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Poliedro toroidal

Se puede construir un toro poliédrico para aproximarse a una superficie de toro, a partir de una red de caras cuadriláteras, como este ejemplo de 6x4.

En geometría , un poliedro toroidal es un poliedro que también es un toroide (un toro con g -agujeros ), que tiene un género topológico ( g ) igual o mayor a 1. Ejemplos notables incluyen los poliedros de Császár y Szilassi .

Variaciones en la definición

Los poliedros toroidales se definen como conjuntos de polígonos que se encuentran en sus aristas y vértices, formando una variedad a medida que lo hacen. Es decir, cada arista debe ser compartida por exactamente dos polígonos, y en cada vértice las aristas y caras que se encuentran en el vértice deben estar unidas entre sí en un solo ciclo de aristas y caras alternadas, el vínculo del vértice. Para los poliedros toroidales, esta variedad es una superficie orientable . [1] Algunos autores restringen la frase "poliedros toroidales" para significar más específicamente poliedros topológicamente equivalentes al toro (género 1) . [2]

En este ámbito, es importante distinguir los poliedros toroidales incrustados , cuyas caras son polígonos planos en el espacio euclidiano tridimensional que no se cruzan entre sí ni entre sí, de los poliedros abstractos , superficies topológicas sin ninguna realización geométrica especificada. [3] Intermedios entre estos dos extremos están los poliedros formados por polígonos geométricos o polígonos estrellados en el espacio euclidiano a los que se les permite cruzarse entre sí.

En todos estos casos, la naturaleza toroidal de un poliedro se puede verificar por su orientabilidad y por el hecho de que su característica de Euler no es positiva. La característica de Euler se generaliza a VE + F = 2 − 2 g , donde g es su género topológico.

Poliedros de Császár y Szilassi

Dos de los poliedros toroidales incrustados más simples posibles son los poliedros de Császár y Szilassi.

El poliedro de Császár es un poliedro toroidal de siete vértices con 21 aristas y 14 caras triangulares. [6] Este y el tetraedro son los únicos poliedros conocidos en los que cada segmento de línea posible que conecta dos vértices forma una arista del poliedro. [7] Su dual, el poliedro de Szilassi , tiene siete caras hexagonales que son todas adyacentes entre sí, [8] proporcionando así la mitad de existencia del teorema de que el número máximo de colores necesarios para una función en un toro (género uno) es siete. [9]

El poliedro de Császár tiene el menor número de vértices posibles de cualquier poliedro toroidal incrustado, y el poliedro de Szilassi tiene el menor número de caras posibles de cualquier poliedro toroidal incrustado.

Deltaedro toroidal de Conway

Deltaedro toroidal de Conway
Deltaedro toroidal de Conway

En 1997, John H. Conway describió un deltaedro toroidal que contiene 18 vértices y 36 caras. Algunas caras adyacentes son coplanares . Conway sugirió que debería ser el toroide deltaédrico con la menor cantidad posible de caras. [10]

Toroides de Stewart

Una categoría especial de poliedros toroidales se construyen exclusivamente con caras de polígonos regulares , sin cruces, y con una restricción adicional de que las caras adyacentes no pueden estar en el mismo plano unas con otras. Estos se llaman toroides de Stewart , [11] llamados así por Bonnie Stewart , quien los estudió intensivamente. [12] Son análogos a los sólidos de Johnson en el caso de poliedros convexos ; sin embargo, a diferencia de los sólidos de Johnson, hay infinitos toroides de Stewart. [13] También incluyen deltaedros toroidales , poliedros cuyas caras son todas triángulos equiláteros.

Una clase restringida de toroides de Stewart, también definidos por Stewart, son los poliedros toroidales cuasi-convexos . Estos son toroides de Stewart que incluyen todos los bordes de sus envolturas convexas . Para un poliedro de este tipo, cada cara de la envoltura convexa se encuentra en la superficie del toroide o es un polígono cuyos bordes se encuentran todos en la superficie del toroide. [14]

Poliedros autocruzados

Un poliedro formado por un sistema de polígonos que se cruzan corresponde a una variedad topológica abstracta formada por sus polígonos y su sistema de aristas y vértices compartidos, y el género del poliedro puede determinarse a partir de esta variedad abstracta. Algunos ejemplos son el octahemioctaedro de género 1, el pequeño cubicuboctaedro de género 3 y el gran dodecaedro de género 4 .

