多面体欧拉定理

更新时间:2023-06-29 16:43

多面体欧拉定理是指对于简单多面体,其各维对象数总满足一定的数学关系,在三维空间中多面体欧拉定理可表示为:

欧拉定理

对于n维空间中的简单多面体,其零维对象数(即顶点数)D0、一维对象数(即边数)D1、二维对象数(即面数)D2、三维对象数(即体数)D3、……、n维对象数Dn:

其中符号为负正号交替出现,等式一边是各维对象数的重复减加,等式另一边是1。

一般以V(Vertex)表示零维对象(即顶点)数D0,以E(Edge)表示一维对象(即边、棱)数D1,以F(Flat surface)表示二维对象(即面)数D2,以S(Solid)表示三维对象(即体)数D3,以P表示四维对象数D4。

对于一般的三维空间,该公式表达为:

由于对于一个三维物体,其体数S总是1,则该公式可变形为:

三维空间中定理子式的证明

证明

多面体,设顶点数V,面数F,棱数E。剪掉一个面,将其余的面拉平,使它变为平面图形

我们在求所有面的内角总和Σα

一方面,利用面求内角总和。

设有F个面,各面的边数分别为n1,n2,…,nF,

各面的内角总和为:

Σα = [(n1-2)·180°+(n2-2)·180°+…+(nF-2) ·180°]

= (n1+n2+…+nF -2F) ·180°

=(2E-2F) ·180°= (E-F) ·360°(1)

另一方面,利用顶点来求内角总和。

设剪去的一个面为n边形,其内角和为(n-2)·180°,则所有V个顶点中,有n个顶点在边上,V-n个顶点在中间。中间V-n个顶点处的内角和为(V-n)·360°,边上的n个顶点处的内角和(n-2)·180°。所以,多面体所有各面的内角和为:

Σα = (V-n)·360°+(n-2)·180°+(n-2)·180°=(V-2)·360°. (2)

由(1)(2)得

(E-F) ·360°=(V-2)·360°

所以 V+F-E=2.

意义

(1)数学规律:公式描述了简单多面体中顶点数、面数、棱数之间特有的规律;

(2)思想方法创新:在定理的发现及证明过程中,在观念上,假设它的表面是橡皮薄膜制成的,可随意拉伸;在方法上将底面剪掉,然后其余各面拉开铺平,化为平面图形立体图平面图)。

(3)引入拓扑新学科:“拉开图”与以前的展开图是不同的,从立体图到拉开图,各面的形状,以及长度、距离、面积、全等等与度量有关的量发生了变化,而顶点数,面数,棱数等不变。

事实上,定理在引导大家进入一个新几何学领域:拓扑学。我们用一种可随意变形但不得撕破或粘连的材料(如橡皮波)做成的图形,拓扑学就是研究图形在这种变形过程中的不变的性质。

(4)给出多面体分类方法

欧拉公式中,令 f(p)=V+F-E,f(p)叫做欧拉示性数。定理告诉我们,简单多面体的欧拉示性数f (p)=2。

除简单多面体外,还有不是简单多面体的多面体。例如,将长方体挖去一个洞,连结底面相应顶点得到的多面体。它的表面不能经过连续变形变为一个球面,而能变为一个环面,它的欧拉示性数为f (p)=16+16-32=0,

所以带一个洞的多面体的欧拉示性数等于零。

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