超正方體

零維的一個(gè)點(diǎn)，包含一個(gè)零維元素（點(diǎn)）；一維的一條線段，包含一個(gè)一維元素（線段），兩個(gè)零維元素；二維的一個(gè)正方形，包含一個(gè)二維元素（面），四個(gè)一維元素；三維的一個(gè)正方體，包含 一個(gè)三維元素（三維立體），六個(gè)二維元素，十二個(gè)一維元素，八個(gè)零維元素

對(duì)比下列算式：

(x+2)^0=1

(x+2)^1=x+2

(x+2)^2=x^2+4x+4

(x+2)^3=x^3+6x^2+12x+8

可以歸納出：一個(gè)n維立方形(n-cube)所包含的k維元素個(gè)數(shù)等于(x+2)^n展開式的k次項(xiàng)系數(shù)。

(x+2)^4=x^4+8x^3+24x^2+32x+16

可以得出：超正方體有8個(gè)立方體（胞），24個(gè)面，32條線段，16個(gè)點(diǎn)。

這有助于我們印證四維超正方體的構(gòu)造。

超正方體的頂點(diǎn)坐標(biāo)可以用類比的方式推導(dǎo)：

正方形的坐標(biāo)：（±1，±1）

正方體的坐標(biāo)：（±1，±1，±1）

那么類比可以得到四維超正方體的頂點(diǎn)：（±1，±1，±1，±1）

四維方體不易想象，但可以投射至3維或2維空間。在2維平面的投射，把頂點(diǎn)位 置調(diào)整后，可以了解更多。如此獲得的圖像，不再反映四維方體空間構(gòu)造，而是反映頂點(diǎn)間的聯(lián)系。

對(duì)于生活在三維空間的人類來說，四維世界是很神秘的概念。正像生活在二維世界里的小人（如果存在）很難想象三維世界一樣，我們同樣難于想象四維世界。不過也正像我們可以通過研究三維物體在二維物體上的投影來研究想象三維物體一樣，我們也可以通過四維物體在三維世界中的立體圖形投影來研究四維世界。

圖1 所示的是一個(gè)立方體在二維世界中的投影。二維小人多多少少可以通過這些投影來想象那個(gè)“三 維立方體”的神秘圖形。他們可以數(shù)出這個(gè) 立方體有8個(gè)頂點(diǎn)，12條邊，6個(gè)面?？梢钥吹綀D1的樣子像是一個(gè)大正方形套一個(gè)小正方形，那我們用一點(diǎn)類比的思維，把一個(gè)大立方體“套住”一個(gè)小立方體，這就得到一個(gè)超正方體的一種三維投影（當(dāng)然圖1又是它的二維投影）　

正如圖1的投影中，立方體的六個(gè)面也要把最外部的正方形也要算進(jìn)去，超正方體表面的八個(gè)立方體也包括“最外部”的那一個(gè)

可以知道，超正方體有8個(gè)胞（立方體）、24個(gè)面（正方形）、32條棱和16個(gè)頂點(diǎn)

值得說一下的是，在圖2中，投影后一大一小兩個(gè)立方體的邊長(zhǎng)比正好是3:1，這個(gè)是通過計(jì)算得到的。

如果四維超正方體不太好想象的話，我們換成球試試吧。三維球嘛，無論從哪個(gè)方向投影在二維平面上都只是一個(gè)半徑等同的圓形，這樣我們就很容易想到四維球在三維世界中的投影只不過是一個(gè)半徑等同的球了。如果還想要討論得深入一些，不妨試試球穿越問題。比如說一個(gè)球穿過一個(gè)二維平面，二維小人會(huì)發(fā)現(xiàn)平面上憑空冒出一個(gè)慢慢變大的點(diǎn)，后來眼看著擴(kuò)張成圓，又慢慢縮小成點(diǎn)，最后突然消失。如果這個(gè)令二維小人驚訝不已的事實(shí)讓你并不覺得奇怪，那么以下的情形你定會(huì)吃驚不?。辉谀忝媲盁o中生有地出現(xiàn)一個(gè)點(diǎn)，擴(kuò)成球又縮回點(diǎn)，再突然消失。多么神奇！其 實(shí)這只不過是四維球穿越三維世界的情形。

這里講一種思維方式，當(dāng)你不能夠理解四維的某些描述的時(shí)候，試著把自己當(dāng)作二維人生活在扁平的世界里看三維(你能夠理解，但是你的描述是受限的)。

簡(jiǎn)單描述：1、超立方體無2維距離、角度概念。

2、超立方體中任何一頂點(diǎn)以恒定速度到相鄰頂點(diǎn)所用時(shí)間相等。

將一個(gè)立方體的各個(gè)表面膨脹，一段時(shí)間后會(huì)得到一個(gè)球

同樣的方法，將超正方體的表面膨脹，會(huì)得到一個(gè)“超球”(Hypersphere)

當(dāng)我們置身于超正方體膨脹成的超球中的時(shí)候，我們就會(huì)看見右圖的這個(gè)情景——此時(shí)我們置身在“最外部”的立方體（當(dāng)然是膨脹了的）面上平行投影

上面的兩種其實(shí)都屬于透視投影——實(shí)際上立方體的平行投影是絕對(duì)不會(huì)出現(xiàn)一大一小的正方形

四維超正方體不但可以投影到三維，而且也可以直接投影到二維平面上（是直接，不經(jīng)過三維），但是由于是投影在二維上，會(huì)失真得很厲害所以只能夠表現(xiàn)一些點(diǎn)與線之間的連接關(guān)系

右圖是超正方體的二維線架正投影，ABCD分別是四個(gè)軸，注意“相鄰”兩根軸的夾角都是45度的。16個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)分別是(±1,±1,±1,±1)（下文有簡(jiǎn)單推導(dǎo)），然后按照給出的一個(gè)一個(gè)填上去就是的了（方法說上去有點(diǎn)煩，大家可以用幾何畫板畫畫這個(gè)投影，其實(shí)蠻簡(jiǎn)單的）。

大家一定知道把立方體的六個(gè)面展開的樣子吧，其中一種展開法如右圖。

類比一下，即可得到超正方體的其中一種展開法，如最右圖，其中一個(gè)立方體被藏在三維展開圖里邊了。

看上去很奇怪是吧，這八個(gè)立方體在我們的世界里無論怎么翻轉(zhuǎn)也不能組成一個(gè)超正方體的，它們必須在四維空間里旋轉(zhuǎn)——這個(gè)比方就好比二維小人不會(huì)明白那六個(gè)正方形怎么轉(zhuǎn)才能拼成一個(gè)立方體一樣的道理。

將正八胞體中每個(gè)正方體中心作中心所在正方體的正方形面垂線得正十六胞體，正十六胞體作類似處理也可以得正八胞體。