Sympleks (matematyka)

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przykład 3-sympleksu

Sympleks – uogólnienie odcinka, trójkąta i czworościanu na dowolne wymiary. Intuicyjnie, -wymiarowym sympleksem nazywamy -wymiarowy wielościan, który jest wypukłą otoczką swoich wierzchołków[1].

Definicja w przestrzeni liniowej[edytuj | edytuj kod]

Niech

Niech będą wektorami -wymiarowej rzeczywistej przestrzeni liniowej i niech każde różnych wektorów spośród nich tworzą liniowo niezależny układ.

Sympleksem -wymiarowym o wierzchołkach jest zbiór wektorów:

Równoważnie:

Niech

Niech będą wektorami -wymiarowej rzeczywistej przestrzeni liniowej i niech wektory tworzą liniowo niezależny układ.

Sympleksem -wymiarowym jest zbiór wektorów:

Układ wektorów tworzy wierzchołki sympleksu

Definicja w przestrzeni afinicznej[edytuj | edytuj kod]

Niech

Niech będą punktami rzeczywistej przestrzeni afinicznej -wymiarowej i niech każde różnych wektorów spośród tworzą liniowo niezależny układ.

Sympleksem -wymiarowym o wierzchołkach jest zbiór punktów:

Zdefiniowany zbiór nie zależy od wyboru punktu

Każdy punkt tak zdefiniowanego sympleksu jest średnią ważoną z wierzchołków o wagach odpowiednio (tzw. kombinacja wypukła).

Sympleks jest najmniejszym wypukłym zbiorem zawierającym punkty

Równoważnie:

Niech

Niech będą punktami rzeczywistej przestrzeni afinicznej -wymiarowej i niech wektory tworzą liniowo niezależny układ.

Sympleksem -wymiarowym o wierzchołkach jest zbiór punktów:

Tak zdefiniowany zbiór nie zależy od sposobu ponumerowania układu punktów

Przestrzeń euklidesowa[edytuj | edytuj kod]

W przestrzeni euklidesowej:

i ogólnie:

  • sympleks -wymiarowy to wielokomórka, której ścianami jest sympleksów -wymiarowych.

Lista sympleksów[edytuj | edytuj kod]

Poniżej znajduje się lista -wymiarowych sympleksów (do włącznie).

Δn Grafika
(skośny rzut ortogonalny z ang.:
skew orthogonal projection)
Nazwa
symbol Schläfliego
diagram Coxetera-Dynkina
Wierzchołków
0-wym.
Krawędzi
1-wym.
Ścian
2-wym.
Komórek
3-wym.
4-wym. 5-wym. 6-wym. 7-wym. 8-wym. 9-wym. 10-wym.
Δ0 0-sympleks (punkt) 1
Δ1 1-sympleks (odcinek)
{}
2 1
Δ2 2-sympleks (trójkąt)
{3}
3 3 1
Δ3 3-sympleks (czworościan)
{3,3}
4 6 4 1
Δ4 4-sympleks (pentachoron)
{3,3,3}
5 10 10 5 1
Δ5 5-sympleks
{3,3,3,3}
6 15 20 15 6 1
Δ6 6-sympleks
{3,3,3,3,3}
7 21 35 35 21 7 1
Δ7 7-sympleks
{3,3,3,3,3,3}
8 28 56 70 56 28 8 1
Δ8 8-sympleks
{3,3,3,3,3,3,3}
9 36 84 126 126 84 36 9 1
Δ9 9-sympleks
{3,3,3,3,3,3,3,3}
10 45 120 210 252 210 120 45 10 1
Δ10 10-sympleks
{3,3,3,3,3,3,3,3,3}
11 55 165 330 462 462 330 165 55 11 1

Wielkości opisujące sympleks[edytuj | edytuj kod]

Liczba -wymiarowych sympleksów w sympleksie -wymiarowym[edytuj | edytuj kod]

Dana jest dwuargumentowa funkcja określająca liczbę sympleksów -wymiarowych w sympleksie -wymiarowym, przy czym Oczywiste jest wówczas, że dowolny sympleks -wymiarowy składa się z:

  • sympleksów zerowymiarowych, czyli wierzchołków:
  • dokładnie jednego sympleksu -wymiarowego, czyli z samego siebie:

