Куб

• Куб має найбільший об'єм серед прямокутних паралелепіпедів із такою ж площею поверхні. А також куб, має найбільший об'єм серед прямокутних паралелепіпедів із такими ж загальними лінійними розмірами (довжина+висота+ширина).

• Площини, що проходять перпендикулярно до осей симетрії куба, утворюють перерізи у вигляді правильних багатокутників. ^[3]

Зокрема, переріз куба площиною, перпендикулярною до осей симетрії 4-го порядку, є квадратом. Перерізом куба площиною, перпендикулярною до осей симетрії 3-го порядку (діагоналей куба), може бути:

1. правильний трикутник ; Найбільший за площею переріз у вигляді правильного трикутника (проходить через три вершини куба) ділить діагональ куба у співвідношенні 2:1;
2. правильний шестикутник (якщо площина проходить також через центр куба; таких перерізів у куба є 4);
3. напівправильний рівнокутний шестикутник (має два типи ребер, що чергуються між собою).

Також 12 перерізів куба площинами, перпендикулярними до осей симетрії 2-го порядку, є квадратами. Ці перерізи знаходяться на відстані ${\displaystyle {\frac {{\sqrt {2}}-1}{2}}\cdot a}$  від діагональних площин симетрії.

•  
  Переріз куба у вигляді правильного трикутника
•  
  Переріз куба у вигляді квадрата
•  
  Переріз куба у вигляді правильного шестикутника
•  
  Переріз куба у вигляді квадрата

• Куб утворює стільник, тобто кубами можна замостити тривимірний простір без проміжків та накладень. Куб є єдиним правильним багатогранником, що має таку властивість.

• Куб має 11 різних розгорток ^{[4] [5] [6] [7]}(так само як і правильний октаедр).

Тобто, існує одинадцять способів зробити із куба пласку розгортку, розрізаючи його по семи ребрах.

• Для того, щоб зафарбувати куб так, що сусідні грані не матимуть однакового кольору, необхідно принаймні три кольори.

Куб та правильний октаедр є взаємно двоїстими багатогранниками. Тобто центри граней куба відповідають вершинам правильного октаедра, і навпаки, центри граней правильного октаедра відповідають вершинам куба.

Якщо куб має ребро довжиною 1, то його топологічно двоїстий октаедр (вершини знаходяться в центрах граней початкового куба) має ребро довжиною ${\displaystyle {\frac {\sqrt {2}}{2}}\approx 0.7071067811}$ , а канонічно двоїстий октаедр (напіввписані сфери канонічно-двоїстої пари багатогранників збігаються) має ребро довжиною ${\displaystyle {\sqrt {2}}\approx 1.414213562}$  ^[5]

• У куб можна вписати правильний октаедр таким чином, що всі шість вершин октаедра будуть суміщені з центрами шести граней куба.
• Куб можна вписати в правильний октаедр таким чином, що всі вісім вершин куба будуть розташовані в центрах восьми граней октаедра.

• У куб можна вписати правильний тетраедр двома способами таким чином, що чотири вершини тетраедра будуть суміщені з чотирма вершинами куба. Всі шість ребер тетраедра лежатимуть на всіх шести гранях куба і збігатимуться з його граневими діагоналями.
• Куб можна вписати в вершини правильного додекаедра. При цьому ребра куба будуть збігатися з граневими діагоналями додекаедра.

В вершини додекаедра можливо вписати п'ять різних кубів. При цьому буде утворено однорідне з'єднання багатогранників — з'єднання п'яти кубів^[en].

• У куб можна вписати правильний ікосаедр, при цьому, шість взаємно паралельних ребер ікосаедра будуть розташовані відповідно на шести гранях куба, решта 24 ребра всередині куба, всі дванадцять вершин ікосаедра лежатимуть на шести гранях куба.
  

Для куба, довжина ребер якого дорівнює ${\displaystyle a}$ :

Куб має найбільший об'єм серед прямокутних паралелепіпедів із такою ж площею поверхні. А також куб, має найбільший об'єм серед прямокутних паралелепіпедів, вписаних в задану сферу та серед прямокутних паралелепіпедів із такими ж загальними лінійними розмірами (довжина+висота+ширина).

Центр масс куба знаходиться в його геометричному центрі.

