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柏拉图的多面体世界

2015-02-12小五

数学大王·中高年级 2014年1期
关键词:正四面体多面体柏拉图

小五

我们都知道,正多边形是由一些线段围出来的各边相等、内角也相等的平面图形。这样的图形我们见得很多,比如:

如果问大家,这样的正多边形有多少个,大家一定都猜得出,有无穷个。正三角形、正四边形、正五边形……这当然很好理解。正多边形在三维世界里对应的东西是正多面体,也就是由正多边形组成的、各面各内角相等的立体图形。现在问题来了,大家觉得,这世界上,有多少个正多面体呢?

五个正多面体

也许大家会觉得,正多面体当然是无穷多的。但是正如《爱丽丝漫游仙境》的作者卡罗尔所说的那样:“它们少得令人生气。”这世界上的正多面体只有五种:正四面体、正六面体(立方体)、正八面体、正十二面体和正二十面体。

这五个正多面体被称为“柏拉图多面体”。它们当然不是柏拉图发明的,但是最早对它们进行研究的就是柏拉图和他的“弟子们”。柏拉图不仅是个著名的哲学家,看来还很有数学头脑呢!

不过,柏拉图研究正多面体并不是为了研究数学问题。他用这五个立体图形来解释世界,正四面体代表火,正六面体代表土,正八面体代表气,正十二面体代表水,正二十面体代表宇宙。这跟我们古代的金木水火土真是相似啊。

动手制作自己的柏拉图多面体

如果大家想自己动手制作这五个多面体,其实操作非常简单。下面是这五种多面体的平面模型,只要剪下来沿着线折叠就可以啦(不要直接在书上剪哦,可以复印下来)。

这五种形状的美感和奇妙的数学特性,常常萦绕于从柏拉图时代到文艺复兴时期的学者们的心头。对柏拉图多面体的分析曾经帮助欧几里得写出权威的著作《几何原本》。它们的地位曾经跟神物差不多。

逗人的小魔术

这是一种逗人小玩具的平面图,有时候魔术商店还能买到这种玩具的塑料制品。你可以用厚纸板剪两张这个图案,自己动手制作出玩具来。除了较长的那条线段之外,图中其余的线段都一样长。

沿着虚线折叠起来,再用胶带把接头处粘住,就可以得到一个看上去不怎么规则的五面体。用两个这样的五面体可以拼出一个正四面体,比七巧板好玩得多。当然你也可以制作出三个这样的五面体,然后把第三个五面体藏在手心里,把另外两个五面体搭好的正四面体展示给你的朋友们看,然后用手推倒,顺手把手心里的那个五面体混进去,然后你的朋友们就发愁了:无论如何也没有办法用三个五面体拼出一个正四面体。

可恶!谁告诉我这是个极其简单的手工的!乔乔,救我啊!

寻找最少颜色

大家制作出立体的多面体之后,可以开始思考一个问题:如果给这些多面体的每个面涂上一种颜色,至少需要多少种颜色?

可能很多同学都知道“地图四色定理”,也就是说,这五个多面体最多也就用四个颜色。好啦,现在开始来竞猜,这五个多面体中,哪个多面体需要的颜色最多?哪个需要的颜色最少?你可以试着不用纸笔,在脑海中思考这个问题,然后在后面表格上写下你的预测,再和答案对照一下。

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