Aby, mając dany -wymiarowy sympleks, utworzyć na jego podstawie sympleks -wymiarowy, należy dodać 1 nowy wierzchołek. Wynika stąd, iż -wymiarowy sympleks będzie miał o 1 wierzchołek więcej, niż sympleks -wymiarowy. Nowe krawędzie (sympleksy jednowymiarowe) dodajemy, łącząc wszystkie wierzchołki pierwotnego sympleksu z nowo utworzonym wierzchołkiem. Tak więc liczba krawędzi w obecnym sympleksie zwiększy się o liczbę wierzchołków w sympleksie pierwotnym. Nowe ściany (sympleksy dwuwymiarowe) tworzymy natomiast, łącząc wszystkie wierzchołki starego sympleksu z nowym wierzchołkiem. Stąd też liczba ścian nowego sympleksu powiększy się o liczbę krawędzi w starym sympleksie itd. Uogólniając powyższe spostrzeżenie na dowolny wymiar: każdy -wymiarowy sympleks posiada pewną liczbę sympleksów -wymiarowych, która jest równa liczbie tych sympleksów dla -wymiarowego sympleksu, powiększoną o liczbę sympleksów -wymiarowych dla tegoż sympleksu. To wszystko zachodzi oczywiście dla

Z powyższych rozważań utworzyć można rekurencyjny wzór na liczbę -wymiarowych sympleksów w dowolnym sympleksie -wymiarowym:

Zauważmy, że gdyby wówczas powyższy wzór opisywałby symbol Newtona, czyli Jednak ponieważ jedynym racjonalnym wzorem, spełniającym wszystkie 3 powyższe warunki wzoru rekurencyjnego, jest Dlatego też ostatecznie wzór jawny na liczbę -wymiarowych sympleksów w dowolnym sympleksie -wymiarowym wyraża się wzorem:

Środek masy sympleksu[edytuj | edytuj kod]

  • Definicja jawna

Jest to punkt będący średnią arytmetyczną odpowiednich współrzędnych wszystkich wierzchołków -wymiarowego sympleksu:

  • Definicja rekurencyjna

Dla sympleksu jednowymiarowego (odcinka) – średnia arytmetyczna odpowiednich współrzędnych obu wierzchołków.

Dla sympleksu -wymiarowego, gdzie – punkt przecięcia się wszystkich środkowych sympleksu, przy czym środkowa sympleksu jest to odcinek łączący dowolny wierzchołek ze środkiem masy sympleksu -wymiarowego przeciwległego do tego wierzchołka.

Środek masy sympleksu foremnego[edytuj | edytuj kod]

Dowolny -wymiarowy sympleks foremny można zorientować w -wymiarowym kartezjańskim układzie współrzędnych w taki sposób, aby wartości -tej współrzędnej dla wierzchołków były równe 0, zaś wartość tej współrzędnej dla -tego wierzchołka była różna od 0. Wówczas owe n wierzchołków tworzy pewien -wymiarowy sympleks foremny, będący podstawą naszego sympleksu -wymiarowego, zaś wartość -tej współrzędnej określa jego wysokość. Ponieważ wartości tej współrzędnej wszystkich wierzchołków podstawy wynosi 0, jej wartość dla ich średniej arytmetycznej również wynosi 0. Wynika stąd, iż -ta współrzędna dla środka masy podstawy także ma wartość 0. Jedynie współrzędna ta dla -tego wierzchołka ma wartość różną od 0. W takim razie wartość -tej współrzędnej dla wszystkich wierzchołków jest sumą zer i jednej wartości różnej od zera, podzieloną przez Tak więc wartość tejże współrzędnej dla środka masy naszego -wymiarowego sympleksu jest ilorazem jego wysokości podzieloną przez Ostatecznie, środek danego sympleksu n-wymiarowego położony jest w odległości równej jego wysokości od środka masy jego podstawy i w odległości wynoszącej jego wysokości od wierzchołka przeciwległego do tej podstawy

Wysokość sympleksu foremnego[edytuj | edytuj kod]

Biorąc pod uwagę definicję sympleksu foremnego, jego podstawy, jak również i wysokości, udowodnić można prawdziwość poniższej rekurencyjnej zależności pomiędzy wysokością n-wymiarowego sympleksu foremnego a wysokością jego podstawy

Powyższą zależność odpowiednio przekształcamy:

Jako warunek brzegowy tej rekurencyjnej zależności, zakładamy, że wysokość 1-wymiarowego sympleksu foremnego, czyli odcinka, jest równy długości tegoż odcinka, czyli długości krawędzi naszego sympleksu:

Następnie, chcąc policzyć wysokość dowolnego -wymiarowego sympleksu foremnego, podstawiamy do powyższej rekurencyjnej zależności odpowiednio kolejne wartości dla równego od 1 do W wyniku tego otrzymujemy następujący iloczyn:

Upraszczamy możliwie najbardziej powyższe wyrażenie:

Ostatecznie, wysokość -wymiarowego sympleksu foremnego o krawędzi długości wyraża się wzorem:

Natomiast rekurencyjna zależność na tę wysokość:

Nietrudno policzyć, że wysokość sympleksu foremnego o nieskończonej liczbie wymiarów dąży do:

Miara główna sympleksu foremnego[edytuj | edytuj kod]

