查看“四維超正方體”的源代码

{{Refimprove|time=2016-07-07T12:36:07+00:00}}
{{Polytopebox
| name = 超正方體
| imagename = Schlegel_wireframe_8-cell.png
| caption = [[施萊格爾圖]]
| polytope = 超正方体<br/>（8-胞）<br/>''4-體''
| Type = [[四维凸正多胞体]]
| group_type = [[超方形]]
| Dimension = [[四維|4]]
| dim = 
| count = 
| Cell = 8 ([[立方體|4.4.4]]) [[File:Hexahedron.png|20px]]
| Face = 24 [[正方形|{4}]] [[File:Kvadrato.svg|20px]]
| Edge = 32
| Vertice = 16
| Vertice_type = ([[正四面体|3.3.3]])
| Schläfli = {4,3,3}<br/>{4,3}x{}<br/>{4}x{4}<br/>{4}x{}x{}<br/>{}x{}x{}x{}
| Coxeter_diagram = [[File:CDW_ring.png]][[File:CDW_4.png]][[File:CDW_dot.png]][[File:CDW_3.png]][[File:CDW_dot.png]][[File:CDW_3.png]][[File:CDW_dot.png]]<br/>[[File:CDW_ring.png]][[File:CDW_4.png]][[File:CDW_dot.png]][[File:CDW_3.png]][[File:CDW_dot.png]][[File:CDW_2.png]][[File:CDW_ring.png]]<br/>[[File:CDW_ring.png]][[File:CDW_4.png]][[File:CDW_dot.png]][[File:CDW_2.png]][[File:CDW_ring.png]][[File:CDW_4.png]][[File:CDW_dot.png]]<br/>[[File:CDW_ring.png]][[File:CDW_4.png]][[File:CDW_dot.png]][[File:CDW_2.png]][[File:CDW_ring.png]][[File:CDW_2.png]][[File:CDW_ring.png]]<br/>[[File:CDW_ring.png]][[File:CDW_2.png]][[File:CDW_ring.png]][[File:CDW_2.png]][[File:CDW_ring.png]][[File:CDW_2.png]][[File:CDW_ring.png]]
| analogy = [[正方體]]
| convex = 
| Symmetry_group = B<sub>4</sub>, [3,3,4]
| dual = [[正十六胞体]]
| Properties = [[凸集]]
}}<!--[[File:Hypercube.svg|300px|thumb|[[四維]]方體的[[三維]]投射 (此圖将第四维视作时间维做的[[投射]]，在[[几何学]]中常見)]]-->
在[[几何学]]中，'''四維超正方体'''或'''正八胞體'''，是一種[[四維]]的超正方體（{{lang-en|hypercube}}）是[[立方體]]的四維類比，有8個立方體[[胞 (幾何)|胞]]。四維超正方体之於立方體，就如立方體之於[[正方形]]。它是四維歐式空間中6個[[四維凸正多胞體]]之一。

超正方体是一个有无穷多个成员的凸正[[多胞形]]家族的四维成员，这个家族被称为“'''[[超方形]]'''”（或称'''立方形'''、'''正测形'''），这个家族的成员与施莱夫利符号{4,3,3,……,3,3}，它们都具有类似正方形和立方体的性质，如二胞角都为90°等。

“超正方體”“超立方體”（Hypercube）這個名稱在一般的場合中特指四維的這個超正方體，不過在數學上，“超正方體”這個詞可以指n維（n>3）的任意一個[[超方形]]，因此把它和n維的其他超方形放在一起討論時，要加“四維”以示區別。

== 幾何性質 ==
[[File:Tesseract net.svg|缩略图|左|四维超正方体的展开图]]
在[[四維歐幾里得空間]]的標準四維方體是點(±1, ±1, ±1, ±1)的[[凸包]]。它包含了點：
:<math>\{(x_1,x_2,x_3,x_4) \in \mathbb R^4 \,:\, -1 \leq x_i \leq 1 \}</math>
四維方體由八個[[超平面]](''x''<sub>i</sub> = ±1)包圍。兩兩非平行超平面相交，共形成四維方體的24個正方形面。每條棱有3個立方體和3個正方形相交。在每一頂點有4個立方體、6個正方形和4條棱相交。四維方體共有8個立方體、24個正方形、32條棱和16個頂點。边长为a的四维超正方体超体积是a<sup>4</sup>，表体积是8a<sup>3</sup>。

