเคราะห์ของคิวบ์หน่วยสองมิติมีรูปแบบดังนี้:

งานวิเคราะห์ของลูกบาศก์หน่วยสามมิติมีรูปแบบดังนี้

ตอนนี้มันง่ายมากที่จะให้การวิเคราะห์แทนลูกบาศก์สี่มิติ กล่าวคือ:

อย่างที่คุณเห็น ทั้งวิธีทางเรขาคณิตและการวิเคราะห์ในการระบุลูกบาศก์สี่มิติใช้วิธีการเปรียบเทียบ

ทีนี้ โดยใช้อุปกรณ์ของเรขาคณิตวิเคราะห์ เราจะหาว่าลูกบาศก์สี่มิติมีโครงสร้างแบบใด อันดับแรก มาดูกันว่ามีองค์ประกอบใดบ้าง ที่นี่อีกครั้ง คุณสามารถใช้การเปรียบเทียบ (เพื่อนำเสนอสมมติฐาน) ขอบเขตของลูกบาศก์หนึ่งมิติคือจุด (ลูกบาศก์ศูนย์) ของลูกบาศก์สองมิติ - ส่วน (ลูกบาศก์หนึ่งมิติ) ของลูกบาศก์สามมิติ - สี่เหลี่ยม (หน้าสองมิติ) สามารถสันนิษฐานได้ว่าขอบเขตของ tesseract เป็นลูกบาศก์สามมิติ เพื่อที่จะพิสูจน์สิ่งนี้ ให้เราอธิบายให้กระจ่างว่าจุดยอด ขอบ และใบหน้าหมายถึงอะไร จุดยอดของลูกบาศก์คือจุดมุม นั่นคือพิกัดของจุดยอดสามารถเป็นศูนย์หรือหนึ่งได้ ดังนั้น จะพบความสัมพันธ์ระหว่างมิติของลูกบาศก์กับจำนวนจุดยอดของมัน เราใช้กฎผลิตภัณฑ์แบบผสมผสาน - ตั้งแต่จุดยอดลูกบาศก์มีตรงพิกัดซึ่งแต่ละอันมีค่าเท่ากับศูนย์หรือหนึ่ง (โดยไม่คำนึงถึงอื่น ๆ ทั้งหมด) แล้วมียอดเขา ดังนั้นที่จุดยอดใดๆ พิกัดทั้งหมดจะคงที่และสามารถเท่ากับหรือ . หากเราแก้ไขพิกัดทั้งหมด (กำหนดให้แต่ละอันมีค่าเท่ากับหรือ โดยไม่ขึ้นกับอย่างอื่น) ยกเว้นอันหนึ่ง จากนั้นเราจะได้เส้นตรงที่มีขอบของลูกบาศก์ ในทำนองเดียวกันกับก่อนหน้านี้เราสามารถนับได้ว่ามีสิ่งของ. และถ้าตอนนี้เราแก้ไขพิกัดทั้งหมดแล้ว (ตั้งค่าให้แต่ละอันมีค่าเท่ากับหรือ โดยไม่ขึ้นกับอย่างอื่น) ยกเว้นบางอัน เราได้รับระนาบที่มีใบหน้าสองมิติของลูกบาศก์ การใช้กฎของ combinatorics เราพบว่ามีสิ่งของ. นอกจากนี้ในทำนองเดียวกัน - แก้ไขพิกัดทั้งหมด (ตั้งค่าให้แต่ละอันเท่ากับหรือ โดยไม่คำนึงถึงสิ่งอื่น) ยกเว้นบางสาม เราได้ไฮเปอร์เพลนที่มีใบหน้าสามมิติของลูกบาศก์ โดยใช้กฎเดียวกัน เราคำนวณจำนวนของพวกเขา - อย่างแน่นอนเป็นต้น นี้จะเพียงพอสำหรับการศึกษาของเรา ให้เรานำผลลัพธ์ที่ได้ไปใช้กับโครงสร้างของลูกบาศก์สี่มิติ กล่าวคือ ในสูตรที่ได้รับทั้งหมดที่เราตั้งค่า. ดังนั้น ลูกบาศก์สี่มิติจึงมีจุดยอด 16 จุด, ขอบ 32 ขอบ, ใบหน้าสองมิติ 24 หน้า และใบหน้าสามมิติ 8 หน้า เพื่อความชัดเจน เรากำหนดองค์ประกอบทั้งหมดในเชิงวิเคราะห์

