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怎么数多面体的顶点(怎么算多面体的棱)

来源:原点资讯(www.yd166.com)时间:2023-11-13 00:20:15作者:YD166手机阅读>>

与上面的例4中的环面相类似,在这个图中也可以找到两个闭路:一个是像图中(abc)那样的横截环面的闭路,另一个是像图中(defg)那样的环绕孔洞的闭路,这两个闭路围成的面,每一个都不与任何已经计数的面构成闭面,所以,根据前面的第(8)条规定,这两个闭路围成的面,一定要计数作为图形中的两个面。

这样,图中连通点集数 S=1,点数V=12 ,线数 E=24,面数 F=12 2=14,体数C=1 ,所以

S-V E-F C=1-12 24-14 1=0。

推广的欧拉公式——有界图形计数公式显然成立。

例6 退化环面(孔洞退缩为一个点的“救生圈”)

怎么数多面体的顶点,怎么算多面体的棱(9)

点:A,B,C。

线:a(AB),b(AB),c(BC),d(BC),e(AC),f(AC)。

面:α(ace),β(bde),γ(acf),δ(bdf)。

体:Ω(αβγδ)。

照上面这样计算,图中通点集数S=1 ,点数V=3 ,线数 E=6,面数 F=4,体数C=1 ,推广的欧拉公式——有界图形计数公式似乎不成立:

S-V E-F C=1-3 6-4 1=1。

但是,图中有一个闭路(ab),不与任何已经计数的面构成闭面,所以,根据前面的第(8)条规定,这个闭路围成的面ε(ab) ,一定要计数作为图形中的一个面。这样,图中的面数就变成了F=4 1=5 。

增加这个面以后,图中其他的闭路围成的面,都可以与已经计数的面构成闭面:

(cd)=(ab)(ace)(bde),(ef)=(ace)(acf) 。

所以,图中用不着根据第(8)条规定再增加其他的面了。

这时

S-V E-F C=1-3 6-5 1=0。

推广的欧拉公式——有界图形计数公式显然成立。

例7 Klein瓶(如下图,一个瓶子的瓶口弯曲插入瓶中,与瓶底连接)

怎么数多面体的顶点,怎么算多面体的棱(10)

Klein瓶是一个单侧曲面,没有“内部”和“外部”之分,所以,它其实并不能把任何一个空间部分封闭在它的内部,但是,它是一个闭面,图中又没有其他已经计数的体,所以,根据前面的第(11)条规定,可以而且必须认为这个Klein瓶“围成”了一个体。

点:A,B。

线:a(AB),b(AB),c(AB),d(AB)。

面:α(acad),β(bcbd)。

体:Ω(αβ)。

照上面这样计算,图中通点集数S=1,点数 V=2 ,线数 E=4,面数F=2 ,体数C=1 ,推广的欧拉公式——有界图形计数公式似乎不成立:

S-V E-F C=1-2 4-2 1=2。

但是,图中有两个闭路(ab) 和 (ac),这两个闭路围成的面,每一个都不与任何已经计数的面构成闭面,所以,根据前面的第(8)条规定,这两个闭路围成的面:γ(ab)和δ(ac) ,一定要计数作为图形中的两个面。这样,图中的面数就变成了 F=2 2=4 。

增加这两个面以后,图中其他的闭路围成的面,都可以与已经计数的面构成闭面:

(bc)=(ab)(ac),(bd)=(ab)(ac)(bcbd),(ad)=(acad),

所以,图中用不着根据第(8)条规定再增加其他的面了。

这时

S-V E-F C=1-2 4-4 1=0。

推广的欧拉公式——有界图形计数公式显然成立。

例8 带一个“交叉帽”的球面(将一条Möbius 带的边缘,与一个圆面的边缘粘贴起来,构成的一个闭面)

怎么数多面体的顶点,怎么算多面体的棱(11)

