史特芬十四面體 是一種彈性多面體 ,由克勞斯·史特芬 於1978年發現[ 1] [ 2] :244-247 [ 3] 。這種多面體基於布里卡爾八面體 但沒有自相交的面 [ 4] 。這個多面體 一共有14個三角形 面 ,是最簡單的由非相交面 組成的彈性多面體 。[ 5] 其遵循強風箱猜想(strong bellows conjecture),這意味着其登不變量 在形變過程皆保持不變。[ 6]
性質
史特芬十四面體 由14個面 、21條邊 和9個頂點 組成。其6個面又可以分成2個子群:來自布里卡爾八面體 的6個三角形 組,以及將這些三角形組拼起來的另外兩個三角形。[ 7]
頂點座標
史特芬十四面體的頂點 座標 為:[ 8]
p
1
=
(
0
,
0
,
0
)
{\displaystyle p_{1}=\left(0,\,0,\,0\right)}
p
2
=
(
−
12
,
0
,
0
)
{\displaystyle p_{2}=\left(-12,\,0,\,0\right)}
p
3
=
(
1
24
,
−
17
287
24
,
0
)
{\displaystyle p_{3}=\left({\frac {1}{24}},\,-{\frac {17{\sqrt {287}}}{24}},\,0\right)}
p
4
=
(
x
,
r
cos
θ
,
r
sin
θ
)
{\displaystyle p_{4}=\left(x,\,r\cos \theta ,\,r\sin \theta \right)}
其中
x
{\displaystyle x}
與
r
{\displaystyle r}
可透過下列方程組 得出:[ 8]
{
‖
p
1
−
p
4
‖
2
=
25
‖
p
2
−
p
4
‖
2
=
100
{\displaystyle {\begin{cases}\left\|p_{1}-p_{4}\right\|^{2}=25\\\left\|p_{2}-p_{4}\right\|^{2}=100\end{cases}}}
p
5
{\displaystyle p_{5}}
、
p
6
{\displaystyle p_{6}}
、
p
7
{\displaystyle p_{7}}
皆是未知數,其可由下列方程組 得出:[ 8]
{
‖
p
5
−
p
4
‖
2
=
121
‖
p
5
−
p
2
‖
2
=
100
‖
p
6
−
p
4
‖
2
=
144
‖
p
6
−
p
1
‖
2
=
100
‖
p
7
−
p
2
‖
2
=
144
‖
p
7
−
p
3
‖
2
=
144
‖
p
5
−
p
6
‖
2
=
144
‖
p
6
−
p
7
‖
2
=
100
‖
p
7
−
p
5
‖
2
=
25
{\displaystyle {\begin{cases}\left\|p_{5}-p_{4}\right\|^{2}=121\\\left\|p_{5}-p_{2}\right\|^{2}=100\\\left\|p_{6}-p_{4}\right\|^{2}=144\\\left\|p_{6}-p_{1}\right\|^{2}=100\\\left\|p_{7}-p_{2}\right\|^{2}=144\\\left\|p_{7}-p_{3}\right\|^{2}=144\\\left\|p_{5}-p_{6}\right\|^{2}=144\\\left\|p_{6}-p_{7}\right\|^{2}=100\\\left\|p_{7}-p_{5}\right\|^{2}=25\end{cases}}}
p
8
{\displaystyle p_{8}}
、
p
9
{\displaystyle p_{9}}
亦是未知數,分別可由下列兩組方程組得出:[ 8]
{
‖
p
8
−
p
3
‖
2
=
100
‖
p
8
−
p
6
‖
2
=
144
‖
p
8
−
p
7
‖
2
=
25
{\displaystyle {\begin{cases}\left\|p_{8}-p_{3}\right\|^{2}=100\\\left\|p_{8}-p_{6}\right\|^{2}=144\\\left\|p_{8}-p_{7}\right\|^{2}=25\end{cases}}}
{
‖
p
9
−
p
1
‖
2
=
25
‖
p
9
−
p
3
‖
2
=
100
‖
p
9
−
p
6
‖
2
=
144
{\displaystyle {\begin{cases}\left\|p_{9}-p_{1}\right\|^{2}=25\\\left\|p_{9}-p_{3}\right\|^{2}=100\\\left\|p_{9}-p_{6}\right\|^{2}=144\end{cases}}}
構成史特芬十四面體的14個三角形分別為
△
p
1
p
2
p
3
{\displaystyle \triangle {p_{1}}{p_{2}}{p_{3}}}
、
△
p
7
p
3
p
2
{\displaystyle \triangle {p_{7}}{p_{3}}{p_{2}}}
、
△
p
1
p
4
p
2
{\displaystyle \triangle {p_{1}}{p_{4}}{p_{2}}}
、
△
p
2
p
4
p
5
{\displaystyle \triangle {p_{2}}{p_{4}}{p_{5}}}
、
△
p
2
p
5
p
7
{\displaystyle \triangle {p_{2}}{p_{5}}{p_{7}}}
、
△
p
1
p
6
p
4
{\displaystyle \triangle {p_{1}}{p_{6}}{p_{4}}}
、
△
p
4
p
6
p
5
{\displaystyle \triangle {p_{4}}{p_{6}}{p_{5}}}
、
△
p
5
