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多面體

自然界的形體 (solids) 當然多得數不清,人類創造的形體則可以粗分兩大類: 多面體 (polyhedra) 和旋轉體。 形體都是有凸有凹的 (convex / concave),沒有特別聲明時, 多面體是指凸多面體 (convex polyhedra)。

Frusta 有規則的多面體,基本形式是錐體 (pyramids) 和柱狀體 (prismatoid)。 錐體有一個特殊的頂點,稱為 apex,其他頂點都落在同一平面上,那張平面稱為底面 (base),柱狀體則有互相平行的底面和頂面,所有頂點都落在這兩張平面上(而且都多於一點)。 利用截角 (truncation),可以從基本多面體創造新的多面體; 截角的意思是切掉一個頂點而產生新的面:

cut a vertex and create a new facet in place of the vertex
例如角錐臺 (frustum,複數 frusta) 是截掉角錐體的 apex 而得的多面體,如右圖。

由四邊形的面組成的六面體 (quadrilateral-faced hexahedra) 可能是最常見的柱狀物。除了立方體 (cube) 和長方體 (cuboid) 以外, 還有平行六面體 (parallelepipeds); 其中六邊等長(也就是六個面皆為菱形)的平行六面體,稱為 rhombohedron(菱面體)。

Wedge 三角柱(三稜鏡)是五面體 (pentahedron) 的基本形式, 將它的長方形的面變形為梯形之後,通稱為楔形 (wedge); 也就是楔形有兩個三角形的面,三個梯形的面,如右圖。

Wedges are pentahedra with two triangular and three trapezoidal faces.

正多面體 (regular polyhedron) 的定義是所有面皆為彼此全等的正多邊形:

the faces are congruent regular polygons
不像正多邊形可以有任意多邊,(凸)正多面體卻只有五種, 它們又稱為柏拉圖多面體 (Platonic solids): 正四面體 (tetrahedron)、立方體、正八面體 (octahedron)、正十二面體 (dodecahedron)、正二十面體 (icosahedron)。

Truncated Cube 把正多面體的定義放寬一點:每個面皆為正多邊形,但不要求彼此全等, 則稱為半正規多面體 (semiregular polyhedron),這樣就會多一些種類, 包括阿基米德多面體 (Archimedean solids)。 例如右圖是由截角立方體 (truncated cube) 得到的一種阿基米德多面體; 它的每個面都是正三角形或正八邊形。

關於形體的計算,無非就是算體積 (volume) 與表面積 (surface area); 基本形體都已經有體積與表面積的公式 (formula,複數是 formulas 或 formulae)。 錐體都有明顯的底面,柱狀體則要約定底面──確定了柱狀體的底面之後,它的頂面 (top) 也跟著確定了。 除了底面和頂面以外的所有面,都稱為側面 (lateral faces)。 所謂側面積 (lateral area) 就是側面的面積, 也就是扣除底面和頂面(如果有)的表面積。

[語音講解:polyhedron.mp3]

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Created: May 19, 2022
Last Revised: 08/10, 11/23
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