它也是一个单侧曲面,没有“内部”和“外部”之分,所以,它其实并不能把任何一个空间部分封闭在它的内部,但是,它是一个闭面,图中又没有其他已经计数的体,所以,根据前面的第(11)条规定,可以而且必须认为它“围成”了一个体。

点:A,B,C,D,E,F。

线:a(AD),b(AB),c(AC),d(AE),e(BF),f(DF),g(EF),h(CF),i(BC),j(DE)。

面:α(abef),β(cdgh),γ(bci),δ(adj),ε(geihfj)。

体:Ω(αβγδε)。

照上面这样计算,图中通点集数S=1 ,点数 V=6 ,线数 E=10,面数 F=5,体数C=1 ,推广的欧拉公式——有界图形计数公式似乎不成立:

S-V E-F C=1-6 10-5 1=1。

但是,图中有一个闭路(ehi) ,这个闭路围成的面,不与任何已经计数的面构成闭面,所以,根据前面的第(8)条规定,这个闭路围成的面η(ehi) ,一定要计数作为图形中的一个面。这样,图中的面数就变成了 F=5 1=6 。

增加这个面以后,图中其他的闭路围成的面,都可以与已经计数的面构成闭面:

(fgj)=(ehi)(geihfj),(bdge)=(bci)(ehi)(cdgh),(achf)=(bci)(ehi)(abef),(abihf)=(abef)(ehi),(cdjfh)=(cdgh)(ehi)(geihfj),

所以,图中用不着根据第(8)条规定再增加其他的面了。

这时

S-V E-F C=1-6 10-6 1=0。

推广的欧拉公式——有界图形计数公式显然成立。

推广的欧拉公式——图形计数公式的证明

证(1)设图中只有点,没有线、面、体。

设图中连通点集数为 S,点数为V 。由于图中没有线,图中任何两点都是不连通的,图中有几个点就有几个连通点集,显然有 S-V=0 ,公式成立。

(2)设图中只有点、线,没有面、体。

当图中线数为 0 时,就是只有点,没有线、面、体的情形,上面(1)中已经证得公式成立。

设已知图中线数为某个非负整数 k 时,公式成立。下面看图中线数为 K 1 时的情形。

从K 1 条线中任意取一条线,设它是 a 。

首先,如果这条线没有端点,或者这条线的两个端点是同一个点,那么这条线自身必定是一个闭路,而且这个闭路围成的面不与任何已经计数的面构成闭面,按照前面的第(8)条规定,必须将它计数作为图中的一个面,但是已知图中没有面,这就发生矛盾,可见这种情形是不可能的。

因此,这条线必定有两个不同的端点,设这两个端点是A,B 。将线 a 从图中删除。这时,原来连通的 A,B 两点,删除线 a 后必定变成不连通,因为如果删除 a 后A,B 仍然连通,则图中必有一组线,这组线的端点再加上A,B 两点所组成的集合中,每个点都出现偶数次。换句话说,这组线再加上线 a ,是一个闭路,而且这个闭路围成的面不与任何已经计数的面构成闭面,按照前面的第(8)条规定,必须将它计数作为图中的一个面,但是已知图中没有面,这就发生矛盾,可见删除 a 后 A,B 仍连通的情形是不可能的。删除 a 后连通变成不连通,说明线数减少 1 后,连通点集数会增加 1 。

设在删除 a 以后,线数为 k 的图中,连通点集数为S' ,点数为 V',线数为E' ,根据归纳假设,这时公式成立,有

S'-E' F'=0。

又设在未删除 a 以前,线数为k 1 的图中,连通点集数为 S,点数为 V,线数为E 。因为连通点集数S=S'-1 ,线数E=E' 1 ,所以有

S-V E=(S'-1)-V' (E' 1)=S'-V' E'=0,

可见, k 1时公式也成立。

所以,对图中线数为任何非负整数的情形,公式都成立。

(3)设图中只有点、线、面,没有体。

当图中面数为 0 时,就是只有点、线,没有面、体的情形,上面(2)中已经证得公式成立。

设已知图中面数为某个非负整数k 时,公式成立。下面看图中面数为k 1 的情形。

从 k 1 个面中任意取一个面,设它是 α。

如果围成 α 的闭路是空集,或者在围成 α 的闭路中任何一条线都出现偶数次,那么 α 本身必定是一个闭面,而且这个闭面围成的体不与任何已经计数的体构成闭体,按照前面的第(11)条规定,必须将它计数作为图中的一个体,但是已知图中没有体,这就发生矛盾,可见这种情形是不可能的。

