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オイラー標数

基本

オイラー数は, 多面体の頂点と辺、面の情報から計算できる位相不変量である.

定義

多面体 $M$ について, 頂点の個数 $v$, 辺の本数 $e$, 面の枚数 $f$ であるとき, 次の値をオイラー数という:$$\chi(M) = v - e + f$$

オイラーの多面体定理

凸多面体 $M$ について,次が成り立つ:

$\chi(M)= 2$.

定理

種数 $g$ の閉曲面 $S$ について,向きづけ可能な曲面では $\chi(S) = 2-2g$ であり,向きづけ不可能な曲面では $\chi(S) = 2-g$ である.

計算

曲面$\chi$種数 $g$表裏
凸多面体$2$$0$
球面$2$$0$
トーラス$0$$1$
射影平面$1$$1$×
クラインの壺$0$$2$×

閉曲面(2次元多様体)については,

オイラー数によって完全に分類可能である.

オイラー数について

多面体の頂点の個数 $v$,辺の本数 $e$,面の枚数 $f$ について,$\chi = v-e+f$ をオイラー数という。

正多面体のオイラー数

問い

正多面体は5種類だけ存在する。

これらのオイラー数は?

定理

すべてオイラー数は $2$ である。

正多面体頂点オイラー数
正四面体4642
立方体81262
正八面体61282
正十二面体2030122
正二十面体1230202
正多面体のオイラー数

多面体のオイラー数

その他,多面体に対してもオイラー数は定義される。

特に,オイラーの多面体定理が重要である。

証明をすると長くなるので,割愛する。

オイラーの多面体定理

凸多面体 $M$ について,$\chi(M)= 2$ である。

曲面のオイラー数の例

曲面のオイラー数

問い

グニョグニョの立体にも、オイラー数があるんだって!

命題

  • 球面 $\mathbf{S}^2$
  • トーラス$\mathbf{T}$
  • 射影平面 $\mathbf{P}^2$
  • クラインの壺 $\mathbf{K}^2$

球面のオイラー数

具体例

球面 $\mathbf{S}^2$ について,$\chi(\mathbf{S}^2) = 2$.

展開図で確認

展開図で確認する。頂点が3個,辺が2本,面が1枚なので,球面のオイラー数は2です。

$$\chi(\mathbf{S}^2) = 3 - 2 + 1 = 2.$$

トーラスのオイラー数

具体例

トーラス $\mathbf{T}$ について,$\chi(\mathbf{T}) = 0$.

展開図で確認

展開図で確認する。頂点が1個,辺が2本,面が1枚なので,トーラスのオイラー数は0です。

$$\chi(\mathbf{T}) = 1 - 2 + 1 = 0.$$

射影平面のオイラー数

具体例

射影平面 $\mathbf{P}^2$ について,$\chi(\mathbf{P}^2) = 1$.

展開図で確認

展開図で確認する。頂点が2個,辺が2本,面が1枚なので,実射影平面のオイラー数は1です。

$$\chi(\mathbf{P}^2) = 2 - 2 + 1 = 1.$$

クラインの壺のオイラー数

具体例

クラインの壺 $\mathbf{K}$ について,$\chi(\mathbf{K}) = 0$.

https://www.masulesson.com/klein-bottle

展開図で確認

展開図で確認する。頂点が1個,辺が2本,面が1枚なので,クラインの壷のオイラー数は0です。

$$\chi(\mathbf{K}) = 1 - 2 + 1 = 0.$$

位相不変量としてのオイラー数

オイラー数は位相不変量で,多面体の空洞や穴がいくつあるかを数えることができます。

曲面のオイラー数

問い

種数との関係?
これらのオイラー数は?

定理

定理. 種数 $g$ の閉曲面 $S$ について,向きづけ可能な曲面では $\chi(S) = 2-2g$ であり,向きづけ不可能な曲面では $\chi(S) = 2-g$ である。

向きづけ可能とは表裏が区別できる曲面で,向きづけ不可能とは表裏の区別できない曲面のことである。

計算の仕方

曲面は,三角形分割(もしくはセル分割)できる。曲面を多面体と見なし,オイラー数を定義することができる。

※三角形分割,セル分割に依らずにオイラー数の値は決定する。

曲面の展開図(セル分割)を利用して,オイラー数を計算する。

具体例で検証

曲面オイラー数 $\chi$種数 $g$表裏
凸多面体20
球面20
トーラス01
射影平面11×
クラインの壺02×
正多面体のオイラー数

凸多面体・球面・トーラスについては,向きづけ可能であり,オイラー数と種数の関係式 $\chi = 2-2g$ に対応している。

射影平面・クラインの壺については,向きづけ不可能であり,オイラー数と種数の関係式 $\chi = 2-g$ に対応している。■

オイラー標数(位相不変量)について” に対して1件のコメントがあります。

  1. ヒフミヨは冥途の土産勾股弦(ジャイロ効果) より:

    正多面体 頂点 辺 面 オイラー数
    正四面体 4 6 4 2
    立方体   8 12 6 2    

    から、球体に内接する正四面体と立方体とで、正四面体の稜線の一筆書きが、立方体の面の対角線に変換され、正四面体の2稜線と立方体の2面の対角線がなぞれないスケルトンが、『ヒフミヨ ヒンメリ』とのコトから自然数の 1 を啖呵する記事を見つける。