若一个四维超立方体的棱长为1，则其外接超球半径为1，外中交超球（经过超立方体各棱中点的三维超球）半径为<math>\frac{\sqrt3}{2}</math>,内中交超球（经过超立方体各面中心的三维超球）半径为<math>\frac{\sqrt2}{2}</math>，内切超球半径为<math>\frac{1}{2}</math>。事实上，对于任意一个棱长为a的n维[[超方形]],其自身中心到任意一个k维元素的中心的距离为<math>\frac{a\sqrt{n-k}}{2}</math>。

四維方體的每一頂點與4條棱相鄰，所以四維方體的[[頂點形]]是[[正四面體]]。所以四維方體的[[施萊夫利符號]]是{4,3,3}。其[[對偶多胞體]]是[[正十六胞體]]，施萊夫利符號是{3,3,4}。

=== 对称群构造 ===
作为一个[[超方形]]，超立方体可被识别为不同对称群的多胞体：首先，它是四维的超方形——一个[[四维凸正多胞体|凸正多胞体]]——四维超立方体，对应施莱夫利符号{4,3,3}，{{link-en|考克斯特-迪肯符號|Coxeter-Dynkin digram|考克斯特符號}}为{{CDD|node_1|4|node|3|node|3|node}}，对应考克斯特BC<small>4</small>平面（即超方形—[[正轴形]]对应的{{link-en|考克斯特平面|Coxeter Plane}}），具有{{link-en|超正八面体对称性|Hyperoctahedral group#By dimension}}（又叫正十六胞体对称性），[[阶（群论）|阶]]为384。同时，它也可被看作是立方体的四维棱柱，对应施莱夫利符号{4,3}×{}，{{link-en|考克斯特-迪肯符號|Coxeter-Dynkin digram|考克斯特符號}}{{CDD|node_1|4|node|3|node|2|node_1}}，这个对称群的阶只有96。并且，它还是四维以上高维才有的两个二维以上多胞形的欧拉乘积——{{link-en|复棱柱|duoprism}}的一个，即4,4复棱柱，是两个正方形的乘积，对应施莱夫利符号{4}×{4}，{{link-en|考克斯特-迪肯符號|Coxeter-Dynkin diagram|考克斯特符號}}为{{CDD|node_1|4|node|2|node_1|4|node}}，群阶64。它还是正四棱柱棱柱{4}×{}×{}，{{CDD|node_1|4|node|2|node_1|2|node_1|}}，群阶32。它还是线段棱柱棱柱棱柱{}×{}×{}×{}，{{CDD|node_1|2|node_1|2|node_1|2|node_1}}，群阶16。

=== 投影 ===
==== 二维投影 ====
[[File:Dimension levels.svg|thumb|left|480px|展示如何从点开始得到超正方体的图像]]
超正方体的构造方法可以通过以下方式来想象：<br/>
*'''零维'''：因為任何一點放大都是一條直線，所以任何一點都是屬於一維空間，而不屬於零維空間。
*'''一维'''：两个点A和B可以被连接起来，我们就得到一个新的线段AB。
*'''从一维到二维'''：两个平行的线段AB和CD可以被连接起来，我们就得到了一个[[正方形]]，以顶点为标记记作正方形ABCD。
*'''从二维到三维'''：两个平行的正方形ABCD和EFGH可以被连接起来，我们就得到了一个[[立方体]]，以顶点标记为立方体ABCDEFGH。
*'''从三维到四维'''：两个平行的立方体ABCDEFGH和IJKLMNOP可以被连接起来，我们于是就得到了一个超正方体，以顶点标记为超正方体ABCDEFGHIJKLMNOP。
四維方體的结构不易想象，但可以投射至3維或2維空間。在我们将其投影到二维空间中后，把頂點位置調整，可以了解更多。如此獲得的圖像，不再反映四維方體空間構造，而是反映頂點間的聯繫。以下給出一些例子。
{| align=center
| [[File:Hypercubecubes.svg|160px|]] ||&nbsp;&nbsp;&nbsp;|| 
[[File:Hypercubestar.svg|160px|]]&nbsp;&nbsp;&nbsp; 
[[File:Hypercubeorder.svg|160px|]] 
|}
第一幅圖顯示四維方體本質上從結合2個立方體，連結對應頂點得來。第二幅圖反映出四維方體每條[[邊 (幾何)|邊]]等長，也可以看出立方體如何互相連結。第三幅圖按著每一頂點由最底一頂點出發沿着棱走的長度排列。如果我们是要将超正方体用作在[[并行计算]]中连接不同处理器[[网络拓扑]]基础，则这些图像会非常有用。在超正方体中任意两个顶点之间之间至多有4中不同的路程，并且这里有许多路径是等同的。<br/>
超正方体还是一个[[二分图]]，就像正方形和立方体一样。

