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正多面体

王朝百科·作者佚名  2010-01-17  
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正多面体

正多面体所谓正多面体,是指多面体的各个面都是全等的正多边形,并且各个多面角都是全等的多面角。例如,正四面体(即正棱锥体)的四个面都是全等的三角形,每个顶点有一个三面角,共有四个三面角,可以完全重合,也就是说它们是全等的。

正多面体的种数很少。多面体可以有无数,但正多面体只有正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体、正二十面体五种。其中面数最少的是正四面体,面数最多的是正二十面体。有些化学元素的结晶体呈正多面体的形状,如食盐的结晶体是正六面体,明矾的结晶体是正八面体。

古希腊的毕达哥拉斯学派曾对五种小多面体作过专门研究,并将研究成果拿到柏拉顿学校教授。故而,西方数学界也将这五种正多面体称为柏拉顿立体。

类型 面数 棱数 顶点数 每面边数 每顶点棱数

正4面体 4 6 4 3 3

正6面体 6 12 8 4 3

正8面体 8 12 6 3 4

正12面体 12 30 20 5 3

正20面体 20 30 12 3 5

证明顶点数V,面数F,棱数E

设正多面体的每个面是正n边形,每个顶点有m条棱。棱数E应是面数F与n的积的一半(每两面共用一条棱),即

nF=2E -------------- ①

同时,E应是顶点数V与m的积的一半,即

mV=2E -------------- ②

由①、②,得

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

代入欧拉公式V+F-E=2,

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

整理后,得1/m+1/n=1/2+1/E.

由于E是正整数,所以1/E>0。因此

1/m+1/n>1/2 -------------- ③

说明m,n不能同时大于3,否则③不成立。另一方面,由于m和n的意义(正多面体一个顶点处的棱数与多边形的边数)知,m≥3且n≥3。因此m和n至少有一个等于3

当m=3时,因为1/n>1/2-1/3=1/6,n又是正整数,所以n只能是3,4,5

同理n=3,m也只能是3,4,5

所以有以下几种情况:

n m 类型

3 3 正四面体

4 3 正六面体

3 4 正八面体

5 3 正十二面体

3 5 正二十面体

由于上述5种多面体确实可以用几何方法作出,而不可能有其他种类的正多面体

所以正多面体只有5种

相同表面积的四面体、六面体、正十二面体、以及正二十面体,其中体积最大的是:正二十面体。

对偶性把一个正多面体每个面的中心连起来,可以得到一个新的多面体.如果原来是正六面体,那么得到的是正八面体;如果原来是正八面体,那么得到的是正六面体.把这一性质称为正六面体与正八面体对偶.正十二面体与正二十面体对偶.而正四面体则与自己对偶.

 
 
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