22
Отрезок, квадрат, куб…
Какая разница между отрезком, квадратом и кубом? Отрезок — часть прямой линии, квадрат — часть плоскости, а куб — часть пространства. А что между ними общего, кроме слова чась в их определении? Оказывается, существует глубокая аналогия в процессе их построения. В самом деле, процесс построения квадрата при заданном отрезке можно, например, описать так:
из концов данного отрезка восставляемем перpendикуляры к нему так, чтобы эти перpendикуляры лежали в одной плоскости; на каждом перpendикуляре по одному сторону от данного отрезка откладываем отрезки псевдины и затем соединием концы получившихся отрезков.
Запишем теперь процесс построения куба при заданном квадрате:
из каждой вершины данного квадрата восставляемем перpendикуляры к плоскости квадрата (мо есть к двум сходящимся в этой вершине сторонам квадрата) так, чтобы эти перpendикуляры находились в одном пространстве; на перpendикулярах по одному сторону от квадрата откладываем отрезки, равные по длине ребра квадрата; через концы этих отрезков проводим прямы, параллельные ребра квадрата (то есть сторим квадрат, параллельный данному).
В этой записи бросается в глаза искусственно и неужность оборота «чимбы эти перpendикуляры находились в одном пространстве»: ведь
наше пространство вообше одно! Но давайте побантируем и опишем процесс еще одного построения:
из каждой вершины данного куба восставляемем перpendикуляры ко всем темем сходящимся в ней ребра (?!) так, чтобы эти перpendикуляры находились в одном пространстве; на этих перpendикулярах по одному сторону от куба (?!) откладываем отрезки, равные по длине ребра куба; через концы этих отрезков проводим прямы, параллельные ребра куба и равные им по длине (мо есть сторим куб, параллельный данному (?!)).
Геометрические такое «построение», конечно, невозможно — хотя бы потому, что в нашем пространстве нельзя проводить более трех попарно перpendикуляры линей. Но логически это рассужждение в полне строюное и приводит к понятию «чемырехмерно» куба (то есть куба, в каждой вершине которого сходятся 4 попарно перpendикулярных ребра). Более того, продолжая описание построения «по индукции», мы приедем к понятию «пятимерного», «шестимерного» и в общем случае — «n-мерного» куба. Согласно этому рассужению, обикновенный куб — «трехмерный», квадрат — «двумерный», а отрезок — «одномерный» куб (рис. 1, 2, 3).
Спрашивается, а существует ли реальные объекты, соответствующие по своим свойствам n-мерному кубу (n=1, 2,…)? Оказывается, существуют; один из таких объектов будет рассмотрен в следующей главе.
23
Таблица вершин n-мерного куба
Отрезок (одномерный куб) имеет два конца (две вершины). Обозначим один из концов цифров 0, а другой — цифрой 1. Получим табл и у вершин отрезка:
0
1
Множество вершин квадрата (двумерного куба) распадается на два подмножества вершин параллельных друг другу сторон. Обозначим соответствующие вершины сторон одинаковыми цифрами (0 или 1); чтобы их отличать друг от друга, добавим слева к обозначенным вершин одной стороны цифру 0, а другой — 1. Таблица вершин квадрата прибретает следующий вид:
00 10
01 11
Аналогично из таблицы вершин квадрата строится табл и у куба:
000 010 100 110
001 011 101 111
Далее — табл и у вершин «четырехмерного» куба:
0000 0010 0100 0110 1000 1010 1100 1110
0001 0011 0101 0111 1001 1011 1101 1111
Процесс построения таких таблиц можно продолжать неограниченно. Эти таблицы и представляют собой алгебраические образы n-мерных кубов; при этом вершине n-мерного куба соответствует некоторый упорядоченный набор из n нулей и единиц, называемых координатами вершины.
Опишем теперь основные свойства вершин и ребер n-мерного куба.
-
На каждом ребре n-мерного куба лежитровно две его вершины; все соответствующие координаты этих вершин одинаковы, за исключением одной: у одного конца ребра она равна 0, а другого — 1. Именно эта координата и характеризует направление ребра.
-
Все ребра одного направления параллельны между собой и перпендикулярны к ребрам любого другого направления.
-
Число различных направлений равно n. Все они описываются базисными ребрами, соединяющими вершину 00… 0 с вершинами
00 . . . 01
00 . . . 10
.
.
01 . . . 00
10 . . . 00
- Из любой вершины n-мерного куба выходитровно n ребер. Все они попарно перпендикулярны между собой.