因此,在围成 α 的闭路中,必有一条线出现奇数次。设在围成 α 的闭路中,出现奇数次的线是 α ,除了 α 以外闭路中其余的线是b,c,···,z 。

从图中删除线 a 和面 α 。

从图中删除 a 后,不会使 a 的两个端点从连通变成不连通,因为a 与 b,c,···,z 构成一个闭路,删除 a 后,由于存在b,c,···,z ,线 a 的两个端点显然仍是连通的。

从图中删除线 a 后,除了减少一个面 α 以外,图中其它的面都不会减少,因为如果其它的面用 a 作边线,删除 a 后,可以用 b,c,···,z 代替a ,使得围成其他面的闭路仍然是一个闭路。

设在删除 α 以后,面数为 k 的图中,连通点集数为 S',点数为 V',线数为E' ,面数为 F',根据归纳假设,这时公式成立,有

S'-V' E'-F'=0。

又设在未删除 α 以前,面数为 k 1 的图中,连通点集数为 S,点数为 V,线数为E ,面数为 F 。因为线数E=E' 1 ,面数F=F' 1 ,所以有

S-V E-F=S'-V' (E' 1)-(F' 1)

=S'-V' E'-F'=0,

可见,k 1 时公式也成立。

所以,对图中面数为任何非负整数的情形,公式都成立。

(4)设图中只有点、线、面、体,没有更高维数的几何对象。

当图中体数为 0 时,就是只有点、线、面,没有体的情形,上面(3)中已经证得公式成立。

设已知图中体数为某个非负整数k时,公式成立。下面看图中体数为 k 1 的情形。

从 k 1 个体中任意取一个体,设它是 Ω 。

如果围成 Ω 的闭面是空集,或者在这个闭面中任何一个面都出现偶数次,那么 Ω 本身必定是一个闭体,但是,由于图中没有更高维数的几何对象,所以按照前面的第(12)条规定,图中不允许出现闭体,这就发生矛盾,可见这种情形是不可能的。

因此,在围成 Ω 的闭面中,必有一个面只出现奇数次。设这个出现奇数次的面是 α ,除了 α 以外闭面中其余的面是β,γ,···,ω。

从图中删除面 α 和体Ω 。

从图中删除面α 后,除了减少一个体 Ω 以外,图中其它的体都不会减少,因为如果其它的体用α 作表面,删除 α 后,可以用β,γ,···,ω 代替 α ,使得围成其他体的闭面仍然是一个闭面。

设在删除 Ω 以后,体数为 k 的图中,连通点集数为S' ,点数为V' ,线数为E' ,面数为F' ,体数为C' ,根据归纳假设,这时公式成立,有

S'-V' E'-F' C'=0。

又设在未删除 Ω 以前,体数为k 1 的图中,连通点集数为S ,点数为 V,线数为 E,面数为F ,体数为 C 。因为面数F=F' 1 ,体数 C=C' 1 ,所以有

S-V E-F C=S'-V' E'-(F' 1) (C' 1)

=S'-V' E'-F' C'=0,

可见, k 1时公式也成立。

所以,对图中体数为任何非负整数的情形,公式都成立。

证毕。

上面这个证明,显然很容易推广到四维、五维、… ,以至任何n维有界图形的情形。

推广到任何 维后,有界图形计数公式——推广的欧拉公式可以表述如下:

怎么数多面体的顶点,怎么算多面体的棱(12)

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