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欧拉多面体公式

1750
  • Leonhard Euler
Mathematician's desk with Euler's Polyhedron Formula and geometric tools, 18th century.

(图片仅供参考)

拓扑学和几何学中的一个基本定理指出,对于任何凸多面体,顶点数 (V)、边数 (E) 和面数 (F) 之间的关系式为 [latex]V ≡ E + F = 2[/latex]。该值 2 是球面的欧拉示性数,揭示了一种与多面体具体形状无关的深刻拓扑性质。

欧拉多面体公式 V = E + F = 2,建立了任意简单多面体(不自相交且无孔洞)的顶点、棱和面之间的显著关系。该公式意义重大,因为它是一个拓扑不变量,这意味着它取决于物体的基本形状,而不是其具体的几何属性,例如大小或角度。常数 2 被称为拓扑等价于球面的曲面的欧拉示性数。例如,立方体有 8 个顶点、12 条棱和 6 个面,因此 8 = 12 + 6 = 2。四面体有 4 个顶点、6 条棱和 4 个面,因此 4 = 4。 6 + 4 = 2[/latex]。

这个公式的证明可以用多种方法。一种直观的方法是将多面体“展平”到一个平面上。想象一下,去掉一个面,然后把剩下的结构拉伸开来。这样就形成了一个平面图。然后可以用归纳法证明这个平面图的公式。从一个三角形(顶点数为3,顶点边数为3,面数为1,加上外层区域作为一个面,所以面数为2,得到3-3+2=2)开始,可以证明,以保持平面结构的方式添加新的顶点或边,内部面的顶点数为3,面数为3,面数为3,面数为2,关系式为3-3+2=2。这个公式的发现归功于莱昂哈德·欧拉,时间是1750年,但有证据表明,勒内·笛卡尔在一个世纪前就发现了类似的结果,只是他的研究成果失传了。后来,L'Huilier 等人将该公式推广到有孔的多面体(环面),公式变为 [latex]V 'E + F = 2 '2g[/latex],其中 'g' 是亏格(孔的数量)。

这种概括将立体几何与更广泛的拓扑学领域联系起来,拓扑学研究在连续形变下保持不变的空间性质。欧拉示性数是代数拓扑中用于对曲面和高维流形进行分类的基本工具。它的应用远远超出纯数学领域,影响着计算机图形学等领域,在计算机图形学中,它有助于验证三维模型(网格)的完整性;在化学领域,它与富勒烯和其他复杂分子的结构相关。

UNESCO Nomenclature: 1204
- 几何学

类型

抽象系统

中断

基础

用法

广泛使用

前体

  • 欧几里得几何对多面体的研究
  • 图论和网络方面的早期工作
  • 勒内·笛卡尔关于多面体的遗失手稿(约1630年)

应用程序

  • 用于网格简化的计算机图形学
  • 网络设计与分析
  • 拓扑学和图论
  • 晶体学用于对晶体结构进行分类
  • 测地圆顶的建筑设计

专利:

NA

潜在创新理念

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相关概念:欧拉示性数、多面体、拓扑学、图论、顶点、边、面、立体几何。

历史背景

欧拉多面体公式

1635
1650
1736
1750
1763-12-23
1780
1805
150
1640
1650
1747
1758
1777
1799
1812

(如果日期未知或不相关,例如“流体力学”,则提供其显著出现的近似估计)

相关发明、创新和技术原理

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