Многогранник гранями которого являются 4 треугольника. Правильные многогранники

Тема. «Многогранник. Элементы многогранника – грани, вершины, ребра».

Цели. Создать условия для расширения теоретических знаний о пространственных фигурах: ввести понятия «многогранник», «грани», «вершина», «ребро»; обеспечить развитие у школьников умения выделять главное в познавательном объекте; содействовать развитию пространственного воображения учащихся.

Учебные материалы. Учебник «Математика. 4 класс» (авт. В.Н. Рудницкая, Т.В. Юдачева); компьютер; проектор; презентация «Многоугольники»; печатные бланки «Координатный угол», «Многоугольники», «Задача»; модели многогранников, развертки многогранников; зеркала; ножницы.

ХОД УРОКА

Перед началом урока дети распределяются на три группы соответственно уровню знаний – высокий, средний, низкий.

I. Организационный момент

Учитель. Дорогие мои непоседы, в очередной раз я приглашаю вас в увлекательный мир математики. И я уверена в том, что и на этом уроке вы узнаете новое, закрепите изученное и сможете полученные знания применить на практике.

Сегодня наш урок мне хочется начать словами английского философа Роджера Бэкона о математике: «Тот, кто не знает математики, не может изучить другие науки и не может познать мир». Я думаю, что на уроке мы непременно найдем подтверждение словам этого философа.

II. Повторение пройденного материала. Построение многоугольников по координатам

У. На уроках математики в 1-м, 2-м, 3-м классах мы изучали различные плоские геометрические фигуры, а также учились их строить. Я предлагаю вам построить в координатном угле плоские фигуры по данным координатам.

Задание выполняется на печатных бланках.

Группа 1

Постройте фигуру, если известны координаты А (0; 2), В (2; 5), С (9; 2). Какая фигура получилась?

Группа 2

Постройте прямоугольник, если точки А (3; 2) и В (6; 5) – его противоположные вершины. Назовите координаты противоположных вершин. Как по-другому называется эта фигура?

Группа 3

Постройте фигуру, если известны координаты ее вершин А (2; 3), В (2; 6), С (5; 8), D (8; 6), K (8; 3), М (5; 1). Какая фигура получилась?

– Как можно назвать все эти фигуры?

Дети. Это многоугольники.

Слайд 1

У. Нам известно, что все многоугольники имеют вершины и стороны. Назовите и покажите их.

По одному человеку от группы выполняют задание у доски.

III. Знакомство с новым материалом

У. Сегодня я познакомлю вас с объемными геометрическими фигурами, которые называются многоугольниками. Их модели представлены у вас на столах.

На столах у учащихся объемные фигуры: куб, параллелепипед, пирамиды, призмы.

– Садитесь поудобнее, смотрите внимательно, слушайте старательно и запоминайте.

Знакомство с понятиями «многогранник», «грань», «вершина», «ребро»

– Если взять 4 треугольника, то можно создать объемную фигуру – пирамиду . Из квадратов можно получить другую фигуру – куб, из прямоугольников – параллелепипед. У вас на столе еще одна фигура – призма, которая составлена из прямоугольников и треугольников. Все эти фигуры называются многогранниками .

Каждый из многоугольников (в данном случае треугольников) называют гранью многогранника. А стороны многоугольников называют ребрами многогранника. И, конечно же, вершины многоугольника будут вершинами многогранника. Вот так выглядит чертеж многогранника на листе бумаги.

Слайд 2

– Кажется, что фигура сделана из стекла. Как вы думаете, что изображено пунктиром на чертеже?

Д. Невидимые ребра.

Дети работают по рисунку у доски.

У. Итак, что это?

Д. Многогранник.

У. Назовите и покажите грани многогранника, его ребра и вершины.

Дети показывают указкой и перечисляют.

