Volumes of Polyhedra in Non-Euclidean Spaces of Constant Curvature

Cover Page

Cite item

Abstract

Computation of the volumes of polyhedra is a classical geometry problem known since ancient mathematics and preserving its importance until present time. Deriving volume formulas for 3-dimensional non-Euclidean polyhedra of a given combinatorial type is a very difficult problem. Nowadays, it is fully solved for a tetrahedron, the most simple polyhedron in the combinatorial sense. However, it is well known that for a polyhedron of a special type its volume formula becomes much simpler. This fact was noted by Lobachevsky who found the volume of the so-called ideal tetrahedron in hyperbolic space (all vertices of this tetrahedron are on the absolute).In this survey, we present main results on volumes of arbitrary non-Euclidean tetrahedra and polyhedra of special types (both tetrahedra and polyhedra of more complex combinatorial structure) in 3-dimensional spherical and hyperbolic spaces of constant curvature K = 1 and K = -1, respectively. Moreover, we consider the new method by Sabitov for computation of volumes in hyperbolic space (described by the Poincare´ model in upper half-space). This method allows one to derive explicit volume formulas for polyhedra of arbitrary dimension in terms of coordinates of vertices. Considering main volume formulas for non-Euclidean polyhedra, we will give proofs (or sketches of proofs) for them. This will help the reader to get an idea of basic methods for computation of volumes of bodies in non-Euclidean spaces of constant curvature.

About the authors

V. A. Krasnov

Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)