==== 三维投影 ====
[[File:Hypercubeorder binary.svg|thumb|超正方体正对顶点的平行投影的凸包就是[[菱形十二面体]]。在这个投影中每层的顶点数是1&nbsp;4&nbsp;6&nbsp;4&nbsp;1——是[[杨辉三角]]的第4行。]]

{| class=wikitable
|[[File:Orthogonal projection envelopes tesseract.png|thumb|left|超正方体[[平行投影]]的凸包（不同的胞的表面被涂上了不同的颜色，背面的胞在这里未显示）]]

超正方体到三维空间的''正对胞''的平行[[投影]]有一个[[立方体]]凸包。最近端的和最远端的胞被投影成了立方体凸包本身，而剩余6个立方体胞则被投影成了立方体的6个[[正方形]]面。（因为它们平行于投影线）

超正方体到三维空间的''正对面''的平行投影有一个[[长方体]]（正四棱柱）凸包。2对胞被投影成了长方体凸包的上下两半，而剩余4个胞则投影成了正四棱柱凸包的侧面。

超正方体到三维空间的''正对棱''的平行投影有一个[[正六角柱|正六棱柱]]形的凸包。6个胞被投影成了菱形棱柱，它们在正六棱柱凸包中的排列方式就如同立方体正对顶点的平行投影中正方形面投影成的[[菱形]]在[[六边形]]凸包中的排列方式。剩余的2个胞被投影成了正六棱柱的两个底面。

超正方体到三维空间的''正对顶点''的平行投影有一个[[菱形十二面体]]凸包，事实上，我们正好有两种方法能将菱形十二面体分割成4个全等的[[平行六面体]]，因此菱形十二面体中共计有8个全等的平行六面体。超正方体在这种投影下胞的投影就正好是这8个平行六面体。这个投影的体积是超正方体所有投影中最大的。
|}

== 可视化 ==
[[File:Hypercubecentral.svg|缩略图|超立方体的{{link-en|施莱格尔投影|Schlegel diagram}}]]
{| class=wikitable width=720
|- align=left valign=top
| [[File:Tesseract2.svg|150px|right|超正方体的三维展开]]
超正方体能够被展开成三维空间中的一个由8个立方体组成的[[展开图]]，就像立方体能被展开成二维空间中的一个由6个正方形组成的展开图一样。([[:File:Hcube fold.gif|观看动画]])超正方体有261种不同的展开图<ref>{{cite web|url=http://unfolding.apperceptual.com/|title=Unfolding an 8-cell}}</ref>我们可以通过将展开图与''对偶树''（是一种在其[[补图]]中有[[匹配 (图论)|完美匹配]]的[[树 (图论)]]）相匹配来计算其展开图的个数。
| [[File:3D stereographic projection tesseract.PNG|360px]]<br/>超正方体[[立体图|立体的]]三维投影（平行视角[[File:Stereogram guide parallel.png|10px]]）
|}

===透视投影===
{| class=wikitable width=640
|- align=center valign=top
|[[File:8-cell-simple.gif|200px]]<br/>正八胞体绕着一个从左前到右后，从上到下切过图形的平面进行{{link-en|单旋转|SO(4)#Geometry_of_4D_rotations}}时的[[透视投影]]。
|[[File:Tesseract.gif|240px]]<br/>正八胞体绕着两个在四维空间中互相[[正交]]的平面进行{{link-en|双旋转|SO(4)#Geometry_of_4D_rotations}}时的透视投影。
|[[File:Tesseract-perspective-vertex-first-PSPclarify.png|200px]]<br/>超正方体的透视投影，背面的胞已被隐藏。红色的顶点是在[[四维空间]]中最近的顶点，有4个立方体胞在此相交。
|}

