정다면체는 모든 면이 합동인 정다각형으로 이루어져 있고, 각 꼭짓점에 모이는 면의 개수가 같은 다면체를 의미한다. 정다면체는 정삼각형, 정사각형, 정오각형을 조합하여 만들어지며, 정사면체, 정육면체, 정팔면체, 정십이면체, 정이십면체의 5가지 종류가 있다. 정다면체는 고대 그리스 시대부터 연구되었으며, 플라톤은 정다면체를 4원소(흙, 공기, 물, 불)와 연결시켰다. 정다면체는 슐레플리 기호, 오일러 공식, 외접구, 내접구, 중접구 등의 기하학적 성질을 가지며, 쌍대 다면체 관계를 통해 서로 연결된다. 정다면체는 결정 구조, 바이러스, 기상학 모델, 건축, 주사위, 롤플레잉 게임 등 다양한 분야에서 응용되며, 4차원 이상에서는 정다포체로 일반화된다.
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정다면체 - 정육면체 정육면체는 합동인 정사각형 면 6개, 모서리 12개, 꼭짓점 8개로 구성된 높은 대칭성의 플라톤 입체로서, 한 변의 길이를 a라 할 때 부피는 a³, 겉넓이는 6a²이며, 정팔면체와 쌍대다면체 관계를 가진다.
정다면체 - 사면체 사면체는 기하학에서 네 개의 꼭짓점, 여섯 개의 모서리, 네 개의 면으로 이루어진 다면체이며, 정사면체를 포함하여 다양한 종류가 존재하고 부피, 겉넓이 등을 계산하는 공식이 있으며, 다양한 분야에서 응용된다.
수학 - 회귀 분석 회귀 분석은 종속 변수와 하나 이상의 독립 변수 간의 관계를 모델링하고 분석하는 통계적 기법으로, 최소 제곱법 개발 이후 골턴의 연구로 '회귀' 용어가 도입되어 다양한 분야에서 예측 및 인과 관계 분석에 활용된다.
수학 - 수학적 최적화 수학적 최적화는 주어진 집합에서 실수 또는 정수 변수를 갖는 함수의 최댓값이나 최솟값을 찾는 문제로, 변수 종류, 제약 조건, 목적 함수 개수에 따라 다양한 분야로 나뉘며 여러 학문 분야에서 활용된다.
정다면체
2. 종류
정다면체는 면의 모양에 따라 정삼각형, 정사각형, 정오각형으로 구성된 다섯 종류로 나뉜다.
#* 정삼각형: 내각은 60°이므로, 한 꼭짓점에 3개(정사면체), 4개(정팔면체), 5개(정이십면체)의 면이 모일 수 있다.
#* 정사각형: 내각은 90°이므로, 한 꼭짓점에 3개(정육면체)의 면이 모일 수 있다.
#* 정오각형: 내각은 108°이므로, 한 꼭짓점에 3개(정십이면체)의 면이 모일 수 있다.
유클리드의 『원론』 제13권에서는 구에 내접하는 5개의 정다면체 구성이 논해졌으며, "지금 언급한 다섯 개의 도형 외에, 등변 등각으로 서로 같은 도형으로 둘러싸인 다른 도형은 만들어지지 않는다"[14]고 기술되어 있다. 따라서 정다면체는 다음 조건을 모두 만족하는 다면체이다.[15]
# 면은 서로 합동이다.
# 면은 정다각형이다.
# 모든 꼭짓점은 동일한 구면에 있다.
3번 조건은 1, 2번 조건을 만족하는 볼록 다면체에 한해 다음과 같이 바꿔 말할 수 있다.
정다면체는 고대부터 알려져 왔다. 스코틀랜드의 늦은 신석기 시대 사람들이 만든 조각된 돌 공에서 그 형태를 찾아볼 수 있다.
고대 그리스인들은 정다면체를 광범위하게 연구했다. 피타고라스가 정다면체를 발견했다는 주장도 있지만, 그가 정사면체, 정육면체, 정십이면체만 알고 있었고, 정팔면체와 정이십면체는 플라톤 시대의 인물인 테아이테토스가 발견했을 가능성도 있다. 테아이테토스는 다섯 개의 정다면체에 대한 수학적 설명을 제시했고, 다른 볼록 정다면체가 존재하지 않는다는 최초의 증명을 했다.
