如何推導 證明星形正多面體只有4種?

時間 2021-06-21 02:56:15

1樓:

我們從理解什麼是正多邊形來開始.

1. 考慮與平面垂直的乙個軸, 則可以定義出角度為 2pi/a 的旋轉 r. 取平面上非軸交點的一點 A_0, 則可以考慮 A_i:

=r^i(A_0). 當 a 為正有理數時只會得到有限個 A_i, 我們把 A_i 與 A_ 連起來稱為邊, 則最後的圖形便稱為乙個正多邊形, 記為 . 只有 a 為整數時得到的正多邊形才是乙個凸正多邊形.

比如 是凸五邊形, 而 是五角星. 特別的, 根據這個定義正多邊形的邊是可以相交的.

2. 所有的正多邊形都可以通過凸正多邊形通過星散 (stellation, 我亂翻譯的) 和構面 (faceting, 也是我亂翻譯的) 來得到. 前者指拋棄原來的頂點通過不斷延長邊得到交點來構造新的正多邊形; 後者指拋棄原來的邊通過不斷連線點構成邊來得到新的正多邊形.

3. 正多面體也可以類似定義, 當然面也是可以相交的, 並且可以使用類似的符號 (稱為施萊夫利符號) 表達, 其中 a 表示正多邊形的面是 , b 表示每個頂點周圍一圈構成的正多邊形是 . 注意 a 和 b 都是有理數, 但不一定是整數.

這一部分你可以這樣理解, 先從一條線段出發, 固定某個頂點, 得到 , 之後讓 圍著過該頂點的某個軸按 的方式旋轉複製自己使在該頂點附近的截面為 (這意味著該軸是唯一確定的).

4. 當 a 和 b 都是整數時我們得到的就是凸正多面體, 用尤拉示性類公式可以證明此時只有不超過五種, 這五種情形均可以被構造出來. 當 a 和 b 不全是整數時得到的就是星正多面體.

與正多邊形的情形相似, 所有正多面體也可以通過凸多面體用星散和構面來得到. 使用凸正多面體情形的結果和對星散和構面的角度的分析可以證明星正多面體只有四種. 具體證明我沒讀過, 所有這些包括證明都可以參考 Coxeter 的 Regular polytopes.

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