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维度·数学漫步_03 四维空间(上)

维度·数学漫步_03 四维空间(上)

作者: Nian糕 | 来源:发表于2018-03-02 00:49 被阅读83次

让我们开启思维的大门,尝试理解四维空间中的规则多面体,在这之前,需要遗忘我们所熟知的世界,并且想象一个我们视觉与感觉都不能直接进入的新世界,就像逃离二维平面的那只蜥蜴一样,在至高点上,把我所看到的试着描绘出来

但在开始之前,我们先在黑板上画出一条直线,并定好原点,这条直线上的每一点,都能用一个数字表示,记为横坐标 x,因此我们说直线是一维的,接着,我们画另一条轴线与第一条轴线垂直,黑板上的每一点都有两个数字来描述,通常记为 x 和 y,即横坐标和纵坐标,像这样的平面就是二维的,粉笔在空间中画出第三条轴线,与另外两条垂直,空间中的任意一点由三个数字表示:x, y 和 z,我们可以跟对于我们世界充满好奇的爬行动物们说,“空间中的一点,不过是三个数字而已”

三维空间

最后,我们试着想象下四维空间,画出第四条轴线与另外三条轴线垂直,我们可以说四维空间中的任意一点只能四个数字 x, y, z, t,但这通过画图是不可能的,所以我们需要尝试使用其他办法,方便我们理解四维空间

有一种方法,就是我们熟知的类推法,这里有一条直线和一个等边三角形,接着是一个规则四面体,我们可以看到直线,三角形和四面体分别有 2 个,3 个和 4 个顶点,因此我们可以试着画出 5 个顶点的图形,并把 5 个顶点两两相接,构成 10 条棱,在四面体中,每三个顶点间都有一个三角面,以此类推,我们可以得到 10 个三角面,而同时,每 4 个顶点之间都可以看成一个四面体,我们会发现这个图形中存在着 5 个四面体,而这个图形就是我们创造出的一个四维物体:4 维单形(4-simplex, 正五胞体)

4-simplex, 正五胞体

现在,我们需要发挥想象,让这个单形在四维空间中旋转起来,毕竟画在黑板上的只是它的投影,旋转时,单形的面将会变得混乱起来,并且相互交错,而这种交错,和从二维的世界里看三维物体旋转的投影时,那些棱也会交错是一样的

旋转的单形

假设,我们让四维空间中的单形,缓慢穿过三维空间,正如之前平面生物看到一个多边形一样,我们也可以看到一个三维多面体出现,然后改变形状,最后消失

穿过三维空间的单形

接下来穿过三维空间的四维物体是超立方体,它是线段,正方形和立方体的推广

穿过三维空间的超立方体

由 12 面体和 20 面体推广出的四维物体,我们这简单称它们为 120 号和 600 号,因为第一个 120 号含有 120 个 12 面体,第二个 600 号则含有 600 个 20 面体

穿过三维空间的120号

我们在这里说四维多面体有 600 个面时,是指三维的面

穿过三维空间的600号

但这种穿过三维空间的方法,很难让我们得到一个很好的几何直觉,所以我们通过阴影投射的方法,来帮助我们理解这些四维物体,下面是一个在四维空间里运动的超立方体,我们可以观赏到它的所有细节,例如,它有 16 个顶点

超立方体

接下来这个,在三维空间里并没有类似物,我们称它为 24 号,是纯粹的四维物体,它包含有 24 个顶点,96 条棱,96 个三角形和 24 个八面体

24号

这个是 120 号的投影,它有 600 个顶点,1200 条棱,有 4 条棱从每个顶点出发,一个完全规则的结构,所有顶点和棱都扮演着同样的角色

120号

而这些四维物体的冠军则是 600 号,它像一个庞大的宏观分子,有 720 条棱和 120 个顶点,有 12 条棱从每个顶点出发

600号

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