En geometría , un politopo complejo es una generalización de un politopo en el espacio real a una estructura análoga en un espacio de Hilbert complejo , donde cada dimensión real está acompañada por una imaginaria .
Un politopo complejo puede entenderse como una colección de puntos, líneas, planos, etc. complejos, donde cada punto es la unión de múltiples líneas, cada línea de múltiples planos, y así sucesivamente.
Sólo existen definiciones precisas para los politopos complejos regulares, que son configuraciones . Los politopos complejos regulares han sido completamente caracterizados y pueden describirse utilizando una notación simbólica desarrollada por Coxeter .
También se han descrito algunos politopos complejos que no son totalmente regulares.
La línea compleja tiene una dimensión con coordenadas reales y otra con coordenadas imaginarias . Se dice que al aplicar coordenadas reales a ambas dimensiones se obtienen dos dimensiones sobre los números reales. Un plano real, con el eje imaginario etiquetado como tal, se denomina diagrama de Argand . Por eso, a veces se lo denomina plano complejo. El espacio complejo de 2 dimensiones (también llamado a veces plano complejo) es, por tanto, un espacio de cuatro dimensiones sobre los números reales, y así sucesivamente en dimensiones superiores.
Un politopo complejo n en un espacio n complejo es el análogo de un politopo real n en un espacio n real . Sin embargo, no existe un análogo complejo natural del ordenamiento de los puntos en una línea real (ni de las propiedades combinatorias asociadas). Por ello, un politopo complejo no puede verse como una superficie contigua y no limita un interior como lo hace un politopo real.
En el caso de los politopos regulares , se puede hacer una definición precisa utilizando la noción de simetría. Para cualquier politopo regular , el grupo de simetría (aquí un grupo de reflexión complejo , llamado grupo de Shephard ) actúa transitivamente sobre los flags , es decir, sobre las sucesiones anidadas de un punto contenido en una línea contenida en un plano, y así sucesivamente.
De manera más completa, digamos que una colección P de subespacios afines (o planos ) de un espacio unitario complejo V de dimensión n es un politopo complejo regular si cumple las siguientes condiciones: [1] [2]
(Aquí, un plano de dimensión −1 se toma como el conjunto vacío.) Por lo tanto, por definición, los politopos complejos regulares son configuraciones en el espacio unitario complejo.
Los politopos complejos regulares fueron descubiertos por Shephard (1952) y la teoría fue desarrollada posteriormente por Coxeter (1974).
Un politopo complejo existe en el espacio complejo de dimensión equivalente. Por ejemplo, los vértices de un polígono complejo son puntos en el plano complejo (un plano en el que cada punto tiene dos números complejos como coordenadas, que no debe confundirse con el plano de Argand de números complejos), y las aristas son líneas complejas que existen como subespacios (afines) del plano y se intersecan en los vértices. Por lo tanto, como espacio complejo unidimensional, a una arista se le puede dar su propio sistema de coordenadas, dentro del cual los puntos de la arista están representados cada uno por un solo número complejo.
En un politopo complejo regular, los vértices incidentes en la arista están dispuestos simétricamente respecto de su centroide , que a menudo se utiliza como el origen del sistema de coordenadas de la arista (en el caso real, el centroide es simplemente el punto medio de la arista). La simetría surge de una reflexión compleja sobre el centroide; esta reflexión dejará la magnitud de cualquier vértice sin cambios, pero cambiará su argumento en una cantidad fija, moviéndolo a las coordenadas del siguiente vértice en orden. Por lo tanto, podemos suponer (después de una elección adecuada de la escala) que los vértices en la arista satisfacen la ecuación donde p es el número de vértices incidentes. Por lo tanto, en el diagrama de Argand de la arista, los puntos de vértice se encuentran en los vértices de un polígono regular centrado en el origen.
Arriba se ilustran tres proyecciones reales del polígono complejo regular 4{4}2, con aristas a, b, c, d, e, f, g, h . Tiene 16 vértices, que para mayor claridad no se han marcado individualmente. Cada arista tiene cuatro vértices y cada vértice se encuentra sobre dos aristas, por lo tanto, cada arista se encuentra con otras cuatro aristas. En el primer diagrama, cada arista está representada por un cuadrado. Los lados del cuadrado no son partes del polígono, sino que se dibujan simplemente para ayudar a relacionar visualmente los cuatro vértices. Las aristas están dispuestas simétricamente. (Obsérvese que el diagrama parece similar a la proyección del plano de Coxeter B 4 del teseracto , pero es estructuralmente diferente).