Poliedros de corona

Estefanoide pentagonal. Este estefanoide tiene simetría diedra pentagonal y tiene los mismos vértices que el prisma pentagonal uniforme .

Un poliedro corona o estefanoide es un poliedro toroidal que también es noble , siendo a la vez isogonal (vértices iguales) e isoédrico (caras iguales). Los poliedros corona son autointersecantes y topológicamente autoduales . [15]

Véase también

Referencias

  1. ^ Whiteley (1979); Stewart (1980), pág. 15.
  2. ^ Webber, William T. (1997), "Poliedros idemvalentes monoédricos que son toroides", Geometriae Dedicata , 67 (1): 31–44, doi :10.1023/A:1004997029852, MR  1468859, S2CID  117884274.
  3. ^ Whiteley, Walter (1979), "Realizabilidad de poliedros" (PDF) , Topología estructural (1): 46–58, 73, MR  0621628.
  4. ^ Ákos Császár, Un poliedro sin diagonales., Instituto Bolyai, Universidad de Szeged, 1949
  5. ^ Grünbaum, Branko ; Szilassi, Lajos (2009), "Realizaciones geométricas de complejos toroidales especiales", Contribuciones a las matemáticas discretas , 4 (1): 21–39, doi : 10.11575/cdm.v4i1.61986 , ISSN  1715-0868
  6. ^ Császár, A. (1949), "Un poliedro sin diagonales", Acta Sci. Matemáticas. Szeged , 13 : 140-142.
  7. ^ Ziegler, Günter M. (2008), "Superficies poliédricas de alto género", en Bobenko, AI; Schröder, P.; Sullivan, JM ; Ziegler, GM (eds.), Geometría diferencial discreta , Seminarios de Oberwolfach, vol. 38, Springer-Verlag, págs. 191–213, arXiv : math.MG/0412093 , doi : 10.1007/978-3-7643-8621-4_10, ISBN 978-3-7643-8620-7, Número de identificación del sujeto  15911143.
  8. ^ Szilassi, Lajos (1986), "Toroides regulares", Topología estructural , 13 : 69–80, hdl : 2099/1038.
  9. ^ Heawood, PJ (1890), "Teoremas de coloración de mapas", Quarterly Journal of Mathematics , Primera serie, 24 : 322–339
  10. ^ Conway, John, "Poliedros de género positivo", grupo Usenet geometry.research; véanse los mensajes con fecha "23 de septiembre de 1997, 12:00:00 AM" que anuncian el deltaedro toroidal, y "25 de septiembre de 1997, 12:00:00 AM" que describen su construcción. A diferencia de los toroides de § Stewart, tiene triángulos adyacentes coplanares, pero por lo demás se parece a un deltaedro toroidal con más caras descrito por Stewart (1980), pág. 60.
  11. ^ Webb, Robert (2000), "Stella: navegante de poliedros", Simetría: cultura y ciencia , 11 (1–4): 231–268, MR  2001419.
  12. ^ Stewart, BM (1980), Aventuras entre los toroides: un estudio de poliedros orientables con caras regulares (2.ª ed.), BM Stewart, ISBN 978-0-686-11936-4.
  13. ^ Stewart (1980), pág. 15.
  14. ^ Stewart (1980), "Cuasi-convexidad y cuasi-convexidad débil", págs. 76-79.
  15. ^ Grünbaum, Branko (1994), "Poliedros con caras huecas", Polytopes: Abstract, Convex and Computational , NATO ASI Series C: Mathematical and Physical Series, vol. 440, Kluwer Academic Publishers, págs. 43–70, doi :10.1007/978-94-011-0924-6_3. Véase en particular la pág. 60.

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