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육면체

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1. 개요

육면체는 6개의 면을 가진 다면체를 의미한다. 육면체는 다양한 종류가 있으며, 면의 모양과 연결 방식에 따라 분류된다.

육면체는 볼록 육면체와 오목 육면체로 나뉘며, 볼록 육면체는 직육면체, 정육면체, 평행육면체, 오각뿔, 삼각쌍뿔 등이 있다. 오목 육면체는 슈타이니츠 정리를 충족하지 않아 볼록하게 만들 수 없다. 위상수학적으로 육면체는 10가지 종류로 분류되며, 볼록하게 만들 수 있는 것은 7가지이다. 정다각형 면만으로 실현 가능한 볼록 육면체는 정육면체, 델타 육면체, 정오각뿔 3종류이다.

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육면체
다면체 정보
종류다면체
면의 수6
모서리의 수12
꼭짓점의 수8
슐레플리 기호{4,3}
성질볼록
위상적으로 구
예시
종류정육면체
직육면체
평행육면체
마름모육면체
쌍뿔대

2. 종류

육면체의 모양을 각 면의 인접 관계에 따라 위상수학적으로 분류하면, 전부 10가지 종류가 된다. 이들 중 볼록으로 만들 수 있는 것은 7가지 종류로 한정되며[6][7], 나머지 3가지 종류는 오목(비볼록)으로만 만들 수 있다.

존슨의 입체, 즉 정다각형 면만으로 실현 가능한 볼록한 것은 정육면체, 델타 육면체, 정오각뿔의 3종류뿐이다. 일부 육면체는 쌍대 역시 육면체이며, 위상수학적으로 자기 쌍대인 경우도 있다.

2. 1. 볼록 육면체

위상적으로 서로 다른 볼록 육면체는 7가지가 있다.[1] 이들은 크게 직육면체와 그 외 6가지 유형으로 나눌 수 있다. 이 중 하나는 키랄성을 가지는데, 이는 거울상으로 변형될 수 없음을 의미한다.

2. 1. 1. 직육면체

(정사각형)직사각형 직육면체
(세 쌍의
직사각형)삼각 쌍사다리꼴
(합동인 마름모)삼각 쌍사다리꼴
(합동인 사변형)사변형 잘린뿔
(꼭지점이 잘린
정사각뿔)평행육면체
(세 쌍의
평행사변형)능면체
(세 쌍의
마름모)


2. 1. 2. 기타 볼록 육면체

위상적으로 7개의 서로 다른 볼록 육면체가 있으며,[1] 직육면체와 다른 6개가 있다. 이들은 아래에 묘사되어 있다. 이 중 하나는 키랄로, 거울상으로 변형될 수 없다는 의미이다.

이미지이름특징속성
삼각 쌍뿔
삼각쌍뿔* 5개 꼭짓점단순
키랄성 육면체

키랄성 육면체의 거울상
* 6개 꼭짓점* 키랄
오각뿔
오각뿔* 6개 꼭짓점* 돔
볼록 육면체
* 7개 꼭짓점
볼록 육면체
* 7개 꼭짓점
이중 절단 사면체
이중 절단 사면체[2]* 8개 꼭짓점* 돔


2. 2. 오목 육면체

위상학적으로 구별되는 3가지 육면체는 오직 오목한 비가시 다면체로만 실현될 수 있다. 이들은 서로 교차하지 않는 단순 다각형 면으로 형성된 표면으로 정의되며, 각 모서리는 정확히 두 개의 면에 의해 공유되고 각 꼭짓점은 3개 이상의 면의 순환으로 둘러싸여 있다.[3]

오목 육면체
4.4.3.3.3.3 면, 10 모서리, 6 꼭짓점
5.5.3.3.3.3 면, 11 모서리, 7 꼭짓점
6.6.3.3.3.3 면, 12 모서리, 8 꼭짓점
4.4.3.3.3.3 면
10 모서리, 6 꼭짓점
5.5.3.3.3.3 면
11 모서리, 7 꼭짓점
6.6.3.3.3.3 면
12 모서리, 8 꼭짓점



이들은 슈타이니츠 정리의 조건을 충족하지 않기 때문에 볼록할 수 없다. 슈타이니츠 정리는 볼록 다면체가 3-꼭짓점 연결 그래프를 형성하는 꼭짓점과 모서리를 갖는다고 명시한다.[4]

홍과 나가모치의 구면 다면체와 같이 단순 다각형이 아닌 면을 허용하는 다른 유형의 다면체에서는 더 많은 가능성이 존재한다.[5]

3. 위상수학적 분류

(내용 없음)

3. 1. 위상수학적 분류에 따른 육면체의 종류

육면체의 모양을 각 면의 인접 관계에 따라 위상수학적으로 분류하면, 전부 10가지 종류가 된다. 다음은 그 모양을 열거하며, 번호는 임의로 붙인 것이다. 이들 중 볼록으로 만들 수 있는 것은 7가지 종류로 한정되며[6][7], 나머지 3가지 종류(8, 9, 10)는 오목(비볼록)으로만 만들 수 있다.

# 6개의 사각형 - 정육면체, 직육면체, 평행육면체, 사각기둥, 사각뿔대, 꼬인 쌍삼각뿔 등 계량적 성질에 따라 다양하게 구분하는 것이 일반적이다.

# 6개의 삼각형 - 쌍삼각뿔이거나, 삼각뿔의 한 면을 안쪽으로 삼각뿔 모양으로 오목하게 하여 만들어지는 오목 입체(일종의 광의의 쌍삼각뿔)이다.

# 1개의 오각형과 5개의 삼각형 - 오각뿔이다.

# 1개의 오각형과 2개의 사각형과 3개의 삼각형

# 2개의 오각형과 2개의 사각형과 2개의 삼각형

# 4개의 사각형과 2개의 삼각형

# 2개의 사각형과 4개의 삼각형 - 사각형 면끼리 1변에서 접하므로 다음 행과 구분된다.

# 2개의 사각형과 4개의 삼각형 - 반드시 오목이다. 오목 사각형 면끼리 떨어진 2점에서 접한다는 특징을 가진다.

# 2개의 오각형과 4개의 삼각형 - 반드시 오목이다. 오목 오각형 면끼리 1변과 그 연장선상 1점에서 인접한다는 특징을 가진다.

# 2개의 육각형과 4개의 삼각형 - 반드시 오목이다. 오목 육각형 면끼리 동일 직선상의 2변에서 인접한다는 특징을 가진다.

존슨의 입체, 즉 정다각형 면만으로 실현 가능한 볼록한 것은 1(정육면체), 2(델타 육면체), 3(정오각뿔)의 3종류뿐이다.

3, 7, 8은 꼭짓점의 수가 6개이므로 쌍대도 육면체이지만, 사실 위상수학적으로 자기 쌍대이기도 하다.

참조

[1] 논문 Polyhedra of small order and their Hamiltonian properties https://escholarship[...]
[2] 논문 Volume of a doubly truncated hyperbolic tetrahedron
[3] 간행물 Advances in discrete and computational geometry (South Hadley, MA, 1996) American Mathematical Society
[4] 서적 Lectures on Polytopes Springer-Verlag
[5] 논문 Extending Steinitz's theorem to upward star-shaped polyhedra and spherical polyhedra
[6] 웹사이트 Counting polyhedra http://www.numerican[...]
[7] 문서 この7種類のほうにも凹立体があることに注意せよ。わかりやすいものでは凹四角形を底面とした柱は1に分類される。



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