正多面體

正多面體

所謂正多面體,是指多面體的各個面都是全等的正多邊形,並且各個多面角都是全等的多面角。例如,正四面體(即正稜錐體)的四個面都是全等的三角形,每個頂點有一個三面角,共有四個三面角,可以完全重合,也就是說它們是全等的。多面體可以有無數,但正多面體只有正四面體、正六面體(正方體)、正八面體、正十二面體、正二十面體五種。古希臘的畢達哥拉斯學派曾對五種小多面體作過專門研究,並將研究成果拿給柏拉頓學校教授。,那么得到的是正八面體;如果原來是正八面體,那么得到的是正六面體.把這一性質稱為正六面體與正八面體對偶。

名詞簡介

正多面體的種數很少。多面體可以有無數,但正多面體只有正四面體、正六面體(正方體)、正八面體、正十二面體、正二十面體五種。其中面數最少的是正四面體,面數最多的是正二十面體。有些化學物質的結晶體呈正多面體的形狀,如食鹽的結晶體是正六面體,明礬的結晶體是正八面體。

正多面體正多面體

古希臘的畢達哥拉斯學派曾對五種小多面體作過專門研究,並將研究成果拿給柏拉頓學校教授。故而,西方數學界也將這五種正多面

體稱為柏拉頓立體。

類型 面數 棱數 頂點數 每面邊數 每頂點棱數
正4面體 4 6 4 3 3
正6面體 6 12 8 4 3
正8面體 8 12 6 3 4
正12面體 12 30 20 5 3
正20面體 20 30 12 3 5

正多面體種類個數推導證明

代數幾何法

頂點數V,面數F,棱數E

設正多面體的每個面是正n邊形,每個頂點有m條棱。棱數E應是面數F與n的積的一半(每兩面共用一條棱),即

nF=2E -------------- ①

正多面體正多面體

同時,E應是頂點數V與m的積的一半,即

mV=2E -------------- ②

由①、②,得

F=2E/n, V=2E/m,

代入歐拉公式V+F-E=2,

2E/m+2E/n-E=2

整理後,得1/m+1/n=1/2+1/E.

由於E是正整數,所以1/E>0。因此

1/m+1/n>1/2 -------------- ③

正多面體正多面體

說明m,n不能同時大於3,否則1/m+1/n<1/2,即

③不成立。另一方面,因為多邊形至少有三邊(n≥3),而在每頂角處也至少有三邊(m≥3)。

但n>3,且r>3又是不可能的,因為那樣就要有

1/m+1/n<=1/4+1/4=1/2

故m和n中至少有一個等於3

當m=3時,因為1/n>1/2-1/3=1/6,n又是正整數,所以n只能是3,4,5

同理n=3,m也只能是3,4,5

所以有以下幾種情況:

n=3,m=3 正四面體

正多面體正多面體

n=4,m= 3 正六面體

n=3,m=4 正八面體

n=5,m=3 正十二面體

n=3,m=5 正二十面體

幾何法

由於上述5種多面體確實可以用幾何方法作出,而不可能有其他種類的正多面體

所以正多面體只有5種

正多面體正多面體

相同表面積的四面體、六面體、正十二面體、以及正二十面體,其中體積最大的是:正二十面體。

或者這么證明:

假設每個頂點由m個正n邊形組成,由於每個頂點的角度必須小於360度,否則就成了平面了,可得:

m*(1-2/n)*180<360→m*(n-2)<2n→mn-2m-2n<0→mn-2m-2n+4<4→(m-2)(n-2)<4→m,n組合為:3,3;3,4;3,5;4,3;5,3幾種

名詞對偶性

正多面體正多面體

把一個正多面體每個面的中心連起來,可以得到一個新的多面體。這稱為正多面體的對偶性。如果原來是正六面體

,那么得到的是正八面體;如果原來是正八面體,那么得到的是正六面體.把這一性質稱為正六面體與正八面體對偶。正十二面體與正二十面體對偶。而正四面體則與自己對偶。

名詞公式

其中sqrt(x)表示x的算術平方根。

各多面體的體積如下:

V4=sqrt(2)/12*a^3

V6=a^3

V8=sqrt(2)/3*a^3

V12=(15+7sqrt(5))/4*a^3

V20=(15+5sqrt(5))/12*a^3

各多面體的表面積如下:

S4=sqrt(3)*a^2

S6=6*a^2

S8=2sqrt(3)*a^2

S12=(5sqrt(25+10sqrt(5))/4*a^2

S20=5sqrt(3)*a^2

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