Ко́мплексный многогра́нник — это обобщение многогранника в на аналогичную структуру в комплексном гильбертовом пространстве, где к каждой вещественной размерности добавляется мнимая.

Комплексный многогранник можно понимать как коллекцию комплексных точек, прямых, плоскостей и так далее, где в каждой точке пересекаются несколько прямых, в каждой прямой несколько плоскостей и т. д.

Точное определение существует только для правильных комплексных многогранников, которые являются конфигурациями. Правильные комплексные многогранники полностью описаны и могут быть описаны с помощью символической нотации, разработанной Коксетером.

Описаны также некоторые комплексные многогранники, не являющиеся правильными.

Определение и вводные замечания Комплексная прямая имеет одну размерность с вещественными координатами и другую с мнимыми координатами. Если использованы вещественные координаты для обеих размерностей, говорят о задании двух размерностей над вещественными числами. Вещественная плоскость с мнимой осью называется диаграммой Аргана. Ввиду этого она называется иногда комплексной плоскостью. Комплексное 2-пространство (которое иногда также называется комплексной плоскостью) тогда является четырёхмерным пространством над вещественными числами.

Комплексный n-многогранник в комплексном n-пространстве аналогичен вещественному n-многограннику в вещественном n-пространстве.

Нет естественного комплексного аналога порядку точки на вещественной оси (или связанных комбинаторных свойств). Вследствие этого комплексный многогранник нельзя рассматривать как непрерывную поверхность и он не ограничивает внутренность, как это происходит в вещественном случае.

В случае правильных многогранников точное определение можно дать с помощью понятия симметрии. Для любого правильного многогранника группа симметрии (здесь, группа комплексных отражений, называемая группой Шепарда) действует транзитивно на флагах, то есть на вложенные наборы точек, содержащихся в прямых, которые принадлежат плоскости и так далее.

Более полно, говорят, что набор P аффинных подпространств (или плоскостей) комплексного унитарного пространства V размерности n является правильным комплексным многогранником, если он удовлетворяет следующим условиям: для любых , если является плоскостью в P размерности i и является плоскостью в P размерности k, такие, что , то существует по меньшей мере две плоскости G в P размерности j такие, что ; для любых , таких что , если являются плоскостями пространства P размерностей i, j, то множество плоскостей между F и G связно, в том смысле, что можно получить из любого члена этого множества любой другой как последовательность вложений подмножество унитарных преобразований V, не изменяющих P, транзитивно на флагах плоскостей P (с размерности i для всех i) (Здесь под плоскостью размерности −1 понимается пустое множество). Таким образом, по определению, правильные комплексные многогранники — это конфигурации в комплексном пространстве.

Правильные комплексные многогранники были открыты (1952) и их теория была позднее развита Коксетером (1974).

+ Три взгляда на правильные комплексные многоугольники , Этот комплексный многоугольник имеет 8 рёбер (комплексные прямые) с метками a..h и 16 вершин. Четыре вершины лежат на каждом ребре и в каждой вершине пересекаются два ребра. На левом рисунке квадраты не являются элементами многогранника, но нарисованы исключительно помочь распознать вершины, лежащие на той же самой комплексной прямой. Восьмиугольный периметр левого изображения не является элементом многогранника, но он является многоугольником Петри, простой h-угольник, образованный орбитой флага () для произведения двух генерирующих отражений любого незвёздного правильного комплексного многоугольника, .. На центральном рисунке каждое ребро представлено как вещественная прямая и четыре вершины на каждой прямой можно легко видеть.Эскиз в перспективе, представляющий 16 вершин в виде чёрных точек и 8 4-рёбер как квадраты внутри каждого ребра. Зелёный путь представляет восьмиугольный периметр левого изображения.

Комплексный многогранник существует в комплексном пространстве эквивалентной размерности. Например, вершины комплексного многоугольника — это точки на комплексной плоскости , а рёбра — комплексные прямые , существующие как (аффинные) подпространства плоскости, пересекающиеся в вершинах. Таким образом, ребро может быть задано одним комплексным числом.

В правильном комплексном многограннике вершины, инцидентные ребру, располагаются симметрично относительно барицентра, который часто используется как начало координатной системы ребра (в вещественном случае барицентром является просто середина ребра). Симметрия возникает из комплексных отражений относительно барицентра. Это отражение оставляет модуль любой вершины неизменным, но меняет её аргумент на постоянную величину, передвигая её в координаты следующей по порядку вершины. Таким образом, мы можем считать (после подходящего выбора шкалы), что вершины ребра удовлетворяют уравнению , где p — число инцидентных вершин. Таким образом, на диаграмме Аргана ребра, точки вершины лежат в вершинах правильного многоугольника с центром в начале координат.

Выше проиллюстрированы три вещественные проекции правильного комплексного многоугольника 4{4}2 с рёбрами a, b, c, d, e, f, g, h. Многоугольник имеет 16 вершин, которые для удобства обзора индивидуально не помечены. Каждое ребро имеет четыре вершины, а каждая вершина лежит на двух рёбрах, поскольку каждое ребро пересекает четыре других ребра. На первой диаграмме каждое ребро представлено квадратом. Стороны квадрата не являются частями многоугольника, но нарисованы исключительно для облегчения визуальных связей четырёх вершин. Рёбра располагаются симметрично. (Заметьте, что диаграмма выглядит подобно B4 плоской проекции Коксетера тессеракта, но структурно она другая).

На средней диаграмме не соблюдается восьмиугольная симметрия в пользу ясности. Каждое ребро показано как вещественная прямая, а каждая точка пересечения двух прямых является вершиной. Связь между различными рёбрами легко видеть.