정다면체는 플라톤의 철학에서 중요한 역할을 했다. 플라톤은 자신의 저서 ''티마이오스''에서 정다면체에 대해 썼으며, 각 정다면체를 4원소(흙, 공기, 물, 불)와 연관시켰다. 흙은 정육면체, 공기는 정팔면체, 물은 정이십면체, 불은 정사면체와 연관시켰다. 다섯 번째 정다면체인 정십이면체에 대해 플라톤은 "...신은 온 하늘에 별자리를 배치하는 데 [그것]을 사용했다"고 언급했다. 아리스토텔레스는 다섯 번째 원소인 아이테르를 추가하고 하늘이 이 원소로 만들어졌다고 가정했지만, 플라톤의 다섯 번째 도형과 일치시키는 데는 관심이 없었다.[3]
유클리드는 ''원론''에서 정다면체를 완전히 수학적으로 설명했으며, 마지막 책(제13권)은 그들의 속성에 할애되었다. 제13권의 명제 13–17은 정사면체, 정팔면체, 정육면체, 정이십면체, 정십이면체의 순서로 작성을 설명한다. 각 도형에 대해 유클리드는 외접 구의 지름과 변의 길이의 비율을 찾는다. 명제 18에서 그는 더 이상의 볼록 정다면체가 없다고 주장한다. 제13권의 많은 정보는 테아이테토스의 연구에서 파생되었을 것이다.
16세기에 독일 천문학자요하네스 케플러는 그 당시 알려진 다섯 개의 외계 행성을 다섯 개의 정다면체와 연결하려고 시도했다. 1596년에 출판된 ''우주의 신비''에서 케플러는 다섯 개의 정다면체가 서로 안에 위치하고, 일련의 내접 및 외접 구로 구분되는 태양계 모델을 제안했다. 케플러는 그 당시 알려진 여섯 행성 간의 거리 관계를 토성 궤도를 나타내는 구 안에 갇힌 다섯 개의 정다면체의 관점에서 이해할 수 있다고 제안했다. 여섯 개의 구는 각각 하나의 행성 (수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성)에 해당했다. 도형은 가장 안쪽에 정팔면체, 그 다음 정이십면체, 정십이면체, 정사면체, 마지막으로 정육면체의 순서로 정렬되어 태양계의 구조와 행성 간의 거리 관계를 정다면체로 결정했다. 결국 케플러의 원래 아이디어는 포기해야 했지만, 그의 연구에서 그의 세 가지 궤도 역학 법칙이 나왔고, 그 중 첫 번째는 행성의 궤도가 원이 아닌 타원이라는 것이었고, 이로 인해 물리학과 천문학의 흐름이 바뀌었다.[4] 그는 또한 두 개의 ''비볼록'' 정다면체인 케플러 다면체를 발견했다.
정십이면체와 정이십면체가 동일한 구에 내접할 때, 정십이면체의 정오각형과 정이십면체의 정삼각형은 같은 원에 내접한다. 또한, 정육면체와 정팔면체가 동일한 구에 내접할 때, 정육면체의 정사각형과 정팔면체의 정삼각형은 같은 원에 내접한다.
6. 대칭성
수학에서 대칭성의 개념은 수학적 군의 개념으로 연구된다. 모든 다면체는 고유한 대칭군을 가지며, 이는 다면체를 변하지 않게 유지하는 모든 변환(유클리드 등거리 변환)의 집합이다. 대칭군의 차수는 다면체의 대칭의 수이다. 반사를 포함하는 ''전체 대칭군''과 회전만 포함하는 ''고유 대칭군''을 구분하기도 한다.[6]
정다면체의 대칭군은 3차원 점군의 특별한 종류로, 다면체군이라고 한다. 정다면체는 높은 대칭성을 가지는데, 이는 각 도형의 꼭짓점이 대칭군의 작용에 의해 모두 동일하며, 모서리와 면도 마찬가지라는 것이다. 대칭군의 작용이 꼭짓점, 모서리, 면에 대해 추이적이라고 한다. 다면체가 꼭짓점 균일, 모서리 균일, 면 균일일 때 정다면체라고 할 수 있다.[6]
정다면체와 관련된 대칭군은 3개뿐인데, 이는 임의의 다면체의 대칭군이 이중다면체의 대칭군과 일치하기 때문이다.[6] 3개의 다면체군은 다음과 같다.