จุดยอดของลูกบาศก์สี่มิติ:

ขอบของลูกบาศก์สี่มิติ ():

ใบหน้าสองมิติของลูกบาศก์สี่มิติ (ข้อจำกัดที่คล้ายกัน):

ใบหน้าสามมิติของลูกบาศก์สี่มิติ (ข้อจำกัดที่คล้ายกัน):

เมื่อโครงสร้างของคิวบ์สี่มิติและวิธีการกำหนดคิวบ์ได้รับการอธิบายอย่างครบถ้วนเพียงพอแล้ว เรามาดำเนินการนำไปใช้กัน เป้าหมายหลัก- เพื่อชี้แจงลักษณะของส่วนต่างๆ ของลูกบาศก์ เริ่มจากกรณีเบื้องต้นเมื่อส่วนของลูกบาศก์ขนานกับใบหน้าสามมิติอันใดอันหนึ่ง ตัวอย่างเช่น พิจารณาส่วนของมันโดยไฮเปอร์เพลนขนานกับใบหน้าเป็นที่ทราบกันดีจากเรขาคณิตเชิงวิเคราะห์ว่าส่วนดังกล่าวจะได้รับจากสมการให้เราตั้งค่าส่วนที่เกี่ยวข้องในการวิเคราะห์:

อย่างที่คุณเห็น เราได้รับงานวิเคราะห์สำหรับลูกบาศก์หน่วยสามมิติที่วางอยู่บนไฮเปอร์เพลน

เพื่อสร้างการเปรียบเทียบ เราเขียนส่วนของลูกบาศก์สามมิติโดยระนาบเราได้รับ:

นี่คือสี่เหลี่ยมนอนอยู่ในระนาบ. การเปรียบเทียบนั้นชัดเจน

ส่วนของลูกบาศก์สี่มิติโดยไฮเปอร์เพลนให้ผลลัพธ์เหมือนกันทุกประการ สิ่งเหล่านี้จะเป็นลูกบาศก์สามมิติเดี่ยวที่วางอยู่บนไฮเปอร์เพลนตามลำดับ

ตอนนี้ ให้พิจารณาส่วนของลูกบาศก์สี่มิติโดยไฮเปอร์เพลนที่ตั้งฉากกับเส้นทแยงมุมหลัก มาแก้ปัญหานี้สำหรับลูกบาศก์สามมิติกันก่อน โดยใช้วิธีการข้างต้นในการระบุลูกบาศก์สามมิติหน่วย เขาสรุปว่า ตัวอย่างเช่น ส่วนที่มีปลายสามารถใช้เป็นเส้นทแยงมุมหลักได้และ . ซึ่งหมายความว่าเวกเตอร์ของเส้นทแยงมุมหลักจะมีพิกัด. ดังนั้น สมการของระนาบใดๆ ที่ตั้งฉากกับเส้นทแยงมุมหลักจะเป็นดังนี้

มากำหนดขีดจำกัดของการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์กัน. เพราะ จากนั้น เมื่อบวกอสมการเหล่านี้ทีละเทอม เราจะได้:

หรือ .

ถ้า แล้ว (เนื่องจากข้อจำกัด). ในทำนองเดียวกัน ถ้า, แล้ว . ดังนั้น ที่ และ ที่ ระนาบการตัดและลูกบาศก์มีจุดร่วมเพียงจุดเดียว (และ ตามลำดับ) ทีนี้มาดูสิ่งต่อไปนี้กัน ถ้า(อีกครั้งเนื่องจากข้อจำกัดของตัวแปร) ระนาบที่สอดคล้องกันตัดกันสามหน้าในคราวเดียว เพราะไม่เช่นนั้น ระนาบการตัดจะขนานกับหนึ่งในหน้าเหล่านั้น ซึ่งไม่ใช่กรณีตามเงื่อนไข ถ้าจากนั้นระนาบจะตัดกับหน้าลูกบาศก์ทั้งหมด ถ้าแล้วระนาบตัดหน้า. ให้เรานำเสนอการคำนวณที่เกี่ยวข้อง

อนุญาต แล้วเครื่องบินข้ามเส้นเป็นเส้นตรงอีกด้วย ชายแดน ยิ่งกว่านั้น ขอบ เครื่องบินตัดกันเป็นเส้นตรง, นอกจากนี้

อนุญาต แล้วเครื่องบินข้ามขอบ:

ขอบเป็นเส้นตรงอีกด้วย

ขอบเป็นเส้นตรงอีกด้วย

ขอบเป็นเส้นตรงอีกด้วย

ขอบเป็นเส้นตรงอีกด้วย

ขอบเป็นเส้นตรงอีกด้วย

ขอบเป็นเส้นตรงอีกด้วย

คราวนี้ได้มาหกส่วนโดยมีจุดสิ้นสุดร่วมกันอย่างต่อเนื่อง:

อนุญาต แล้วเครื่องบินข้ามเส้นเป็นเส้นตรงอีกด้วย ขอบ เครื่องบินตัดกันเป็นเส้นตรง, และ . ขอบ เครื่องบินตัดกันเป็นเส้นตรง, นอกจากนี้ . นั่นคือได้สามส่วนที่มีปลายร่วมเป็นคู่:ดังนั้นสำหรับค่าที่ระบุของพารามิเตอร์เครื่องบินจะตัดกับลูกบาศก์ในรูปสามเหลี่ยมปกติที่มีจุดยอด

นี่คือคำอธิบายโดยละเอียดของตัวเลขระนาบที่ได้จากการข้ามลูกบาศก์ด้วยระนาบที่ตั้งฉากกับเส้นทแยงมุมหลัก แนวคิดหลักมีดังนี้ จำเป็นต้องเข้าใจว่าส่วนใดที่ระนาบตัดกัน สิ่งใดที่มันตัดกัน เซตเหล่านี้เชื่อมต่อถึงกันอย่างไร ตัวอย่างเช่น หากปรากฎว่าระนาบตัดกันตรงทั้งสามด้านตามส่วนที่มีปลายคู่ขนานกัน ส่วนนั้นจะเป็นสามเหลี่ยมด้านเท่า (ซึ่งพิสูจน์โดยการนับความยาวของส่วนโดยตรง) จุดยอดที่เป็นปลายเหล่านี้ ของกลุ่ม

การใช้เครื่องมือเดียวกันและแนวคิดเดียวกันในการตรวจสอบส่วนตัดขวาง ข้อเท็จจริงต่อไปนี้สามารถอนุมานได้ในลักษณะเดียวกันทุกประการ:

1) เวกเตอร์ของหนึ่งในเส้นทแยงมุมหลักของลูกบาศก์หน่วยสี่มิติมีพิกัด

2) ไฮเปอร์เพลนใดๆ ที่ตั้งฉากกับเส้นทแยงมุมหลักของลูกบาศก์สี่มิติสามารถเขียนเป็น.

3) ในสมการของไฮเปอร์เพลนซีแคนต์ พารามิเตอร์สามารถเปลี่ยนแปลงได้ตั้งแต่ 0 ถึง 4;

4) ที่และ ไฮเปอร์เพลนซีแคนต์และลูกบาศก์สี่มิติมีจุดร่วมหนึ่งจุด (และ ตามลำดับ);

5) เมื่อไร ในส่วนนี้จะได้รับจัตุรมุขปกติ

6) เมื่อ ในส่วนนี้จะได้รับรูปแปดด้าน

7) เมื่อไร จัตุรมุขปกติจะได้รับในส่วน

ดังนั้นที่นี่ไฮเปอร์เพลนจะตัด tesseract ไปตามระนาบซึ่งเนื่องจากข้อ จำกัด ของตัวแปรจึงมีการจัดสรรพื้นที่สามเหลี่ยม (การเปรียบเทียบ - เครื่องบินข้ามลูกบาศก์ไปตามเส้นตรงซึ่งเนื่องจากข้อ จำกัด ของ ตัวแปร, ส่วนที่ถูกจัดสรร) กรณีที่ 5) ไฮเปอร์เพลนตัดกับใบหน้า tesseract สามมิติสี่หน้า นั่นคือ ได้สามเหลี่ยมสี่รูปที่มีด้านร่วมเป็นคู่ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ ก่อตัวเป็นจัตุรมุข (ตามที่คำนวณได้ - ถูกต้อง) กรณีที่ 6) ไฮเปอร์เพลนตัดกับใบหน้า tesseract สามมิติแปดหน้า นั่นคือ ได้สามเหลี่ยมแปดรูปที่มีด้านร่วมกันอย่างต่อเนื่อง กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ ก่อรูปแปดด้าน กรณีที่ 7) คล้ายกับกรณีที่ 5 อย่างสมบูรณ์)