Последняя диаграмма показывает структуру, спроецированную в трёхмерное пространство — два куба вершин, фактически, имеют один и тот же размер, но рассматриваются в перспективе с различного расстояния в четырёхмерном пространстве.

Правильные комплексные одномерные многогранники

Вещественный 1-мерный многогранник существует как замкнутый отрезок на вещественной прямой , определяемый двумя концами или вершинами. Его символом Шлефли — {} .

Аналогично, комплексный 1-многогранник существует как множество p из вершин на комплексной прямой . Они могут быть представлены как множество точек на диаграмме Аргана (x,y)=x+iy. Правильный комплексный 1-мерный многогранник p{} имеет p (p ≥ 2) вершин, расположенных в виде выпуклого правильного многоугольника {p} на комплексной плоскости.

В отличие от точек на вещественной прямой, точки на комплексной прямой не имеют естественного упорядочения. Тогда, в отличие от вещественных многогранников, нельзя определить никакой внутренностиShephard 1952; «Из соглашений, которые мы используем для определения понятия внутренности многогранника, видим, что в унитарном пространстве, где числа не могут быть упорядочены, понятие внутренности определить невозможно. Поэтому … нам следует рассматривать унитарные многогранник как конфигурации.». Вопреки этому, комплексные 1-многогранники часто рисуют, как здесь, в виде ограниченных правильных многоугольник на комплексной плоскости.

Правильный вещественный 1-мерный многогранник представляется пустым символом Шлефли {} или диаграммой Коксетера — Дынкина . Точка или узел диаграммы Коксетера — Дынкина представляет генератор отражения, в то время как кружок вокруг узла означает, что точка генератора не находится на зеркале, так что её зеркальное отражение отличается от самой точки. Согласно расширенной нотации правильный комплексный 1-мерный многогранник в , содержащий p вершин, имеет диаграмму Коксетера — Дынкина для любого положительного целого p (большего или равного 2). Число p можно опустить, если оно равно 2. Этот многогранник может быть также представлен пустым символом Шлефли или . 1 — это заполнитель, представляющий несуществующее отражение или тождественный генератор с периодом 1. (0-многогранник, вещественный или комплексный — это точка и представляется как } {, или как .)

Симметрия обозначается диаграммой Коксетера и может быть альтернативно описана как , или , или . Симметрия изоморфна циклической группе, порядка p. Подгруппами являются любые полные делители , где .

Генератор унитарного оператора для выглядит как вращение на 2π/p радиан по часовой стрелке, а ребро образуется последовательным применением одного комплексного отражения. Генератор комплексного отражения для 1-многогранника с p вершинами — это . Если p = 2, генератором будет , то же, что и центральная симметрия на вещественной плоскости.

В комплексных многогранниках большей размерности 1-многогранники образуют p-рёбра. 2-ребро подобно обычному вещественному ребру, поскольку содержит две вершины, но не обязательно существует на вещественной прямой.

Правильные комплексные многоугольники Хотя 1-многогранники могут иметь неограниченную величину p, конечные правильные комплексные многоугольники, за исключением многоугольников двойных призм , ограничены 5-рёбрами (пятиугольные рёбра), а бесконечные правильные апейрогоны включают также 6-рёбра (шестиугольные рёбра).

Обозначения

Модифицированные Шепардом обозначения Шлефли

первоначально придумал модифицированную форму нотации Шлефли для правильных многогранников. Для многоугольника, ограниченного p1-рёбрами, с p2-множествами в качестве вершинных фигур и общей группой симметрии порядка g, мы обозначаем многоугольник как .

Число вершин V тогда равно , а число рёбер E равно .

Комплексный многоугольник, проиллюстрированный выше, имеет восемь квадратных рёбер () и шестнадцать вершин (). Отсюда мы можем заключить, что g = 32, что даёт модифицированный символ Шлефли 4(32)2.

Пересмотренная нотация Шлефли Более современная нотация принадлежит Коксетеру и основывается на теории групп. Символом группы симметрии будет .

Группа симметрии представлена двумя генераторами , где: . Если q чётно, . Если q нечётно, . Когда q нечётно, .

Для имеет место , .

Для имеет место , .

Диаграммы Коксетера — Дынкина Коксетер также обобщил использование диаграмм Коксетера — Дынкина на комплексные многогранники. Например, комплексный многоугольник представляется диаграммой , а эквивалентная группа симметрии представляется диаграммой без кружка . Узлы p и r представляют зеркала, дающие образы p и r на плоскости. Непомеченные узлы на диаграмме имеют 2 неявные метки. Например, вещественный правильный многоугольник имеет обозначение , или {q}, или .

Имеется ограничение: узлы, связанные нечётными порядками ветвления, должны иметь идентичные порядки узлов. Если это не так, группа создаст «звёздчатые» многогранники с накладывающимися элементами. Таким образом, и являются обычными многоугольниками, в то время как является звёздчатым.

Перечисление правильных многоугольников Коксетер привёл список правильных комплексных многоугольников в . Правильный комплексный многоугольник, или , имеет p-рёбер и q-угольные вершинные фигуры. является конечным многогранником, если .

Симметрия правильного многоугольника, записываемая как , называется группа Шепарда, по аналогии с группой Коксетера, позволяя как вещественные, так и комплексные отражения.

Для незвёздчатых групп порядок группы можно вычислить как .

Число Коксетера для равно , так что порядок группы может быть также вычислен как . Правильный комплексный многочлен можно нарисовать в ортогональной проекции с h-гональной симметрией.

Решения ранга 2 генерируют следующие комплексные многоугольники: Группа G5G8G14G9G10G20G16G21G17G18, q=3,4… , p=2,3… Порядок2q2p22448729614419228836060072012001800

Исключены решения с нечётными q и неравными p и r: , и .