     ≪…物の始まりが一(いち)なら、国の始まりが大和の国だ…≫で、数の言葉ヒフミヨ(1234)を大和言葉の【ひ・ふ・み・よ・い・む・な・や・こ・と】の平面(2次元)からの送り返しモノとして眺めると・・・

        一のはじまり

     ものの個数、体で言えば、たとえば、手は、2本、その部分である指は、10本と数える。形のあるモノを分離してモノは数えられるが、手と指は、身体で繋がっていて分離できないがあるぼやける線で区切り数えることができる。ヒトは、空間の1を面積・体積とそれぞれ1で表している。ある人が生きている時もヒトが社会生活を営んでいる限り変わらない。そこには、時間の1は入り込めない。しかし、時間の1は、存在させている。時間は、太陽と地球の関係から創り出されている。回る行為の地球の1自転が一日であり、地球の1公転が一年である。これらをヒトは、光によって手に入れる。 
     一の始まりを言葉の点・線・面、平面の形の〇(円)・△(正三角形)・▢(正四角形)、立体の形の球・正立方体で、1・2・3・4次元の関係をありのままで観えるコトを行為(運動)で築(気付)く。 
     言葉の点・線・面のセマンティックスと
    数の言葉の符号の足す(+) 引く(‐) 掛ける(×) 割る(÷) 平方根(√) 等しい(=)のシンタックスとの関係をありのままで観えるコトで築(気付)く。
     数学からの送りモノとして、虚数(i) 円周率(π) 自然数の底(e) 平方根(√)などのシンタックスを私なりのセマンティックにして観る。
     虚数(i)の平面から観えるセマンティック
     直交座標のマス目(正方形・▢)を構成する。
     i×i×i×i=1 は、(-1)×(-1)=1 で、正方形(▢)の1×1=1となり平面の単位の1を獲得する。
     円周率(π)は、正方形(▢)の1×1=1を抱え込んだ円(〇)で極座標の平面の単位のπを獲得する。 自然数の底(e)は、自然比矩形(絵本「もろはのつるぎ」)から自然数を創る。
     平方根(√)は、4までの自然数の平方根を円(〇)の等分割のありのままで観えるコトで築(気付)かれる操作で直線を創る。平面の単位のπは、2等分割で2,3等分割で√3、4等分割で√2である。ここで、ありのままで観えるコトで築(気付)かれる直線の1~2と平面の1~2へのシンタックスとセマンティックで捉える。
     ここに、2のセマンティックスを平面という共通項で捉えると〇(π)と◇(√2×√2)の4等分割の操作でできる正方形(原始正方形)の面積が、ありのままで観えるコトで築(気付)かれる2次元の意味(セマンティックス)をも創生し・される。 
     ヒトが、長さの1を数の言葉として概念化(セマンティックス)するコトは、どんなに小さくても、どんなに大きくても円(〇)と原始正方形(◇)との関係(セマンティックス)から言葉の点・線・面の分節(セマンティックス)と算数の符号(シンタックス)が、ありのままで観えるコトで築(気付)かれる行為(運動)と同じ状況で、数の世界(自然数)と言葉の点線面の世界にシンタックスとセマンティックスの同じで違う結合(計算できる)を獲得し・させる。
     数学からの送りモノとして具体的にありのままで観えるコトでの築(気付)は、πが2次元単位であり、これに相当する直線の1との結合が3分割できる正三角形(原始正三角形)の行為(運動)から数の言葉の世界(自然数)と言葉の世界との数学(シンタックス)と国語(セマンティックス)とを列挙する。
     原始正三角形の頂点を円環の4等分割で観る頂点の対辺が創る正方形は、直線の1で創り・創られる自然数の二次元単位の1(1×1)である。
     ここに、円環で数学からの送りモノとして、
    自然数(シンタックス)の1・2・3・4と、円(〇)と正方形(1×1 ▢)との意味(セマンティックス)を確立し・させている。
     1周する行為を4分割の前後左右で経由して捉えるコトに時間と空間の結合あり、数学ではシンタックスであり国語ではセマンティックスである。1次元と2次元のシンタックスとセマンティックスは、原始正三角形の仲立のありのままで観えるコトで築(気付)かれる行為(運動)で捉え・捉えられる。
     空間(3次元)と時間(4次元)の関係を球と立方体に数学からの送りモノとしてシンタックスとセマンティックスで捉える。
     球に内接する立方体の関係は、球の半径1で立方体の辺1である。立方体の対角線は、√3で、立方体の面の対角線は、√2である。
     空間 面の数学のシンタックスからありのままで観えるコトで築(気付)きで観えるモノのは、3次元、2次元にセマンティックスしていることに気付く。
     4次元は、数学からの送りモノとして球の表面積の4πにセマンティックスでき、直交空間では立方体の面の√2の水平面垂直面のなぞりの合体は、√2単位の空間軸を創り創らせている。 
     √2のなぞりの分岐が最初に現れるのが数の言葉の世界の確率のセマンティックでシンタックスなのか?
    分岐により6面のうち2面はなぞれない?
    Posted by 三文字(i e π)寄れば文殊のヒフミヨ

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