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Tetraeder

aus AufEinWort, der freien Forschung
Tetraeder mit dualem einbeschriebenen Tetraede

[1]¦∑¦ tetra-eder; eigtl. Tetrahedra "aus vier Gesetztes", "Vierflächer"

  • entsprechend der heiligen Geometrie die erste räumliche geometrische Ausgestalt aufgrund des pythagoräischen Tetraktys und erster platonische Körper:

Das allgemeine Tetraeder wird je nach Symmetrie als dreiseitige Pyramide, Dreieckpyramide,[1] Disphenoid oder dreidimensionalesSimplex bezeichnet.

¦√¦ griech. tetrás "vier" + hédra "Sitz, Ansicht, Fläche eines geometrischen Körpers";

¦↵¦ griech. tetrás "vier" + hédra "Sitz, Ansicht, Fläche eines geometrischen Körpers"; tetra- +‎ -hedron; griech. tetráedron "Dreickespyramide aus vier Punkten, drei Punkte unten zu Dreiecksfläche unten + ein Punkt oben"; ital . tetra- (téttares) +‎ -edro (-hedron)
From Ancient Greek τετράεδρον (tetráedron, “triangle-based pyramid”), from τετράεδρος (tetráedros), from τετράς (tetrás, “four”) + ἕδρα (hédra, “seat”); synchronically analyzable as tetra- +‎ -hedron.

Tetraeder

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Polyeder
Tetraeder
Ein regelmäßiges Tetraeder
Ein regelmäßiges Tetraeder
Anzahl der Seitenflächen 4
Art der Seitenflächen 4 ×
Anzahl Ecken 4
Art der Ecken 4 × {3.3.3}
Anzahl Kanten 6
Symmetriegruppe Tetraedergruppe Td
Schläfli-Symbol {3,3}
dual zu Tetraeder
(zu sich selbst)
Eine von zwei möglichen Netzdarstellungen
Eine von zwei möglichen Netzdarstellungen

Das (auch, vor allem süddeutsch, der) Tetraeder [tetraˈeːdɐ] (von altgriechisch τετρα- tetra- „vier“ und ἕδρα hédra „Sitz“, „Sessel“, „Gesäß“ bzw. übertragen „Seitenfläche“), auch Vierflächner oder Vierflach, ist das dreidimensionale Simplex, ein Körper mit vier dreieckigen Seitenflächen. Es ist das einzige konvexe Polyeder (Vielflach, Vielflächner) mit vier Flächen.

Das Wort wird jedoch nur selten in dieser allgemeinen Bedeutung gebraucht. Meist ist mit Tetraeder das regelmäßige Tetraeder mit gleichseitigen Dreiecken als Seitenflächen, das ein platonischer Körper ist, gemeint.

Es gibt beim Tetraeder außer der regelmäßigen auch andere Symmetrien, z. B. die des Disphenoids, der dreiseitigen Pyramide und der Dreieckpyramide.[1]

Regelmäßiges Tetraeder

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Definition als Menge von Punkten

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Das regelmäßige Tetraeder kann mithilfe des Kantenkugelradius rk=a4⋅2 als Menge von Punkten im dreidimensionalen euklidischen Raum definiert werden. Formal lässt sich diese Menge aufschreiben als

{(x1,x2,x3)∈ℝ3∣x1+x2+x3≤rk ∧ x1−x2−x3≤rk ∧ −x1+x2−x3≤rk ∧ −x1−x2+x3≤rk}

Für das Innere des Tetraeders muss in den 4 Ungleichungen jeweils ≤ durch < ersetzt werden und für die Oberfläche muss in 1, 2 oder 3 Ungleichungen ≤ durch = ersetzt werden, sodass ein System aus Gleichungen und Ungleichungen entsteht. Bei 1 Gleichung definiert die Menge eine Seitenfläche, also ein gleichseitiges Dreieck, bei 2 Gleichungen eine Kante und bei 3 Gleichungen eine Ecke des Tetraeders.

Nach dieser Definition ist der Mittelpunkt des regelmäßigen Tetraeders der Koordinatenursprung und seine 4 Ecken sind 4 alternierende Ecken eines umbeschriebenen Würfels mit der Seitenlänge 2⋅rk, dessen Kanten und Seitenflächen parallel zu den 3 Achsen des kartesischen Koordinatensystems verlaufen.

Allgemeiner kann ein regelmäßiges Tetraeder, das eine beliebige Lage im dreidimensionalen euklidischen Raum hat, mithilfe von Vektoren definiert werden. Ist m→ der Ortsvektor des Mittelpunkts und sind u→, v→, w→ orthogonale Richtungsvektoren, die den Mittelpunkt des Tetraeders mit 3 Mittelpunkten von 3 Kanten verbinden, also ein Orthogonalsystem des dreidimensionalen Vektorraums ℝ3 bilden, dann lässt sich die Menge der Punkte des Tetraeders definieren als die Menge der Vektoren[6]

{m→+t1⋅u→+t2⋅v→+t3⋅w→∈ℝ3∣t1+t2+t3≤rk ∧ t1−t2−t3≤rk ∧ −t1+t2−t3≤rk ∧ −t1−t2+t3≤rk}

Verallgemeinerung

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Die Verallgemeinerungen des Tetraeders in beliebiger Dimension n werden als n-dimensionale Simplexe bezeichnet. Das n-dimensionale Simplex hat n+1 Ecken und wird von n+1 Simplexen der Dimension n−1 (als Facetten) begrenzt. Das nulldimensionales Simplex ist ein Punkt, das eindimensionales Simplex ist eine Strecke, das zweidimensionales Simplex ist ein Dreieck, das dreidimensionale Simplex ist ein Tetraeder. Das vierdimensionale Äquivalent zum Tetraeder, das 5-Zell, hat 5 Ecken, 10 Kanten, 10 Dreiecke als Seitenflächen und 5 dreidimensionale Tetraeder als Facetten.

Die Koordinaten eines regulären n-dimensionalen Simplex können als Menge im n-dimensionalen euklidischen Raum definiert werden:

{x∈ℝn | ∑i=1nxi=x1+x2+…+xn+1≤1 ∧ ∀i: −(n+1+n+1)⋅xi+∑i=1nxi≤1 }

oder auch als Menge im n+1-dimensionalen euklidischen Raum

{x∈ℝn+1 | ∑i=1n+1xi=x1+x2+…+xn+1=1 ∧ ∀i: xi≥0 }

Beispielsweise für n=2 ergibt sich hier ein gleichseitiges Dreieck, das von den Punkten (1,0,0), (0,1,0), (0,0,1) im dreidimensionalen Raum aufgespannt wird.[18]

Sierpinski-Tetraeder

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Das Sierpinski-Tetraeder. Die Anzahl der Teil-Tetraeder vervierfacht sich mit jedem Iterationsschritt, das Volumen geht gegen 0, der Flächeninhalt der Oberfläche bleibt konstant

Das Sierpinski-Tetraeder ist die dreidimensionale Verallgemeinerung des Sierpinski-Dreiecks. Die Startfigur ist ein Tetraeder. Aus dessen Mitte wird in jedem Iterationsschritt ein Oktaeder mit halber Kantenlänge herausgeschnitten. Übrig bleiben 4 Tetraeder, aus denen wieder je ein Oktaeder herausgeschnitten wird usw.[6][19]

Nach dem Iterationsschritt k sind offensichtlich 4k Teil-Tetraeder mit derselben Seitenlänge entstanden. Die Anzahl der herausgeschnittenen Oktaeder mit verschiedener Seitenlänge beträgt 4k−13.

