4D框架下的谢尔宾斯基金字塔(Sierpinski Pyramid)构型

4D框架下的谢尔宾斯基金字塔(Sierpinski Pyramid)构型
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2021-03-14 00:47
本范例展示在“4D框架/投影”思路下生成谢尔宾斯基金字塔的分形结构:通过若干次向量变换与切面构造,将一个四面体的分割与对称复制映射到可视化的3D几何中,从而形成层层相似的空洞与面片。核心数学概念包括:四面体(Tetrahedron)与其边/中点(Midpoint、Segment)、由正交平面与直线确定的几何关系、旋转与平移(Rotate、Translate)产生的对称变换,以及连续性下的分形递归构型(由面与边的重复构成)。作图要点:使用 Vector 构造关键方向向量;用 OrthogonalPlane 建立正交切面;用 Line 定位旋转/平移的几何约束;通过 Rotate 与 Translate 实现对四面体关键顶点与面片的复制;借助 Point 与 Tetrahedron 确定初始体及其变换对应点;再用 Midpoint 与 Segment 生成子结构边界;最后分别得到若干面片(如 faceAA'B、faceA'BC、faceABC 等)与边(edgeA'B、edgeAA'、edgeAB、edgeAC、edgeBC 等)。适合高中到大学基础几何、计算机图形/数学建模课程,用于分形几何、立体变换与几何递推可视化教学。

GeoGebra 命令及参数

  1. Vector(O, (x(O), y(O), z(O) - (a * sqrt(6) / 3))) → u_{2}
  2. Translate(O, u_{2}) → F'
  3. OrthogonalPlane(F', zAxis) → p
  4. Line(O, F') → f
  5. Rotate(A, ((2 * π)) / 3, Line[O, F']) → C
  6. Point(Circle[Midpoint[C, A], (Distance[C, A] * sqrt(3) / 2), Segment[C, A]]) → B
  7. Tetrahedron(C, A, B) → T_O, tet_{strange}, edgeBC, edgeAC, faceAA'B, faceA'BC, faceAA'C, faceABC, edgeA'B, edgeAA'_{1}, edgeAB, edgeA'C
  8. Midpoint(edgeA'B) → D
  9. Midpoint(edgeA'C) → E
  10. Midpoint(edgeAC) → G
  11. Midpoint(edgeBC) → H
  12. Midpoint(edgeAB) → I
  13. Midpoint(edgeAA'_{1}) → J
  14. Segment(H, D) → g
  15. Segment(D, E) → h
  16. Segment(E, H) → i
  17. Segment(H, G) → j
  18. Segment(G, E) → k
  19. Segment(E, J) → l
  20. Segment(J, G) → m
  21. Segment(G, I) → n
  22. Segment(I, H) → q
  23. Segment(I, D) → r
  24. Segment(I, J) → s
  25. Segment(J, D) → t
  26. Segment(D, E) → d
  27. Segment(G, H) → e
  28. Vector(O, B) → v
  29. Translate(l1, v) → T_B
  30. Vector(O, A) → u
  31. Vector(O, C) → w
  32. Translate(A, u) → A_{1}
  33. Translate(C, w) → C_1
  34. Translate(B, v) → B_1
  35. Translate(l1, u) → T_{A}
  36. Translate(l1, w) → T_{C}
  37. Translate(l1, Vector[(2 * u)]) → T_A_1
  38. Translate(l1, Vector[(2 * w)]) → T_{C1}
  39. Translate(l1, Vector[(2 * v)]) → T_{B1}
  40. Translate(A_{1}, u) → A_{2}
  41. Translate(B_1, v) → B_{2}
  42. Translate(C_1, w) → C_{2}
  43. Translate(l1, Vector[(3 * u)]) → T_{A2}
  44. Translate(l1, Vector[(3 * v)]) → T_{B2}
  45. Translate(l1, Vector[(3 * w)]) → T_{C2}
  46. Translate(T_{C}, Vector[(2 * v)]) → T_{B'2}
  47. Translate(T_{C}, Vector[(2 * u)]) → T_{A''2}
  48. Translate(T_B, Vector[(2 * w)]) → T_{C''_2}
  49. Translate(T_B, Vector[(2 * u)]) → T_{A'2}
  50. Translate(T_{A}, Vector[(2 * v)]) → T_{B''2}
  51. Translate(l2, Vector[(4 * u)]) → l3
  52. Translate(T_{A}, Vector[(2 * w)]) → T_{C'2}

AI 绘图提示语参考

绘制一个三维空间中的谢尔宾斯基金字塔框架。先以三个点构成一个正四面体,其中一个顶点由另两个点绕竖直轴旋转120度得到,第三个点位于两点连线的垂直平分面上。取四面体各棱中点,连接这些中点形成内部的小四面体空隙。然后以原始四面体的三个顶点为方向,将整个框架沿三个方向分别平移一、二、三个单位长度,生成多层嵌套的对称结构,最终呈现自相似的分形镂空金字塔。
以上提示语为根据原始绘图命令整理而来,仅供参考。