Un poliedro es una forma geométrica en tres dimensiones (un sólido geométrico ) que tiene caras planas poligonales que se presentan de acuerdo a segmentos rectos llamados aristas .
La palabra poliedro , que significa con varias caras , proviene de las raíces griegas πολύς ( polys ), "mucho" y ἕδρα ( hedra ), "base", "asiento" o "cara". Un poliedro es un sólido cuyas caras son todas polígonos. Los lados de estos polígonos se denominan aristas. Los extremos de las aristas son puntos llamados vértices.
Como muchos otros conceptos, los griegos introdujeron formalmente la noción de poliedro . Su estudio ocupa un lugar muy significativo en los Elementos de Euclides y, en lo que concierne a las matemáticas, constituyó una de las preocupaciones importantes de Platón .
Sin embargo, basta con contemplar las pirámides para darse cuenta de que esta noción se ha percibido incluso desde épocas anteriores.
Después de Platón, Euclides y Arquímedes en la antigüedad , el estudio de los poliedros ha ocupado muchas mentes buenas de los tiempos modernos, y en particular las de Kepler , Euler , Poincaré , Hilbert , etc.
La definición dada en la introducción puede parecer bastante clara para la mayoría de nosotros. No es para un matemático . Por extraño que parezca, dado que el concepto de poliedro no se refiere a la dimensión del espacio en el que se encuentra, no existe una definición universalmente aceptada de lo que hace "algo" o un poliedro (el meollo del problema proviene de el hecho de que la noción intuitiva de poliedro no sea exactamente la misma dependiendo de si tenemos una superficie o un volumen en la idea).
Para superar esta dificultad, introducimos la noción de simplex . Puede considerarse equivalente al de un poliedro en dimensión 3 y permite generalizaciones a dimensiones superiores. Un poliedro de dimensión es entonces la unión de un conjunto finito de símplex de dimensión tal que cada una de las -faces ( ) de un simplex es un elemento de , y tal que para cualquier par de símplex la intersección es vacía o una -cara común a y .
Así, un simplex representa una definición generalizable de la noción intuitiva de poliedro. Es la unión de sus caras, y la intersección de cualesquiera dos caras de un simplex es vacía o una cara de dimensión . Por ejemplo, un triángulo, que es un 2-simplex, es la unión de segmentos y la intersección de dos segmentos adyacentes es un punto que es un vértice del triángulo.
Por tanto, un poliedro parece estar construido a partir de diferentes tipos de elementos o entidades, presentando un número diferente de dimensiones:
De ello se deduce que el objeto siguiente no es un poliedro en el sentido de esta definición. En efecto, la cara superior de la caja no está limitada por uno sino por dos circuitos de bordes: uno que la limita externamente y otro que la limita internamente.
De manera más general, en matemáticas y otras disciplinas, el término "poliedro" se usa para referirse a una variedad de construcciones relacionadas, algunas geométricas y otras puramente algebraicas o abstractas.
En particular, un politopo es un poliedro convexo y acotado.
En Computational Geometry: An Introduction , Preparata (en) y Shamos (en) definen los poliedros mediante un conjunto finito de polígonos planos de manera que cada borde de un polígono es compartido por otro polígono y cualquier otro subconjunto de polígonos no posee esta propiedad. . Esta definición implica restricciones estrictas: por ejemplo, los poliedros no deben exhibir autointersecciones.
Los poliedros generalmente se nombran de acuerdo con su número de caras. La nomenclatura se basa en el griego clásico. Así tenemos, por ejemplo: tetraedro (4 caras), pentaedro (5 caras), hexaedro (6 caras), heptaedro (7 caras), triacontaedro (30 caras), etc. Este método de designación tiene su equivalente en la nomenclatura de polígonos.
Los bordes tienen dos características importantes (a menos que el poliedro sea complejo ):
Estas dos características son duales .
Se dice que un poliedro es convexo si cualquier punto de cualquier segmento que une dos puntos cualesquiera del poliedro pertenece al poliedro. En otras palabras, un poliedro es convexo si todas sus diagonales están completamente contenidas dentro de su interior. Es posible dar una definición baricéntrica de tal poliedro: es la envolvente convexa de un conjunto finito de puntos no coplanares .
Sea un poliedro. Si notamos:
llamamos a la característica de Euler el número
Para un poliedro convexo , esta característica es siempre igual a 2. Es la relación de Euler
Para cada poliedro, hay un poliedro dual que tiene caras en lugar de los vértices originales y viceversa. En la mayoría de los casos, el dual se puede obtener mediante el proceso de reciprocidad esférica . El dual de un poliedro regular se puede construir uniendo los centros de caras adyacentes.