– Если разрезать пирамиду с вершины до основания по ребрам, то получится вот такая развертка.
А теперь, дорогие мои непоседы, отыщите на столе бланк с изображением многоугольника, внимательно прочитайте инструкцию:

1. Внимательно рассмотрите чертеж многоугольника.
2. Найдите нужную развертку многоугольника (модели на доске).
3. Соберите модель многоугольника.
4. Укажите число вершин __ , граней __ , ребер __ многоугольника.
5. Назовите каждую вершину __ , ребро __ , грань __ многоугольника.

Группа 1

Группа 2

Группа 3

– На доске представлены развертки многогранников. Попробуйте по чертежу отыскать развертку своей фигуры и собрать многогранник. Работайте вместе, и, я думаю, у вас все получится.

Проверка выполнения задания (слайды 3, 4, 5).

IV. Обобщение и систематизация знаний

У. Скажите, есть ли в окружающем нас мире предметы, которые имеют форму многогранников?

Выслушиваются ответы детей. Проводится импровизированная «прогулка» по школьному двору. Дети «рассматривают» модели школьного здания, подсобных помещений, которые имеют вид многогранников.

– Выполните задание:

Волк и Заяц склеили из цветной бумаги домик. Сколько граней каждого цвета потребовалось? Форму какого многоугольника имеет грань каждого цвета?

Слайд 6

V. Закрепление ранее изученного

У. Ребята, представьте себя архитекторами, дизайнерами или строителями и попробуйте решить задачи.

Задание для группы 1

Найдите площадь, которую будет занимать новое школьное здание, если его длина 74 м, а ширина – 13 м. (Ответ: 962 кв. м. )

Задание для группы 2

Площадь игровой площадки во дворе нашей школы равна 1080 кв. м. Это на 1320 кв. м меньше, чем площадь хоккейной площадки. Вычислите площадь хоккейной площадки. (Ответ: 2400 кв. м )

Задание для группы 3

Под строительство нового здания для нашей школы отведен участок площадью 2500 кв. м. Известно, что здание будет шириной 13 м, длиной 74 м. Какая площадь участка останется под цветники и дорожки после постройки здания? (Ответ: 1) 962 кв. м; 2) 1538 кв. м )

Дети проверяют решения задач, объясняют, как решали.

VI. Итог урока

У. Оказывается, Роджер Бэкон был прав, сказав: «Тот, кто не знает математики, не может изучить другие науки и не может познать мир».

Учитель оценивает работу групп.

Многогранники не только занимают видное место в геометрии, но и встречаются в повседневной жизни каждого человека. Не говоря уже об искусственно созданных предметах обихода в виде различных многоугольников, начиная со спичечного коробка и заканчивая архитектурными элементами, в природе также встречаются кристаллы в форме куба (соль), призмы (хрусталь), пирамиды (шеелит), октаэдра (алмаз) и т. д.

Понятие многогранника, виды многогранников в геометрии

Геометрия как наука содержит раздел стереометрию, изучающую характеристики и свойства объёмных тела, стороны которых в трёхмерном пространстве образованы ограниченными плоскостями (гранями), носят название "многогранники". Виды многогранников насчитывают не один десяток представителей, отличающихся количеством и формой граней.

Тем не менее у всех многогранников есть общие свойства:

1. Все они имеют 3 неотъемлемых компонента: грань (поверхность многоугольника), вершина (углы, образовавшиеся в местах соединения граней), ребро (сторона фигуры или отрезок, образованный в месте стыка двух граней).
2. Каждое ребро многоугольника соединяет две, и только две грани, которые по отношению друг к другу являются смежными.
3. Выпуклость означает, что тело полностью расположено только по одну сторону плоскости, на которой лежит одна из граней. Правило применимо ко всем граням многогранника. Такие геометрические фигуры в стереометрии называют термином выпуклые многогранники. Исключение составляют звёздчатые многогранники, которые являются производными правильных многогранных геометрических тел.

Многогранники можно условно разделить на:

1. Виды выпуклых многогранников, состоящих из следующих классов: обычные или классические (призма, пирамида, параллелепипед), правильные (также называемые Платоновыми телами), полуправильные (второе название - Архимедовы тела).
2. Невыпуклые многогранники (звёздчатые).

Призма и её свойства

Стереометрия как раздел геометрии изучает свойства трёхмерных фигур, виды многогранников (призма в их числе). Призмой называют геометрическое тело, которое имеет обязательно две совершенно одинаковые грани (их также называют основаниями), лежащие в параллельных плоскостях, и n-ое число боковых граней в виде параллелограммов. В свою очередь, призма имеет также несколько разновидностей, в числе которых такие виды многогранников, как:

1. Параллелепипед - образуется, если в основании лежит параллелограмм - многоугольник с 2 парами равных противоположных углов и двумя парами конгруэнтных противоположных сторон.
2. Прямая призма имеет перпендикулярные к основанию рёбра.
3. характеризуется наличием непрямых углов (отличных от 90) между гранями и основанием.
4. Правильная призма характеризуется основаниями в виде с равными боковыми гранями.

Основные свойства призмы:

• Конгруэнтные основания.
• Все рёбра призмы равны и параллельны по отношению друг к другу.
• Все боковые грани имеют форму параллелограмма.

Пирамида

Пирамидой называют геометрическое тело, которое состоит из одного основания и из n-го числа треугольных граней, соединяющихся в одной точке - вершине. Следует отметить, что если боковые грани пирамиды представлены обязательно треугольниками, то в основании может быть как треугольный многоугольник, так и четырёхугольник, и пятиугольник, и так до бесконечности. При этом название пирамиды будет соответствовать многоугольнику в основании. Например, если в основании пирамиды лежит треугольник - это , четырёхугольник - четырёхугольная, и т. д.

Пирамиды - это конусоподобные многогранники. Виды многогранников этой группы, кроме вышеперечисленных, включают также следующих представителей:

1. Правильная пирамида имеет в основании правильный многоугольник, и высота ее проектируется в центр окружности, вписанной в основание или описанной вокруг него.
2. Прямоугольная пирамида образуется тогда, когда одно из боковых рёбер пересекается с основанием под прямым углом. В таком случае это ребро справедливо также назвать высотой пирамиды.

Свойства пирамиды:

• В случае если все боковые рёбра пирамиды конгруэнтны (одинаковой высоты), то все они пересекаются с основанием под одним углом, а вокруг основания можно прочертить окружность с центром, совпадающим с проекцией вершины пирамиды.
• Если в основании пирамиды лежит правильный многоугольник, то все боковые рёбра конгруэнтны, а грани являются равнобедренными треугольниками.

Правильный многогранник: виды и свойства многогранников

В стереометрии особое место занимают геометрические тела с абсолютно равными между собой гранями, в вершинах которых соединяется одинаковое количество рёбер. Эти тела получили название Платоновы тела, или правильные многогранники. Виды многогранников с такими свойствами насчитывают всего пять фигур:

1. Тетраэдр.
2. Гексаэдр.
3. Октаэдр.
4. Додекаэдр.
5. Икосаэдр.

Своим названием правильные многогранники обязаны древнегреческому философу Платону, описавшему эти геометрические тела в своих трудах и связавшему их с природными стихиями: земли, воды, огня, воздуха. Пятой фигуре присуждали сходство со строением Вселенной. По его мнению, атомы природных стихий по форме напоминают виды правильных многогранников. Благодаря своему самому захватывающему свойству - симметричности, эти геометрические тела представляли большой интерес не только для древних математиков и философов, но и для архитекторов, художников и скульпторов всех времён. Наличие всего лишь 5 видов многогранников с абсолютной симметрией считалось фундаментальной находкой, им даже присуждали связь с божественным началом.

