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正十二面体


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正十二面体,通常简称为“十二面体”,是柏拉图立体,由 20 个多面体顶点、30 条多面体边和 12 个五边形组成,12{5}。上面展示了它的图形,以及线框版本和一个可用于其构造的网格

正十二面体也是 Maeder 索引为 23 (Maeder 1997)、Wenninger 索引为 5 (Wenninger 1989)、Coxeter 索引为 26 (Coxeter et al. 1954) 和 Har'El 索引为 28 (Har'El 1993) 的均匀多面体。它由施莱夫利符号 {5,3}Wythoff 符号 3|25 表示。

DodecahedronProjections

上面展示了正十二面体的若干对称投影。

正十二面体在 Wolfram 语言 中实现为Dodecahedron[] 或UniformPolyhedron["Dodecahedron"],预计算属性可作为PolyhedronData["Dodecahedron"].

正十二面体有 43380 个不同的网格,与二十面体的数量相同 (Bouzette 和 Vandamme, Hippenmeyer 1979, Buekenhout 和 Parker 1998)。可以使用波利亚枚举定理来解决正十二面体的多面体着色问题。

Origami dodecahedron

上图显示了一个折纸正十二面体,它由六个十二面体单元构成,每个单元由一张纸组成 (Kasahara 和 Takahama 1987, pp. 86-87)。

在埃舍尔 1943 年的石版画“爬行动物”中,十二面体作为鳄鱼状蜥蜴正在攀登的楼梯的一部分出现 (Bool et al. 1982, p. 284; Forty 2003, Plate 32)。两个十二面体也作为多面体“星形”出现在 M. C. 埃舍尔 1948 年的木刻版画“星星”中 (Forty 2003, Plate 43)。在 1997 年电影超时空接触中,运送艾莉·艾洛维 (朱迪·福斯特饰) 穿过虫洞网络的 IPV 舱被封闭在一个十二面体框架中。

Charles Perry's Eclipse sculpture

旧金山凯悦酒店展示了一个 40 英尺高的雕塑 (Nath 1999),名为 Eclipse。它由查尔斯·佩里建造,由 1440 块阳极氧化铝管组成,历时四个月组装完成 (Kraeuter 1999)。分层雕塑从正十二面体开始,但每个面然后向外旋转。在旋转的中点,它形成一个截半二十面体。然后,随着 12 个五边形继续向外旋转,它形成一个小斜方截半二十面体

希腊人已知十二面体,在欧洲的许多考古发掘中发现了 90 个带有旋钮顶点的十二面体模型,其年代可追溯到高卢罗马时期,地点从军营到公共浴室再到宝箱 (Schuur)。

DodecahedralGraph

十二面体具有二十面体群 I_h 的对称性。顶点的连通性由十二面体图给出。有三个十二面体星状体

DodecahedronConvexHulls

正十二面体是凸包,包含 立方体 5-复合体二角十二面体、第三十二面体星状体外壳、大二角截半二十面体大菱形三十面体大星形十二面体菱形六十面体小二角截半二十面体四面体 5-复合体四面体 10-复合体

DodecahedronAndDual
dodinico
icoindod

单位边长十二面体的对偶多面体是边长为 phi二十面体,其中 phi黄金比例。因此,二十面体面的中心形成一个十二面体,反之亦然 (Steinhaus 1999, pp. 199-201)。

DodecahedronHexagon
DodecahedronDecagon

一个平面垂直于十二面体的 C_3 轴,切开固体形成一个正六边形横截面 (Holden 1991, p. 27)。一个平面垂直于十二面体的 C_5 轴,切开固体形成一个正十边形横截面 (Holden 1991, p. 24)。

DodecahedronCube
DodecahedronGolden

可以从十二面体的顶点中每次取八个来构建一个立方体 (左上图;Steinhaus 1999, pp. 198-199; Wells 1991)。可以构造五个这样的立方体,形成立方体 5-复合体。此外,连接面的中心会得到三个相互垂直黄金矩形 (右图;Wells 1991)。

RhombicTriacontDodec

菱形三十面体面的短对角线给出了十二面体的边 (Steinhaus 1999, pp. 209-210)。

下表给出了可以通过给定高度 h 的棱锥增广十二面体而构造的多面体。

当边长为 sqrt(10-2sqrt(5)) 的十二面体定向为两个相对的面平行于 xy-平面时,顶部和底部面的顶点位于 z=+/-(phi+1),而其他多面体顶点位于 z=+/-(phi-1),其中 phi黄金比例。显式坐标为

 +/-(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黄金比例

Dodecahedron8Projection
Dodecahedron8
Dodecahedron8Tilted

八个十二面体可以放置在一个闭环中,如上图所示 (Kabai 2002, pp. 177-178)。

边长为 a=sqrt(5)-1 的十二面体的多面体顶点可以以简单形式给出,即 (0, +/-phi^(-1), +/-phi)、(+/-phi, 0, +/-phi^(-1))、(+/-phi^(-1), +/-phi, 0) 和 (+/-1, +/-1, +/-1)。

PentagonApothem

对于单位边长 a=1 的十二面体,外接圆半径 R^'内切圆半径 r^'五边形

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

矢高 x 由下式给出

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

现在考虑下图。

DodecahedronTrig

在图中,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) 可以写成

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

同时解方程 (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)

正十二面体的内切圆半径由下式给出

 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)

现在,

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

所以外接圆半径

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

中半径由下式给出

 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)

单位正十二面体的Dehn 不变量

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

(OEIS A377787),其中第一个表达式使用 Conway et al. (1999) 的基。

单个面积是单位边长五边形面积

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

因此表面积是此值的 12 倍,即

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

可以通过对 12 个组成五角锥体的体积求和来计算十二面体的体积

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

阿波罗尼奥斯证明,对于具有相同内切圆半径二十面体和十二面体,

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

其中 V 是体积,A表面积,实际比率为

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

另请参阅

增广十二面体增广截角十二面体开罗镶嵌截半立方八面体三角六十面体十二边形十二面体 2-复合体十二面体 5-复合体十二面体 6-复合体十二面体-二十面体复合体十二面体-小三方偏方面体二十面体复合体十二面体星状体伸长十二面体大十二面体大星形十二面体双曲十二面体二十面体双增广十二面体双增广截角十二面体邻增广十二面体邻增广截角十二面体多面体着色五角十二面体菱形十二面体菱形三十面体小星形十二面体星状化三四面体三增广十二面体三增广截角十二面体三角十二面体三角函数值--pi/5截角十二面体截角四面体

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参考文献

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.

请引用本文为

Weisstein, Eric W. "正十二面体。" 摘自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/RegularDodecahedron.html

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