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二十面体

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二十面体
部分的二十面体
正二十面体
正二十面体
正九角反棱柱
正九角反棱柱
正三角台塔反角柱
正三角台塔反角柱
同相双三角台塔柱
同相双三角台塔柱
大二十面体
大二十面体
完全星形二十面体
完全星形二十面体

几何学中,二十面体icosahedron)是指具有二十个面的多面体。在三维欧几里得空间中有两种二十面体是正多面体,分别为凸正二十面体大二十面体。除此之外,亦有许多二十面体是等面或等角的,例如十方偏方面体(等面),也有的二十面体所有的面都是正多边形,例如正十八角柱九角反棱柱正三角台塔反角柱同相英语Elongated triangular orthobicupola异相双三角台塔柱英语Elongated triangular gyrobicupola等。也有些二十面体是半正多面体(同时具备等角且组成面为正多边形的立体称为半正多面体),例如正十八角柱正九角反棱柱

正二十面体

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两种正二十面体

正二十面体

大二十面体

所有二十面体中,有两种为正多面体。一种为凸多面体,另一种为非凸多面体。这两种立体都具有30条边和20个三角形面,以每个顶点为5个三角形的公共顶点交在12个顶点上。两者皆具有二十面体群对称性。词汇“正二十面体”通常表达的是凸的正二十面体,而非凸的正二十面体称为大二十面体[1][2]

凸正二十面体

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凸正二十面体通常简称为正二十面体,是五个帕雷托立体之一,其在施莱夫利符号中可以用{3, 5}来表示,其共有20个三角形面,且每个顶点都是5个正三角形的公共顶点[2],并且这些面在顶点周围以正五边形的排列方式进行排列,换言之即凸正二十面体的顶点图为正五边形。[3]

凸正二十面体的对偶多面体是凸正十二面体[2],施莱夫利符号{5, 3}包含了12个正五边形面,每个顶点都是3个正五边形的公共顶点。[4]

大二十面体

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大二十面体是四个开普勒-庞索立体之一,其在施莱夫利符号中可以用{3, 5/2}来表示,与凸的正二十面体有相同的面数、边数和顶点数,差别在于顶点图的不同:大二十面体的顶点图是五角星而非五边形,导致其成为自相交的多面体。[1]

大二十面体的对偶多面体为大星形十二面体[1],施莱夫利符号{5/2, 3}包含了12个正五角星面,每个顶点都是3个正五角星的公共顶点。[5]

星形二十面体

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多面体的星形化是指把多面体的面和边沿伸直到向外相交成星形的立体。这个过程是对称地完成的,以便生成保留了与原像相同的整体对称性。[6]

在书籍《五十九种二十面体》,考克斯特等人列出了58种正二十面体的星形化体。[7]其中,许多星形二十面体的组成面都是单一面(即没有同一个面包含分离区域的情况),因此这类立体也属于二十面体。例如大二十面体就属于这种立体。其他的星形二十面体有在同一个面中包含了分离区域的情况,因此可以将这些部分分离成结构更简单的多面体,故虽然这些立体称为二十面体,但它们不是严格的二十面体。

著名的星形二十面体
凸正 均匀对偶 正复合 星形正 其他
(凸)正二十面体 小三角六边形二十面体 内侧三角六边形二十面体 大三角六边形二十面体 五复合正八面体 五复合正四面体 十复合正四面体 大二十面体 凹五角锥十二面体 完全星形二十面体
正二十面体在星形化的过程中产生了些许二十面体对称性的复合多面体

其他常见的二十面体

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五角十二面体对称性的二十面体

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五角十二面体对称性的二十面体

正二十面体可以被形变或标记(在面上著上不同颜色或标上不同标记并将不同颜色或标记的面视为相异以表示不同的对称性)为较低的五角十二面体对称性[8],这个立体又称扭棱八面体(考克斯特扭棱)、扭棱四面体康威扭棱)或伪二十面体。其也可以视为交错截角八面体。如果所有三角形都是正三角形,那么也可以透过对8和12个三角形的三角形组著上不同颜色以将其视为相异来区分对称性。