Гексаэдр и его свойства

В форме шестигранника преемники Платона предполагали сходство со строением атомов земли. Конечно же, в настоящее время эта гипотеза полностью опровергнута, что, однако, не мешает фигурам и в современности привлекать умы известных деятелей своей эстетичностью.

В геометрии гексаэдр, он же куб, считается частным случаем параллелепипеда, который, в свою очередь, является разновидностью призмы. Соответственно и свойства куба связаны со с той лишь разницей, что все грани и углы куба равны между собой. Из этого вытекают следующие свойства:

1. Все рёбра куба конгруэнтны и лежат в параллельных плоскостях по отношению друг к другу.
2. Все грани - конгруэнтные квадраты (всего в кубе их 6), любой из которых может быть принят за основание.
3. Все межгранные углы равны 90.
4. Из каждой вершины исходит равное количество рёбер, а именно 3.
5. Куб имеет 9 которые все пересекаются в точке пересечения диагоналей гексаэдра, именуемой центром симметрии.

Тетраэдр

Тетраэдр - это четырёхгранник с равными гранями в форме треугольников, каждая из вершин которых является точкой соединения трёх граней.

Свойства правильного тетраэдра:

1. Все грани тетраэда - это из чего следует, что все грани четырёхгранника конгруэнтны.
2. Так как основание представлено правильной геометрической фигурой, то есть имеет равные стороны, то и грани тетраэдра сходятся под одинаковым углом, то есть все углы равны.
3. Сумма плоских углов при каждой из вершин равняется 180, так как все углы равны, то любой угол правильного четырёхгранника составляет 60.
4. Каждая из вершин проецируется в точку пересечения высот противоположной (ортоцентр) грани.

Октаэдр и его свойства

Описывая виды правильных многогранников, нельзя не отметить такой объект, как октаэдр, который визуально можно представить в виде двух склеенных основаниями четырёхугольных правильных пирамид.

Свойства октаэдра:

1. Само название геометрического тела подсказывает количество его граней. Восьмигранник состоит из 8 конгруэнтных равносторонних треугольников, в каждой из вершин которого сходится равное количество граней, а именно 4.
2. Так как все грани октаэдра равны, равны и его межгранные углы, каждый из которых равняется 60, а сумма плоских углов любой из вершин составляет, таким образом, 240.

Додекаэдр

Если представить, что все грани геометрического тела представляют собой правильный пятиугольник, то получится додекаэдр - фигура из 12 многоугольников.

Свойства додекаэдра:

1. В каждой вершине пересекаются по три грани.
2. Все грани равны и имеют одинаковую длину рёбер, а также равную площадь.
3. У додекаэдра 15 осей и плоскостей симметрии, причём любая из них проходит через вершину грани и середину противоположного ей ребра.

Икосаэдр

Не менее интересная, чем додекаэдр, фигура икосаэдр представляет собой объёмное геометрическое тело с 20 равными гранями. Среди свойств правильного двадцатигранника можно отметить следующие:

1. Все грани икосаэдра - равнобедренные треугольники.
2. В каждой вершине многогранника сходится пять граней, и сумма смежных углов вершины составляет 300.
3. Икосаэдр имеет так же, как и додекаэдр, 15 осей и плоскостей симметрии, проходящих через середины противоположных граней.

Полуправильные многоугольники

Кроме Платоновых тел, в группу выпуклых многогранников входят также Архимедовы тела, которые представляют собой усечённые правильные многогранники. Виды многогранников данной группы обладают следующими свойствами:

1. Геометрические тела имеют попарно равные грани нескольких типов, например, усечённый тетраэдр имеет так же, как и правильный тетраэдр, 8 граней, но в случае Архимедова тела 4 грани будут треугольной формы и 4 - шестиугольной.
2. Все углы одной вершины конгруэнтны.

Звёздчатые многогранники

Представители необъёмных видов геометрических тел - звёздчатые многогранники, грани которых пересекаются друг с другом. Они могут быть образованы путём слияния двух правильных трёхмерных тел либо в результате продолжения их граней.