El diagrama central abandona la simetría octogonal en favor de la claridad. Cada arista se muestra como una línea real y cada punto de encuentro de dos líneas es un vértice. La conectividad entre las distintas aristas es evidente.
El último diagrama da una idea de la estructura proyectada en tres dimensiones: los dos cubos de vértices son de hecho del mismo tamaño, pero se ven en perspectiva a diferentes distancias en la cuarta dimensión.
Un politopo unidimensional real existe como un segmento cerrado en la línea real , definido por sus dos puntos finales o vértices en la línea. Su símbolo de Schläfli es {} .
De manera análoga, un politopo 1 complejo existe como un conjunto de p puntos de vértice en la línea compleja . Estos pueden representarse como un conjunto de puntos en un diagrama de Argand ( x , y )= x + iy . Un politopo regular complejo unidimensional p {} tiene p ( p ≥ 2) puntos de vértice dispuestos para formar un polígono regular convexo { p } en el plano de Argand. [4]
A diferencia de los puntos de la línea real, los puntos de la línea compleja no tienen un orden natural. Por lo tanto, a diferencia de los politopos reales, no se puede definir ningún interior. [5] A pesar de esto, los 1-politopos complejos a menudo se dibujan, como aquí, como un polígono regular acotado en el plano de Argand.
Un politopo real regular unidimensional se representa mediante un símbolo de Schläfli vacío {}, o diagrama de Coxeter-Dynkin El punto o nodo del diagrama de Coxeter-Dynkin representa en sí mismo un generador de reflexión, mientras que el círculo alrededor del nodo significa que el punto generador no está en la reflexión, por lo que su imagen reflejada es un punto distinto de sí mismo. Por extensión, un politopo regular complejo unidimensional en tiene diagrama de Coxeter-Dynkin , para cualquier entero positivo p , 2 o mayor, que contenga p vértices. p se puede suprimir si es 2. También se puede representar mediante un símbolo de Schläfli vacío p {}, } p {, {} p o p {2} 1 . El 1 es un marcador de posición de notación, que representa una reflexión inexistente o un generador de identidad de período 1. (Un politopo 0, real o complejo es un punto y se representa como } { o 1 {2} 1 ).
La simetría se denota mediante el diagrama de Coxeter. , y puede describirse alternativamente en notación de Coxeter como p [], [] p o ] p [, p [2] 1 o p [1] p . La simetría es isomorfa al grupo cíclico , orden p . [6] Los subgrupos de p [] son cualquier divisor entero d , d [], donde d ≥2.
Un generador de operador unitario parase ve como una rotación de 2π/ p radianes en sentido antihorario y unaEl borde se crea mediante aplicaciones secuenciales de una única reflexión unitaria. Un generador de reflexión unitaria para un 1-politopo con p vértices es e 2π i / p = cos(2π/ p ) + i sin(2π/ p ) . Cuando p = 2, el generador es e π i = –1, lo mismo que una reflexión puntual en el plano real.
En politopos de mayor complejidad, los politopos 1 forman aristas p . Una arista 2 es similar a una arista real ordinaria, en el sentido de que contiene dos vértices, pero no necesita existir en una línea real.
Mientras que los 1-politopos pueden tener p ilimitados , los polígonos complejos regulares finitos, excluyendo los polígonos de prisma doble p {4} 2 , están limitados a elementos de 5 aristas (aristas pentagonales), y los apeirógonos regulares infinitos también incluyen elementos de 6 aristas (aristas hexagonales).
Shephard ideó originalmente una forma modificada de la notación de Schläfli para politopos regulares. Para un polígono delimitado por p 1 -aristas, con un p 2 -conjunto como figura de vértice y un grupo de simetría general de orden g , denotamos el polígono como p 1 ( g ) p 2 .
El número de vértices V es entonces g / p 2 y el número de aristas E es g / p 1 .
