ピクシブ百科事典

半正多面体

はんせいためんたい

正多角形で構成された全ての頂点形状が等しい凸多面体。
目次[非表示]

概要

正多面体を半分にぶった切ったもの…ではなく、正多面体の条件から「全ての面が同じ」という点を除く事で作られる多面体
アルキメデスの立体」とも呼ばれ、紀元前から知られており、以下の13種(鏡像を含めれば15種)が存在。

名称頂数辺数面数面形頂形双対備考
立方八面体1224143(正三角形)と4(正方形)4菱形十二面体準正多面体立方体正八面体というイメージ。頂点と中心の間の距離=辺の長さとなっている。別名:異相双三角台塔ベクトル平衡体
二十・十二面体3060323(正三角形)と5(正五角形)4菱形三十面体準正多面体。正十二面体正二十面体というイメージ。別名:異相双五角丸塔二十面十二面体
斜方立方八面体2448263(正三角形)と4(正方形)4凧形二十四面体立方八面体+菱形十二面体というイメージ。別名:菱形立方八面体小菱形立方八面体切頂菱形十二面体同相双四角台塔柱
斜方二十・十二面体60120623(正三角形)と4(正方形)と5(正五角形)4凧形六十面体中ボス。二十・十二面体+菱形三十面体というイメージ。別名:菱形二十・十二面体小菱形二十・十二面体切頂菱形三十面体
切頂四面体121883(正三角形)と6(正六角形)3三方四面体文字通り、正四面体の各頂点を切ったような形。「切頂」自体の別名:切頭、切隅
切頂立方体2436143(正三角形)と8(正八角形)3三方八面体別名:切頂六面体
切頂八面体2436144(正方形)と6(正六角形)3四方立方体単独で空間充填可能。
切頂十二面体6090323(正三角形)と10(正十角形)3三方二十面体
切頂二十面体6090325(正五角形)と6(正六角形)3五方十二面体サッカーボールの形として馴染み深い。
切頂立方八面体4872264(正方形)と6(正六角形)と8(正八角形)3二重二方十二面体文字通りの切頂では作れない。別名:斜方切頂立方八面体大菱形立方八面体
切頂二十・十二面体120180624(正方形)と6(正六角形)と10(正十角形)3二重二方三十面体表ボス。文字通りの切頂では作れない。別名:斜方切頂二十・十二面体大菱形二十・十二面体
変形立方八面体2460383(正三角形)と4(正方形)5五角二十四面体立方体または正八面体をねじったような形。鏡像の別有り。別名:変形立方体ねじれ立方体など
変形二十・十二面体60150923(正三角形)と5(正五角形)5五角六十面体裏ボス。鏡像の別有り。別名:変形十二面体ねじれ十二面体など

この「準正→斜方→切頂→変形」という並びは特に正式のものでは無く、覚え易さ的にお勧めの並びである(正式な並びは不明)。
互いに密接な関係を持っており、その辺に注目すると更に覚え易い(後述)。

正多角形で構成され、全ての頂点形状が合同という性質があるが、これだけでは定義として不十分な所がある(後述)。
正多面体星型正多面体共々、一様多面体に属している。
双対はカタランの立体

Semi-regular polyhedronの訳とされるが、Semi-regular polyhedronと言うと凸でないものも含まれる場合がある様子なので、英語の上ではArchimedean solid(アルキメデスの立体)と言った方が無難かもしれない(詳細は「正多面体」で)。
正多面体の凸でない版として星型正多面体が存在するのと同様に、半正多面体にも凸でない版が存在しているが、名称は不明(以下、便宜のため星型半正多面体と仮称)。
また、文脈の上では、準正多面体以外の半正多面体の事を指してSemi-regularと表現している場合もある。

正多面体の次に美しい多面体として名高いが、面周りが合同でないため、サイコロにしようとすると出る目の確率に偏りが出てしまう。
双対のカタランの立体はサイコロに向いている。

