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阿基米德立体


13 种阿基米德立体是凸多面体,它们具有相似的排列方式,由两种或多种不同类型的非相交凸多边形以相同的方式围绕每个顶点排列,且所有边都具有相同的长度(Cromwell 1997,第 91-92 页)。

阿基米德立体的特点是具有非常高的对称性,因此排除了属于二面体群对称性的立体(例如,规则棱柱和反棱柱的两个无限族),以及伸长正方双圆顶(因为该表面的对称性破缺扭曲允许区分“靠近赤道”的顶点和“在极地区域”的顶点;Cromwell 1997,第 92 页)。阿基米德立体有时也被称为半正多面体

ArchimedeanSolids

阿基米德立体如上图所示。

ArchimedeanSolidNets

阿基米德立体的网格如上图所示。

下表列出了阿基米德立体的均匀、Schläfli、Wythoff 以及 Cundy 和 Rollett 符号(Wenninger 1989,第 9 页)。

下表给出了阿基米德立体的顶点数 v、边数 e 和面数 f,以及 n 边形面的数量 f_n。排序后的边数分别为 18、24、36、36、48、60、60、72、90、90、120、150、180 (OEIS A092536),面数分别为 8、14、14、14、26、26、32、32、32、38、62、62、92 (OEIS A092537),顶点数分别为 12、12、24、24、24、24、30、48、60、60、60、60、120 (OEIS A092538)。

TruncationCube
TruncationIcosahedron
TruncationTetrahedron

13 种阿基米德立体中的七种(截半立方体截半二十面体截角立方体截角十二面体截角八面体截角二十面体截角四面体)可以通过截角柏拉图立体获得。产生这七种阿基米德立体的三个截角系列如上图所示。

另外两种立体(小斜方二十-十二面体小斜方截半立方八面体)可以通过膨胀柏拉图立体获得,另外两种立体(大斜方二十-十二面体大斜方截半立方八面体)可以通过膨胀前 9 种阿基米德立体之一获得(Stott 1910;Ball 和 Coxeter 1987,第 139-140 页)。有时有人指出(例如,Wells 1991,第 8 页)这四种立体可以通过截角其他立体获得。这种混淆源于开普勒本人,他将 “截角二十-十二面体” 和 “截角截半立方八面体” 分别用于大斜方二十-十二面体大斜方截半立方八面体。然而,仅靠截角无法产生这些立体,必须与扭曲相结合,将产生的矩形变成正方形(Ball 和 Coxeter 1987,第 137-138 页;Cromwell 1997,第 81 页)。

剩下的两种立体,扭棱立方体扭棱十二面体,可以通过将立方体十二面体的面向外移动,同时给每个面一个扭曲来获得。然后,所得空间用等边三角形的带状物填充(Wells 1991,第 8 页)。

Pugh(1976,第 25 页)指出,阿基米德立体都能够被正四面体外接,使得它们的四个面位于该四面体的面上。

阿基米德立体满足

 (2pi-sigma)V=4pi,
(1)

其中 sigma 是顶点处面角的总和,V 是顶点数(Steinitz 和 Rademacher 1934,Ball 和 Coxeter 1987)。

设循环序列 S=(p_1,p_2,...,p_q) 表示围绕顶点的面的度数(即,S 是围绕任何顶点的所有多边形的边数列表)。那么阿基米德立体的定义要求该序列对于每个顶点都必须相同,在旋转反射的范围内。Walsh (1972) 证明 S 表示半正凸多面体或平面镶嵌的每个顶点周围的面的度数,当且仅当

1. q>=3S 的每个成员都至少为 3,

2. sum_(i=1)^(q)1/(p_i)>=1/2q-1,在平面镶嵌的情况下等号成立,并且

3. 对于每个奇数 p in SS 包含一个子序列 (b, p, b)。

条件 (1) 简单地说明该图形由两个或多个多边形组成,每个多边形至少有三条边。条件 (2) 要求顶点处的内角和必须等于一个完整的旋转,图形才能位于平面中;对于凸立体,则必须小于一个完整的旋转。

枚举半正多面体的常用方法是使用几类论证消除条件 (1) 和 (2) 的解,然后证明剩下的解实际上是半正的(Kepler 1864,第 116-126 页;Catalan 1865,第 25-32 页;Coxeter 1940,第 394 页;Coxeter et al. 1954;Lines 1965,第 202-203 页;Walsh 1972)。下表给出了所有可能的正多面体和半正多面体以及镶嵌。在表中,“P” 表示柏拉图立体,“M” 表示棱柱反棱柱,“A” 表示阿基米德立体,“T” 表示平面镶嵌。