Pod pojęciem miary głównej -wymiarowego sympleksu foremnego rozumieć należy wielkość będącą uogólnieniem długości odcinka, pola powierzchni trójkąta równobocznego oraz objętości czworościanu foremnego, na -ty wymiar. Dowolny -wymiarowy sympleks foremny można podzielić na podstawę, składającą się z n wierzchołków, oraz -tego przeciwległego do tej podstawy wierzchołka. Pomiędzy podstawą a przeciwległym do niej wierzchołkiem istnieje pewna wielkość zwana wysokością sympleksu, która jest równa odległości tego wierzchołka od -wymiarowej hiperpłaszczyzny, w której zawarta jest podstawa. Wysokość sympleksu jest liniowo wprost proporcjonalna do odległości podstawy od przeciwległego do niej wierzchołka. Gdyby połączyć każdy wierzchołek podstawy z wierzchołkiem do niej przeciwległym, wówczas można zauważyć, że nasz -wymiarowy sympleks jest odzwierciedleniem tejże podstawy, znajdującej się w pewnej odległości od jej przeciwległego wierzchołka, w pewnej skali. Ponieważ wszystkie odcinki, uzyskane z połączenia wierzchołków należących do podstawy z przeciwległym do niej wierzchołkiem, są liniami prostymi, skala długości krawędzi podstawy jest liniowo wprost proporcjonalna do jej odległości od jej przeciwległego wierzchołka. Natomiast stosunek skal -wymiarowych miar głównych dwóch podstaw jest równy -szej potędze stosunku długości odpowiednich krawędzi tych podstaw. Wynika więc stąd, iż stosunek skal -wymiarowych miar głównych dwóch podstaw i jest równy -szej potędze stosunku odpowiednich wysokości i łączących te podstawy z przeciwległym do nich wierzchołkiem:

Mnożąc obie strony powyższego równania przez otrzymujemy:

Zakładamy, że pierwsza podstawa jest skalą podstawy naszego n-wymiarowego sympleksu foremnego w zależności od zmiennej z przedziału od 0 do zaś druga podstawa jest podstawą tegoż sympleksu oraz pierwsza wysokość jest zmienną w przedziale od 0 do zaś druga wysokość jest wysokością tego sympleksu:

Wówczas miara główna naszego n-wymiarowego sympleksu foremnego jest całką od 0 do ze skali tego sympleksu w zależności od zmiennej z przedziału od 0 do

Tak więc z powyższego wyrażenia wynika, iż miara główna -wymiarowego sympleksu foremnego jest równa iloczynowi współczynnika miary głównej podstawy tegoż sympleksu oraz jego wysokości, co ma charakter rekurencyjny:

Ze wzoru na wysokość sympleksu foremnego łatwo zauważyć, że wysokość 1-wymiarowego sympleksu foremnego, a więc dla jest równa długości jego krawędzi:

Następnie, chcąc policzyć miarę główną naszego sympleksu, podstawiamy do powyższej rekurencyjnej zależności odpowiednio kolejne wartości dla równego od 1 do W wyniku tego otrzymujemy następujący iloczyn:

Upraszczamy możliwie najbardziej powyższe wyrażenie:

Ostatecznie, miara główna -wymiarowego sympleksu foremnego o krawędzi długości wyraża się wzorem:

Natomiast rekurencyjna zależność na miarę główną naszego sympleksu:

Nietrudno policzyć, że miara główna sympleksu foremnego o nieskończonej liczbie wymiarów dąży do:

Całkowita miara k-wymiarowa sympleksu foremnego n-wymiarowego[edytuj | edytuj kod]

Pod pojęciem k-wymiarowej miary całkowitej n-wymiarowego sympleksu foremnego rozumieć należy wielkość będącą uogólnieniem obwodu (całkowitej miary 1-wymiarowej) trójkąta równobocznego (sympleksu foremnego 2-wymiarowego), czworościanu foremnego (sympleksu foremnego 3-wymiarowego) oraz jego pola powierzchni całkowitej (całkowitej miary 2-wymiarowej), odpowiednio na -ty i -ty wymiar. Nietrudno zauważyć, że dowolny -wymiarowy sympleks foremny o krawędzi długości x składa się z jednakowych -wymiarowych sympleksów foremnych, z których długości poszczególnych krawędzi również są równe Tak więc -wymiarowa miara całkowita -wymiarowego sympleksu foremnego o krawędzi długości jest równa iloczynowi miary głównej pojedynczego k-wymiarowego sympleksu foremnego o długości krawędzi, która także wynosi czyli oraz liczby wszystkich takich k-wymiarowych sympleksów foremnych w danym n-wymiarowym sympleksie foremnym

Nietrudno policzyć, że dowolna -wymiarowa miara całkowita sympleksu foremnego o nieskończonej liczbie wymiarów dąży do:

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. sympleks, [w:] Encyklopedia PWN [dostęp 2021-10-03].

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]