Die Dimension für dieses Gebilde ist

D=log⁡(4)log⁡(2)=2,

obwohl es sich hierbei um eine Figur im dreidimensionalen Raum handelt. Mit einer zunehmenden Zahl von Iterationsschritten geht das Volumen der Figur gegen 0, der Flächeninhalt der Oberfläche bleibt jedoch konstant, weil sich die Anzahl der Seitenflächen der zueinander deckungsgleichen Teil-Tetraeder mit jedem Iterationsschritt vervierfacht, während sich die Seitenlänge dieser Seitenflächen, die alle deckungsgleiche Dreiecke sind, halbiert.

Siehe auch

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Literatur

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  • Heinz Schumann: Elementare Tetraedergeometrie. Franzbecker, Hildesheim 2011, ISBN 978-3-88120-521-4
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Commons: Tetraeder – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Tetraeder – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

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  1. ↑ Kurt Peter Müller: Raumgeometrie: Raumphänomene – Konstruieren – Berechnen. 2., überarbeitete und erweiterte Auflage. Vieweg+Teubner, 2004, ISBN 978-3-519-12397-2, S. 81.
  2. ↑ Euklid, deutsch Rudolf Haller: Stoicheia. Buch XIII.13., S. 12
  3. ↑ Euklid, deutsch Rudolf Haller: Stoicheia. Buch XIII.18., S. 24
  4. ↑ Jürgen Köller: Tetraeder. Vom Tetraeder zu anderen Körpern. mathematische-basteleien, abgerufen am 5. September 2020.
  5. ↑ Wall of Fire: Tetrahedron (Video). PBS LearnungMedia, abgerufen am 3. April 2023.
  6. ↑ a b c d Jackson, Frank, Weisstein, Eric W.: Regular Tetrahedron. MathWorld--A Wolfram Web Resource., abgerufen am 3. April 2023.
  7. ↑ Eric Weisstein, Frank Jackson: Regular Tetrahedron. 2 Netze, oberhalb Formel (1). In: Wolfram MathWorld. Wolfram Research, Inc., abgerufen am 19. Juni 2020.
  8. ↑ Wolfram MathWorld: Tetrahedral Graph
  9. ↑ Maximilian Miller: Stereometrie. 1957, S. 41
  10. ↑ Der Titel der Abhandlung E 231 lautet auf Deutsch etwa wie folgt: Darlegung einiger kennzeichnender Eigenschaften, mit denen von ebenen Flächen eingeschlossene Körper ausgestattet sind. In dieser Abhandlung gibt Euler den ersten Beweis der Polyederformel an, welche er schon in einer früheren Abhandlung (E 230, abgedruckt unter Elementa doctrinae solidorum, Novi commentarii academiae scientiarum Petropolitanae 4, S. 109–140; vgl. Einleitung zu den Commentationes geometricae) erwähnt, aber noch nicht bewiesen hatte.
  11. ↑ Andreas Speiser et al.: Leonhardi Euleri Opera omnia. Series prima. Opera mathematica. Volumen XXVI: Commentationes geometricae. Volumen I. 1953, S. 106–107
  12. ↑ I. N. Bronstein, K. A. Semendjajev et al.: Taschenbuch der Mathematik. 2008, S. 157
  13. ↑ György Hajós: Einführung in die Geometrie. 1970, S. 383
  14. ↑ Alexander Ostermann, Gerhard Wanner: Geometry by Its History. 2012, S. 297
  15. ↑ Stack Exchange: Dihedral angles between tetrahedron faces from triangles' angles at the tip
  16. ↑ G. Richardson: The Trigonometry of the Tetrahedron. In: The Mathematical Gazette. 2. Jahrgang, Nr. 32, 1. März 1902, S. 149–158, doi:10.2307/3603090 (englisch, zenodo.org).
  17. ↑ Wolfram MathWorld: Tetrahedron
  18. ↑ Martin Henk, Jürgen Richter-Gebert, Günter M. Ziegler, Technische Universität Berlin: Basic properties of convex polytopes
  19. ↑ Gayla Chandler, Hideki Tsuiki: Photographs: Sierpinski Tetrahedron and its Complement