Szabályos toroidok
Addig, amíg egyszerû
poliéderek körében könnyen meghatározható
a szabályos poliéderek száma (5, ill. az önátmetszõket
is beleértve 9), végtelen sok
szabályos toroid létezik. Mint
láttuk, a toroidok körében csak topológiai
tulajdonság a "szabályos" jelzõ.
Gondoljunk csak arra, miként
lehetne - folytonos deformálással és amegfelelõ
élek összeragasztásával tóruszt
készíteni egy téglalapból. Ragasszuk össze
egy téglalap két szemközti élét, ezzel
a téglalpból egy henger-palástot kapunk. Ezután
ragasszuk össze a henger két végét, amely eredetileg
a téglalap másik két szemközti éle volt.
Ezzel elkészítettük a tóruszt.
Azt mondhatjuk tehát, hogy a tórusz topológiai szempontból egy olyan téglalalp, amelynek a szemközti élei egybeesnek, így a téglalap négy csúcsa a tóruszfelület egyetlen pontja lesz..
Mithogy a sík a szabályos sokszögek közül a háromszöggel, négyzettel és a szabályos hatszöggel - és csak ezekkel - parkettázható ki, ennek megfelelõen három típusú szabályos toroid létezik:
Legkönnyebb négyszöglapú toroidokat elõállítanunk. A 4-4.mws MAPLE programfájl ilyen toroidokat állít elõ. Nevezzük az így kapott toroid egy sorának azokat az egymáshoz éllel kapcsolódó négyszögeket, melyek a tórusz - forgástengelyére merõleges - forgásiránya mentén kapcsolódnak egymáshoz, egy oszlopának a forgásirányra merõlegesen egymáshoz kapcsolódó lapjait.
Ezzel a programmal elõállíthatunk minden olyan toroidot, melynek egy sorában és oszlopában legalább három négyszög van. Így egy ilyen toridnak legalább 3*3=9 lapja van: 44T3_3A.wrl , 44T3_3B.wrl. Tizenkét lapú toroidot kétféle elrendezésben is elõállíthatunk: 44T4_3.wrl és 44T3_4.wrl. Ha - mint hamarosan látni fogjuk, nem kizárólag a látvány kedvéért - olyan konstrukciót tervezünk, amelyen sakktábbla szerûen csak minden második négyszög látható, akkor mind az egy sorban, mind az egy oszlopban lévõ négyszögek számának páros számnak kell lennie. Pl. 44T10_6.wrl.
Felvethetõ a kérdés,
hogy lehet-e olyan N
lapú T(4,4)
tipusú szabályos toroidot elõállítani,
ahol N
nem bontható két olyan szám szorzatára, ahol
mindkét tényezõ legalább 3? Pl.
létezik-e 10, vagy 11 lapú T(4,4)
típusú toroid?
E sorok írója
erre a kérdésre nem tudja a választ. Az biztos, hogy
a tóruszra rajzolható ilyen szabályos gráf,
de a kérdés arra vonatkozik, hogy csupán
síkbeli négyszögekbõl
elõállítható e ilyen toroid. Örömmel
vennénk, ha olvasóink közöt alkadna, aki meg tudná
válaszolni ezt a kérdést.
A háromszöglapokból álló T(3,6) típusú toroidok gráfját egyszerûen a négyszögek egyik átlójának a berajzolásával kapjuk a T(4,4) típusból: 36T5_3a.wrl Ebbõl úgy kaphatunk "igazi" T(3,6) típusú toroidokat (melyeknek a szomszédos lapjai nem esnek egy síkba), hogy vagy minden második sorba, vagy minden második oszlopba esõ csúcspontokat elmozdítjuk fél beosztásnyival. 36T7_3b.wrl , 36T7_3c.wrl .
Ezek a vrml fájlok a T(3,6) típusú toroidok elõállítására alkalmas, 3-6.mws MAPLE programmal készültek.
Ebben a programban ugyancsak tetszõlegesen megadható az egy sorban, ill. oszlopban lévõ háromszögek száma. A kínálkozó lehetõségek közül érdemes megemlíteni azt az esetet, amelyben egy sorban 14, egy oszlopban 10 háromszög található. Ekkor ugyanis kiszínezhetõk a háromszögek hét színnel úgy, hogy minden azonos színû (20 háromszögbõl álló) tartomány szomszédos, egyszersmind egybevágó legyen az összes többivel. Ez pedig egy igen szép illusztrációja az un. Heawood- tételnek, miszerint a tóruszra rajzolt bármely térkép kiszínezéséhez elegendõ legfeljebb hét szín. (Egy térképet akkor tekintünk helyesen szinezettnek, ha a szomszédos - aza közös határvonallal rendelkezõ - tartományok különbözó színûek.)
