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正十二面體


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正十二面體,通常簡稱為“十二面體”,是柏拉圖立體,由 20 個多面體頂點、30 條多面體邊和 12 個五邊形組成,12{5}。上面展示了它的圖形,以及線框版本和一個可用於其構造的網格

正十二面體也是 Maeder 索引為 23 (Maeder 1997)、Wenninger 索引為 5 (Wenninger 1989)、Coxeter 索引為 26 (Coxeter et al. 1954) 和 Har'El 索引為 28 (Har'El 1993) 的均勻多面體。它由施萊夫利符號 {5,3}Wythoff 符號 3|25 表示。

DodecahedronProjections

上面展示了正十二面體的若干對稱投影。

正十二面體在 Wolfram 語言 中實現為Dodecahedron[] 或UniformPolyhedron["Dodecahedron"],預計算屬性可作為PolyhedronData["Dodecahedron"].

正十二面體有 43380 個不同的網格,與二十面體的數量相同 (Bouzette 和 Vandamme, Hippenmeyer 1979, Buekenhout 和 Parker 1998)。可以使用波利亞列舉定理來解決正十二面體的多面體著色問題。

Origami dodecahedron

上圖顯示了一個摺紙正十二面體,它由六個十二面體單元構成,每個單元由一張紙組成 (Kasahara 和 Takahama 1987, pp. 86-87)。

在埃舍爾 1943 年的石版畫“爬行動物”中,十二面體作為鱷魚狀蜥蜴正在攀登的樓梯的一部分出現 (Bool et al. 1982, p. 284; Forty 2003, Plate 32)。兩個十二面體也作為多面體“星形”出現在 M. C. 埃舍爾 1948 年的木刻版畫“星星”中 (Forty 2003, Plate 43)。在 1997 年電影超時空接觸中,運送艾莉·艾洛維 (朱迪·福斯特飾) 穿過蟲洞網路的 IPV 艙被封閉在一個十二面體框架中。

Charles Perry's Eclipse sculpture

舊金山凱悅酒店展示了一個 40 英尺高的雕塑 (Nath 1999),名為 Eclipse。它由查爾斯·佩裡建造,由 1440 塊陽極氧化鋁管組成,歷時四個月組裝完成 (Kraeuter 1999)。分層雕塑從正十二面體開始,但每個面然後向外旋轉。在旋轉的中點,它形成一個截半二十面體。然後,隨著 12 個五邊形繼續向外旋轉,它形成一個小斜方截半二十面體

希臘人已知十二面體,在歐洲的許多考古發掘中發現了 90 個帶有旋鈕頂點的十二面體模型,其年代可追溯到高盧羅馬時期,地點從軍營到公共浴室再到寶箱 (Schuur)。

DodecahedralGraph

十二面體具有二十面體群 I_h 的對稱性。頂點的連通性由十二面體圖給出。有三個十二面體星狀體

DodecahedronConvexHulls

正十二面體是凸包,包含 立方體 5-複合體二角十二面體、第三十二面體星狀體外殼、大二角截半二十面體大菱形三十面體大星形十二面體菱形六十面體小二角截半二十面體四面體 5-複合體四面體 10-複合體

DodecahedronAndDual
dodinico
icoindod

單位邊長十二面體的對偶多面體是邊長為 phi二十面體,其中 phi黃金比例。因此,二十面體面的中心形成一個十二面體,反之亦然 (Steinhaus 1999, pp. 199-201)。

DodecahedronHexagon
DodecahedronDecagon

一個平面垂直於十二面體的 C_3 軸,切開固體形成一個正六邊形橫截面 (Holden 1991, p. 27)。一個平面垂直於十二面體的 C_5 軸,切開固體形成一個正十邊形橫截面 (Holden 1991, p. 24)。

DodecahedronCube
DodecahedronGolden

可以從十二面體的頂點中每次取八個來構建一個立方體 (左上圖;Steinhaus 1999, pp. 198-199; Wells 1991)。可以構造五個這樣的立方體,形成立方體 5-複合體。此外,連接面的中心會得到三個相互垂直黃金矩形 (右圖;Wells 1991)。

RhombicTriacontDodec

菱形三十面體面的短對角線給出了十二面體的邊 (Steinhaus 1999, pp. 209-210)。

下表給出了可以透過給定高度 h 的稜錐增廣十二面體而構造的多面體。

當邊長為 sqrt(10-2sqrt(5)) 的十二面體定向為兩個相對的面平行於 xy-平面時,頂部和底部面的頂點位於 z=+/-(phi+1),而其他多面體頂點位於 z=+/-(phi-1),其中 phi黃金比例。顯式座標為