長方形菱形には正方形も含まれるが、半正多面体に正多面体は含まれていない。
半正多面体と正多面体の総称は不明だが、「無限系列を含まない凸型の一様多面体」という表現はできる。

平面充填形バージョンは「アルキメデスの平面充填形」と呼ばれ、8種存在。

名称について

斜方~

斜方立方八面体などの「斜方」は「菱形」の別訳であり、別名の「菱形立方八面体」などはそれによる。
そしてこの「菱形~」という部分は、菱形十二面体や菱形三十面体の事を表している。
実は斜方立方八面体は、立方体と正八面体から立方八面体を作るのと同様の要領で、立方八面体と菱形十二面体から作る事ができる。
そのため、「立方体 + 正八面体 ⇒ 立方八面体」に対し、「立方八面体 + 菱形十二面体 ⇒ 菱形立方八面体 = 斜方立方八面体」となっているわけである。

切頂~

切頂立方八面体と切頂二十・十二面体は、日本語では「斜方~」が付けられる事が多いが、数学的な意味は特に無さげ。
後述の拡張シュレーフリ記号やConway polyhedron notationにおいては、「切頂」にあたる記号だけで表現されており、英語Wikipediaでも切頂に当たる語だけ付ける方が採用されている。
星型半正多面体の一種の大切頂立方八面体に対しても、斜方は付けない方が整合する。

これに斜方を付ける事は恐らく、切頂立方体を「八面切頂立方体」と呼ぶ事に相当しており、名前を無駄に長く解り辛くしている形となっている。
そのため本記事では、斜方を付けない方を採用している。
星型半正多面体には立方切頂立方八面体というものもあるため、もしかしたらそれとの区別という意味合いはあるのかもしれない。
各々「大菱形~」という別名もあるが、これは星型半正多面体の一種である「一様大斜方~」の別名にもなってるため注意が要る。

切頂八面体などは、文字通りに解釈してしまうと切頂七角錐や切頂六角柱も含んでしまうため、切頂正八面体などと呼んだ方が正確そうではあるが、なぜか正を含めないのが一般的となっている。
立方八面体や三方八面体も、意味合い的には立方正八面体、三方正八面体なのであるが、そう呼ばれる事は稀となっている。
類似の現象はジョンソンの立体などでも見られる。

変形~

変形立方八面体と変形立方体(および変形二十・十二面体と変形十二面体)が別名同士というのは、立方八面体が立方体の別名になってるようなものであり、混乱を招く話であるが、これは英語の時点から引きずられている問題となっている。

「変形」「ねじれ」という表現は共に、半正多面体以外の多面体に対しても用いられているが、意味合いの統一性は乏しいため、その辺と比べてもどちらが妥当かは語り辛い。
後述の拡張シュレーフリ記号では変形立方八面体という呼称に基いた立場が取られているが、Conway polyhedron notationにおいては変形立方体という呼称に基いた立場が取られいるようである。

ただ、星型半正多面体における「大変形二十・十二面体」「大逆変形二十・十二面体」「大反屈変形二十・十二面体」という呼称と同じ規則に基けば、変形立方八面体という呼称が妥当となる。
変形立方体という呼称に対しては、それらは「大変形十二面体」「大逆変形十二面体」「大反屈変形十二面体」と呼ぶのが筋となる。

変形立方体という呼称の方が万人に解り易くはあるのだが、正八面体をねじる事でも作る事ができるため「変形八面体」とも呼べる事となり、立方体と正八面体の要素を等しく含んでいるため、なぜ立方体基準で呼ぶのかという問題が出て来る。
斜方立方八面体との関係からしても、変形立方八面体の方が妥当そうとなって来る。