Момент інерції суцільного куба з масою m та довжиною ребра a (вісь обертання проходить через центри протилежних граней):^[8]

${\displaystyle I={\frac {1}{6}}\cdot m\cdot a^{2}\approx 0.1666666667\cdot m\cdot a^{2}}$ 

Нехай описана сфера куба має радіус R. Нехай дано довільну точку в просторі і відстані від неї до вершин куба дорівнюють d_i . Тоді виконується рівність: ^{[9] [10] :стор.353, теор.7.2}

${\displaystyle {\frac {\sum _{i=1}^{8}d_{i}^{4}}{8}}+{\frac {16R^{4}}{9}}=\left({\frac {\sum _{i=1}^{8}d_{i}^{2}}{8}}+{\frac {2R^{2}}{3}}\right)^{2}.}$ 

Якщо точка знаходиться на описаній сфері куба, то виконується рівність:^{[10] :стор.354, теор.7.6}

${\displaystyle \sum _{i=1}^{8}d_{i}^{2}=6\cdot \sum _{i=1}^{8}d_{i}^{4}}$ 

Декартові координати восьми вершин куба з довжиною ребра ${\displaystyle a=1}$ , центр якого знаходиться в початку координат, мають значення:

• ${\displaystyle \left(\pm {\frac {1}{2}},\pm {\frac {1}{2}},\pm {\frac {1}{2}}\right)}$ 

Вісім вершин куба лежать по чотири у двох паралельних площинах (паралельних до площини Oxy), утворюючи в них два квадрати.

При цьому осі координат Ox, Oy та Oz збігаються з осями обертової симетрії 4-го порядку, а координатні площини Oxz, Oyz та Oxy є площинами дзеркальної симетрії куба. Центр багатогранника знаходиться в початку координат.

Для всіх внутрішніх точок (x₀, x₁, x₂) цього куба виконується нерівність : ${\displaystyle -{\frac {1}{2}}<x_{i}<{\frac {1}{2}}}$ 

В теорії графів граф куба — це граф з 8 вершинами та 12 ребрами, що має кістяк куба.^[11]

Всі 8 вершин графа мають степінь 3, а отже, граф є кубічним.

Цей граф є окремим випадком графа гіперкуба.^[12] Також він є одним з 5 платонових графів, кістяк якого є багатогранником Платона.

Спектр графа : ${\displaystyle Spec(G)=(-3)^{1}(-1)^{3}\,1^{3}\,3^{1}}$  ^{[13] [14]}

Узагальненням графа куба є тривимірний k-ARY граф Геммінга, який для k = 2 є кубічним графом. Графи такого типу зустрічаються в теорії паралельних обчислень в комп'ютерах.

Граф куба має 12 різних гамільтонових циклів. Гамільтонів цикл — замкнений шлях, що проходить через кожну вершину графа рівно один раз.

Граф куба не має ейлерових циклів.

Реберним графом для графа куба є граф кубооктаедра.

Куб має чотири спеціальні ортогональні проєкції, із центом, на одній з вершин, ребрі, грані і нормалі відносно її фігури вершин. Перша і друга відповідають A₂ і B₂ площинам Коксетера.

Куб може бути представлений як сферичний багатогранник і спроектований на площину за допомогою стереографічної проекції. Ця проекція є конформною, тобто зберігає кути, але не площі чи довжини. Прямі лінії на сфері проєктуються на площину як дуги кола.

Куб є єдиним правильним багатогранником, яким можна замостити тривимірний простір без проміжків та накладень.

Також тривимірний евклідів простір можна заповнити без проміжків за допомогою кубів в комбінації з багатогранниками Архімеда (і призмами) з однаковою довжиною ребра. Такі тривимірні паркети, що заповнюють простір, називаються стільниками. Наступні стільники містять куби:

•  
  Стільник з кубів
•  
  Стільник з ромбокубооктаедрів, кубооктаедрів та кубів
•  
  Стільник з ромбокубооктаедрів, кубів та тетраедрів
•  
  Стільник з ромбокубооктаедрів, зрізаних кубів, восьмикутних призм та кубів
•  
  Стільник зі зрізаних кубооктаедрів, зрізаних октаедрів та кубів

Куб в довільній розмірності простору n також називають n-вимірним кубом або гіперкубом, або просто n-кубом. Гіперкуби в кожній розмірності простору тако́ж є правильними політопами, а та́кож мірними політопами (по аналогії як у квадратах вимірюють площу, а в кубах — об'єм).

n-вимірний куб має ${\displaystyle 2^{n-k}\cdot {\tbinom {n}{k}}}$  гіперграней розмірності k , що його обмежують^{[15]:стор 262; табл.15.2.1}.

