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詹森多面體列表

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詹森多面體是指的所有都是正多邊形頂點並非均勻的嚴格凸多面體。 即不是柏拉圖立體、不是阿基米德立體、不是半正多面體、不是稜柱也不是反稜柱嚴格凸正多邊形多面體。 1966年,諾曼·詹森英語Norman Johnson (mathematician)發表了一份包含92種有以上性質的多面體列表,並給出了名稱和編號,但他並未證明這種立體僅有92個,但猜想沒有其他的這種立體。[1] 1969年,維克多·扎加勒(Victor Zalgaller)證明了詹森多面體僅有92個,也就是諾曼·詹森給出的多面體列表是完整的。[2]

另外,也可能構造出具有近似於正多邊形面的凸多面體;或可以構造所有面都是正多邊形但不要求嚴格凸的凸多面體。這些多面體被非正式地稱為擬詹森多面體;它們的數量無法被確定,後者則有無窮多種。但後者如果加上一個「條件邊」的條件,則可以確定其數量為78個,稱為條件邊正多邊形凸多面體[3]。詳細的這些立體可以參見條件邊正多邊形凸多面體列表[4]

下表列出了92種詹森多面體的各項重要性質與數值。每個表都允許按特定欄位的內容來做排序,以便依據特定屬性或性質或詹森多面體的名稱來進行排序。

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列表

下表列出詹森多面體的名稱與展開圖

更多資訊 Jn, 名稱 ...

說明:

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頂點、邊、面和對稱性

下表列出詹森多面體的頂點數、邊數和面數,以及特定形狀的面數。同時也列出了其對稱性:

更多資訊 Jn, 名稱 ...

說明:

  • Jn – 詹森多面體編號
  • V – 頂點的數量
  • E – 的數量
  • F – (所有的面)的數量
  • Fn – 僅n邊形的數量
  • F3~F10 – F3:面為三角形的面的數量、F4:面為正方形的面的數量……以此類推

其中,正四角錐J1)有最少的頂點(5個)、最少的邊(8條)和最少的面(5個)。

三側帳塔截角十二面體英語Triaugmented truncated dodecahedronJ71具有最多的頂點(75個)和最多的邊(135條)。 它的面數也是最多的(62個),其他還有單旋側帳塔小斜方截半二十面體英語Gyrate rhombicosidodecahedronJ72對二旋側帳塔小斜方截半二十面體英語Parabigyrate rhombicosidodecahedronJ73鄰二旋側帳塔小斜方截半二十面體英語Metabigyrate rhombicosidodecahedronJ74三旋側帳塔小斜方截半二十面體英語Trigyrate rhombicosidodecahedronJ75

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表面積

由於詹森多面體的所有面都是由正三角形、正方形、正五邊形、正六邊形、正八邊形或正十邊形所組成,代表著其面的邊數僅會有3、4、5、6、8或10條,且為正多邊形,因此這些正多邊形面都會具有相同的邊長a,因此詹森多面體的表面積A可由下式計算得到:

其中 Fn是上表中的多邊形面數,且正n邊形的面積An也可由下式計算得到:

在詹森多面體的例子中,組成其的正多邊形僅有正三角形、正方形、正五邊形、正六邊形、正八邊形或正十邊形,而我們有正三角形的面積A3、正方形的面積A4、正五邊形的面積A5、正六邊形的面積A6、正八邊形A8的面積和正十邊形A10的面積公式:

因此可以得出下表的詹森多面體表面積。

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在固定邊長的條件下,雙三角錐J12表面積最小,而三側帳塔截角十二面體英語Triaugmented truncated dodecahedronJ71的表面積最大,兩者相差40倍以上。

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體積

下表列出了詹森多面體的體積。在這個表格中,V代表體積(不是第一個表中的頂點數),而a代表邊長。

表格的資料來源是沃爾夫勒姆研究公司Mathematica軟體中提供的PolyhedronData[..., "Volume"]計算多面體體積的指令。

詹森多面體的體積也可以根據其頂點座標來計算出來。如果邊長是固定的,那麼所有92個詹森多面體的頂點座標就都是已知的。如此一來,就可以用此資訊來計算體積。概念上最簡單的作法是:對要算體積的詹森多面體之表面做三角化,例如在每個非三角形面的中心添加一個額外的點,然後將之與該面的其他頂點連接構成多個三角形(並不是所有凸多面體都可以不添加額外頂點就完成三角剖分英語Triangulation (geometry)[5])。完成表面的三角化後選擇一些內部點作為「原點」,這樣就可以把表面的三角形與內部所選的點構造成不規則四面體。這些不規則四面體在多面體內部有一個頂點、在多面體表面有3個頂點,而詹森多面體的體積就是這些不規則四面體的體積總和。不規則四面體的體積可以透過公式計算。

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在固定邊長的條件下,正四角錐J1雙三角錐J12的體積最小;而三側帳塔截角十二面體英語Triaugmented truncated dodecahedronJ71的體積最大,比前者大超過390倍。

在92種詹森多面體中,有13種詹森多面體的體積V/a3無法表達為解析數。這些數值是以下多項式的最大實根。

更多資訊 Jn, 多項式 ...
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內切球半徑、中分球半徑和外接球半徑

下表列出了存在內切球、中分球和外接球之詹森多面體的各種球半徑(內切球半徑Ri中分球半徑Rm或外接球半徑Rc,不存在則不列出)與邊長之比。

詹森多面體不一定有內切球、中分球和外接球。比方說,除非該詹森多面體的所有頂點都位於某個球面上,否則這個詹森多面體不會存在外接球。詹森多面體的對稱性比正多面體低,因此很多詹森多面體不存在這些球體。只有正四角錐J1正五角錐J2這兩個立體三種球都存在。

表格內容的資料來源是來自沃爾夫勒姆研究公司Mathematica軟體提供的PolyhedronData[..., "Inradius"]PolyhedronData[..., "Midradius"]PolyhedronData[..., "Circumradius"]指令。 輸出的數值已被化簡過了。

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參見

參考文獻

外部連結

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