Таким образом, известны такие звёздчатые многогранники, как: звёздчатые формы октаэдра, додекаэдра, икосаэдра, кубооктаэдра, икосододекаэдра.

Определение. Многогранник называется правильным, если: 1) он выпуклый; 2) все его грани - равные друг другу правильные многоугольники; 3) в каждой его вершине сходится одинаковое число ребер; 4) все его двугранные равны.

Примером правильного многогранника является куб: он является выпуклым многогранником, все его грани - равные квадраты, в каждой вершине сходятся три ребра, и все двугранные углы куба прямые. Правильный тетраэдр также является правильным многогранником.

Возникает вопрос: сколько существует различных типов правильных многогранников?

Пять типов правильных многогранников:

Рассмотрим произвольный правильный многогранник М , у которого В вершин, Р ребер и Г граней. По теореме Эйлера для этого многогранника выполняется равенство:

В - Р + Г = 2. (1)

Пусть каждая грань данного многогранника содержит m ребер (сторон), и в каждой вершине сходятся n ребер. Очевидно,

Так как у многогранника В вершин, и каждой из которых сходятся n ребер, то получаем n ребер. Но любое ребро соединяет две вершины многогранника, поэтому в произведение n каждое ребро войдет дважды. Значит у многогранника имеется различных ребер. Тогда

Из (1), (3), (4) получаем - Р + = 2, откуда

+ = + > . (5)

Таким образом, имеем

Из неравенств 3 и 3 следует, что гранями правильного многогранника могут быть либо правильные треугольники, либо правильные четырехугольники, либо правильные пятиугольники. Причем в случаях m = n = 4; m = 4, n = 5; m = 5, n = 4; m = n = 5 приходим к противоречию с условием. Поэтому остаются возможными пять случаев: 1) m = n = 3; 2) m = 4, n = 3; 3) m = 3, n = 4; 4) m = 5, n = 3; 5) m = 3, n = 5. Рассмотрим каждый из этих случаев, используя соотношения (5), (4) и (3).

1) m = n = 3 (каждая грань многогранника - правильный треугольник. Это - известный нам правильный тетраэдр («тетраэдр » означает четырехгранник).

2) m = 4, n = 3 (каждая грань квадрат, и в каждой вершине сходятся три ребра). Имеем

Р = 12; В = 8; Г = 6.

Получаем правильный шестигранник, у которого каждая грань - квадрат. Этот многогранник называется правильным гексаэдром и является кубом («гексаэдр» -- шестигранник), любой параллелепипед - гексаэдр.

3) m = 3, n = 4 (каждая грань -правильный треугольник, в каждой вершине сходятся четыре ребра). Имеем

Р = 12; В = =6; Г = =8.

Получаем правильный восьмигранник, у которого каждая грань - правильный треугольник. Этот многогранник называется правильным октаэдром («октаэдр» -- восьмигранник).

4) m = 5, n = 3 (каждая грань - правильный пятиугольник, в каждой вершине сходятся три ребра). Имеем:

Р = 30; В = = 20; Г = = 12.

Получаем правильный двенадцатигранник, у которого каждая грань - правильный пятиугольник. Этот многогранник называется правильным додекаэдром («додекаэдр » -- двенадцатигранник).

5) m = 3,n = 5 (каждая грань - правильный треугольник, в каждой вершине сходятся пять ребер). Имеем

Р = 30; В = =12; Г = = 20.

Получаем правильный двадцатигранник. Этот многогранник называется правильным икосаэдром («икосаэдр » - двадцатигранник).

Таким образом, мы получили следующую теорему.

Теорема. Существует пять различных (с точностью до подобия) типов правильных многогранников: правильный тетраэдр, правильный гексаэдр (куб), правильный октаэдр, правильный додекаэдр и правильный икосаэдр.