Author for correspondence.
Email: krasnov_va@rudn.university
Moscow, Russia

References

  1. Абросимов Н. В. К решению проблемы Зейделя об объемах гиперболических тетраэдров// Сиб. электрон. мат. изв. - 2009. - 6. - С. 211-218.
  2. Абросимов Н. В. Проблема Зейделя об объеме неевклидового тетраэдра// Докл. РАН. - 2010. - 435, № 1. - С. 7-10.
  3. Абросимов Н. В., Байгонакова Г. А. Гиперболический октаэдр с mmm-симметрией// Сиб. мат. ж. - 2013. - 10. - С. 123-140.
  4. Абросимов Н. В., Выонг Хыу Б. Объем гиперболического тетраэдра с группой симметрии S4// Тр. ИММ УрО РАН. - 2017. - 23, № 4. - С. 2-17.
  5. Абросимов Н. В., Годой-Молина М., Медных А. Д. Об объеме сферического октаэдра с симметриями// Соврем. мат. и ее прилож. - 2008. - 60.- С. 3-12.
  6. Абросимов Н. В., Кудина Е. С., Медных А. Д. Об объеме гиперболического октаэдра, допускающего ¯3-симметрию// Тр. МИАН. - 2015. - 288.- С. 7-15.
  7. Абросимов Н. В., Кудина Е. С., Медных А. Д. Объем гиперболического гексаэдра, допускающего ¯3- симметрию// Сиб. электрон. мат. изв. - 2016. - 13. - С. 1150-1158.
  8. Андреев Е. М. О выпуклых многогранниках в пространствах Лобачевского// Мат. сб. - 1970. - 81.- С. 445-478.
  9. Андреев Е. М. О выпуклых многогранниках конечного объема в пространстве Лобачевского// Мат. сб. - 1970. - 83. - С. 256-260.
  10. Алексеевский Д. В., Винберг Э. Б., Солодовников А. С. Геометрия пространств постоянной кривизны// Итоги науки и техн. Соврем. пробл. мат. Фундам. направл. - 1988. - 29. - С. 1-146.
  11. Байгонакова Г. А., Годой-Молина М., Медных А. Д. О геометрических свойствах гиперболического октаэдра, обладающего mmm-симметрией// Вестн. Кемеровского гос. ун-та. - 2011. - 47, № 3/1. - С. 13-18.
  12. Бухштабер В. М., Ероховец Н. Ю., Масуда М., Панов Т. Е., Пак С. Когомологическая жесткость многообразий, задаваемых трехмерными многогранниками// Усп. мат. наук. - 2017. - 434, № 2. - С. 3-66.
  13. Бухштабер В. М., Панов Т. Е. Торические действия в топологии и комбинаторике. - М.: МЦНМО, 2004.
  14. Веснин А. Ю. Объемы трехмерных гиперболических многообразий Лебелля// Мат. заметки. - 1998. - 64, № 1. - С. 17-23.
  15. Веснин А. Ю. Прямоугольные многогранники и трехмерные гиперболические многообразия// Усп. мат. наук. - 2017. - 434, № 2. - С. 147-190.
  16. Винберг Э. Б. Объемы неевклидовых многогранников// Усп. мат. наук. - 1993. - 290, № 2. - С. 17-46.
  17. Гайфуллин А. А. Вложенные изгибаемые сферические кросс-политопы с непостоянными объемами// Тр. МИАН. - 2015. - 288.- С. 67-94.
  18. Гайфуллин А. А. Аналитическое продолжение объема и гипотеза кузнечных мехов в пространствах Лобачевского// Мат. сб. - 2015. - 206, № 11. - С. 61-112.
  19. Галиулин Р. В., Михалев С. Н., Сабитов И. Х. Некоторые приложения формулы для объема октаэдра// Мат. заметки. - 2004. - 76, № 1. - С. 27-43.
  20. Деревнин Д. А., Медных А. Д. Объем сферического куба Ламберта// Мат. заметки. - 2009. - 86, № 2. - С. 190-201.
  21. Деревнин Д. А., Медных А. Д., Пашкевич М. Г. Объем симметричного тетраэдра в гиперболическом и сферическом пространствах// Сиб. мат. ж. - 2004. - 45, № 5. - С. 1022-1031
  22. Колпаков А. А., Медных А. Д., Пашкевич М. Г. Формула объема Z2-симметричного тетраэдра// Сиб. мат. ж. - 2011. - 52, № 3. - С. 577-594.
  23. Краснов В. А. Об интегральных формулах объема гиперболических тетраэдров// Соврем. мат. Фундам. направл. - 2013. - 49. - С. 89-98.
  24. Краснов В. А. Об объеме гиперболического октаэдра с нетривиальными симметриями// Соврем. мат. Фундам. направл. - 2013. - 51.- С. 74-86.
  25. Краснов В. А. Неевклидовы октаэдры с mm2-симметрией// Мат. заметки. - 2016. - 99,№ 1. - С. 145- 148.
  26. Краснов В. А. Об объемах гиперболических симплексов// Мат. заметки. - 2019. - 106, № 6. - С. 866- 880.
  27. Краснов В. А. О применении современного доказательства формулы Сфорца к вычислению объемов гиперболических тетраэдров специального вида// Соврем. мат. Фундам. направл. - 2019. - 65,№ 4. - С. 623-634.
  28. Лобачевский Н. И. Воображаемая геометрия// Полн. собр. соч. Т. 3. - M.-Л.: 1949.
  29. Петров Ф. В. Вписанные четырёхугольники и трапеции в абсолютной геометрии// В сб.: «Математи- ческое просвещение. 13». - М.: МЦНМО, 2009. - С. 149-154.
  30. Прудников А. П., Брычков Ю. А., Маричев О. И. Интегралы и ряды. Элементарные функции. - M.: Наука, 1981.
  31. Сабитов И. Х. Объем многогранника как функция его метрики// Фундам. и прикл. мат. - 1996. - 2, № 4. - С. 1235-1246.
  32. Сабитов И. Х. Объемы многогранников// В сб.: «Математическое просвещение. 21». - М.: МЦНМО, 2009.