El polígono complejo ilustrado arriba tiene ocho aristas cuadradas ( p 1 = 4) y dieciséis vértices ( p 2 = 2). De esto podemos deducir que g = 32, lo que da el símbolo de Schläfli modificado 4(32)2.
Una notación más moderna p 1 { q } p 2 se debe a Coxeter , [7] y se basa en la teoría de grupos. Como grupo de simetría, su símbolo es p 1 [ q ] p 2 .
El grupo de simetría p 1 [ q ] p 2 está representado por 2 generadores R 1 , R 2 , donde: R 1 p 1 = R 2 p 2 = I. Si q es par, (R 2 R 1 ) q /2 = (R 1 R 2 ) q /2 . Si q es impar, (R 2 R 1 ) (q−1)/2 R 2 = (R 1 R 2 ) ( q −1)/2 R 1 . Cuando q es impar, p 1 = p 2 .
Para 4 [4] 2 tiene R 1 4 = R 2 2 = I, (R 2 R 1 ) 2 = (R 1 R 2 ) 2 .
Para 3 [5] 3 tiene R 1 3 = R 2 3 = I, (R 2 R 1 ) 2 R 2 = (R 1 R 2 ) 2 R 1 .
Coxeter también generalizó el uso de los diagramas de Coxeter-Dynkin a politopos complejos, por ejemplo, el polígono complejo p { q } r se representa mediantey el grupo de simetría equivalente, p [ q ] r , es un diagrama sin anilloLos nodos p y r representan espejos que producen imágenes p y r en el plano. Los nodos sin etiquetar en un diagrama tienen etiquetas 2 implícitas. Por ejemplo, un polígono regular real es 2 { q } 2 o { q } o.
Una limitación: los nodos conectados por órdenes de ramificación impares deben tener órdenes de nodos idénticos. Si no es así, el grupo creará polígonos "estrellados", con elementos superpuestos.yson ordinarios, mientrasEstá estrellado.
Coxeter enumeró esta lista de polígonos complejos regulares en . Un polígono complejo regular, p { q } r o, tiene p -aristas y r -figuras de vértices gonales . p { q } r es un politopo finito si ( p + r ) q > pr ( q -2).
Su simetría se escribe como p [ q ] r , llamado grupo de Shephard , análogo a un grupo de Coxeter , aunque también permite reflexiones unitarias .
Para los grupos no estelares, el orden del grupo p [ q ] r se puede calcular como . [9]
El número de Coxeter para p [ q ] r es , por lo que el orden del grupo también se puede calcular como . Se puede dibujar un polígono complejo regular en proyección ortogonal con simetría h -gonal.
Las soluciones de rango 2 que generan polígonos complejos son:
Las soluciones excluidas con q impar y p y r desiguales son: 6 [3] 2 , 6 [3] 3 , 9 [3] 3 , 12 [3] 3 , ..., 5 [5] 2 , 6 [ 5] 2 , 8 [5] 2 , 9 [5] 2 , 4 [7] 2 , 9 [5] 2 , 3 [9] 2 y 3 [11] 2 .
Otros q enteros con p y r desiguales , crean grupos estrellados con dominios fundamentales superpuestos:,,,,, y.
El polígono dual de p { q } r es r { q } p . Un polígono de la forma p { q } p es autodual. Los grupos de la forma p [2 q ] 2 tienen una semisimetría p [ q ] p , por lo que un polígono regulares lo mismo que cuasirregular. Además, polígono regular con el mismo orden de nodos,, tienen una construcción alternada, permitiendo que los bordes adyacentes sean de dos colores diferentes. [10]
El orden de grupo, g , se utiliza para calcular el número total de vértices y aristas. Tendrá g / r vértices y g / p aristas. Cuando p = r , el número de vértices y aristas es igual. Esta condición es necesaria cuando q es impar.
El grupo p [ q ] r ,, se puede representar mediante dos matrices: [11]
Con
Coxeter enumeró los polígonos complejos en la Tabla III de Politopos complejos regulares. [12]
Los polígonos de la forma p {2 r } q se pueden visualizar mediante q conjuntos de colores de p -aristas. Cada p -arista se ve como un polígono regular, aunque no hay caras.
Los polígonos de la forma 2 {4} q se denominan ortoplexos generalizados . Comparten vértices con las duopirámides 4D q - q , vértices conectados por 2 aristas.
Los polígonos de la forma p {4} 2 se denominan hipercubos generalizados (cuadrados para polígonos). Comparten vértices con los duoprismas 4D p - p , vértices conectados por p-aristas. Los vértices se dibujan en verde y las p -aristas se dibujan en colores alternos, rojo y azul. La perspectiva se distorsiona ligeramente para las dimensiones impares para mover los vértices superpuestos desde el centro.
Los polígonos de la forma p { r } p tienen el mismo número de vértices y aristas. También son autoduales.
En general, un politopo complejo regular se representa por Coxeter como p { z 1 } q {z 2 } r {z 3 } s ... o diagrama de Coxeter..., que tiene simetría p [ z 1 ] q [ z 2 ] r [ z 3 ] s ... o.... [20]
Existen infinitas familias de politopos complejos regulares que se dan en todas las dimensiones, generalizando los hipercubos y politopos cruzados en el espacio real. El "ortótopo generalizado" de Shephard generaliza el hipercubo; su símbolo es γ.pn
= p {4} 2 {3} 2 ... 2 {3} 2 y diagrama...Su grupo de simetría tiene el diagrama p [4] 2 [3] 2 ... 2 [3] 2 ; en la clasificación de Shephard–Todd, este es el grupo G( p , 1, n ) que generaliza las matrices de permutación con signo. Su politopo regular dual, el "politopo cruzado generalizado", se representa con el símbolo βpn
= 2 {3} 2 {3} 2 ... 2 {4} p y diagrama.... [21]
Un politopo complejo regular unidimensional se representa como, que tiene p vértices, y su representación real es un polígono regular , { p }. Coxeter también le da el símbolo γpág.
1o βpág.
1como hipercubo generalizado unidimensional o politopo cruzado. Su simetría es p [] o, un grupo cíclico de orden p . En un politopo superior, p {} orepresenta un elemento de borde p , con un borde 2, {} o, que representa un borde real ordinario entre dos vértices. [21]
Un politopo complejo dual se construye intercambiando k y ( n -1- k )-elementos de un n -politopo. Por ejemplo, un polígono complejo dual tiene vértices centrados en cada arista, y las nuevas aristas están centradas en los vértices antiguos. Un vértice de v -valencia crea una nueva arista v , y las aristas e se convierten en vértices de e -valencia. [22] El dual de un politopo complejo regular tiene un símbolo invertido. Los politopos complejos regulares con símbolos simétricos, es decir , p { q } p , p { q } r { q } p , p { q } r { s } r { q } p , etc. son autoduales .
Coxeter enumeró esta lista de poliedros complejos regulares no estelares en , incluidos los 5 sólidos platónicos en . [23]
Un poliedro complejo regular, p { n 1 } q { n 2 } r o, tienecaras,bordes, y figuras de vértice .
Un poliedro regular complejo p { n 1 } q { n 2 } r requiere que tanto g 1 = order( p [ n 1 ] q ) como g 2 = order( q [ n 2 ] r ) sean finitos.
Dado g = orden ( p [ n 1 ] q [ n 2 ] r ), el número de vértices es g / g 2 , y el número de caras es g / g 1 . El número de aristas es g / pr .
Los octaedros generalizados tienen una construcción regular comoy forma cuasirregular como. Todos los elementos son símplex .
Los cubos generalizados tienen una construcción regular comoy construcción prismática como, un producto de tres 1-politopos p -gonales. Los elementos son cubos generalizados de menor dimensión.
Coxeter enumeró esta lista de 4-politopos complejos regulares no estelares en , incluidos los 6 4-politopos regulares convexos en . [23]
Los 4-ortoplex generalizados tienen una construcción regular comoy forma cuasirregular como. Todos los elementos son símplex .
Los teseractos generalizados tienen una construcción regular comoy construcción prismática como, un producto de cuatro 1-politopos p- gonales. Los elementos son cubos generalizados de menor dimensión.
Los politopos complejos regulares de 5 o más dígitos existen en tres familias: los símplex reales y los hipercubos generalizados y ortoplex .
Los 5-ortoplexes generalizados tienen una construcción regular comoy forma cuasirregular como. Todos los elementos son símplex .
Los 5-cubos generalizados tienen una construcción regular comoy construcción prismática como, un producto de cinco 1-politopos p- gonales. Los elementos son cubos generalizados de menor dimensión.
Los 6-ortoplexes generalizados tienen una construcción regular comoy forma cuasirregular como. Todos los elementos son símplex .
Los 6 cubos generalizados tienen una construcción regular comoy construcción prismática como, un producto de seis 1-politopos p- gonales. Los elementos son cubos generalizados de menor dimensión.
Coxeter enumeró esta lista de apeirótopos o panales complejos regulares no estelares. [28]
Para cada dimensión hay 12 apeirótopos simbolizados como δp , rn
+1existe en cualquier dimensión , o si p = q = 2. Coxeter los llama panales cúbicos generalizados para n > 2. [29]
Cada uno tiene recuentos de elementos proporcionales dados como:
El único 1-politopo complejo regular es ∞ {}, oSu representación real es un apeirógono , {∞}, o.
Los apeirógonos complejos de rango 2 tienen simetría p [ q ] r , donde 1/ p + 2/ q + 1/ r = 1. Coxeter los expresa como δp , r
2donde q está restringido a satisfacer q = 2/(1 – ( p + r )/ pr ) . [30]
Hay 8 soluciones:
Hay dos soluciones excluidas, q impar y p y r desiguales : 10 [5] 2 y 12 [3] 4 , o y .
Un apeirógono complejo regular p { q } r tiene p -aristas y figuras de vértices r -gonales. El apeirógono dual de p { q } r es r { q } p . Un apeirógono de la forma p { q } p es autodual. Los grupos de la forma p [2 q ] 2 tienen una semisimetría p [ q ] p , por lo que un apeirógono regulares lo mismo que cuasirregular. [31]
Los apeirógonos se pueden representar en el plano de Argand y comparten cuatro disposiciones de vértices diferentes. Los apeirógonos de la forma 2 { q } r tienen una disposición de vértices como { q /2, p }. La forma p { q } 2 tiene una disposición de vértices como r{ p , q /2}. Los apeirógonos de la forma p {4} r tienen disposiciones de vértices { p , r }.
Incluyendo nodos afines, y , hay 3 soluciones infinitas más: ∞ [2] ∞ , ∞ [4] 2 , ∞ [3] 3 , y,, yEl primero es un subgrupo de índice 2 del segundo. Los vértices de estos apeirógonos existen en .
Existen 22 apeiroedros complejos regulares de la forma p { a } q { b } r . 8 son autoduales ( p = r y a = b ), mientras que 14 existen como pares de politopos duales. Tres son completamente reales ( p = q = r =2).
Coxeter simboliza a 12 de ellos como δp , r
3o p {4} 2 {4} r es la forma regular del producto aperiótopo δp , r
2× δp , r
2o p { q } r × p { q } r , donde q se determina a partir de p y r .
es lo mismo que, así como, para p , r = 2,3,4,6. También=. [33]
Hay 16 aperiótopos complejos regulares en . Coxeter expresa 12 de ellos mediante δp , r
3donde q está restringido a satisfacer q = 2/(1 – ( p + r )/ pr ) . Estos también pueden descomponerse como aperiótopos de producto:=El primer caso es el panal cúbico .
There are 15 regular complex apeirotopes in . Coxeter expresses 12 of them by δp,r
4 where q is constrained to satisfy q = 2/(1 – (p + r)/pr). These can also be decomposed as product apeirotopes: = . The first case is the tesseractic honeycomb. The 16-cell honeycomb and 24-cell honeycomb are real solutions. The last solution is generated has Witting polytope elements.
There are only 12 regular complex apeirotopes in or higher,[35] expressed δp,r
n where q is constrained to satisfy q = 2/(1 – (p + r)/pr). These can also be decomposed a product of n apeirogons: ... = ... . The first case is the real hypercube honeycomb.
A van Oss polygon is a regular polygon in the plane (real plane , or unitary plane ) in which both an edge and the centroid of a regular polytope lie, and formed of elements of the polytope. Not all regular polytopes have Van Oss polygons.
For example, the van Oss polygons of a real octahedron are the three squares whose planes pass through its center. In contrast a cube does not have a van Oss polygon because the edge-to-center plane cuts diagonally across two square faces and the two edges of the cube which lie in the plane do not form a polygon.