{| class=wikitable width=640
|- align=center valign=top
|[[File:Tesseract tetrahedron shadow matrices.svg|200px|right]]
[[正四面体]]是超正方体中心投影的凸包。8个立方体胞中的4个是可见的。第16个顶点被投影成了[[无穷远点]]，并且与之相连的棱和胞都被隐藏了。
|[[File:Stereographic polytope 8cell.png|200px]]<br/>[[球极投影]]<br/>
（棱首先被投影上了[[3-球]]）
|}

=== 二维线架投影 ===
{| class=wikitable
|+ 二维正交线架投影
|- align=center
!{{link-en|考克斯特平面|Coxeter plane}}
!B<sub>4</sub>
!B<sub>3</sub> / D<sub>4</sub> / A<sub>2</sub>
!B<sub>2</sub> / D<sub>3</sub>
|- align=center
!图像
|[[File:4-cube t0.svg|150px]]
|[[File:4-cube t0 B3.svg|150px]]
|[[File:4-cube t0 B2.svg|150px]]
|- align=center
![[二面体群]]
|[8]
|[6]
|[4]
|- align=center
!考克斯特平面
!（对角线投向中心）
!F<sub>4</sub>
!A<sub>3</sub>
|- align=center
!图像
|[[File:4-cube column graph.svg|150px]]
|[[File:4-cube t0 F4.svg|150px]]
|[[File:4-cube t0 A3.svg|150px]]
|- align=center
!二面体群
|[2]
|[12/3]
|[4]
|}

==相關槪念==
*[[多胞形]]（Polytope）
*[[超正方體]]（Hypercube）
*[[四維體]]（Polychoron）
*[[正四維體]]（Convex regular polychoron）
*[[規則四維體]]（Uniform polychoron）
*[[維度]]（Dimension）
*[[四維空間]]（Four-dimensional space）
*[[胞]]（Cell）
*[[五維超正方體]]（Penteract）

== 外部連結 ==
* {{MathWorld|title=Tesseract|urlname=Tesseract}}
*{{GlossaryForHyperspace | anchor=Tesseract | title=Tesseract}}
* [http://www.polytope.de/c8.html Der 8-Zeller (8-cell)] Marco Möller's Regular polytopes in R<sup>4</sup> (German)
* [https://web.archive.org/web/20070928165237/http://www.polychora.de/wiki/index.php?title=TES WikiChoron: Tesseract]
* [https://web.archive.org/web/20060512045219/http://www.uoregon.edu/~koch/hypersolids/hypersolids.html HyperSolids] is an open source program for the [[Apple Macintosh]] ''(Mac OS X and higher)'' which generates the five regular solids of three-dimensional space and the six regular hypersolids of four-dimensional space.
* [http://www.mathcs.sjsu.edu/faculty/rucker/hypercube.htm Hypercube 98]{{dead link|date=2017年12月 |bot=InternetArchiveBot |fix-attempted=yes }} A [[Microsoft Windows|Windows]] program that displays animated hypercubes, by [[Rudy Rucker]]
* [http://mrl.nyu.edu/~perlin/demox/Hyper.html ken perlin's home page] A way to visualize hypercubes, by [[Ken Perlin]]
* [http://www.math.union.edu/~dpvc/math/4D/ Some Notes on the Fourth Dimension] includes very good animated tutorials on several different aspects of the tesseract, by [http://www.math.union.edu/~dpvc/ Davide P. Cervone]
* [http://www.fano.co.uk/hypermodel/tesseract.html Tesseract animation with hidden volume elimination]
* [https://web.archive.org/web/20071014054259/http://homepage.mac.com/bprice1949/dim1.html A Study of Dimensions] by Bill Price
* [https://web.archive.org/web/20040702163006/http://davidf.faricy.net/polyhedra/Polytopes.html Regular convex four-dimensional polytopes] by David Fontaine
{{四维正多胞体}}
{{正圖形}}
{{模板:维度}}

== 参考资料 ==
<references />

[[Category:代数拓扑]]
[[Category:四維幾何]]
[[Category:多胞体]]