ゾーン多面体(ゾーンためんたい、英: Zonohedron)とは、三次元の凸多面体において、向かいあった辺同士が全て平行になっている偶数多角形のみで構成されている立体である。平行な辺を共有する隣り合う面を辿っていくと立体を一周する帯(ゾーン)が見て取れることが、この名前の由来である。コクセターはゾーン多面体の理論はロシアの偉大な結晶学者フェドロフによる、と述べている。[1]
主なものでは、
正多面体(プラトンの立体)からは、
立方体
半正多面体(アルキメデスの立体)からは、
切頂八面体
斜方切頂立方八面体
斜方切頂二十・十二面体
正2n角柱(底面が偶数多角形のもの)
があげられる。そのほか、
切稜立方体
や各種菱形多面体もゾーン多面体である。渡辺泰成と別宮利昭は、正多面体や半正多面体、あるいはそれらの複合多面体をもとに、重心から頂点への基本ベクトルを用いて16次元立方体の三次元投影図形までの各種ゾーン多面体を構成した。[2] 平行多面体 (Parallelohedra) とは、ゾーン多面体のうち単独で平行移動のみによる空間充填が可能な立体のことであり、以下の5種類しかないことをロシアの結晶学者E.S.フェドロフ
平行多面体
1933年にロシアの数学者ドロネー
はより簡単なアプローチでこれを証明した。コクセターはH.S.ホワイトの投影図法に基づいて、1つの交点に交わる直線は3本以下で、1本の直線上の交点の数は3以下という条件を導き、フェドロフの5種類に証明を与えた。表面に対角線比が黄金比の菱形のみをもつ等面菱形多面体は次の5種類であり、コクセターはこれを黄金等稜ゾーン多面体と呼んだ。
尖った菱形六面体
平たい菱形六面体
菱形十二面体第2種
菱形二十面体
菱形三十面体
以上の5種類の菱形多面体のみで空間を非周期的に充填することができる。その二次元投影図はペンローズ・タイルと呼ばれ、3種類がある。 対角線比が第二黄金比1:2.618の菱形と白銀比1:1.414の菱形の2種類をもつ菱形多面体には、 面の数が6,12,20,30,42,56,72,90のものがあり、それぞれは三次元から十次元までの立方体の三次元投影図形の外殻となってる。[4] コクセターは、任意の偶数正角柱あるいは奇数正反角柱の重心と天面の各頂点、重心と底面の各頂点を結ぶベクトルの組を両極として、菱形面のみから構成されるゾーン多面体をポーラーゾーン多面体と呼んだ。角柱の天地面を正n角形とすると、一つの極の周りをn枚の等しい菱形のセットが取り巻き、つぎに別のn枚の菱形のセットが取り巻くというようにして、合計n-1セットの菱形の側面が反対の極に至るまで埋めることになる。この族のホワイト・コクセターダイヤグラムは、n角形の各辺を両方に延長した直線による星形を示す。 このポーラーゾーン多面体の場合の極を2n角形面に置き換えると、角柱の側面を2枚の2m(m≦n)角形と複数の菱形で取り囲んだプリズムゾーン多面体とでも呼ぶべき一連のゾーン多面体の族となる。菱形面の枚数は、側面の2m角形が天地面の2n角形と頂点を共有する場合は2mn枚、側面の2m角形が天地面の2n角形と辺を共有する場合は2(m?1)(n?1)枚である。 ⇒[1] ホワイト・コクセターダイヤグラムは、前者はm本の扇とn本の扇による交差を、後者はm本の扇とn本の扇が1本の直線を共有する交差を示す。 三次元空間のゾーン多面体は、高次元の立方体を三次元空間に投影して得られる図形のうちの特定のものの外殻と一致する。このことを最初に論じたのは、コクセターの『正多胞体』である。その中で彼は、1934年に敷物商・ドンチャン(Paul S. Donchan)[2] ホワイトとコクセターのダイヤグラムでは、ゾーンを直線であらわし、p本の直線が交わる交点は2p角形面を示す。q本の線分及び半直線で仕切られる領域はq価の頂点を表す。そのさい同一直線上にある2つの半直線は1つの線分と同価とみなす。以下の表には、6次までのすべてのゾーン多面体の類型を示し、7次以降は代表的なもののみを示した。 ゾーン多面体投影図辺数平行な辺の 四角形6枚3価12 四角形8枚3価16 4価10 四角形14枚3価12 6本組×3 六角形2枚 四角形12枚3価20 四角形18枚3価16 四角形18枚3価16 四角形24枚3価18 4価6 四角形6枚3価24 4価18 6価2 4価16 5価4 4価12 10本組×4 四角形30枚3価24 4価8 六角形12枚 10本組×2 六角形4枚 四角形32枚3価28 4価16
第二黄金ゾーン多面体
ポーラーゾーン多面体
ゾーン多面体と高次元立方体
グループ数対応
する
高次元
立方体
の次数ホワイト・コクセター
ダイヤグラム
[3]
平行六面体124本組×33四角形6枚3価8
六角柱184本組×3
菱形十二面体246本組×44四角形12枚3価8
極菱形三十面体6010本組×66四角形30枚3価12
ホワイト菱形三十面体B6010本組×66四角形30枚3価12
ホワイト菱形三十面体C6010本組×66四角形30枚3価14