고유 (회전) 군의 차수는 각각 12, 24, 60이며, 이는 각 다면체의 모서리 수의 정확히 두 배이다. 전체 대칭군의 차수는 그것의 두 배 (24, 48, 120)이다. 정사면체를 제외한 모든 정다면체는 ''중심 대칭''이며, 이는 원점에 대한 반사에 대해 보존됨을 의미한다.[6]
다음 표는 정다면체의 다양한 대칭 속성을 나타낸다. 나열된 대칭군은 (회전 부분군과 마찬가지로) 전체 군이다. Wythoff의 만화경 작도는 대칭군에서 직접 다면체를 구성하는 방법이다. 각 정다면체에 대한 Wythoff 기호를 참고용으로 나열하였다.[6]
정다면체를 자신에게 겹쳐지도록 하는 3차원 공간상의 회전 조작(회전 변환) 전체가 이루는 군을 말한다.[17] 이는 3차원 회전군의 부분군이 된다.
정다면체의 회전군은 "정몇면체군"이라고 부르지만, 서로 쌍대인 정육면체군과 정팔면체군, 정십이면체군과 정이십면체군은 각각 군으로서 같은 것이 되므로, 정사면체군, 정팔면체군, 정이십면체군이라고 부르는 경우가 많다. 정사면체군은 4차 교대군 A4, 정팔면체군은 4차 대칭군 S4, 정이십면체군은 5차 교대군 A5와 동형이다.[17]
슐래플리 기호를 사용하여 {''p'', ''q''}로 쓸 수 있는 정다면체를 자신으로 옮기는 회전에는 다음 세 가지 유형이 있다. 단, 정사면체의 경우에는 면의 중심과 꼭짓점이 상대적이므로 ①과 ②가 융합된 것으로 간주한다.[17]
① 서로 마주보는 면의 중심을 잇는 축을 중심으로 2π/''p''의 정수배 회전하는 조작
② 서로 마주보는 꼭짓점을 잇는 축을 중심으로 2π/''q''의 정수배 회전하는 조작
③ 서로 마주보는 변의 중점을 잇는 축을 중심으로 π (의 정수배) 회전하는 조작
다음 표에서 ①, ②, ③에는 단위원이 아닌 것의 수를 나타냈다.[17]
정다면체의 변환군
p
q
①
②
③
단위원
합계(위수)
2회 대칭축
3회 대칭축
4회 대칭축
5회 대칭축
정사면체
3
3
8
3
1
12
3
4
-
-
정육면체
4
3
9
8
6
1
24
6
4
3
-
정팔면체
3
4
8
9
6
1
24
6
4
3
-
정십이면체
5
3
24
20
15
1
60
15
10
-
6
정이십면체
3
5
20
24
15
1
60
15
10
-
6
7. 응용
정다면체는 자연과 과학 기술의 여러 분야에서 발견되거나 활용된다. 결정 구조에서 정사면체, 정육면체, 정팔면체 형태가 나타나며, 황철석은 정십이면체와 비슷한 오각십이면체 형태를 가진다. 붕소 동소체와 붕소 카바이드 등의 붕소 함유 금속 붕소 화합물의 결정 구조는 정이십면체와 유사한 B12 구조를 포함한다. 카보레인산도 정이십면체에 가까운 분자 구조를 갖는다.[5]
에른스트 헤켈이 묘사한 방산충 중 일부는 정다면체 모양의 골격을 가지고 있다. 예를 들어 ''Circoporus octahedrus'', ''Circogonia icosahedra'', ''Lithocubus geometricus'', ''Circorrhegma dodecahedra'' 등이 있다. 헤르페스[10] 바이러스와 같은 많은 바이러스는 정이십면체 모양을 띄는데, 이는 반복되는 단백질 서브유닛으로 구성하기 쉽고 게놈 공간을 절약할 수 있기 때문이다.
기상학과 기후학에서는 대기 흐름의 전 지구 수치 모델에 정이십면체 기반의 측지선 격자가 사용된다. 이는 극점과 같은 수학적 특이점 없이 공간 해상도를 균등하게 분배하는 장점이 있다.
