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本文作者刘瑞祥,[遇见数学]感谢刘老师一直来的关注和支持!

正多面体的定义是,各个面都是全等的正多边形,并且各个多面角也都全等的几何体。显然,这样的多面体,各个顶点的情况也相同,且均具有外接球和内切球、棱切球。正多面体只有五种,即正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体、正二十面体,前三种很容易想象和绘制,后两种比较困难。

正多面体不但是立体几何中重要的研究对象,而且也是很多分子或晶体结构的模型,比如甲烷分子就可以看做正四面体构型,而氯化钠晶体可以看做正方体结构的,还有很多病毒是正二十面体的,如此等等。还有很多几何体可以看作是由这五种正多面体衍生出来的,所以学习正多面体也是学习很多复杂几何体的前提。除此以外,古希腊学者柏拉图以正多面体附会所谓的“元素”,即正四面体代表“火”,正方体代表“土”,正八面体代表“气”,正二十面体代表“水”,正十二面体则代表“宇宙(以太)”。开普勒亦曾以五种正多面体的内接球和外接球附会行星轨道,试图以此解释行星的运行规律。因此研究正多面体或可增进对古希腊文化和近代科学史的认识。

制作正多面体的方法有多种,我们先分两篇文章介绍如何从给定的球体出发制作正多面体,今后有机会再介绍其它做法。这些内容多出自于《几何原本》和《数学的魅力(3)》(沈康身著),只在细节上有所变化。为统一起见,下面的球心均为 O,球半径均为 1,并已作出一条直径 AB。

下面的立体图、展开图和旋转动画均由“遇见数学”提供。

正四面体Regular tetrahedron

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  1. 以 AB 为直径作圆并在其上取一点 C,使 AC=2CB。
  2. 取 AC,BC 的比例中项为 DC。
  3. 以 DC 为作圆,圆心为 K(此即俯视图所示的圆),并作正三角形 EFG 内接此圆。
  4. 作 HK 垂直于圆 K,又取 HK=AC。
  5. 连接 KE,KF,KG。

K-EFG 为所求的正四面体,棱长为 √6/3。

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正六面体(正方体)Regular hexahedron(cube)

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  1. 以 AB 为直径作圆并在其上取一点 C,使 AC=2CB。
  2. 连接 BD,并以 BD 为边作正方形 EFGH;
  3. 正方形的各顶点作该正方形的垂线 IJKL;
  4. 依次连接 IJKL。

EFGH - IJKL即为所求正方体,棱长为 2√3/3。

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正八面体Regular octahedron

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  1. 过球心 O 作垂直于 AB 的平面,与球面截得一圆;
  2. 做该圆的内接正方形 CDEF;
  3. 连接 AC,AD,AE,AF 以及 BC, BD, BE, BF。

A-CDEF-B 即为所求,棱长为 √2。

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以上三种几何体还有一些其它作法,但实质无二,故不再列举,只在后文介绍正十二面体和正二十面体的时候介绍多种作法。