Наприклад:

• Нульвимірний куб (точка) має 1 вершину;

• Одновимірний куб (відрізок) має 2 вершини;

• Двовимірний куб (квадрат) має 4 вершини і 4 ребра;

• Чотиривимірний гіперкуб (тесеракт) має 16 вершин, 32 ребра, 24 грані (квадрати) і 8 комірок (куби);

• n-вимірний гіперкуб має:
  • ${\displaystyle 2^{n}}$  вершин (гіпергрань розмірністю ${\displaystyle k=0}$  — точка);
  • ${\displaystyle n\cdot 2^{n-1}}$  ребер (гіпергрань розмірністю ${\displaystyle k=1}$  — відрізок);
  • ${\displaystyle n\cdot (n-1)\cdot 2^{n-3}}$  граней (гіпергрань розмірністю ${\displaystyle k=2}$  — квадрат);
  • ${\displaystyle {\tfrac {1}{3}}\cdot n\cdot (n-1)\cdot (n-2)\cdot 2^{n-4}}$  комірок (гіпергрань розмірністю ${\displaystyle k=3}$  — тривимірний куб);
  • ${\displaystyle 2\cdot n}$  фасетів розмірністю ${\displaystyle n-1}$  (гіпергрань розмірністю ${\displaystyle k=n-1}$  — {n-1}-вимірний гіперкуб).

Гіперплоща n-вимірного гіперкуба з довжиною ребра 2 дорівнює ${\displaystyle 2n\cdot 2^{n-1}}$  ;
Гіпероб'єм n-вимірного гіперкуба з довжиною ребра 2 дорівнює ${\displaystyle 2^{n}}$ .^{[15]:стор 262; табл.15.2.1}

Моделлю для n-вимірного куба є одиничний куб ${\displaystyle I^{n}}$  у векторному просторі ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$ . А саме, замкнений одиничний куб має вигляд

• ${\displaystyle I^{n}=\left\{(x_{1},\dots ,x_{n})\mid 0\leq x_{i}\leq 1\right\}}$ 
• ${\displaystyle I^{n}=[0,1]\times \cdots \times [0,1]}$ , ${\displaystyle n}$ -кратний декартів добуток одиничного інтервалу
• Опукла оболонка ${\displaystyle 2^{n}}$ вершин з координатами ${\displaystyle 0}$  та ${\displaystyle 1}$ 
• Перетин множин ${\displaystyle 2n}$  півпросторів ${\displaystyle x_{i}\geq 0}$  та ${\displaystyle x_{i}\leq 1}$ 

Одиничний куб — це паралельний координатним осям куб з довжиною ребра ${\displaystyle 1}$  і вершиною у початку координат. Узагальненням цього поняття є кубоїди в ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$ , які відіграють важливу роль у багатовимірному аналізі. ^[15]

Куб можна розглядати як окремі випадки інших типів багатогранників. В цьому випадку куб буде мати не повну октаедричну симетрію^[en] O_h , а симертії, які є підгрупами повної групи. Тобто куб, як частинний випадок призм, кубоїдів, трапецоедрів — є менш симетричним, ніж куб як правильний багатогранник. Це також можна побачити в розфарбовці його граней.

Куб має три однорідні розфарбування, названі за унікальними кольорами квадратних граней навколо кожної вершини: 111, 112, 123.

Куб має чотири класи симетрії, які можна представити за допомогою вершинно-транзитивного розфарбовування граней. Найвища октаедрична симетрія O_h має всі грані однакового кольору. Діедрична симетрія^[en] D_4h походить від куба,що є тілом,всі шість граней якого забарвлені в різні кольори. Призматична підмножина D_2d має таке ж забарвлення, як і попередня, а D_2h має почергове забарвлення граней — попарно протилежні грані забарвлені в три кольори. Кожна форма симетрії має свій символ Витгоффа^[en].

Куб можна розрізати на шість однакових квадратних пірамід. Якщо ці квадратні піраміди приєднати до граней іншого куба, то отримаємо багатогранник, візуально схожий на

ромбододекаедр (з парами компланарних трикутників, об'єднаних у ромбічні грані).

Однак багатогранник з таким способом побудови схожий лише візуально на ромбододекаедр, але топологічно він еквівалентний до тетракіс куба^[en] (одного з напівправильних багатогранників Каталана), оскільки має додаткові вершини і ребра, що належать цим пірамідам (дві бічні грані пірамід знаходяться в одній площині і візуально створюють враження однієї ромбічної грані).