 +/-(2cos(2/5pii),2sin(2/5pii),phi+1)
(1)
 +/-(2phicos(2/5pii),2phisin(2/5pii),phi-1)
(2)

其中 i=0, 1, ..., 4,其中 phi黃金比例

Dodecahedron8Projection
Dodecahedron8
Dodecahedron8Tilted

八個十二面體可以放置在一個閉環中,如上圖所示 (Kabai 2002, pp. 177-178)。

邊長為 a=sqrt(5)-1 的十二面體的多面體頂點可以以簡單形式給出,即 (0, +/-phi^(-1), +/-phi)、(+/-phi, 0, +/-phi^(-1))、(+/-phi^(-1), +/-phi, 0) 和 (+/-1, +/-1, +/-1)。

PentagonApothem

對於單位邊長 a=1 的十二面體,外接圓半徑 R^'內切圓半徑 r^'五邊形

R^'=1/(10)sqrt(50+10sqrt(5))
(3)
r^'=1/(10)sqrt(25+10sqrt(5)).
(4)

矢高 x 由下式給出

 x=R^'-r^'=1/(10)sqrt(125-10sqrt(5)).
(5)

現在考慮下圖。

DodecahedronTrig

在圖中,使用勾股定理得到

z_1^2+m^2=(R^'+r^')^2
(6)
z_2^2+(m-x)^2=1
(7)
((z_1+z_2)/2)^2+R^('2)=((z_1-z_2)/2)^2+(m+r^')^2.
(8)

方程 (8) 可以寫成

 z_1z_2+r^2=(m+r^')^2.
(9)

同時解方程 (6)、(7) 和 (9) 得到

m=r^'=1/(10)sqrt(25+10sqrt(5))
(10)
z_1=2r^'=1/5sqrt(25+10sqrt(5))
(11)
z_2=R^'=1/(10)sqrt(50+10sqrt(5)).
(12)

正十二面體的內切圓半徑由下式給出

 r=1/2(z_1+z_2),
(13)

所以

 r^2=1/(40)(25+11sqrt(5)),
(14)

r 得到

 r=1/(20)sqrt(250+110sqrt(5))=1.11351....
(15)

現在,

 R^2=R^('2)+r^2=3/8(3+sqrt(5)),
(16)

所以外接圓半徑

 R=1/4(sqrt(15)+sqrt(3))=1.40125....
(17)

中半徑由下式給出

 rho^2=r^('2)+r^2=1/8(7+3sqrt(5)),
(18)

所以

 rho=1/4(3+sqrt(5))=1.30901....
(19)

二面角

 alpha=cos^(-1)(-1/5sqrt(5)) approx 116.57 degrees
(20)

單位正十二面體的Dehn 不變數

D=-30<5>_1
(21)
=-30tan^(-1)(2)
(22)
=-33.2144...,
(23)

(OEIS A377787),其中第一個表示式使用 Conway et al. (1999) 的基。

單個面積是單位邊長五邊形面積

 A=1/4sqrt(25+10sqrt(5)),
(24)

因此表面積是此值的 12 倍,即

 S=3sqrt(25+10sqrt(5)).
(25)

可以透過對 12 個組成五角錐體的體積求和來計算十二面體的體積

 V=12(1/3Ar)=1/4(15+7sqrt(5)).
(26)

阿波羅尼奧斯證明,對於具有相同內切圓半徑二十面體和十二面體,

 (V_(icosahedron))/(V_(dodecahedron))=(A_(icosahedron))/(A_(dodecahedron)),
(27)

其中 V 是體積,A表面積,實際比率為

 (V_(icosahedron))/(V_(dodecahedron))=(A_(icosahedron))/(A_(dodecahedron))=sqrt(3/(10)(5-sqrt(5))).
(28)

另請參閱

增廣十二面體增廣截角十二面體開羅鑲嵌截半立方八面體三角六十面體十二邊形十二面體 2-複合體十二面體 5-複合體十二面體 6-複合體十二面體-二十面體複合體十二面體-小三方偏方面體二十面體複合體十二面體星狀體伸長十二面體大十二面體大星形十二面體雙曲十二面體二十面體雙增廣十二面體雙增廣截角十二面體鄰增廣十二面體鄰增廣截角十二面體多面體著色五角十二面體菱形十二面體菱形三十面體小星形十二面體星狀化三四面體三增廣十二面體三增廣截角十二面體三角十二面體三角函式值--pi/5截角十二面體截角四面體

