Mathematica-用 ContourPlot3D 绘制多面体

Asdmath2020

曲面除了可以用参数方程的形式表示之外，还可以用隐函数的形式表达，即表示为 F(x, y, z) = 0 的解。这种曲面又称之为等值曲面，因为曲面上的每个点都满足 F(x, y, z) = 0 这一条件。Mathematica 提供了绘制等值曲面的函数 ContourPlot3D。不过在这篇文章里，我们并不用它来绘制各种婀娜多姿的曲面，而是尝试用它探索、绘制一些"多面体"。
' n. a0 V7 b4 S! X$ |; c0 r7 n: j从最简单的开始
让我们从最简单的，大家耳熟能详的球面方程开始：
6 s. c  q, {. A0 j5 @  s
4 E* y9 U" a: [方程 x^2+y^2+z^2==1 的意义非常简单：每个点到原点的距离都是 1，这就形成了一个球面。相比较之下，球面的参数方程就不是这么简单了：
) R2 P8 p6 z- p* f& x$ J多面体
从球面方程出发，我们可以看一下更一般的形式，比如 x^n+y^n+z^n==1 的图形是什么样子的：

- ]& o( h4 X) T2 P- t+ C可以看到随着 n 的值不断增大，方程表示的曲面越来越接近一个立方体。这是为什么呢？我并不能完全解释，只能提出这么一个猜测。考虑如下表达式：
2 U' Y% S9 T: V
这是 Lp 范数的定义，当 p 趋向于正无穷时，上述表达式的极限是：

也就是 n 个绝对值中的最大值。把这个结论放到我们的方程 x^n+y^n+z^n==1 上，当 n 不断变大时，在不同方向上就不断接近 | x | == 1、| y | == 1、| z | == 1 三个方程，而这三个方程恰恰是立方体的六个面：x = ±1、y= ±1、z= ±1。根据这个猜测，我们只要能知道多面体各个面的平面方程，就能类比的求得类似上述立方体的“多面体渐近方程”。更进一步的，多面体各个面的平面方程，只要知道面法向量就可以确定平面方程了，如果面法向量是 (a, b, c)，则成对的平面方程就是 a x+b y+ c z = ±1。

利用 PolyhedronData 可定义求各种多面体法向量的函数如下：

: h# l; F, z. R6 q5 F接下来就让我们用实际计算来验证一下这个猜测吧：

正八面体

求正八面体的法向量：

化简并去除方向刚好相反的法向量，因为之前方程的常数项 ±1 可以由一个法向量得到两个相对的面的方程：

然后就可以根据这个求八面体渐近方程了：

/ C! G/ Z: C6 u7 f

正十二面体

" z; y9 S1 N- w7 \/ I3 j5 W

正十二面体的法向量：

5 H% V: |' J; L! g+ C& N6 ~; W
9 b5 q. x0 C7 B. t1 c/ T* n3 l+ N: V化简并去除方向刚好相反的：
, `+ f8 R; s! [+ K

隐函数表达式：

! a) H% o$ a8 _( B# z3 ?) S+ Q
3 w4 ^6 C" N+ u' M为了计算方便，我们用数值近似取代根号形式： 绘制图形，可以看到，随着次数 n 的不断升高，图形越来越接近正十二面体：

- s8 q# b" n3 B- X% d& B/ K: S/ H

十二面体

计算各个面的法向量：
' M) O) z  Z" S6 h

化简并去除方向相反的：

得到方程左侧表达式：
为了计算方便，取近似值：
; e) s( W: Q2 B

绘制正二十面体的曲面方程：

* ~8 p. i  R1 S; g, l# T

绘制正二十面体的曲面方程：

# p, [; a3 H" K5 X$ B! M0 A

复合多面体

从上面的计算可以看到，根据猜测做的推论基本上是对的：确实据此得到了各种正多面体的渐近方程并成功绘制了出来。但同时也可以看到，这种方法有很多局限性。首先，所生成的多面体必须有平行的相对的面，这样采用的法向量才能一个顶俩，发挥应有的作用得到对应的多面体。五种正多面体里，只有四种满足这个条件，还剩下一个正四面体不能用这种方法表示。其次，用这种方法只能表示凸多面体，所谓凸多面体，就是内部任意两点的连线仍然落在内部的多面体。这两个问题都是可以解决的，解决方法是引入指数函数。
6 G( \  P/ |2 f8 R

正四面体

计算正四面体的法向量：

化简：

如果用之前的高次方程的方法，那么只能得到一个朝向比较特别的正八面体，因为每个法向量都生成了两个平面：
- F- L8 q/ q8 F
3 i& z% d8 O( |5 b而改用指数，则可得到如下表达式：

以此作为隐函数果然可以画出正四面体：

# _1 z7 T! e$ `; _

为什么这样可行？我也只能给个近似的猜测：对 E^(a x + by + c z)==C 这样的方程，两边取对数就是 a x+ b y+ c z==log C 这就是一个平面的方程，把几个这样的平面方程加起来，就"围成"了一个多面体。而指数的增长保证了每个方向上不会受其它项的影响，保持大体是个平面。

; m% }; a/ i2 L" B8 _

另外还值得指出的是，可以在指数上再加次数，让这样生成的多面体的边缘更加"锐利"：

) C, M' y  {; @7 c$ t4 H5 L

星形八面体

在各种各样的多面体中，有一类多面体可以看作是若干基本的多面体彼此叠合组成，我们称之为复合多面体。比如下图所示的星形八面体，就可以看作两个正四面体彼此叠合而成。

" B7 w: o3 C  x2 g. z" Q& X6 F7 J观察这个复合多面体的面的组成指标可以发现，前四组只包含顶点 2、4、5、8，后四组只包含顶点 1、3、6、7。这恰好是各自组成两个正四面体。我们可以照样算出这八个面的法向量，然后分组各自生成两个正四面体曲面：

# T; _$ Y8 |+ N) k求法向量，化简并分组：

得到两个指数和的表达式：

( r5 f9 k  y: k2 _2 W+ F分别绘制可以看到两个正四面体：
7 b0 R  g0 F/ f1 r; I4 @0 H, k
如何从这两个四面体得到想要的星形八面体呢？直接相加肯定是不行的，那样得到的就是正八面体了。这里我们采用 The Nature of Mathematics and the Mathematics of Nature 一书中提到的一个小技巧：把两个方程表达式再次放到指数上。这个技巧称为 Exponential Scale：

9 S9 `0 C& e& x9 s$ L可以看到，这个方程确实可以绘制出星形八面体：
, a( t1 d8 q0 ?( o# x5 i  f
" a* ?! E, g$ q" u* K可以把旋转观察这个星形八面体曲面的过程输出为动画：
* f; [, \- ?: N, r% b  _- Z
$ y5 Q4 n! ~' J  s

五复合正四面体

4 Z4 v$ N1 k; R+ I- ?& z

我们可以再举一个例子，五复合正四面体，这是由五个正四面体内接于一个正十二面体形成的复合多面体：

1 V+ b: C( A# L- Y! T4 z

照例求面法向量，化简并分组：

3 J) K8 Y4 c9 A6 K  Z
- ~. u+ |; f, k# l  ?得到方程：

绘制可以得到五复合正四面体的近似曲面（警告：由于项数太多，运行绘制速度很慢，运行时请耐心等待）：

. h& k: O4 B$ e. Z' ?! }

我们也用它生成一个旋转观察的动图：

0 G9 B/ T* g( R7 l* {
- d4 C- ?" C5 X& [* @0 t

更多的复合多面体

只要是由凸多面体组成的复合多面体，理论上都可以用上面的方法，先求得各个多面体的方程，然后“抬升”到指数位置，得到复合多面体的方程。Mathematica 提供的PolyhedronData 函数里有许多复合多面体，我全部列在下面，感兴趣的读者可以自己实验生成想要的复合多面体曲面。
; F) L& f6 a% O4 |

- p) \' h& m" u* G% n对此有兴趣的，欢迎联系我们共同探讨。
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, c: P1 d: p8 A& z7 W9 k# R
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宏心

变幻无穷，无穷
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