Azt gondoljuk, hogy olvasóink számára ismert ennek a tételnek a sokkal egyszerûbb felületre, a gömbre -vagy ezzel egyenértékû módon a síkra - megfogalmazott megfelelõje, az un. négyszíntétel : Igaz- e hogy a síkra rajzolt bármely térkép kiszínezéséhez elegendõ négy szín? A kérdésnek nagy irodalma, az állításnak -miszerint elegendõ a négy szín - számítógéppel végzett bizonyítása van, de pusztán matematikai módszereket használó "tiszta" megoldása egyelõre nincs.
Visszatérve a tóruszra: Heawood azt is megmutatta, hogy a hét szín szükséges is, ugyanis rajzolt a tóruszra olyan hét tartományból álló térképet, amelyen bármely két tartomány szomszédos volt, azaz közös határvonallal rendelkezett. Az itt bemutatott tóruszra rajzolt térkép közül bármely kettõ szomszédos (és egybevágó).
Ilyen Heawood-térkép rajzolható "durvább", Heawood1.wrl, vagy kissé "finomabb" változatban is: Heawood2.wrl, sõt kaphatunk hét egybevágó és páronként szomszédos tartományból álló toroidot mindössze 14 csúcspont felhasználásával is: 7szin4lap.wrl . Itt egy tartomány négy háromszögbõl áll.: 1szin4lap.wrl (Ez utóbbi két fájl azonban nem ezzel a Maple programmal készült.)
A T(6,3) típusú toroidok elõállítása az eddigieknél több számolást igényel, ugyanis gondoskodni kell arról, hogy az egy lapra illeszkedõ hat csúcs egy síkra illeszkedjen, amellett a keletkezõ hatszög ne legyen önátmetszõ. Ezt a változtatható alpszámú toroidot elõállító 6-3.mws MAPLE programban úgy oldottuk meg, hogy vettünk egy olyan T(4,4) típusú toroidot, amelynek kiválasztható minden második négyszöge, mint pl. 44T10_6.wrl. Ezzel a négyszögeket lényegében két osztályba soroltuk. Az egyik osztályba tartozó négyzetlapok síkjai lettek a hatszöglapok síkjai. A hatszögek csúcsainak a kiszámításához fel kellett írnunk e síkok egyenletét, majd ebbõl alkalmas módon hármat-hármat összeválogatva kaptuk azt az egyenletrendszert, amelyet megoldva megkaptuk a hatszög egy csúcsának a koordinátáit. Így állt elõ pl. a 63T5_3.wrl és a 63T7_3.wrl T(6,3) típusú hatszögekbõl álló toroid. Ez utóbbi egyben hatszögekbõl állítja elõ a már látott egybevágó tartományokból álló Heawood-féle térképet.
Ezen a rajzon kissé könnyebben megfigyelhetõ, hogy egy adott szín (pl. a piros) az összes többivel szomszédos.
Bemutatunk még egy T(6,3) típusú toroidot, amely lényegében egy kockából kivágott háromélû prizma: 63Tkocka.wrl. Az alakzat érdekessége, hogy a ezt a toroidot az egybevágóság szempontjából mindössze kétféle hatszög határolja.
Ugyancsak érdekes a 12, ill.
24 darab L alakú hatszögbõl álló 12L.wrl
és a kissé bonyaolultabb 24L.wrl
alakzat, amlyek szintén T(6,3) típusú
toroidok.
(Azutóbbi három vrml
fájl természetesen nem a 6-3.mws MAPLE program felhasználásával
készült, könnyen módositható az
itt bemutatott szerkesztõ programmal.)
A bemutatott példák mindegyikében volt konkáv hatszög is a toroid lapjai között, talán nem véletlenül. Ez alapján megfogalmazható egy sejtés: Nem lehet csupa konvex hatszögbõl T(6,3) típusú szabályos toroidot készíteni. Ugyancsak szívesen vennénk, ha olvasóink között akadna, aki igazolná, vagy cáfolná ezt a sejtést.
Mint láttuk, a szabályos toroidok lapjainak a száma korlátlanul növelhetõ mindhárom típusnál. Felvetõdhet azonban az a kérdés, hogy: Legkevesebb hány sokszögbõl állíthatunk elõ egyik, vagy másik típushoz tartozó szabályos toroidot?
A választ itt találjuk:
Vissza: a poliéderek címlapjához