Un poliedro es una forma tridimensional que consta de un número finito de caras poligonales que son partes de planos ; las caras se encuentran a lo largo de los bordes que son segmentos de la derecha , y los bordes se encuentran en los puntos designados picos. Los cubos , los prismas y las pirámides son ejemplos de poliedros.
Muy a menudo, el poliedro delimita un volumen limitado de espacio tridimensional. En ocasiones, este volumen interior se considera parte del poliedro; otras veces, solo se considera la superficie. Los poliedros tradicionales incluyen los cinco poliedros convexos regulares llamados sólidos platónicos : el tetraedro (4 caras), el cubo (o hexaedro) (6 caras), el octaedro (8 caras), el dodecaedro regular (12 caras) y el icosaedro (20 caras). ). Los otros poliedros tradicionales son los cuatro poliedros regulares no convexos ( sólidos de Kepler-Poinsot ), los trece sólidos convexos de Arquímedes (cuboctaedro, icosidodecaedro, tetraedro truncado, cubo truncado, octaedro truncado, dodecaedro truncado, icosaedro truncado, icosidodecaedro truncado, icosaedro truncado, icosidodecaedro , cubo blando, dodecaedro blando y rombicosidodecaedro) y los 53 poliedros uniformes restantes.
Un poliedro tiene al menos 4 caras, 4 vértices y 6 aristas. El poliedro más pequeño es el tetraedro.
Podemos definir varias clases de poliedros con simetrías particulares:
Llamamos a un sólido uniforme un sólido con todas las caras regulares y todos los vértices idénticos. También lo son todos los sólidos anteriores regulares y semi-regulares. En total son 75, a los que hay que añadir las dos familias infinitas de prismas y antiprismas .
Por supuesto, es fácil torcer tales poliedros de tal manera que ya no sean simétricos. Pero, cuando se da un nombre de poliedro, como icosidodecaedro , siempre está involucrada la geometría más simétrica, a menos que se indique lo contrario.
Los grupos de simetría poliédricos son todos grupos de puntos e incluyen:
Los poliedros simétricos quirales no tienen simetría axial y, por lo tanto, tienen dos formas enantiomórficas que son reflejos entre sí. Los poliedros blandos tienen esta propiedad.
Poliedros regularesUn poliedro regular tiene caras y vértices regulares. El dual de un poliedro regular también es regular.
Partamos de un vértice y tomemos los puntos ubicados a una distancia determinada en cada una de las aristas. Conectamos estos puntos, obtenemos el polígono del vértice . Si este es regular decimos que el top es regular. Un poliedro es regular si consta de todas las caras idénticas y regulares, y todos sus vértices son idénticos. Son nueve, convencionalmente divididos en dos familias:
Los poliedros cuasi regulares son caras regulares de superficie uniforme y borde uniforme . Hay dos convexos:
Los poliedros duales cuasi-regulares tienen un borde uniforme y una cara uniforme (adentro) . Hay dos convexos, en correspondencia con los dos anteriores:
Poliedros semirregulares y sus dualesEl término semi-regular se define de diversas formas. Una definición es "poliedros de vértice uniforme con dos o más tipos de caras poligonales". De hecho, son los poliedros uniformes que no son ni regulares ni cuasi regulares.
Un poliedro es semi-regular si sus caras están formadas por varios tipos de polígonos regulares y todos sus vértices son idénticos. También lo son, por ejemplo , los sólidos de Arquímedes , los prismas regulares y los antiprismas. La terminología no parece estar completamente arreglada. A veces se habla de sólidos semirregulares del primer tipo para designar aquellos de estos sólidos que son convexos , y de sólidos uniformes para el caso general. Los poliedros catalanes son semi-regulares, pero tienen caras idénticas y cimas regulares. A veces se dice que tales poliedros son semi-regulares del segundo tipo .
Los poliedros convexos y sus duales incluyen los conjuntos de:
Uniforme convexo | Convexo doble | Uniforme estrellado | Estrella dual | |
---|---|---|---|---|
Regular | Sólidos platónicos | Sólidos de Kepler-Poinsot | ||
Casi regular | Sólidos de Arquímedes | Sólidos catalanes | (sin nombre especial) | (sin nombre especial) |
Semi-regular | (sin nombre especial) | (sin nombre especial) | ||
Prismas | Diamantes | Prismas de estrella | Diamantes estrella | |
Antiprismas | Trapezoedros | Antiprismas de estrellas | Estrella trapezoedro |
También hay muchos poliedros uniformes no convexos , incluidos ejemplos de varios tipos de prismas.