Для n=1, 2, 3 указаны свойства проверяются непосредственно (проверьте!). Для n>3 описанные свойства вершин и ребер куба мы будем построировать (убедиться в их внутренней непротиворечности предоставляем вам самим).
24
Паралельное проектирование
Наряду с реализным чисто алгебраическим образом — таблицей вершин — -мерному кубу можно поставить в соответствии и реализный чисто геометрический образ — чертеж.
На рисунке 1 изображен чертеж куба. Отметим следующие его свойства:
- Паралельные ребра куба остаются паралельными и на чертеже.
- Перпендикулярные ребра куба на чертеже не паралельны.
- Разные вершины куба на чертеже не слияют в одну.
Иными словами, чертеж куба представляется собой как тыльь, падающий на горизонтальной площадку от освещения проводной модели куба космии паралельными лучами света, не лежащими в плоскости ни одной из границ.
Оказывается, если подобное паралельное проектирование применить к кубу любой размерности , то получится плоский чертеж -мерного куба, обладающий третья указанным выше свойствами. Но прежде чем доказыть это, посчитаем
Сколько же вершин -мерного куба?
Пусть — произвольная вершина куба с координатами . Так как равно либоную, либо единце, то мы можем координаты этой вершины рассматривать как двойное представление некоторого числа :
(тогда двойная запись имеет вид:
Вершинам -мерного куба соответствует всевозможные наборы нуля и единиц (); каждому же takому набору соответствует полне определенное число ; число получается из числа по следующему правилу: все правые разряды , подряд являющиеся единичными, заменяются на нулы, перный справа нульевой (или отсутствующий) разряд — на единицу, а остальные (если они есть) остаются без изменения. Представим, например, в двойной системе числа 0, 1, 2,…, 15:
Легко видеть, что число в двойной системе числения представляется в виде единиц с нулями, а число — набором из единиц. Значит, существует различных двойных чисел (от нуля до ) разрядности не выше ; следовательно, число вершин -мерного куба также равно .
Попробуем теперь построить
Чертеж -мерного куба
Проведем на плоскости две прямые линей под углом друг к другу — насовет их основь ми. Отложим на одной из них (назовем ее первой) по одну сторону от точки пересечения раз масштаб , а в второй — раз масштаб (рис. 4, ). Понумеруем концы масштабных отрезков на первой линей числа
а на второй — числа
Через конец каждой масштабного отрезка проведем прямую линей, паралельную другой основной линей. Получим координату сетку. Каждому узлу этой сетки поставим в соответствие пару целых чисел — координаты узла вдоль первой и второго направления (точка пересечения ос-
25
Рис. 4: — куб четырехмерный; — куб пятимерный
новых линей имеет координаты ). Вершину куба с координатами помещим в узел образованшейся сетки с косоугольными координатами
Таким образом, первая косоугольная координата узла, которую
мы изобраем вершину куба, равна номеру этой вершины, а вторая — ее вес (то есть суммарному количество единиц координат вершины).
Если две вершины -мерного куба отличаются лишь одной координатой, то соответствующие им изобрания вершин на косоугольной координатной сетке соединим отрезком прямой — этот отрезок будет служить изобранием ребра нашего куба.
На этом построение чертежа -мерного куба заканчивается (на рисун-
26
ке 4, а изображен чертеж четырехмерного куба, а на рисунке 4, б—пятимерного куба). Чтобы убедиться в том, что и в общем (n-мерном) случае чертеж n-мерного куба представляется собой результат параллельного проектирования куба на плоскость, проверим
При свойства чертежа
Свойство 3), очевидно, выполняется: разным вершинам соответствуют разные номера, а потому их изображения имеют разные первыые координаты, и, следовательно, не совпадают.
Проверим теперь свойство 1) — сохранение параллельности ребер. Возьмем любые два параллельные ребра куба. Обозначим координаты вершин первого ребра через и :
а координаты вершин второго ребра — через и :
Направление ребра здесь характеризуется -й координатой.
Имеем:
Не нарушая общности, можно считать, что
Рассмотрим теперь изображения этих четырехмерных на коорудальной координатной сетке. Проведем через образы вершин и прямы, параллельные первому коорудному направлению, а через образы вершин и — прямы, параллельные второму направлению (рис. 5). Точки пересечения этих прямых обозначаем через и соответственно. Получаем два треугольника: и . Вычисляем длину сторон — по построению она равна modulo разности первых коорудных координат вершин и :
Длина сторон также равна . Длина второй стороны треугольника