一方、変形立方体という呼称における「変形」という操作が、あらゆる多面体に対して用いる事ができる操作であるのに対し、変形立方八面体という呼称における「変形」という操作は基本的に、特定の条件を満たした多面体にしか用いる事ができず、少し中途半端な操作となる。
また、変形立方体の変形の場合は「右回り」「左回り」という表現で鏡像の別を簡潔に区別できるのに対し、変形立方八面体の変形は、面によってどちら周りか違って来るので、少々面倒な事となる。

準正多面体

立方八面体と二十・十二面体は、準正多面体(Quasi-regular polyhedron)にも分類されている。
準正多面体は半正多面体のサブグループであり、「辺周りが合同な半正多面体」という意味合いで、この2種のみが該当している。
日本語版Wikipediaでは小二重三角二十・十二面体なども準正多面体であると説明されているが、これは半正多面体に星型半正多面体を含む立場の場合の話である。

半正多面体の中で切頂版が存在するのもこの2種のみであるが、正多面体の切頂版とは異なり、文字通りに頂点を切ると切り口が長方形になってしまう点には注意が要る。

半正多面体の性質を満たす他の立体

ミラーの立体擬斜方立方八面体)」と「アルキメデスの角柱」(以下単に角柱)と「アルキメデスの反角柱」(以下単に反角柱)も半正多面体の条件を満たすが、一般的にはこれに含めない。

これについて、角柱と反角柱は無限に種類があるからという理由で省かれる事があるが、ミラーの立体は1つしか無いにも関わらず省かれている。
実はミラーの立体は、全ての頂点形状が合同ではあるが、周辺の頂点まで視野に入れると合同ではないため、角柱と反角柱以上に半正多面体に遠い。
例えば、半正多面体の頂点のどれか一つに目印を付けた場合、どの頂点に付けても結果は変わらないし、この性質は角柱と反角柱も持っているが、ミラーの立体は2通りの結果を産む。

ミラーの立体は主にジョンソンの立体に分類され、37というナンバーも振られている。
ジョンソンの立体としては異相双四角台塔柱と呼ばれる。
擬一様多面体というグループにも属している。

なお、どの頂点に目印を付けても結果が変わらないような性質は「頂点推移的(Vertex transitive)」と呼ばれている。
半正多面体の条件の「頂点形状が合同」という部分は、正確には頂点推移的と言うべきなのである。
頂点推移的であれば、必然的に頂点形状も合同となる。

半正多面体同士の関係&カタランの立体同士の関係

頂点を切り込む深さなどによる関係

■頂点を切る

元の図形浅く切頂(Truncate)深く切頂(Rectify)
正四面体切頂四面体正八面体
立方体切頂立方体立方八面体
正八面体切頂八面体(同上)
正十二面体切頂十二面体二十・十二面体
正二十面体切頂二十面体(同上)
立方八面体切頂立方八面体(要調整)斜方立方八面体(要調整)
菱形十二面体斜方立方八面体
二十・十二面体切頂二十・十二面体(要調整)斜方二十・十二面体(要調整)
菱形三十面体斜方二十・十二面体

■面をねじる
元の図形少しねじる半角分ねじる
正四面体正二十面体正八面体
立方体、正八面体変形立方八面体立方八面体
正十二面体、正二十面体変形二十・十二面体二十・十二面体

■面を隣接するもの同士で逆方向にねじる
元の図形少しねじる半角分ねじる
正八面体正二十面体立方八面体
立方八面体変形立方八面体斜方立方八面体
二十・十二面体変形二十・十二面体斜方二十・十二面体

■面の中心を吊る
元の図形低く吊る高く吊る
正四面体三方四面体立方体
立方体四方立方体菱形十二面体
正八面体三方八面体(同上)
正十二面体五方十二面体菱形三十面体
正二十面体三方二十面体(同上)
立方八面体凧形二十四面体
菱形十二面体二重二方十二面体(要調整)凧形二十四面体(要調整)
二十・十二面体凧形六十面体
菱形三十面体二重二方三十面体(要調整)凧形六十面体(要調整)