p
6
p
7
{\displaystyle \triangle {p_{5}}{p_{6}}{p_{7}}}
、
△
p
6
p
8
p
7
{\displaystyle \triangle {p_{6}}{p_{8}}{p_{7}}}
、
△
p
6
p
9
p
8
{\displaystyle \triangle {p_{6}}{p_{9}}{p_{8}}}
、
△
p
1
p
9
p
6
{\displaystyle \triangle {p_{1}}{p_{9}}{p_{6}}}
、
△
p
3
p
7
p
8
{\displaystyle \triangle {p_{3}}{p_{7}}{p_{8}}}
、
△
p
3
p
8
p
9
{\displaystyle \triangle {p_{3}}{p_{8}}{p_{9}}}
、
△
p
1
p
3
p
9
{\displaystyle \triangle {p_{1}}{p_{3}}{p_{9}}}
。[ 8]
體積
根據風箱定理[ 9] ,多面體 的體積 必為多項式 的根,多項式的系數 僅取決於多面體的邊長。由於邊長不會隨着多面體的變形過程改變,因此體積必須保持在多項式 的有限個根之一,而不會連續變化[ 10] ,因此史特芬十四面體在不同的變化狀態下體積皆保持不變。以上述頂點座標描述的史特芬十四面體為例,雖然其有不少頂點是可變的值,其在所有變化狀態下的體積皆為定值,其值約為200.777立方單位。[ 8] :6
參見
參考文獻
^ Lijingjiao; et al. Optimizing the Steffen flexible polyhedron (PDF) . 2015 [2021-09-09 ] . (原始內容存檔 (PDF) 於2020-02-15).
^ Cromwell, P. R. Polyhedra . New York: Cambridge University Press. 1997. ISBN 978-0521664059 .
^ Mackenzie, Dana. Polyhedra can bend but not breathe. Science (American Association for the Advancement of Science). 1998, 279 (5357): 1637–1637.
^ Connelly, Robert, Flexing surfaces, Klarner, David A. (編), The Mathematical Gardner, Springer: 79–89, 1981, ISBN 978-1-4684-6688-1 , doi:10.1007/978-1-4684-6686-7_10 .
^ Demaine, Erik D.; O'Rourke, Joseph, 23.2 Flexible polyhedra, Geometric Folding Algorithms: Linkages, origami, polyhedra, Cambridge University Press, Cambridge: 345–348, 2007, ISBN 978-0-521-85757-4 , MR 2354878 , doi:10.1017/CBO9780511735172
^ Alexandrov, Victor, The Dehn invariants of the Bricard octahedra, Journal of Geometry, 2010, 99 (1-2): 1–13, MR 2823098 , arXiv:0901.2989 , doi:10.1007/s00022-011-0061-7 .
^ Fuchs, Dmitry; Tabachnikov, Serge, Mathematical Omnibus: Thirty lectures on classic mathematics , Providence, RI: American Mathematical Society: 354, 2007 [2021-09-09 ] , ISBN 978-0-8218-4316-1 , MR 2350979 , doi:10.1090/mbk/046 , (原始內容存檔 於2017-03-03) .
^ 8.0 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 Mark McClure. Steffen's polyhedron (PDF) . marksmath.org. [2021-09-09 ] . (原始內容存檔 (PDF) 於2021-10-06).
^ Gaĭfullin, A. A.; Ignashchenko, L. S., Dehn invariant and scissors congruence of flexible polyhedra, Trudy Matematicheskogo Instituta Imeni V. A. Steklova, 2018, 302 (Topologiya i Fizika): 143–160, ISBN 5-7846-0147-4 , MR 3894642 , doi:10.1134/S0371968518030068
^ Demaine, Erik D.; O'Rourke, Joseph, 23.2 Flexible polyhedra, Geometric Folding Algorithms: Linkages, origami, polyhedra, Cambridge University Press, Cambridge: 345–348, 2007, ISBN 978-0-521-85757-4 , MR 2354878 , doi:10.1017/CBO9780511735172
外部連結