Dört yüzlü

Geometride tetrahedron veya dört yüzlü, dört üçgen yüzden oluşan bir çokyüzlüdür (polihedron), her köşesinde üç üçgen birleşir. Düzgün dört yüzlü dört üçgenin eşkenar olduğu bir dört yüzlüdür ve Platonik cisimlerden biridir. Dörtyüzlü, dört yüzü olan tek konveks çokyüzlüdür. Tetrahedron isminin sıfat hali (tetrahedrona ait veya tetrahedronla ilişkili anlamında) "tetrahedral"dır.
Dörtyüzlü, simpleks kavramının üç boyutlu halidir.
Dörtyüzlü, bir cins piramittir. Piramit, çokgen bir tabanı tek bir noktada birleştiren üçgen yüzlerden oluşur. Dörtyüzlü durumunda taban bir üçgendir (dört yüzün herhangi biri taban sayılabilir), dolayısıyla dört yüzlü ayrıca üçgen piramit olarak da bilinir.
Tüm dışbükey (konveks) çokgenler gibi, dört yüzlü de tek bir sayfa kağıdın katlanması ile meydana gelebilir. İki ağdan oluşur.
Her bir dört yüzlü için öyle bir küre (çevrel küre) vardır ki dört yüzlünün köşeleri bu kürenin yüzeyinde yer alırlar.
Düzgün dört yüzlüler için formüller
Kenar uzunluğu olan bir düzgün dört yüzlü için:
Taban yüze göre bir yüzün eğimi, bir kenarın eğiminin iki katıdır, çünkü taban üzerinde, bir kenar boyunca köşeye olan yatay uzaklık, bir yüzün kenarortayından o köşeye olan uzaklığın iki katıdır. Bir diğer deyişle, eğer C, tabanın ağırlık merkezi (ortacı) ise, Cden tabanın köşelerinden birine olan uzaklık, Cden taban kenarlarından birinin orta noktasına olan uzaklığın iki katıdır. Bunun nedeni, kenarortayların birbirini kütle merkezinde kesmeleri ve bu noktanın her bir kenarortayı uzunlukları 1:2 oranlı olan iki parçaya bölmesidir.
Hacim
Dörtyüzlünün hacmi, piramit hacim formülüdür:
burada tabanın alanı ve h tabandan tepeye olan yüksekliktir. Bu formül her yüz için geçerlidir, dolayısıyla köşelerden karşı yüzlere olan uzaklık, o yüzün alanı ile ters orantılıdır.
Aşağıdaki köşelere sahip bir dört yüzlü için a = (a1, a2, a3), b = (b1, b2, b3), c = (c1, c2, c3) ve d = (d1, d2, d3), hacim (1/6)|det(a−b, b−c, c−d)|. Birbirleriyle basit bir çizge oluşturan köşe çiftlerinin herhangi bir diğer kombinasyonu ile de hacmi veren bir formül oluşturulabilir. Bu formül, nokta çarpım ve çapraz çarpım kullanılarak da yazılabilir:

Eğer koordinat sisteminin orijini d köşesine rastlayacak şekilde seçilirse, d = 0 olur, dolayısıyla

burada a, b ve c bir köşede kesişen üç kenara karşılık gelir ve bir üçlü skaler çarpımdır. Bu formülü bir paralelyüzün hacmi ile karşılaştırınca bir dört yüzlünün hacminin, onunla üç kesişen yüz paylaşan bir paralelyüzün hacminin 1/6'sı olduğu sonucuna varabiliriz.
Üçlü skaler çarpım aşağıdaki determinantla gösterilebilir:
veya burada satır veya sütun vektör olarak gösterilebilir
Dolayısıyla
burada vb.
bunun sonucu
,
burada, d köşesinde oluşan düzlemsel açılardır. açısı, d köşesini b ve c köşelerine bağlayan kenarlar arasındaki açıdır. açısı a ve c köşeleri için aynı şeyi yapar, de a ve b köşelerinin konumları ile tanımlanmıştır. Dörtyüzlünün köşeleri arasındaki uzaklıklar kullanılarak hacim hesaplamak için CayleyMenger determinantı kullanılır:
burada indisleri köşelerini temsil eder ve bunlar arasındaki ikili uzaklıklardır, yani iki köşeyi birleştiren kenarın uzunluğu. Determinantın negatif değerli olması, verilen uzunluklara sahip bir dört yüzlünün olamayacağı anlamına gelir. Bu formül, bazen Tartaglia formülü olarak da bilinir, 15. yüzyılda yaşamış ressam Piero della Francesca'dan kaynaklanır. Bir üçgenin alanını hesaplamakta kullanılan, 1. yüzyılda keşfedilmiş Heron formülü'nün üç boyuttaki karşılığıdır.