К этому заключению можно прийти несколько иначе.

Действительно, если грань правильного многогранника - правильный треугольник, и в одной вершине сходятся k ребер, т.е. все плоский углы выпуклого k -гранного угла равны, то. Следовательно, натуральное число k может принимать значения: 3;4;5. при этом Г = , Р = . На основании теоремы Эйлера имеем:

В+-= 2 или В (6 - k ) = 12.

Тогда при k = 3 получаем: В = 4, Г = 4 , Р = 6 (правильный тетраэдр);

при k = 4 получаем: В = 6, Г = 8, Р = 12 (правильный октаэдр);

при k = 5 получаем: В = 12, Г = 20, Р = 30 (правильный икосаэдр).

Если грань правильного многогранника - правильный четырехугольник, то. Этому условию соответствует единственное натуральное число k = 3. Тогда: Г = , Р= ; В + - = 2 или. Значит, В = 8, Г = 6, Р = 12 - мы получаем куб (правильный гексаэдр).

Если гранью правильного многогранника является правильный пятиугольник, то. Этому условию соответствует тоже только k = 3 и Г = ; Р = . Аналогично предыдущим вычислениям получаем: и В = 20, Г = 12, Р = 30 (правильный додекаэдр).

Начиная с правильных шестиугольников, предположительно являющихся гранями правильного многогранника, плоские углы становятся не меньше, и уже k = 3 их сумма становится не менее, что невозможно. Следовательно, существует всего пять видов правильных многогранников.

На рисунках изображены разверстки каждого из пяти правильных многогранников.

Правильный тетраэдр

Правильный октаэдр

Правильный гексаэдр

Правильный икосаэдр

Правильный додекаэдр

Некоторые свойства правильных многогранников приведены в следующей таблице.

У каждого из правильных многогранников, помимо уже указанных, нас чаще всего будут интересовать:

• 1. Величина его двугранного угла при ребре (при длине ребра a ).
• 2. Площадь его полной поверхности (при длине ребра a ).
• 3. Его объем (при длине ребра a ).
• 4. Радиус описанной около него сферы (при длине ребра a ).
• 5. Радиус вписанной в него сферы (при длине ребра a ).
• 6. Радиус сферы, касающихся всех его ребер (при длине ребра a ).

Наиболее просто решается вопрос о вычислении площади полной поверхности правильного многогранника; она равна Г, где Г - количество граней правильного многогранника, а - площадь одной грани.

Напомним, sin = , что дает нам возможность записать в радикалах: ctg =. Учитывая это составляем таблицы:

а) для площади грани правильного многогранника

б) для площади полной поверхности правильного многогранника

Теперь перейдем к вычислению величины двугранного угла правильного многогранника при его ребре. Для правильного тетраэдра и куба вы легко найдете величину этого угла.

В правильном додекаэдре все плоские углы его граней равны, поэтому, применив теорему косинусов для трехгранных углов к любому трехгранному углу данного додекаэдра при его вершине, получим: cos, откуда

На изображенном правильном октаэдре ABCDMF вы можете убедиться, что двугранный угол при ребре октаэдра равен 2arctg.

Для нахождения величины двугранного угла при ребре правильного икосаэдра можно рассмотреть трехгранный угол ABCD при вершине А: его плоские углы ВАС и CAD равный, а третий плоский угол BAD, против которого лежит двугранный угол B(AC)D = , равен (BCDMF - правильный пятиугольник). По теореме косинусов для трехгранного угла ABCD имеем: . Учитывая, что, получаем, откуда. Таким образом, двугранный угол при ребре икосаэдра равен.

Итак, получаем следующую таблицу величин двугранных углов при ребрах правильных многогранников.

Прежде чем находить объем того или иного правильного многогранника, сначала проведем рассуждения о том, как можно найти объем правильных многогранников в общем виде.

Попытайтесь сначала доказать, что если центр каждой грани любого правильного многогранника провести прямую, перпендикулярную плоскости этой грани, то все проведенные прямые пересекутся в некоторой одной точке О , удаленной от всех граней данного многогранника на одно и тоже расстояние, которое обозначим r. Точка О окажется центром сферы, вписанной в данный многогранник, а r - ее радиусом. Соединив полученную точку О со всеми вершинами данного многогранника, мы разобьем его на Г равных между собой пирамид (Г--число граней правильного многогранника): основаниями образованных пирамид равны r . Тогда объем данного многогранника равен сумме объемов всех этих пирамид. Так как многогранник правильный, то его объем V можно найти по формуле:

Остается найти длину радиуса r .

Для этого, соединив точку О с серединой К ребра многогранника, попробуйте убедиться, что наклонная КО к грани многогранника, содержащей ребро, составляет с плоскостью этой грани угол, равный половине величины двугранного угла при этом ребре многогранника; проекция же наклонной КО на плоскость этой грани принадлежит ее апофеме и равна радиусу вписанной в нее окружности. Тогда

где p--полупериметр грани. Тогда из (1) и (2) получаем общую для всех правильных многогранников формулу вычисления их объемов:

Эта формула совершенно не нужна для нахождения объемов куба, правильных тетраэдра и октаэдра, но позволяет довольно легко находить объемы правильных икосаэдра и додекаэдра.

1. На рисунке 1 укажите выпуклые и невыпуклые многогранники.

Ответ: Выпуклые - б), д); невыпуклые - а), в), г).

2. Приведите пример невыпуклого многогранника, у которого все грани являются выпуклыми многоугольниками.

Ответ: Рисунок 1, а).

3. Верно ли, что объединение выпуклых многогранников является выпуклым многогранником?

Ответ: Нет.

4. Может ли число вершин многогранника равняться числу его граней?

Ответ: Да, у тетраэдра.

5. Установите связь между числом плоских углов П многогранника и числом его ребер Р.

Ответ: П = 2Р.

6. Гранями выпуклого многогранника являются только треугольники. Сколько у него вершин В и граней Г, если он имеет: а) 12 ребер; б) 15 ребер? Приведите примеры таких многогранников.

7. Из каждой вершины выпуклого многогранника выходит три ребра. Сколько он имеет вершин В и граней Г, если у него: а) 12 ребер; б) 15 ребер? Нарисуйте эти многогранники.

Ответ: а) В = 8, Г = 6, куб; б) В = 10, Г = 7, пятиугольная призма.

8. В каждой вершине выпуклого многогранника сходится по четыре ребра. Сколько он имеет вершин В и граней Г, если число ребер равно 12? Нарисуйте эти многогранники.

9. Докажите, что в любом выпуклом многограннике есть треугольная грань или в какой-нибудь его вершине сходится три ребра.

10. Подумайте, где в рассуждениях, показывающих справедливость соотношения Эйлера, использовалась выпуклость многогранника.

11. Чему равно В - Р + Г для многогранника, изображенного на рисунке 6?

Правильные многогранники

Выпуклый многогранник называется правильным, если его гранями являются равные правильные многоугольники, и все многогранные углы равны.

Рассмотрим возможные правильные многогранники и прежде всего те из них, гранями которых являются правильные треугольники. Наиболее простым таким правильным многогранником является треугольная пирамида, гранями которой являются правильные треугольники (рис. 7). В каждой ее вершине сходится по три грани. Имея всего четыре грани, этот многогранник называется также правильным тетраэдром, или просто тетраэдром, что в переводе с греческого языка означает четырехгранник.

Многогранник, гранями которого являются правильные треугольники, и в каждой вершине сходится четыре грани, изображен на рисунке 8. Его поверхность состоит из восьми правильных треугольников, поэтому он называется октаэдром.

Многогранник, в каждой вершине которого сходится пять правильных треугольников, изображен на рисунке 9. Его поверхность состоит из двадцати правильных треугольников, поэтому он называется икосаэдром.