Геометрична операція зрізання, застосована до куба, утворює чотири однорідних багатогранники на певних стадіях процесу зрізання.

Зрізаний куб є опуклим однорідним багатогранником U₀₉, одним з напівправильних багатогранників Архімеда що має діаграму Коксетера — Динкіна        та символ Шлефлі t{4,3}. Утворюється при зрізанні вершин куба до моменту, коли всі грані стають правильними багатокутниками. Має 14 граней (8 правильних трикутників та 6 правильних восьмикутників), 36 ребер та 24 вершини.

Кубооктаедр утворюється при повному зрізанні^[en] (ректифікації) куба, коли зрізання вершин проводиться до точок, що лежать на серединах ребер багатогранника, тобто ребра початкового багатогранника фактично зникають.Він є опуклим однорідним багатогранником U₀₇, одним з напівправильних багатогранників Архімеда. Має 14 граней (8 правильних трикутників та 6 квадратів), 24 ребер та 12 вершин.

Подальше зрізання (глибоке зрізання^[en] або бітрункація) призводить до появи зрізаного октаедра, Процес зрізання проводиться до моменту, коли грані від зрізаних вершин початкового куба (трикутні грані) стануть правильними шестикутниками. Зрізаний октаедр є опуклим однорідним багатогранником U₀₈, одним з напівправильних багатогранників Архімеда. Має 14 граней (8 правильних шестикутників та 6 квадратів), 36 ребер та 24 вершини.

Процес зрізання куба завершується (при повному глибокому зрізанні або біректифікації) утворенням двоїстого до нього багатогранника — правильного октаедра, коли грані початкового багатогранника зменшуються до точок, тобто фактично зникають.

Деякі багатогранники Джонсона можна утворити шляхом нарощення граней куба квадратними пірамідами (J₁):

• Подовжена чотирикутна піраміда (J₈ ) — нарощено одну грань;

• Подовжена чотирикутна біпіраміда (J₁₅) — нарощено дві протилежні грані.

При застосуванні щодо куба геометричної операції Зрізання носів^[en] (снубифікація), отримаємо напівправильний багатогранник Архімеда — кирпатий куб.

При застосуванні щодо куба геометричної операції Фаска^[en] (зрізання ребер), отримаємо багатогранник Ґолдберга^[en] — куб з фаскою^[en].

Два однорідних з'єднання багатогранників складаються з кубів:

• Шестигранники
• Блазенський ковпак
• Кубічне число — вид фігурних чисел.
• Подвоєння куба — одна з класичних задач давнини.
• Кубик Рубика — головоломка у вигляді куба.
• Кубічна піраміда

• N. W. Johnson. Розділ 11: Finite symmetry groups — Дивись 11.3 Pyramids, Prisms, and Antiprisms, Figure 11.3c. // Geometries and Transformations. — Cambridge University Press / United Kingdom, 2018. — P. 234. — ISBN 978-1-107-10340-5.

• Richard Goldstone, Robert Suzzi Valli. Unfoldings of the Cube. — 2016. — С. 17. — DOI:10.48550/arXiv.1604.05004.
• Martin Henk, Jürgen Richter-Gebert, Günter M. Ziegler. Basic properties of convex polytopes. — Technische Universität Berlin, 1999. — С. 243-270. — DOI:10.1201/9781420035315.pt2.

• Куб // Термінологічний словник-довідник з будівництва та архітектури / Р. А. Шмиг, В. М. Боярчук, І. М. Добрянський, В. М. Барабаш ; за заг. ред. Р. А. Шмига. — Львів, 2010. — С. 114. — ISBN 978-966-7407-83-4.
• Weisstein, Eric W. Cube(англ.) на сайті Wolfram MathWorld.
• Cube(англ.) на сайті Polytope Wiki.
• Cube (англ.) на сайті dmccooey.com.
• Klitzing, Richard. "cube".
• Quickfur. "The Cube"
• Wedd, N. "The Cube"
• Hi.gher.Space Wiki Contributors. "Cube"

• Paper Models of Polyhedra [Архівовано 26 лютого 2013 у Wayback Machine.]
  • Paper Cube

• https://www.mathros.net.ua/cube-definition.html

• The Uniform Polyhedra [Архівовано 11 лютого 2008 у Wayback Machine.]
• Virtual Reality Polyhedra [Архівовано 23 лютого 2008 у Wayback Machine.]