■頂点をねじる
元の図形少しねじる半角分ねじる
正四面体正十二面体立方体
立方体、正八面体五角二十四面体菱形十二面体
正十二面体、正二十面体五角六十面体菱形三十面体

■頂点を隣接するもの同士で逆方向にねじる
元の図形少しねじる半角分ねじる
立方体正十二面体菱形十二面体
菱形十二面体五角二十四面体凧形二十四面体
菱形三十面体五角六十面体凧形六十面体

拡張シュレーフリ記号

半正多面体を表す記号として、ワイソフ記号やコクセター・ディンキン図形がある。
それらに関する解説は玄人に任せておくとして(外部リンク参照)、もう少し取っ付き易いものとして、正多面体を記述する時に使ったシュレーフリ記号を元にした「拡張シュレーフリ記号」というものもある。
これに基けば、半正多面体などは以下のように表現される。

多面体拡張シュレーフリ記号
立方八面体4と3を縦に並べて{}で括った形、またはr{4, 3}。
二十・十二面体5と3を縦に並べて{}で括った形、またはr{5, 3}。
切頂~t(Truncation、Truncate)を付ける。例えば切頂四面体ならt{3, 3}。
斜方~r(Rectification、Rectify)を付ける。
変形~s(Snub)を付ける。「変形立方体」ではなく「変形立方八面体」という呼称に整合。
アルキメデスのn角柱t{2, n}
アルキメデスの反n角柱2とnを縦に並べて{}で括ってsを付ける、あるいはsr{2, n}。

ここで、「r」という操作は「深い切頂(各頂点を切り口が接するまで切り込む)」となっている。
同様の操作を正四面体に対して行うと正八面体になるため、正八面体はr{3, 3}とも表現される。
これを利用すれば、正多面体と半正多面体の殆どが、{3, 3}にt、r、sの組み合わせを付けた形で以下のように表現できる。
多面体拡張シュレーフリ記号
正八面体{3, 4} = r{3, 3}
正二十面体{3, 5} = s{3, 4} = sr{3, 3}
立方八面体r{4, 3} = r{3, 4} = rr{3, 3}
二十・十二面体r{5, 3} = r{3, 5} = rs{3, 4} = rsr{3, 3}

立方八面体は正四面体にrを2回行ったものとなっているが、このようにrを2回行う操作は特に「Cantellation」または「Expansion」と呼ばれている。
前者は率直に見ればカンテラ(Cantera)が語源と思われる所であるが、不明。

アルキメデスの反n角柱をsr{2, n}と表現する方法は、グラフ理論的に考えると一部の線が二重になってしまうという問題を抱えており、同様に考えるならば、アルキメデスのn角柱はrr{2, n}とも解釈できる。
この解釈に基づくと、以下の対応関係が考えられる。
元の図形rrsrrrの双対srの双対
多角形(二面体)、Hosohedron角柱反角柱双角錐反双角錐
正四面体立方八面体正二十面体菱形十二面体正十二面体
立方体、正八面体斜方立方八面体変形立方八面体凧形二十四面体五角二十四面体
正十二面体、正二十面体斜方二十・十二面体変形二十・十二面体凧形六十面体五角六十面体

ただし星型半正多面体の中には、これによる表現が不明なものも多い。
対してワイソフ記号らならば、それらを表現する方法も存在している。

更なる拡張

拡張シュレーフリ記号の範囲では、正多面体と半正多面体の内、立方体と正十二面体、およびそれらの切頂版のみ、{3, 3}を用いて記述する方法が見当たらない。
つまりこの見方においては、拡張シュレーフリ記号は中途半端となっている。
ここで仮に、正四面体→立方体、正四面体→正十二面体となるような記号を作ると、半正多面体を網羅できると同時に、○方系を除くカタランの立体までをも記述できるようになる。
後は正四面体→三方四面体の記号を作れば、カタランの立体も全て網羅できる。