Poliedros noblesUn poliedro noble (en) es isoédrico (en) (lados iguales) e isogonal (esquinas iguales). Además de los poliedros regulares, hay muchos otros ejemplos.
El dual de un poliedro noble es también un poliedro noble.
Algunas familias de poliedros, donde cada cara es un polígono del mismo tipo:
No existe un poliedro cuyas caras sean todas iguales y que sean polígonos regulares con seis o más lados porque el punto de encuentro de tres hexágonos regulares define un plano. (ver poliedro infinito oblicuo para excepciones).
DeltahedraUn deltaedro es un poliedro cuyas caras son todos triángulos equiláteros. Hay un número infinito de ellos, pero solo ocho son convexos:
Norman Johnson buscó poliedros no uniformes con caras regulares. En 1966 publicó una lista de 92 sólidos convexos, ahora conocidos como sólidos de Johnson , y les dio sus nombres y números. No probó que solo había 92, pero supuso que no había más. Victor Zalgaller (en) en 1969 demostró que la lista de Johnson estaba completa.
Las pirámides son autodual.
Stellations y facetasLa estelación de un poliedro es el proceso de expansión de caras (en sus planos), es decir, se encuentran para formar un nuevo poliedro.
Es el inverso exacto del facetado, que es el proceso de eliminar partes de un poliedro sin crear nuevos vértices. El facetado permite obtener, entre otras cosas, muchos nuevos sólidos cóncavos semirregulares. Construimos nuevas caras regulares agrupando las aristas de un poliedro semi-regular. El más simple es un heptaedro construido a partir del octaedro, que consta de tres caras cuadradas y cuatro caras triangulares.
TruncamientosEs la operación que consiste en cepillar un vértice o una arista. Conserva las simetrías del sólido.
Truncamiento de vérticesEsta operación permite obtener siete de los sólidos de Arquímedes a partir de los sólidos platónicos. En efecto, notamos que al cepillar cada vez más las aristas de un cubo se obtiene sucesivamente el cubo truncado , el cuboctaedro , el octaedro truncado y finalmente el octaedro . También puede seguir esta serie en la otra dirección.
Partiendo del dodecaedro regular, obtenemos el dodecaedro truncado , el icosidodecaedro , el icosaedro truncado (que le da forma al balón de fútbol), luego el octaedro .
El tetraedro da el tetraedro truncado .
Podemos aplicar esta operación al gran dodecaedro o al gran icosaedro y obtener sólidos cóncavos uniformes.
Truncamiento de bordeA partir de un cubo, esta operación da sucesivamente un cuboctaedro , luego un dodecaedro rómbico .
De un dodecaedro regular , obtenemos el icosidodecaedro y luego el triacontaedro rómbico .
Los compuestosLos compuestos poliédricos se forman como compuestos de dos o más poliedros.
Estos compuestos a menudo comparten los mismos vértices que otros poliedros y a menudo se forman por estelación. Algunos se enumeran en la lista de poliedros modelo Wenninger (en) .
ZonohedraUn zonoedro es un poliedro convexo donde cada cara es un polígono con simetría inversa o, equivalentemente, rotaciones de 180 °.
La palabra "poliedro" se ha utilizado para una variedad de objetos con propiedades estructurales similares a los poliedros tradicionales.
Un poliedro complejo (en) es un poliedro que se construye en un espacio de tres dimensiones complejas. Este espacio tiene seis dimensiones: tres dimensiones reales correspondientes al espacio ordinario, con una dimensión imaginaria acompañando a cada una.
Algunos campos de estudio permiten que los poliedros tengan caras y aristas curvas.
Poliedros esféricosLa superficie de una esfera se puede dividir por arcos de círculos grandes (regiones delimitadas llamadas polígonos esféricos ) para formar un poliedro esférico . Este punto de vista es muy adecuado para demostrar gran parte de la teoría de los poliedros simétricos.
Los poliedros curvos llenando el espacioLos dos tipos importantes son:
Más recientemente, los matemáticos han definido un poliedro como un conjunto en un espacio real afín (o euclidiano ) de cualquier dimensión n que tiene lados planos. Se puede definir como la unión de un número finito de poliedros convexos, donde un poliedro convexo es cualquier conjunto que sea la intersección de un número finito de medios espacios . Puede ser acotado o ilimitado. En este sentido, un politopo es un poliedro acotado.
Todos los poliedros tradicionales son poliedros generales, y además, hay ejemplos como:
“ El pecado original en la teoría de los poliedros se remonta a Euclides, luego a través de Kepler, Poinsot , Cauchy , Hess (de) , Brückner… [en esto] que en cada etapa… los autores no lograron definir qué“ son ”poliedros“… ”
. Véase también Grünbaum 2003 .