스페이스 프레임 기하학은 종종 플라톤 입체를 기반으로 하며, MERO 시스템에서는 다양한 스페이스 프레임 구성을 명명하는 데 사용된다. 예를 들어 O+T는 정팔면체의 절반과 정사면체로 구성된 구조를 나타낸다.
정다면체는 공정한 주사위를 만드는 데 사용될 수 있어, 주사위로 자주 활용된다. 6면 주사위 외에도 다양한 면을 가진 주사위가 롤플레잉 게임 등에서 사용된다. 이러한 주사위는 d''n'' (''n''은 면의 수)으로 표기된다. 루빅스 큐브와 유사한 퍼즐도 정다면체 모양으로 만들어진다.
아이작 뉴턴의 영묘 (1784년)와 같은 건축물에서 정다면체의 조형적 특성이 활용되기도 한다. 에티엔 루이 불레는 건축에 "플라톤 다면체" 개념을 도입하였다.
다음은 일본산 광물 결정 중 정다면체 형태를 이루는 주요 광물 종류이다.[18]
정사면체
연안사면동광 (Tetrahedrite) 등의 사면동광 그룹, 섬아연광 (Sphalerite), 즈니석 (Zunyite) 등
대한민국에서는 민주당 등 진보 정당을 중심으로 정다면체의 조화로운 특성을 사회적 통합과 관련된 가치에 대한 은유로 사용하는 경우가 있다.
8. 4차원 정다면체
3차원 이상에서는 다면체가 다포체로 일반화되며, 고차원 볼록 정다포체는 3차원 플라톤 다면체에 해당한다.
19세기 중반 스위스 수학자 루드비히 슐레플리는 플라톤 다면체의 4차원 아날로그인 볼록 정4-다포체를 발견했다. 이러한 도형은 정확히 6개가 있으며, 그 중 5개는 플라톤 다면체와 유사하다: {3,3,3}인 5-세포, {3,3,4}인 16-세포, {3,3,5}인 600-세포, {4,3,3}인 초입방체, {5,3,3}인 120-세포가 있으며, 여섯 번째는 자기 쌍대인 24-세포인 {3,4,3}이다.
참조
[1]
문서
Martin Gardner wrote a popular account of the five solids in his December 1958 Mathematical Games column in Scientific American
1987
[2]
간행물
Plato's Timaeus
http://plato.stanfor[...] [3]
문서
Wildberg discusses the correspondence of the Platonic solids with elements in ''Timaeus'' but notes that this correspondence appears to have been forgotten in ''[[Epinomis]]'', which he calls "a long step towards Aristotle's theory", and he points out that Aristotle's ether is above the other four elements rather than on an equal footing with them, making the correspondence less apposite.
1988
[4]
서적
The Mechanical Universe: Introduction to Mechanics and Heat
Cambridge University Press
[5]
문서
Regular Polytopes, sec 1.8 Configurations
[6]
논문
Cyclic Averages of Regular Polygons and Platonic Solids
https://www.rgnpubli[...]
2020
[7]
논문
Platonic Passages
Mathematical Association of America
2017-04
[8]
간행물
Prince Rupert's problem and its extension by Pieter Nieuwland
[9]
간행물
Das Problem des Prinzen Ruprecht von der Pfalz
[10]
논문
Why large icosahedral viruses need scaffolding proteins
2018-10
[11]
문서
1981
[12]
웹사이트
"''The liquid-crystalline blue phases'' (1989). by Tamar Seideman, Reports on Progress in Physics, Volume 53, Number 6"
http://chemgroups.no[...] [13]
문서
プラトンの対話篇『ティマイオス』において、四元素説と結びつけられて言及されたことに因む。
[14]
서적
ユークリッド原論(追補版)
共立出版
2015-02-25
[15]
서적
多面体
シュプリンガー・フェアラーク東京
2001-12-05
[16]
서적
多面体百科
丸善出版
2016-10-31
[17]
서적
正多面体を解く
東海大学出版会
2002-05-20
[18]
서적
日本産鉱物の結晶形態
高田雅介
2010-04-20
[19]
서적
多面体木工(増補版)
特定非営利活動法人 科学協力学際センター
2011-03-01
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