Sfg.立体Schläfli 符号
(3, 3, 3)P四面体{3,3}
(3, 4, 4)M三角棱柱t{2,3}
(3, 6, 6)A截角四面体t{3,3}
(3, 8, 8)A截角立方体t{4,3}
(3, 10, 10)A截角十二面体t{5,3}
(3, 12, 12)T镶嵌t{6,3}
(4, 4, n)Mn 边形棱柱t{2,n}
(4, 4, 4)P立方体{4,3}
(4, 6, 6)A截角八面体t{3,4}
(4, 6, 8)A大斜方截半立方八面体t{3; 4}
(4, 6, 10)A大斜方二十-十二面体t{3; 5}
(4, 6, 12)T镶嵌t{3; 6}
(4, 8, 8)T镶嵌t{4,4}
(5, 5, 5)P十二面体{5,3}
(5, 6, 6)A截角二十面体t{3,5}
(6, 6, 6)T镶嵌{6,3}
(3, 3, 3, n)Mn 边形反棱柱s{2; n}
(3, 3, 3, 3)P八面体{3,4}
(3, 4, 3, 4)A截半立方体{3; 4}
(3, 5, 3, 5)A截半二十面体{3; 5}
(3, 6, 3, 6)T镶嵌{3; 6}
(3, 4, 4, 4)A小斜方截半立方八面体r{3; 4}
(3, 4, 5, 4)A小斜方二十-十二面体r{3; 5}
(3, 4, 6, 4)T镶嵌r{3; 6}
(4, 4, 4, 4)T镶嵌{4,4}
(3, 3, 3, 3, 3)P二十面体{3,5}
(3, 3, 3, 3, 4)A扭棱立方体s{3; 4}
(3, 3, 3, 3, 5)A扭棱十二面体s{3; 5}
(3, 3, 3, 3, 6)T镶嵌s{3; 6}
(3, 3, 3, 4, 4)T镶嵌--
(3, 3, 4, 3, 4)T镶嵌s{4; 4}
(3, 3, 3, 3, 3, 3)T镶嵌{3,6}

如上表所示,恰好有 13 种阿基米德立体(Walsh 1972,Ball 和 Coxeter 1987)。它们被称为截半立方体大斜方二十-十二面体大斜方截半立方八面体截半二十面体小斜方二十-十二面体小斜方截半立方八面体扭棱立方体扭棱十二面体截角立方体截角十二面体截角二十面体(足球)、截角八面体截角四面体

r_d 为对偶多面体的内半径(对应于内切球,内切球与对偶立体的面相切),rho=rho_d 为多面体及其对偶的中间半径(对应于中切球,中切球与多面体及其对偶的边都相切),R 为阿基米德立体的外接球半径(对应于立体的外接球,外接球与立体的顶点相切),a 为立体的边长。由于外接球内切球彼此对偶,它们遵循以下关系

 Rr_d=rho^2
(2)

(Cundy 和 Rollett 1989,第 144 页之后的表 II)。此外,

R=1/2(r_d+sqrt(r_d^2+a^2))
(3)
=sqrt(rho^2+1/4a^2)
(4)
r_d=(rho^2)/(sqrt(rho^2+1/4a^2))
(5)
=(R^2-1/4a^2)/R
(6)
rho=1/2sqrt(2)sqrt(r_d^2+r_dsqrt(r_d^2+a^2))
(7)
=sqrt(R^2-1/4a^2).
(8)

下表给出了边长为单位长度的阿基米德立体的 rrhoR 的解析值和数值(Coxeter et al. 1954;Cundy 和 Rollett 1989,第 144 页之后的表 II)。Hume (1986) 给出了阿基米德立体的二面角的近似表达式(以及其对偶的精确表达式)。

*这些立体的外接球半径的复杂解析表达式在扭棱立方体扭棱十二面体的条目中给出。

n立体rrhoR
1截半立方体0.750.866031
2大斜方二十-十二面体3.736653.769383.80239
3大斜方截半立方八面体2.209742.263032.31761
4截半二十面体1.463531.538841.61803
5小斜方二十-十二面体2.120992.176252.23295
6小斜方截半立方八面体1.220261.306561.39897
7扭棱立方体1.157631.247191.34371
8扭棱十二面体2.039692.096882.15583
9截角立方体1.638281.707111.77882
10截角十二面体2.885262.927052.96945
11截角二十面体2.377132.427052.47802
12截角八面体1.423021.51.58114
13截角四面体0.959401.060661.17260

阿基米德立体及其对偶都是规范多面体。由于阿基米德立体是凸的,因此每个阿基米德立体的凸包就是该立体本身。


另请参阅

阿基米德对偶, 阿基米德立体星状体, 卡塔兰立体, 三角面多面体, 等面体, 约翰逊立体, 开普勒-泊松多面体, 柏拉图立体, 拟正则多面体, 半正多面体, 均匀多面体, 均匀镶嵌

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参考文献

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在 Wolfram|Alpha 上被引用

阿基米德立体

请引用为

Weisstein, Eric W. "阿基米德立体。" 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/ArchimedeanSolid.html

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