  33. Сабитов И. Х. Об одном методе вычисления объемов тел// Сиб. электрон. мат. изв. - 2013. - № 10. - С. 615-626.
  34. Сабитов И. Х. Гиперболический тетраэдр: вычисление объема с применением к доказательству фор- мулы Шлефли// Модел. и анализ информ. систем. - 2013. - 20, № 6. - С. 149-161.
  35. Соколова Д. Ю. О площади трапеции на плоскости Лобачевского// Сиб. электрон. мат. изв. - 2012. - 9. - С. 256-260.
  36. Abrosimov N. V., Mednykh A. D. Volumes of polytopes in spaces of constant curvature// Fields Inst. Commun.- 2014.- 70, № 1. - С. 1-26.
  37. Alexandrov V. A. An example of a flexible polyhedron with nonconstant volume in the spherical space// Beitr. Algebra Geom. - 1997. - 38, № 1. - С. 11-18.
  38. Bilinski S. Zur Begru¨ ndung der elementaren Inhaltslehre in der hyperbolischen Ebene// Math. Ann. - 1969. - 180. - С. 256-268.
  39. Bolyai J. Appendix. The theory of space// В сб.: «Janos Bolyai». - Budapest, 1987.
  40. Cho Yu., Kim H. On the volume formula for hyperbolic tetrahedra// Discrete Comput. Geom. - 1999. - 22. - С. 347-366.
  41. Connely R., Sabitov I., Walz A. The bellows conjecture// Contrib. Algebra Geom. - 1997. - 38, № 1. - C. 1-10.
  42. Coxeter H. S. M. The functions of Schla¨fli and Lobatschefsky// Quarterly J. Math. Oxford. - 1935. - 6.- С. 13-29.
  43. Coxeter H. S. M., Greitzer S. L. Geometry Revisited. - Washington: The Mathematical Association of America, 1967.
  44. Derevnin D. A., Mednykh A. D. A formula for the volume of hyperbolic tetrahedron// Russ. Math. Surv. - 2005. - 60, № 2. - С. 346-348.
  45. Diaz R. A characterization of Gram matrices of polytopes// Discrete Comput. Geom. - 1999. - 21,№ 4. - С. 581-601.
  46. Dickinson W., Salmassi M. The right right triangle on the sphere// College Math. J. - 2008. - 39,№ 1. - С. 24-33.
  47. Gaifullin A. A. Sabitov polynomials for polyhedra in four dimensions// Adv. Math. - 2014. - 252.- С. 586-611.
  48. Gaifullin A. A. Generalization of Sabitov’s theorem to polyhedra of arbitrary dimensions// Discrete Comput. Geom. - 2014. - 52, № 2. - С. 195-220.
  49. Gaifullin A. A. The bellows conjecture for small flexible polyhedra in non-Euclidean spaces// Mosc. Math. J. - 2017. - 17, № 2. - С. 269-290.
  50. Guo R., So¨nmez N. Cyclic polygons in classical geometry// C. R. Acad. Bulgare Sci. - 2011. - 64,№ 2. - С. 185-194.
  51. Kellerhals R. On the volume of hyperbolic polyhedra// Math. Ann. - 1989. - 285, № 4. - С. 541-569.
  52. Kneser H. Der Simplexinhalt in der nichteuklidischen Geometrie// Deutsche Math. - 1936. - 1. - С. 337- 340.
  53. MClelland J. W., Preston T. A Treatise on Spherical Trigonometry with Application to Spherical Geometry and Numerous Examples. Part II. - London: Macmillian and Co., 1886.
  54. Mednykh A. D. Brahmagupta formula for cyclic quadrilaterals in the hyperbolic plane// Сиб. электрон. мат. изв. - 2012. - 9. - С. 247-255
  55. Milnor J. Hyperbolic geometry: the first 150 years// Bull. Am. Math. Soc. - 1982. - 6, № 1. - С. 307-332.
  56. Mohanty Y. The Regge symmetry is a scissors congruence in hyperbolic space// Algebr. Geom. Topol. - 2003. - 3.- С. 1-31.
  57. Murakami J. The volume formulas for a spherical tetrahedron// Acta Math. Vietnam. - 2018. - 33,№ 3. - С. 219-253.
  58. Murakami J., Ushijima A. A volume formula for hyperbolic tetrahedra in terms of edge lengths// J. Geom. - 2005. - 83, № 1-2. - С. 153-163.
  59. Murakami J., Yano M. On the volume of a hyperbolic and spherical tetrahedron// Commun. Anal. Geom. - 2005. - 13. - С. 379-400.
  60. Murakami H., Yokota Y. Volume Conjecture for Knots. - Singapore: Springer, 2018.
  61. Schla¨ fli L. Theorie der vielfachen Kontinuita¨t// В сб.: «Gesammelte mathematische Abhandlungen». - Basel: Birkha¨user, 1950
  62. Sforza G. Spazi metrico-proiettivi// Ric. Esten. Different. Ser. - 1906. - 8, № 3. - C. 3-66
  63. Thurston W. Three-dimensional manifold, Kleinian groups and hyperbolic geometry// Bull. Am. Math. Soc. (N.S.). - 1982. - 6, № 3. - С. 357-381
  64. Ushijima A. A volume formula for generalized hyperbolic tetrahedra// Non-Euclid. Geom. - 2006. - 581. - С. 249-265
  65. Valentine J. E. An analogue of Ptolemy’s theorem and its converse in hyperbolic geometry// Pacific J. Math. - 1970. - 34. - С. 817-825
  66. Wimmer L. Cyclic polygons in non-Euclidean geometry// Elem. Math. - 2011. - 66. - С. 74-82

Copyright (c) 2021 Contemporary Mathematics. Fundamental Directions

License URL: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.en

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies