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Nombre polyédrique centré

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En mathématiques, un nombre polyédrique centré est un nombre figuré comptant comptant des points disposés dans un polyèdre par couches successives autour d'une droite centrale ou d'un centre.

Cas d'une pyramide : nombres pyramidaux centrés

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Autour de l'axe de la pyramide

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Nombre pyramidal hexagonal centré

On dispose dans une pyramide à base -gonale une première couche de points k-gonale centrée d'ordre dans la base puis une couche d'ordre , etc. jusqu'au sommet de la pyramide.

Le -ième nombre -pyramidal centré est donc la somme des nombres -gonaux centrés pour allant de 1 à (en commençant par la pointe de la pyramide) : [1].

  • Nombres pyramidaux triangulaires centrés : , suite A006003 de l'OEIS : 1, 5, 15, 34, 65, 111, 175, 260, 369, 505,...
  • Nombres pyramidaux carrés centrés : , suite A005900 de l'OEIS : 1, 6, 19, 44, 85, 146, 231, 344, 489, 670,..., égaux aux nombres octaédriques.
  • Nombres pyramidaux pentagonaux centrés : , suite A004068 de l'OEIS :1, 7, 23, 54, 105, 181, 287, 428, 609,...
  • Nombres pyramidaux hexagonaux centrés : , égaux aux nombres cubiques.
  • Nombres pyramidaux heptagonaux centrés : , suite A004126 de l'OEIS :1, 9, 31, 74, 145, 251, 399, 596,...
  • Nombres pyramidaux octogonaux centrés : , suite A000447 de l'OEIS : 1, 10, 35, 84, 165, 286, 455,...

Autour du centre de la pyramide

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La pyramide ayant faces triangulaires,1 face -gonale, sommets et arêtes, la couche pyramidale ajoutée à l'étape possède points correspondants aux intérieurs des faces, plus points situés à l'intérieur des arêtes, plus points situés aux sommets ; est le nombre -gonal d'ordre .

On obtient , d'où [1].

  •  : on obtient les nombres tétraédriques centrés : .
  •  : , suite A063488 de l'OEIS : 1, 6, 20, 49, 99, 176, 286, 435, 629, 874,...
  •  : on obtient les nombres octaédriques centrés : .
  •  : , suite A063489 de l'OEIS : 1, 8, 30, 77, 159, 286, 468, 715, 1037, 1444,...
  •  : on obtient les nombres cubiques centrés : .
  •  :  : suite A063490 de l'OEIS : 1, 10, 40, 105, 219, 396, 650, 995, 1445, 2014,...

Cas d'un prisme : nombres prismatiques centrés

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On dispose dans un prisme à base -gonale couches successives de points k-gonales centrées d'ordre .

Le -ième nombre -prismatique centré est donc le nombre -gonal centré multiplié par  : [1].

  • Nombres prismatiques triangulaires centrés : , suite A100175 de l'OEIS : 1, 8, 30, 76, 155,...
  • Nombres prismatiques carrés centrés : , suite A059722 de l'OEIS : 1, 10, 39, 100, 205, ....
  • Nombres prismatiques pentagonaux centrés : , égaux aux nombres icosaédriques, suite A006564 de l'OEIS :1, 12, 48, 124, 255 ,...
  • Nombres prismatiques hexagonaux centrés : , égaux aux nombres cubiques augmentés, suite A005915 de l'OEIS : 1, 14, 57, 148, 305, ....
  • Nombres prismatiques heptagonaux centrés : , suite A329530 de l'OEIS :1, 16, 66, 172, 355, ...
  • Nombres prismatiques octogonaux centrés : , suite A139757 de l'OEIS : 1, 18, 75, 196, 405, ...

Cas d'un polyèdre régulier ou semi-régulier

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Première méthode

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Nous suivons ici la référence[2] qui prend la convention de prendre pour l'étape de départ (il y a donc points dans chaque arête à l'étape ) ; dans cette référence, chaque face du polyèdre étant décomposée en triangles, on décompose le polyèdre en tétraèdres joignant un point central à ces triangles. Chaque tétraèdre est rempli de points à la façon des nombres tétraédriques, les points situés dans deux faces triangulaires contigües devant coïncider.

Si est le nombre de points dans la couche numérotée , , le nombre polyédrique centré d'ordre est pour , avec [2].

On a , étant le nombre de faces k-gonales du polyèdre, d'où [2].

Nombre polyédrique centré Nombre de faces Rang OEIS
Nombre tétraédrique centré 1, 5, 15, 35, 69, 121, 195, 295, 425, 589 suite A005894 de l'OEIS
Nombre cubique centré 1, 9, 35, 91, 189, 341, 559, 855, 1241, 1729 suite A005898 de l'OEIS
Nombre octaédrique centré 1, 7, 25, 63, 129, 231, 377, 575, 833, 1159 suite A001845 de l'OEIS
Nombre dodécaédrique centré

Nombre octaédrique tronqué centré

1, 33, 155, 427, 909, 1661, 2743, 4215, 6137, 8569 suite A005904 de l'OEIS
Nombre icosaédrique centré

Nombre cuboctaédrique centré

1, 13, 55, 147, 309, 561, 923, 1415, 2057, 2869 suite A005902 de l'OEIS
Nombre dodécaédrique rhombique centré[3] 1, 15, 65, 175, 369, 671, 1105, 1695, 2465, 3439, 4641 suite A005917 de l'OEIS
Nombre dodécaédrique rhombique de l'Abbé Haüy[1] construction exotique 1, 33, 185, 553, 1233, 2321, 3913, 6105 suite A046142 de l'OEIS
Nombre tétraédrique tronqué centré 1, 17, 75, 203, 429, 781, 1287, 1975 suite A063494 de l'OEIS
Nombre cubique tronqué centré 1, 49, 235, 651, 1389, 2541, 4199, 6455, 9401

Deuxième méthode

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Cas du nombre polyédrique centré à faces non centrées

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Nous suivons ici la référence[1], où le nombre de points par arête est égal à .

Le polyèdre possède faces de degré , S sommets et A arêtes, la couche polyédrique ajoutée à l'étape possède points correspondants aux intérieurs des faces ( est le nombre k-gonal avec points sur chaque côté), plus points situés à l'intérieur des arêtes, plus S points situés aux sommets. On a donc , soit .

Partant de , on obtient .

Par exemple, (un point à chaque sommet et un point au centre).

Pour un polyèdre régulier à S sommets (vérifiant ), on obtient : .

Nombre polyédrique centré faces, arêtes, sommets, degré d Rang OEIS
Nombre tétraédrique centré 1, 5, 15, 35, 69, 121, 195, 295, 425, 589 suite A005894 de l'OEIS
Nombre cubique centré 1, 9, 35, 91, 189, 341, 559, 855, 1241, 1729 suite A005898 de l'OEIS
Nombre octaédrique centré 1, 7, 25, 63, 129, 231, 377, 575, 833, 1159 suite A001845 de l'OEIS
Nombre dodécaédrique centré 1, 21, 95, 259, 549, 1001, 1651, 2535, 3689, 5149 ... suite A193218 de l'OEIS
Nombre icosaédrique centré 1, 13, 55, 147, 309, 561, 923, 1415, 2057, 2869 suite A005902 de l'OEIS
Nombre tétraédrique tronqué centré 1, 17, 75, 203, 429, 781, 1287, 1975 suite A063494 de l'OEIS
Nombre cubique tronqué centré 1, 49, 235, 651, 1389, 2541, 4199, 6455, 9401
Nombre octaédrique tronqué centré 1, 33, 155, 427, 909, 1661, 2743, 4215, 6137, 8569 suite A005904 de l'OEIS

Cas du nombre polyédrique centré à faces centrées

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On remplace le nombre polygonal non centré par le nombre polygonal centré dans la formule ci-dessus.

Pour un polyèdre régulier ayant A arêtes, on obtient : .

Par exemple, (un point à chaque sommet, un point au centre de chaque face et un point au centre).

Nombre polyédrique centré à faces centrées Nombre d'arêtes Rang OEIS
Nombre tétraédrique centré à faces centrées 1, 9, 35, 91, 189, 341, 559, 855, 1241, 1729 suite A005898 de l'OEIS
Nombre cubique centré à faces centrées

Nombre octaédrique centré à faces centrées

1, 15, 65, 175, 369, 671, 1105, 1695, 2465, 3439 suite A005917 de l'OEIS
Nombre dodécaédrique centré à faces centrées

Nombre icosaédrique centré à faces centrées

1, 33, 155, 427, 909, 1661, 2743, 4215, 6137, 8569 suite A005904 de l'OEIS

Références

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  1. a b c d et e (en) Elena Deza et Michel Deza, Figurate Numbers, Singapour, World Scientific Publishing, , 456 p. (ISBN 978-981-4355-48-3, lire en ligne), p. 120-138, 144-145, 125 pour Haüy
  2. a b et c (en) Boon K. Teo, N. J. A. Sloane, « Magic Numbers in Polygonal and Polyhedral Clusters », Inorg. Chem., vol. 24,‎ , p. 4545-4558 (lire en ligne)
  3. John H. Conway, Richard K.Guy, Le livre des nombres, Eyrolles, , p. 53-55