Kenarlar arasındaki uzaklık
Dörtyüzlünün iki karşı kenarı, iki aykırı doğru üzerinde yer alırlar (aykırı doğrular birbirlerine ne paralel ne de birbirini kesen doğrulardır). Bu iki doğru arasındaki en yakın noktalar kenarlara ait noktalarsa bu noktalar kenarlar arasındaki en yakın uzaklığı tanımlar; aksi halde, kenarlar arasındaki uzaklık, uç noktalar ve karşı kenar arasındaki uzaklıklardan en kısa olanıdır. a ve b-c karşı kenarlarının oluşturduğu aykırı doğrular arasındaki uzaklık olsun. Bu durumda hacim için bir diğer formül şöyledir:
Geometrik ilişkiler
Dörtyüzlü bir 3-simpleks'tir. Diğer Platonik cisimlerden farklı olarak, bir düzgün dört yüzlünün tüm köşeleri birbirinden eşit uzaklıktadır. Köşeler, üç boyutlu uzayda dört noktanın birbirine eşit uzaklıkta olabileceği tek konumdadır.
Dörtyüzlü, üçgensel bir piramittir. Düzgün dört yüzlü öz-çifteştir (İng. self-dual).

Düzgün bir dört yüzlü bir küpün içine iki farklı şekilde yerleştirilebilir, her köşe küpün bir köşesi ve her kenar küpün yüzlerinden birinin çaprazı olacak şekilde. Bu yerleştirmelerden biri için, köşelerin koordinatları şöyledir:
(+1, +1, +1);
(−1, −1, +1);
(−1, +1, −1);
(+1, −1, −1).
Meydana gelen bu dört yüzlünün orijin merkezli olup kenar uzunluğu 22'dir. Öbür dört yüzlü (birincisinin öz-çifteşidir) için tüm işaretlerin tersini alın. Bu iki dört yüzlünün köşeleri birlikte küpün köşelerini meydana getirirler. Böylece bir düzgün dört yüzlünün bir 3-yarıküpü (3-demicube) olduğu gösterilmiş olur.
Bu dört yüzlünün hacmi kübün hacminin 1/3'üdür. İki dört yüzlüyü birleştirince bir birleşik çokyüzlü (aynı merkeze sahip birden çok çokyüzlü) oluşur, bunun adı iki dört yüzlü bileşimi (compound of two tetrahedra) veya yıldızlaşmış sekiz yüzlü (stellated octahedron)'dur.
Yıldızlaşmış sekiz yüzlünün içi bir sekiz yüzlüdür. Dolayısıyla, düzgün bir dört yüzlüden yarım kenar uzunluğunda dört tane düzgün dört yüzlü kesilmesinin sonucu, düzgün bir sekiz yüzlüdür. Bu işleme dört yüzlünün rektifikasyonu denir.
Küpün içine bir dört yüzlü yerleştirince beş dört yüzlü meydana gelir, bunlardan biri düzgündür. Bir küpü oluşturmak için gereken dört yüzlü sayısı en az 5'tir.
Düzgün çokyüzlüler uzayı karolayamazlar. Bunun olabileceği o kadar makul görünmüştür ki Aristo bunun olabileceğini iddia etmiştir. Ancak, iki düzgün dört yüzlü ve bir sekiz yüzlü ile birleştirilerek bir eşaltı yüzlü (rhombohedron) oluşur, bununla uzay karolanabilir.
Ancak, uzayın karolayabilen en az bir düzensiz dört yüzlü vardır. Dörtyüzlülerin hepsinin aynı boyda olması şartı esnetilirse, sadece dört yüzlüler kullanarak uzayı kaplamak mümkündür. Örneğin bir sekiz yüzlüyü dört döryüzlüye bölüp bunları iki düzgün dört yüzlü ile birleştirilebilir (bu iki tip dört yüzlünün hacimleri eşittir).
Düzgün çokyüzlüler arasında paralel yüzlere sahip olmayan tek cisim dört yüzlüdür.
İlgili çokyüzlüler
Bir dört yüzlüye uygulanacak bir kesme işlemi düzgün bir çokyüzlüler serisi meydana getirir. Kalan kenarları nokta haline getirecek şekilde kesmek, rektifiye bir dört yüzlü olan bir sekiz yüzlü oluşturur. Bu işlem devam ettirilirse sonunda ikili rektifikasyon (birectification) olur, başlangıçtaki yüzler birer noktaya indirgenir ve öz-çifteş dört yüzlü yeni baştan ortaya çıkar.
