如何比较直观地证明正多面体只有5种?(可证:棱锥顶点上所有角之和必然小于360度)

通过对正多面体定义的深入分析,利用每个顶点处的面数和每个面的边数,结合角度和不等式原理,直观证明了正多面体仅存在五种类型。

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       最近看卡尔萨根的《宇宙》,看到了毕达哥拉斯和开普勒对正多面体的狂热。书中说正多面体只有五种, 并在附录中利用欧拉公式进行了证明。我觉得这个证明非常不直观,首先,欧拉公式不直观, 其次,后面利用欧拉公式的证明也不直观。 那有没有比较直观的证明方法呢?

       提笔试了一下,可证, 而且更直观, 来看看:

 

       根据正多面体的定义, 每个顶点处的面数必然相同,设为n,  而且每个面的边数必然相同,设为m.

       考察其中任意一个顶点, 这个顶点上所有角之和必然小于360度  (这一点我放到本文的最后进行证明)

       也就是说, 180(m-2)/m * n < 360    (这个不等式和之前博文介绍过的平面正多边形铺地问题何其相似)

       化简得:2/m + 2/n > 1

       显然: n>=3,  m>= 3,  结合2/m + 2/n > 1得:n < 6, m < 6

       故n=3,4,5, m=3,4,5,   且n和m不能同时为5, 也不能同时为4,也不能一个为4,一个为5,也不能一个为5,一个为4.

       故有:n,m=

       3,3

       4,3   

       3,4

       3,5

       5,3

       这些不就是下面这些正多面体吗?

 

      最后,我们还得证明:每个顶点上所有角之和必然小于360度!

      如图,考察三棱锥PABC(四棱锥等也同理),  其中P是顶点, ABC是底面(为清晰起见, 我省略了C点),作垂线PO垂直于面ABC,  PO与面ABC相交于O,作PS垂直于AB, 交点为S, 连接SO

      因为PO垂直于面AOB, 所以PO垂直于AB

      又因为PS垂直于AB, 所以AB垂直于面PSO, 进而有AB垂直于SO

      所以图中有很多直角三角形啊, 赶快用正切tan比较一下

      可知:角AOS > 角APS,  BOS > 角BPS, 

      所以有:角AOB > 角APB,  也就是说, 射影角 > 原角  (其实,感觉也能感觉得出来)

      而所有射影角之和刚好是360度

      所以:顶点上所有角之和必然小于360度!

      

           

 

      故题目中的问题得证。

 

 

      突然想到如下命题可证:

      当伸出5个手指去抓瓜子时,必然有两个手指之间的夹角小于72度。

      当伸出5个手指去抓大胸时,也必然有两个手指之间的夹角小于72度。

         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

为了高效计算三维空间内凹多面体的Minkowski,我们可以采用《三维空间内凹多面体Minkowski的高效算法研究》中提出的正四面体映射点投影方法。这种方法通过将复杂的三维问题转化为二维问题来简化计算,具体步骤如下: 参考资源链接:[三维空间内凹多面体Minkowski的高效算法研究](https://wenku.youkuaiyun.com/doc/7eadp9zayv) 首先,我们需要理解Minkowski的定义。Minkowski是指两个几何形状在空间中的所有点经过向量加法后得到的新形状。在处理凹多面体时,直接计算其与另一个几何体的Minkowski可能会遇到复杂度高的问题,尤其是当多面体具有凹面结构时。 接着,应用正四面体映射方法。我们选取一个足够大的正四面体,使其能够包含整个凹多面体,并对该四面体进行网格划分。然后,通过将凹多面体的每一个顶点映射到这个四面体的网格上,利用点投影技术将三维顶点投影到二维平面上,从而将原问题转化为二维问题。 在此基础上,利用点投影法将三维顶点坐标映射到二维平面,并进行二维网格划分。这样就可以在二维平面内进行网格叠加、合并等操作,从而简化了计算过程。 最后,利用Enhanced Marching Cubes算法整合各个子多面体的Minkowski,以重建三维空间内凹多面体的边界表示。这种算法的核心在于改进传统的Marching Cubes算法,使其能够更高效地处理由正四面体映射点投影得到的二维数据,从而重建出三维空间中凹多面体的边界。 整个过程中,正四面体映射点投影方法的结合大大减少了计算量,提高了算法的执行效率。通过这种方法,我们可以有效地计算出凹多面体的Minkowski,同时保证了计算的准确性高效性。 为了深入理解掌握这种高效算法,建议阅读《三维空间内凹多面体Minkowski的高效算法研究》,该文档不仅介绍了算法的理论基础,还提供了实验验证对比分析,帮助我们更好地将理论应用于实际问题中。 参考资源链接:[三维空间内凹多面体Minkowski的高效算法研究](https://wenku.youkuaiyun.com/doc/7eadp9zayv)
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