ให้เราอธิบายสิ่งที่พูดด้วยตัวอย่างเฉพาะ กล่าวคือเราศึกษาส่วนของลูกบาศก์สี่มิติโดยไฮเปอร์เพลนเนื่องจากข้อจำกัดของตัวแปร ไฮเปอร์เพลนนี้ตัดกับใบหน้า 3 มิติต่อไปนี้:ขอบ ตัดกันในระนาบเนื่องจากข้อจำกัดของตัวแปร เราจึงมี:หาพื้นที่สามเหลี่ยมที่มีจุดยอดไกลออกไป,เราได้สามเหลี่ยมที่จุดตัดของไฮเปอร์เพลนที่มีใบหน้าเราได้สามเหลี่ยมที่จุดตัดของไฮเปอร์เพลนที่มีใบหน้าเราได้สามเหลี่ยมดังนั้น จุดยอดของจัตุรมุขจึงมีพิกัดดังนี้. ง่ายต่อการคำนวณ จัตุรมุขนี้ถูกต้องแน่นอน

ข้อสรุป

ดังนั้นในระหว่างการศึกษานี้ ได้ทำการศึกษาข้อเท็จจริงหลักของเรขาคณิตวิเคราะห์หลายมิติ ศึกษาคุณลักษณะของการสร้างลูกบาศก์ของมิติตั้งแต่ 0 ถึง 3 โครงสร้างของลูกบาศก์สี่มิติถูกศึกษา ลูกบาศก์สี่มิติถูกศึกษา อธิบายเชิงวิเคราะห์และเชิงเรขาคณิต แบบจำลองของการพัฒนาและการฉายภาพศูนย์กลางของลูกบาศก์สามมิติและสี่มิติ ลูกบาศก์สามมิติเป็นวัตถุที่อธิบายเชิงวิเคราะห์ซึ่งเป็นผลมาจากจุดตัดของลูกบาศก์สี่มิติโดยไฮเปอร์เพลนขนานกับหนึ่งในสามของลูกบาศก์ ใบหน้าที่มีมิติหรือโดยไฮเปอร์เพลนตั้งฉากกับแนวทแยงหลัก

การศึกษานี้ทำให้สามารถเปิดเผยการเปรียบเทียบเชิงลึกในโครงสร้างและคุณสมบัติของลูกบาศก์ในมิติต่างๆ เทคนิคการเปรียบเทียบที่ใช้สามารถนำไปใช้ในการศึกษาได้ เช่นทรงกลมมิติหรือมิติซิมเพล็กซ์ กล่าวคือทรงกลมมิติสามารถกำหนดเป็นชุดของจุดพื้นที่มิติเท่ากันจากจุดที่กำหนดซึ่งเรียกว่าศูนย์กลางของทรงกลม ไกลออกไป,มิติซิมเพล็กซ์สามารถกำหนดเป็น partพื้นที่มิติ จำกัดด้วยจำนวนขั้นต่ำไฮเปอร์เพลนมิติ ตัวอย่างเช่น ซิมเพล็กซ์หนึ่งมิติคือเซ็กเมนต์ (ส่วนหนึ่งของปริภูมิหนึ่งมิติที่ล้อมรอบด้วยสองจุด), ซิมเพล็กซ์สองมิติคือรูปสามเหลี่ยม (ส่วนหนึ่งของปริภูมิสองมิติที่ล้อมรอบด้วยเส้นตรงสามเส้น), สามมิติ ซิมเพล็กซ์คือจัตุรมุข (ส่วนหนึ่งของอวกาศสามมิติล้อมรอบด้วยเครื่องบินสี่ลำ) ในที่สุด,มิติซิมเพล็กซ์ถูกกำหนดให้เป็น partพื้นที่มิติ จำกัดไฮเปอร์เพลนของมิติ.

โปรดทราบว่าถึงแม้จะมีการใช้ tesseract มากมายในบางพื้นที่ของวิทยาศาสตร์ แต่การศึกษานี้ยังคงเป็นงานวิจัยทางคณิตศาสตร์เป็นส่วนใหญ่

บรรณานุกรม

1) Bugrov Ya.S. , Nikolsky S.M.คณิตศาสตร์ชั้นสูง เล่ม 1 - M .: Drofa, 2005 - 284 p.

2) ควอนตัม ลูกบาศก์สี่มิติ / Duzhin S. , Rubtsov V. , No. 6, 1986

3) ควอนตัม วาดอย่างไร ลูกบาศก์มิติ / Demidovich N.B. , หมายเลข 8, 1974.