Kesişen dört yüzlüler
Kesişen beş tane dört yüzlü ile ilginç bir çokyüzlü inşa edilebilir. Beş tane dörtlüden oluşan bu bileşik yüzyıllardır bilinmektedir. Origamide sık sık görülür. 20 köşenin birleştirilmesi ile bir dodekahedron (yirmiyüzlü) meydana gelir. Birbirinin ayna görüntüsü olan sağ elli ve sol elli biçimleri vardır.
Izometri
Düzgün dört yüzlerde izometriler
Bir küpün köşeleri, her biri bir dört yüzlü oluşturan, dörtlü iki gruba ayrılabilir (bkz. yukarısı ve ayrıca animasyon). Düzgün bir dört yüzlünün simetrileri bir küpün simetrilerinin yarısına karşılık gelir: dört yüzlüleri kendilerine dönüştürenler ve birbirine dönüştürmeyenler.
Dörtyüzlü, platonik cisimler arasında noktasal yansıma ile kendi kendine rastlamayan tek cisimdir.
Düzgün dört yüzlünün 24 izometrisi vardır, Td simetri grubu ve ona eşbiçimli(izomorfik) olan S4 oluşturur. Bunlar şöyle kategorilendirilebilir:
T, A4 almaşık grubu (özdeşlik ve 11 dönme işlemi) ile izomorfiktir, aşağıdaki eşlenik sınıfları vardır (parantez içinde köşelerin permütasyonları ve birim kuaterniyon gösterimleri verilmiştir):
özdeşlik
bir köşeden geçen ve karşı yüze dik bir eksen etrafında ±120 dönme: 4 eksen, eksen başına 2, birlikte 8 ((1 2 3) vb.; (1 ± i ± j ± k)/2)
180 bir açıyla dönme öyle ki kenar karşı kenar ile çakışsın. 3 ((1 2)(3 4) vb.; i, j, k)
bir kenara dik bir düzlemde yansıma: 6
bir düzlemde yansıma ile o düzleme dik bir eksen etrafında 90 dönme: 3 eksen, eksen başına 2, birlikte 6; buna eşdeğer olarak, 90 dönmelerle ters dönmeler (xin −xe dönüşmesi) birleşimidir: dönmeler bir küpte bir yüzü öbür yüze dönüştüren dönmelere karşılık gelir.
Düzensiz dört yüzlülerin izometrileri
Düzensiz bir dört yüzlünün izometrileri (eşölçer dönüşümleri) dört yüzlünün geometrisine bağlıdır, 7 durum olabilir. Her durumda bir 3-boyutlu noktalar kümesi meydana gelir.
Eşkenar üçgen bir taban ve (eşkenar olmayan) ikizkenar üçgen kenarlar durumunda 6 izometri vardır, bunlara tabanın 6 izometrisine karşılık gelir. Köşelerin permütasyonlarına karşılık gelen bu 6 izometri şunlardır: özdeşlik 1, (123), (132), (12), (13) ve (23). Bunlar S3 ile izomorfik olan C3vsimetri grubunu oluşturur.
Dört (eşkenar olmayan) ikizkenar üçgen 8 izometri verir. Eğer (1,2) ve (3,4) kenarları diğer dört kenardan farklı uzunluktaysa bu 8 izometri şunlardır: özdeşlik 1, yansımalar (12) ve (34) ve 180 dönmeler (12)(34), (13)(24), (14)(23) ve 90 dönmeleri (1234) ve (1432). Bunlar D2d simetri grubunu oluşturur.
Dört çeşitkenar üçgen 4 izometri verir. İzometriler şunlardır: 1 ve 180 dönmeleri (12)(34), (13)(24) ve (14)(23). Bu, Klein dört-kümesi V4 ≅ Z22 (nokta kümesi D2 olan).
İki çift izomorfik (eşkenar olmayan) ikizkenar üçgen. Birbirine dik ve farklı uzunlukta (1,2) and (3,4) kenarları vardır. 4 izometeriler şunlardır: 1, yansıma (12) ve (34) ve 180 dönmeleri (12)(34). Simetri grubu C2vdır, V4e izomorfiktir.
İki çift izomofik çeşitkenar üçgen. İki çift eşit uzunluklu kenar vardır (1,3), (2,4) ve (1,4), (2,3) ama bunlar dışında hiçbir kenar eşit değildir. Olan izometriler 1 ve (12)(34) dönmesidir. Simetri grubu C2dır, Z2e izomorfiktir.
Ortak kenarlı iki farklı eşkenar üçgen. İki çift eşit uzunluklu kenarlar vardır (1,3), (1,4) ve (2,3), (2,4), ama bunlar dışında hiçbir kenar eşit değildir. Olan izometriler 1 ve (34) yansımasıdır. Simetri grubu Csdır, Z2e izomorfiktir.