Infinite honeycombs also have van Oss apeirogons. For example, the real square tiling and triangular tiling have apeirogons {∞} van Oss apeirogons.[36]
If it exists, the van Oss polygon of regular complex polytope of the form p{q}r{s}t... has p-edges.
Some complex polytopes can be represented as Cartesian products. These product polytopes are not strictly regular since they'll have more than one facet type, but some can represent lower symmetry of regular forms if all the orthogonal polytopes are identical. For example, the product p{}×p{} or of two 1-dimensional polytopes is the same as the regular p{4}2 or . More general products, like p{}×q{} have real representations as the 4-dimensional p-q duoprisms. The dual of a product polytope can be written as a sum p{}+q{} and have real representations as the 4-dimensional p-q duopyramid. The p{}+p{} can have its symmetry doubled as a regular complex polytope 2{4}p or .
Similarly, a complex polyhedron can be constructed as a triple product: p{}×p{}×p{} or is the same as the regular generalized cube, p{4}2{3}2 or , as well as product p{4}2×p{} or .[37]
A quasiregular polygon is a truncation of a regular polygon. A quasiregular polygon contains alternate edges of the regular polygons and . The quasiregular polygon has p vertices on the p-edges of the regular form.
There are 7 quasiregular complex apeirogons which alternate edges of a regular apeirogon and its regular dual. The vertex arrangements of these apeirogon have real representations with the regular and uniform tilings of the Euclidean plane. The last column for the 6{3}6 apeirogon is not only self-dual, but the dual coincides with itself with overlapping hexagonal edges, thus their quasiregular form also has overlapping hexagonal edges, so it can't be drawn with two alternating colors like the others. The symmetry of the self-dual families can be doubled, so creating an identical geometry as the regular forms: =
Like real polytopes, a complex quasiregular polyhedron can be constructed as a rectification (a complete truncation) of a regular polyhedron. Vertices are created mid-edge of the regular polyhedron and faces of the regular polyhedron and its dual are positioned alternating across common edges.
For example, a p-generalized cube, , has p3 vertices, 3p2 edges, and 3p p-generalized square faces, while the p-generalized octahedron, , has 3p vertices, 3p2 edges and p3 triangular faces. The middle quasiregular form p-generalized cuboctahedron, , has 3p2 vertices, 3p3 edges, and 3p+p3 faces.
Also the rectification of the Hessian polyhedron , is , a quasiregular form sharing the geometry of the regular complex polyhedron .
Other nonregular complex polytopes can be constructed within unitary reflection groups that don't make linear Coxeter graphs. In Coxeter diagrams with loops Coxeter marks a special period interior, like or symbol (11 1 1)3, and group [1 1 1]3.[38][39] These complex polytopes have not been systematically explored beyond a few cases.
The group is defined by 3 unitary reflections, R1, R2, R3, all order 2: R12 = R12 = R32 = (R1R2)3 = (R2R3)3 = (R3R1)3 = (R1R2R3R1)p = 1. The period p can be seen as a double rotation in real .
As with all Wythoff constructions, polytopes generated by reflections, the number of vertices of a single-ringed Coxeter diagram polytope is equal to the order of the group divided by the order of the subgroup where the ringed node is removed. For example, a real cube has Coxeter diagram , with octahedral symmetry order 48, and subgroup dihedral symmetry order 6, so the number of vertices of a cube is 48/6=8. Facets are constructed by removing one node furthest from the ringed node, for example for the cube. Vertex figures are generated by removing a ringed node and ringing one or more connected nodes, and for the cube.
Coxeter represents these groups by the following symbols. Some groups have the same order, but a different structure, defining the same vertex arrangement in complex polytopes, but different edges and higher elements, like and with p≠3.[40]
Coxeter calls some of these complex polyhedra almost regular because they have regular facets and vertex figures. The first is a lower symmetry form of the generalized cross-polytope in . The second is a fractional generalized cube, reducing p-edges into single vertices leaving ordinary 2-edges. Three of them are related to the finite regular skew polyhedron in .
Coxeter defines other groups with anti-unitary constructions, for example these three. The first was discovered and drawn by Peter McMullen in 1966.[42]