使用 探索

參考文獻

Beyer, W. H. CRC Standard Mathematical Tables, 28th ed. Boca Raton, FL: CRC Press, p. 228, 1987.Bool, F. H.; Kist, J. R.; Locher, J. L.; and Wierda, F. M. C. Escher: His Life and Complete Graphic Work. New York: Abrams, 1982.Bouzette, S. and Vandamme, F. "The Regular Dodecahedron and Icosahedron Unfold in 43380 Ways." Unpublished manuscript.Buekenhout, F. and Parker, M. "The Number of Nets of the Regular Convex Polytopes in Dimension <=4." Disc. Math. 186, 69-94, 1998.Conway, J. H.; Radin, C.; and Sadun, L. "On Angles Whose Squared Trigonometric Functions Are Rational." Discr. Computat. Geom. 22, 321-332, 1999.Coxeter, H. S. M.; Longuet-Higgins, M. S.; and Miller, J. C. P. "Uniform Polyhedra." Phil. Trans. Roy. Soc. London Ser. A 246, 401-450, 1954.Cundy, H. and Rollett, A. "Dodecahedron. 5^3." §3.5.4 in Mathematical Models, 3rd ed. Stradbroke, England: Tarquin Pub., p. 87, 1989.Davie, T. "The Dodecahedron." http://www.dcs.st-and.ac.uk/~ad/mathrecs/polyhedra/dodecahedron.html.Escher, M. C. "Reptiles." Lithograph. 1943. http://www.mcescher.com/Gallery/back-bmp/LW327.jpg.Escher, M. C. "Stars." Wood engraving. 1948. http://www.mcescher.com/Gallery/back-bmp/LW359.jpg.Forty, S. M.C. Escher. Cobham, England: TAJ Books, 2003.Geometry Technologies. "Dodecahedron." http://www.scienceu.com/geometry/facts/solids/dodeca.html.Har'El, Z. "Uniform Solution for Uniform Polyhedra." Geometriae Dedicata 47, 57-110, 1993.Harris, J. W. and Stocker, H. "Dodecahedron." §4.4.5 in Handbook of Mathematics and Computational Science. New York: Springer-Verlag, p. 101, 1998.Hippenmeyer, C. "Die Anzahl der inkongruenten ebenen Netze eines regulären Ikosaeders." Elem. Math. 34, 61-63, 1979.Holden, A. Shapes, Space, and Symmetry. New York: Dover, 1991.Kabai, S. Mathematical Graphics I: Lessons in Computer Graphics Using Mathematica. Püspökladány, Hungary: Uniconstant, 2002.Kasahara, K. "Regular-Pentagonal Flat Unit" and "From Regular to Semiregular Polyhedrons." Origami Omnibus: Paper-Folding for Everyone. Tokyo: Japan Publications, pp. 218-221 and 231, 1988.Kasahara, K. and Takahama, T. Origami for the Connoisseur. Tokyo: Japan Publications, 1987.Kraeuter, C. "Public Art: A Feast for the Eyes or an Ugly Eyesore?" San Francisco Business Times, Aug. 23, 1999. http://www.bizjournals.com/sanfrancisco/stories/1999/08/23/focus2.html.Maeder, R. E. "23: Dodecahedron." 1997. https://www.mathconsult.ch/static/unipoly/23.html.Nath, A. "Potins d'Uranie: L'éclipse de Perry." Orion, 57/3, 22, 1999.Schuur, W. A. "Pentagonale Dodecaeder." http://home.wxs.nl/~wschuur/dcaeder.htm.Sloane, N. J. A. Sequence A377787 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."Steinhaus, H. Mathematical Snapshots, 3rd ed. New York: Dover, pp. 195-199, 1999.Wells, D. The Penguin Dictionary of Curious and Interesting Geometry. London: Penguin, pp. 57-58, 1991.Wenninger, M. J. "The Dodecahedron." Model 5 in Polyhedron Models. Cambridge, England: Cambridge University Press, p. 19, 1989.

請引用本文為

Weisstein, Eric W. "正十二面體。" 摘自 Web 資源。 https://mathworld.tw/RegularDodecahedron.html

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