Заметим, что поскольку в вершинах выпуклого многогранника не может сходиться более пяти правильных треугольников, то других правильных многогранников, гранями которых являются правильные треугольники, не существует.

Аналогично, поскольку в вершинах выпуклого многогранника может сходиться только три квадрата, то, кроме куба (рис. 10), других правильных многогранников, у которых гранями являются квадраты не существует. Куб имеет шесть граней и поэтому называется также гексаэдром.

Многогранник, гранями которого являются правильные пятиугольники, и в каждой вершине сходится три грани, изображен на рисунке 11. Его поверхность состоит из двенадцати правильных пятиугольников, поэтому он называется додекаэдром.

Рассмотрим понятие правильного многогранника с точки зрения топологии науки, изучающей свойсва фигур, не зависящих от различных деформаций без разрывов. С этой точки зрения, например, все треугольники эквивалентны, так как один треугольник всегда может быть получен из любого другого соответствующим сжатием или растяжением сторон. Вообще все многоугольники с одинаковым числом сторон эквивалентны по той же причине.

Как в такой ситуации определить понятие топологически правильного многогранника? Иначе говоря, какие свойства в определении правильного многогранника являются топологически устойчивыми и их следует оставить, а какие не являются топологически устойчивыми и их следует отбросить.

В определении правильного многогранника количество сторон и количество граней являются топологически устойчивыми, т.е. не меняющимися при непрерывных деформациях. Правильность же многоугольников не является топологически устойчивым свойством. Таким образом, мы приходим к следующему определению.

Выпуклый многогранник называется топологически правильным, если его гранями являются многоугольники с одним и тем же числом сторон и в каждой вершине сходится одинаковое число граней.

Два многогранника называются топологически эквивалентными, если один из другого можно получить непрерывной деформацией.

Например, все треугольные пирамиды являются топологически правильными многогранниками, эквивалентными между собой. Все параллелепипеды также являются эквивалентными между собой топологически правильными многогранниками. Не являются топологически правильными многогранниками, например, четырехугольные пирамиды.

Выясним вопрос о том, сколько существует не эквивалентных между собой топологически правильных многогранников.

Как мы знаем, существует пять правильных многогранников: тетраэдр, куб, октаэдр, икосаэдр и додекаэдр. Казалось бы, топологически правильных многогранников должно быть гораздо больше. Однако оказывается, что никаких других топологически правильных многогранников, не эквивалентных уже известным правильным, не существует.

Для доказательства этого воспользуемся теоремой Эйлера. Пусть дан топологически правильный многогранник, гранями которого являются n - угольники, и в каждой вершине сходится m ребер. Ясно, что n и m больше или равны трех. Обозначим, как и раньше, В - число вершин, Р - число ребер и Г - число граней этого многогранника. Тогда

nГ = 2P; Г = ; mB = 2P; В = .

По теореме Эйлера, В - Р + Г = 2 и, следовательно,

Откуда Р = .

Из полученного равенства, в частности, следует, что должно выполняться неравенство 2n + 2m - nm > 0, которое эквивалентно неравенству (n - 2)(m - 2) < 4.

Найдем всевозможные значения n и m, удовлетворяющие найденному неравенству, и заполним следующую таблицу

Например, значения n = 3, m = 3 удовлетворяют неравенству (n - 2)(m - 2) < 4. Вычисляя значения Р, В и Г по приведенным выше формулам, получим Р = 6, В = 4, Г = 4.

Значения n = 4, m = 4 не удовлетворяют неравенству (n - 2)(m - 2) < 4 и, следовательно, соответствующего многогранника не существует.

Самостоятельно проверьте остальные случаи.

Из этой таблицы следует, что возможными топологически правильными многогранниками являются только правильные многогранники, перечисленные выше, и многогранники, им эквивалентные.