弹性多面体
弹性多面体（或译柔性多面体[1]:27）是没有固定边界的多面体，可以不改变面的形状、不折断或弯曲任何面或边，而改变其形状。根据柯西刚性定理，在三维以及更高维度的空间中，这种多面体不能是凸的。
最早发现的弹性多面体为布里卡尔八面体，于1897年由拉乌尔·布里卡尔发现[2]。其与正八面体同构，但存在自相交面，换句话说，其是一种底面为不固定形状之反平行四边形的双四角锥[3]。在空间中，不自相交的弹性多面体的例子最早由罗伯特·康奈利于1977年发现，称为康奈利形状[4]。克劳斯·史特芬也提出了一个弹性多面体，称为史特芬十四面体，是目前已知结构最简单的非面自相交的弹性多面体[5]，并且是基于布里卡尔八面体而产生的多面体。[6]
风箱猜想
[编辑]在1970年代后期罗伯特·康奈利和丹尼斯·苏利文提出了风箱猜想，认为弹性多面体在改变形状的过程体积会维持不变。后来，伊扎德·萨比托夫以消去理论证明，与球同胚的多面体符合此猜想[7]。再后来，康奈利、萨比托夫和安克·沃尔兹（Anke Walz）证明了具有可定向二维表面的任何多面体都能满足此猜想。[8]该证明过程将皮耶罗·德拉·弗朗切斯卡提出的四面体体积公式[9]推广为任意多面体的体积公式。该体积公式表明，多面体的体积必为某个多项式的根，而该多项式的系数仅取决于多面体的边长。由于边长不会随著多面体的变形过程改变，因此体积必须保持在多项式的有限个根之一，而不会连续变化。[10]
切割全等
[编辑]康奈利推测弹性多面体的登不变量在形变过程皆会保持不变。这被称为强风箱猜想，在2018年获证后又称为强风箱定理。[11]由于只要是同一种弹性多面体，不论其任一形变形式，体积与登不变量始终保持不变，因此不同形变形式之间必定切割全等。这意味著弹性多面体可借由分解成多个小块，重组成同一种弹性多面体的另一个形变模式。弹性多面体的平均曲率（定义为边长与外二面角的乘积之和）是登不变量的函数，且这个不变量会在弹性多面体形变时保持不变。[12]
非刚性多面体
[编辑]刚性多面体是与弹性多面体多面体相对的概念，即多面体的所有面形状皆固定的情况下仅能决定唯一边界，不具备可活动性。而非刚性多面体多面体不一定是弹性多面体，部分多面体在边长不变下允许面的形状可些微改变（例如只架构多面体骨架的模型），因此其整体形状是可变的，例如耶森二十面体。这类多面体有时被称为“可活动的多面体”（shaky polyhedron）[13][14]。
参见
[编辑]参考文献
[编辑]- ^ Ian Stewart; 张云（译）. 数学万花筒2：五彩缤纷的数学问题及知识. 人民邮电出版社. ISBN 9787115264473.
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