Правильный многогранник

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Платоновы тела

Правильный многогранник или платоново тело — это выпуклый многогранник, состоящий из одинаковых правильных многоугольников и обладающий пространственной симметрией.

Определение

Многогранник называется правильным, если:

  1. он выпуклый;
  2. все его грани являются равными правильными многоугольниками;
  3. в каждой его вершине сходится одинаковое число рёбер.

Список правильных многогранников

В трёхмерном евклидовом пространстве существует всего пять правильных многогранников:

Изображение Правильный многогранник Число вершин Число рёбер Число граней Число сторон у грани Число рёбер, примыкающих к вершине Тип пространственной симметрии
Tetrahedron.gif Тетраэдр 4 6 4 3 3 Td
Octahedron.gif Октаэдр 6 12 8 3 4 Oh
Hexahedron.gif Гексаэдр 8 12 6 4 3 Oh
Icosahedron.gif Икосаэдр 12 30 20 3 5 Ih
Dodecahedron.gif Додекаэдр 20 30 12 5 3 Ih

Название каждого многогранника происходит от греческого наименования количества его граней и слова «грань».

История[править | править вики-текст]

Правильные многогранники известны с древнейших времён. Их орнаментные модели можно найти на резных каменных шарах, созданных в период позднего неолита, в Шотландии, как минимум за 1000 лет до Платона. В костях, которыми люди играли на заре цивилизации, уже угадываются формы правильных многогранников.

В значительной мере правильные многогранники были изучены древними греками. Некоторые источники (такие как Прокл Диадох) приписывают честь их открытия Пифагору. Другие утверждают, что ему были знакомы только тетраэдр, куб и додекаэдр, а честь открытия октаэдра и икосаэдра принадлежит Теэтету Афинскому, современнику Платона. В любом случае, Теэтет дал математическое описание всем пяти правильным многогранникам и первое известное доказательство того, что их ровно пять.

Правильные многогранники характерны для философии Платона, в честь которого и получили название «платоновы тела». Платон писал о них в своём трактате Тимей(360г до н. э.), где сопоставил каждую из четырёх стихий (землю, воздух, воду и огонь) определённому правильному многограннику. Земля сопоставлялась кубу, воздух — октаэдру, вода — икосаэдру, а огонь — тетраэдру. Для возникновения данных ассоциаций были следующие причины: жар огня ощущается чётко и остро (как маленькие тетраэдры); воздух состоит из октаэдров: его мельчайшие компоненты настолько гладкие, что их с трудом можно почувствовать; вода выливается, если её взять в руку, как будто она сделана из множества маленьких шариков (к которым ближе всего икосаэдры); в противоположность воде, совершенно непохожие на шар кубики составляют землю, что служит причиной тому, что земля рассыпается в руках, в противоположность плавному току воды. По поводу пятого элемента, додекаэдра, Платон сделал смутное замечание: «…его бог определил для Вселенной и прибегнул к нему в качестве образца». Аристотель добавил пятый элемент — эфир и постулировал, что небеса сделаны из этого элемента, но он не сопоставлял его платоновскому пятому элементу.

Евклид дал полное математическое описание правильных многогранников в последней, XIII книге Начал. Предложения 13—17 этой книги описывают структуру тетраэдра, октаэдра, куба, икосаэдра и додекаэдра в данном порядке. Для каждого многогранника Евклид нашёл отношение диаметра описанной сферы к длине ребра. В 18-м предложении утверждается, что не существует других правильных многогранников. Андреас Шпейзер отстаивал точку зрения, что построение пяти правильных многогранников является главной целью дедуктивной системы геометрии в том виде, как та была создана греками и канонизирована в «Началах» ЕвклидаБольшое количество информации XIII книги «Начал», возможно, взято из трудов Теэтета.

В XVI веке немецкий астроном Иоганн Кеплер пытался найти связь между пятью известными на тот момент планетами Солнечной системы (исключая Землю) и правильными многогранниками. В книге «Тайна мира», опубликованной в 1596 году, Кеплер изложил свою модель Солнечной системы. В ней пять правильных многогранников помещались один в другой и разделялись серией вписанных и описанных сфер. Каждая из шести сфер соответствовала одной из планет (МеркуриюВенереЗемлеМарсуЮпитеру и Сатурну). Многогранники были расположены в следующем порядке (от внутреннего к внешнему): октаэдр, за ним икосаэдр, додекаэдр, тетраэдр и, наконец, куб. Таким образом, структура Солнечной системы и отношения расстояний между планетами определялись правильными многогранниками. Позже от оригинальной идеи Кеплера пришлось отказаться, но результатом его поисков стало открытие двух законов орбитальной динамики — законов Кеплера, — изменивших курс физики и астрономии, а также правильных звёздчатых многогранников (тел Кеплера — Пуансо).

Комбинаторные свойства

  • Отношение количества вершин правильного многогранника к количеству рёбер одной его грани равно отношению количества граней этого же многогранника к количеству рёбер, выходящих из одной его вершины. У тетраэдра это отношение равно 4:3, у гексаэдра и октаэдра — 2:1, а у додекаэдра и икосаэдра — 4:1.
  • Правильный многогранник может быть комбинаторно описан символом Шлефли {pq}, где:
    p — число рёбер в каждой грани;
    q — число рёбер, сходящихся в каждой вершине.
Символы Шлефли для правильных многогранников приведены в следующей таблице:
Многогранник Вершины Рёбра Грани Символ Шлефли
тетраэдр Тетраэдр 4 6 4 {3, 3}
октаэдр Октаэдр 6 12 8 {3, 4}
гексаэдр (куб) Гексаэдр (куб) 8 12 6 {4, 3}
икосаэдр Икосаэдр 12 30 20 {3, 5}
додекаэдр Додекаэдр 20 30 12 {5, 3}
  • Другой комбинаторной характеристикой многогранника, которую можно выразить через числа p и q, является общее количество вершин (В), рёбер (Р) и граней (Г). Поскольку любое ребро соединяет две вершины и лежит между двумя гранями, выполняются соотношения:
    {\displaystyle p\Gamma =2{\mbox{P}}=q{\mbox{B}}.}
Из этих соотношений и формулы Эйлера можно получить следующие выражения для В, Р и Г:
{\mbox{B}}={\frac  {4p}{4-(p-2)(q-2)}},\quad {\mbox{P}}={\frac  {2pq}{4-(p-2)(q-2)}},\quad \Gamma ={\frac  {4q}{4-(p-2)(q-2)}}.
Правильный многогранник