実際、似た記号を用いる方法にConway polyhedron notation(コンウェイ多面体表記法?)というものがあり、こちらはrの代わりにa(ambo)を用い、sr→sとし、以下のようになっている。

操作の名前記号拡張シュレーフリ記号の対応/操作の内容
Amboar
Snubssr(拡張シュレーフリ記号と異なり、「変形立方体」という呼称の方に整合)
KiskTruncateの双対。立方体→四方立方体など。
JoinjAmboの双対。立方体→菱形十二面体など。
GyrogSnubの双対。立方体→五角二十四面体など
Duald双対。立方体→正八面体など。

更にこれらを組み合わせたものにも名前が付けられており、以下のようになっている。
操作の名前記号組み合わせ
Expandeaa立方体→斜方立方八面体
Orthoojj立方体→凧形二十四面体
Bevelbta立方体→切頂立方八面体
Metamkj立方体→二重二方十二面体
Zipztd立方体→切頂八面体
Needlenkd立方体→三方八面体

拡張シュレーフリ記号においてもConway polyhedron notationにおいても、Snubは回転する方向を問われていない様子であるが、回転する方向を片方に限定した場合、立方体と正八面体とでは、回転の結果が丁度鏡像関係になる。
これを利用すれば、鏡像の別も網羅でき、以下のようにまとめられる。

正四面体→半正多面体等の曼荼羅的な



「派生となる半正多面体等」の詳細早見表

※関連記事で便宜上に使ってる表現です。上記の「Conway polyhedron notation」などから借用してはいますが、正式なものではありません。

操作名内容
Rectify頂点を深く切る(切り口同士が点で接するまで)。(「Conway polyhedron notation」ではAmboと呼ばれるが、Rectificationの方が広く浸透している様子があるため、こちらを用いている)立方体→立方八面体
Join面の中心を高く持ち上げる(元々の辺が平らになるまで)。Rectifyの双対。立方体→菱形十二面体
切頂頂点を切る。Truncate。立方体→切頂立方体
Kis面の中心を持ち上げる。切頂の双対。立方体→四方立方体
Zip頂点をRectifyより更に深く切る。双対の切頂。立方体→切頂八面体
Needle面の中心をJoinより更に高く持ち上げる(凹角ができないよう、骨組みに膜を張るような形で)。双対のKis。立方体→三方八面体
Cantellate面同士を切り離して膨らませる。RectifyのRectify。CantellationあるいはExpansion。立方体→斜方立方八面体
Ortho各頂点の角を広げる。JoinのJoin。立方体→凧形二十四面体
Bevel頂点と辺を切る。Rectifyの切頂。立方体→切頂立方八面体
Meta面の中心と辺の中心を持ち上げる。JoinのKis。立方体→二重二方十二面体
Snub(互)面を隣接するもの同士で逆方向になるようにねじる。拡張シュレーフリ記号のsに相当。正八面体→正二十面体
Snub(同)面を全て同じ方向にねじる。RectifyのSnub(互)。立方体→変形立方八面体
Gyro(互)頂点を隣接するもの同士で逆方向になるようにねじる。Snub(互)の双対。立方体→正十二面体
Gyro(同)頂点を全て同じ方向にねじる。Snub(同)の双対、JoinのGyro(互)。立方体→五角二十四面体

関連イラスト

Excelグラフで多面体を描いてみた
正多面体と半正多面体の展開図
コアラ?
切頂八面体と少女2



関連動画



関連タグ

アルキメデス
結晶 サッカーボール フラーレン ビーズ 折り紙 ブロック ゾムツール
カタランの立体 正多面体 ジョンソンの立体 角柱 反角柱 正多角形 平面充填
一様多面体 多面体 立体 図形 三次元 幾何学 数学

関連外部リンク

関連記事

親記事

一様多面体 いちようためんたい

子記事

兄弟記事

pixivに投稿された作品 pixivで「半正多面体」のイラストを見る

このタグがついたpixivの作品閲覧データ 総閲覧数: 5160

コメント