Hiçbir kenar birbirine eşit değildir, tek izometri özdeşliktir ve simetri grubu trivial gruptur.
Dörtyüzlüler için sinüsler kanunu ve tüm dört yüzlü şekillerinin uzayı
Sinüs teoreminin bir sonucu olarak, köşeleri O, A, B, C olan bir dört yüzlüde

Bu eşitliğin iki tarafı, yüzlerin saat yönlü ve ters saat yönlü okunuşu gibi düşünülebilir.
Dört köşeden her birini O köşesi yerine koymak buna benzer dört eşitlik yaratır, ama bunların en fazla üç tanesi bağımsızdır: eğer eşitliklerin "saat yönlü" tarafları birbiriyle çarpılırsa, sonucun "ters saat yönlü" tarafların çarpımına eşit olduğu çıkarımı yapılabilir. Her iki taraftaki ortak çarpanlar atılırsa geriye kalan, dördüncü eşitliktir. Bu "bağımsızlık" ilişkisinin önemli olmasının bir nedeni şudur: üç açının bir üçgene ait olması için toplamlarının yarım çembere (180) eşit olması gerekir. 12 açı için hangi şart bunların bir dört yüzlüye ait olmasını sağlar? Dörtyüzlünün her bir yüzündeki açıların toplamı yarım çemberdir. Bu şekilde dört üçgen olduğuna göre açı toplamlarına etki eden dört kısıt vardır. Dolayısıyla serbestlik derecesi 12'den 8'e düşer. Bu sinüs teoreminindeki dört ilişki, serbestlik derecelerini 8'den 4'e değil, 5'e indirir, çünkü dördüncü kısıt ilk üçten bağımsız değildir. Dolayısıyla olasıl tüm dört yüzlülerin oluşturduğu açı değerlerinin uzayı 5 boyutludur.
Uygulamalar
Sayısal analiz
Sayısal analizde, özellikle kısmi diferansiyel denklemlerin sayısal çözümlerinde, sonlu eleman analizi için denklemler kurarken, karmaşık üç boyutlu şekiller çoğu zaman düzensiz dört yüzlülerden oluşan bir çokgen ağ ile yaklaşıklanır. Bu yöntemler çeşitli mühendislik dallarında yaygın olarak kullanılmaktadır.
Kimya
Kimyada kuaterner faz diyagramları grafik olarak tetrahedron olarak gösterilir. (Ancak, iletişim mühendisliğinde kuaterner faz diyagramları grafik olarak iki boyutlu gösterilir.)
Elektrik ve elektronik
Eğer dört eşit rezistör birbirine bağlanarak bir tetrahedron oluşturursa, iki köşe arasındaki direnç, bir rezistörün direncinin yarısı kadardır.
Oyun
Özellikle rol oyunlarında dört-yüzlü zar sık kullanılır. Atılan sayı ya tabanın etrafında ya da üst köşede yazılı olur. MÖ 2600'den kalma Ur Kraliyet Oyunu, bir dizi dört yüzlü zarla oynanmıştır. Bazı Rubik Küpü benzeri bulmacalar dört yüzlüdür, örneğin Pyraminx ve Pyramorphix.
Renk uzayı
Renk uzayı dönüşüm algoritmalarında, özellikle lüminans ekseni renk uzayını çapraz kestiği durumlarda (örneğin RGB, CMY), tetrahedral interpolasyon kullanılır.
Jeoloji
William Lowthian Green tarafından ilk yayımlanan ve Dünyanın oluşumunu açıklamak için öne sürülen tetrahedral hipotez, 20. yüzyılın başlarında popülerdi.
Doğada
Kimya
Dörtyüzlü (tetrahedron) şekli, moleküllerin kovalent bağlarında görülür. sp3-hibritlenmiş atomlara çevreleyen atomlar bir dört yüzlünün köşelerinde yer alır, yani tetrahedral moleküler geometriye sahiptir. Örneğin, bir metan molekülü (CH4) veya bir amonyum iyonunda (NH4+), merkezdeki karbon veya azot atomu, tetrahedral simetriye sahip dört hidrojen atomu ile çevrilidir. Bu yüzden organik kimyanın önde gelen dergilerinden biri Tetrahedron olarak adlandırılmıştır.
Düzgün bir dört yüzlünün iki köşesi arasındaki merkez açı = , veya yaklaşık 109.47'dir.
Elektronikte kullanılan en yaygın yarı iletken olan silikonun değerlik sayısı dörttür. Silikon atomunun bağlarının tetrahedral şekli, silikon kristallerinin oluşumunu ve şekillerini belirler.