高度对称的多面体和它们的对偶多面体

正四面体、正方体、正八面体、正十二面体、正二十面体,这是古希腊人就发现的五种正多面体,它们拥有最高标准的对称性。这五种正多面体又叫做 Platonic 体,它们在古希腊的哲学观念中占据着至关重要的地位。 Leonhard Euler 发现,多面体的顶点数 V 、棱数 E 和面数 F 一定满足公式 V – E + F = 2 ,这叫做 Euler 多面体公式。利用这个公式,我们可以证明正多面体只有五种。假设一个正多面体的每个面都是正 p 边形,那么所有 F 个面一共就有 p · F 条边;每两条边拼在一起形成了一条棱,因而总的棱数就是 E = p · F / 2 。反过来, F 就应该等于 2 · E / p 。不妨再假设每个顶点处都汇集了 q 条棱,那么总的棱数似乎应有 q · V 个;但这样计算的话,每条棱都被重复算了两次,因而总的棱数实际上应该是 E = q · V / 2 。反过来, V 就应该等于 2 · E / q 。另外, Euler 的多面体公式告诉我们, V – E + F = 2 始终成立。

把上面几个式子合在一起,于是得到:

2 · E / q – E + 2 · E / p = 2

整理可得:

1/p + 1/q – 1/2 = 1/E

因此, 1/p + 1/q 一定大于 1/2 。但是,正多面体每个面至少都有三条边,每个顶点也至少汇集了三条棱,因此 p 和 q 都是大于等于 3 的整数。要想 1/p + 1/q > 1/2 ,只有以下五种可能:

  1. p = 3 , q = 3
  2. p = 3 , q = 4
  3. p = 4 , q = 3
  4. p = 3 , q = 5
  5. p = 5 , q = 3

这正好对应于那五种正多面体。最近 Localhost-8080 沉迷于折纸,我也因此学习了不少与多面体相关的东西。想不到,这些看似老生常谈的东西,里面的水可深着呢。这五种正多面体表面上只是问题的五个不同的解,但互相之间却有着出人意料的联系。我们再列一个更加完整的表格,有意思的东西会慢慢呈现出来:

名称 面数 F 顶点数 V 棱数 E 每个面的边数 p 每个顶点处的棱数 q
正四面体 4 4 6 3 3
正方体 6 8 12 4 3
正八面体 8 6 12 3 4
正十二面体 12 20 30 5 3
正二十面体 20 12 30 3 5

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两两接触的等粗且无限长的圆柱体

    大家在吃饭喝酒时是否注意到了这样的事情:三个人碰杯时,每个人的杯子都能同时和其他两个人的杯子相接触,很完美;但是四个人碰杯时,任一时刻总会有两个人碰不到杯,非常尴尬。有一次和三个好朋友吃饭,四人碰杯时又发生了这种尴尬的情况,突然有一个人异想天开,把他的杯子放到了另外三个杯子的上面,从而实现了四个杯子两两接触!我们自然引出了这样一个问题:如果 n 个全等的圆柱体两两相接触,则 n 最大是多少?

      

    对于不同形状的圆柱体,答案可能是不一样的。 Martin Gardner 在 Hexaflexagons and other mathematical diversions 一书中提到,我们可以精巧地摆放 5 枚硬币,使得它们两两相接触,如上图所示(注意,最底下还藏着一枚硬币)。同时, Martin Gardner 问到,能否摆放 6 支香烟让它们两两接触?一个经典的答案如下:

      

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