耶森二十面体

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与之类似的十二面体还有耶森二十面体。耶森二十面体同样拥有与正二十面体相同的面数、边数、顶点数,但其面的形状、二面角和连接方式略有不同。[9]


耶森二十面体

正二十面体(左)与耶森二十面体(右)的差异

十八角柱

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正十八角柱

十八角柱是一种底面十八边形柱体,是二十面体的一种,其由20个面、36个顶点和54个边组成。正十八角柱代表每个面都是正多边形的十八角柱,其每个顶点都是2个正方形和1个十八边形的公共顶点,顶点图表示,在施莱夫利符号中可以利用{18}×{} 或 t{2, 18}来表示;在考克斯特—迪肯符号英语Coxeter-Dynkin diagram中可以利用node_1 1x 8 node 2 node_1 来表示;在威佐夫符号英语Wythoff symbol中可以利用2 18 | 2来表示;在康威多面体表示法中可以利用P18来表示。若正十八角柱底面边长为、高为,则其体积和表面积[10]

十九角锥

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十九角锥

十九角锥是一种底面十九边形锥体,是二十面体的一种,其具有20个面、38条边和20个顶点,其对偶多面体是自己本身[11]。正十九角锥是一种底面为正十九边形的十九角锥。若十九角锥的底面之边长为、高为则这个正十九角锥的体积和表面积[11]

菱形二十面体

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菱形二十面体

菱形二十面体是一个由20个全等菱形所组成的环带多面体。其可以透过移除菱形三十面体的10个中间面来构成。虽然菱形二十面体的20个面皆全等,但其不满足面可递的特性,换句话说,即菱形二十面体存在一组两个面,这两个面透过将一个面经由若干旋转、平移和镜射整个立体将该面的位置变换到另外一个面的位置后,其面与附近的结构并不占有相同的空间区域。若菱形二十面体的边长为,则其体积和表面积[12]

六角丸塔

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正六角丸塔

六角丸塔是指以六边形为底的丸塔,是一种二十面体,由1个六边形面、1个十二边形面、6个五边形面和12个三角形面组成,共有20个面、42条边和24个顶点,其中六边形与十二边形互相平行,三角形与五边形交错地围绕轴分布在周围。

以正六边形为底的六角丸塔称为正六角丸塔,其仅有顶面和底面为正多边形,分别为顶面的正六边形和底面的正十二边形,侧面可能可以存在正三角形或存在正五边形,但有正三角形面时,五边形最多仅能是等边不等角的非正五边形;有正五边形面时,三角形会出现等腰三角形,故不属于约翰逊多面体。唯一属于约翰逊多面体的丸塔仅有正五角丸塔[13]

正六角丸塔的对称群为C6v英语Dihedral symmetry in three dimensions群,阶数为12阶。

九角反角柱

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正九角反角柱

九角反角柱是一种底面为九边形反角柱,由20个面、36条边和18个顶点组成。正九角反角柱代表每个面都是正多边形的九角反角柱,其每个顶点都是3个正三角形和1个正九边形的公共顶点,顶点图表示,在施莱夫利符号中可以用来表示[14]。边长为单位长的正九角反角柱体积为以下多项式的正实根,约为5.43974[14]

表面积为以下多项式的正实,约为20.1579[14]

双十角锥

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双十角锥

双十角锥是一种以十边形为基底的双锥体,是二十面体的一种,其可以视为两个十角锥底面对底面叠合成的立体,由20个面、30条边和12个顶点组成[15],对偶多面体为十角柱[15]

双十角锥在施莱夫利符号中可以用{ }+{10}来表示,在考克斯特符号中可以用node_f1 2 node_f1 10 node 来表示,在康威多面体表示法中可以用dP10来表示。

十方偏方面体

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十方偏方面体是一种以十边形为底的偏方面体,由20个全等的筝形组成,为十角反角柱的对偶多面体[16],同时也是筝形多面体,是偏方面体系列的第八个成员。所有十方偏方面体都有20个、40条和22个顶点[16],其中,顶点有两种,分别为10个筝形的公共顶点和3个筝形的公共顶点。

十方偏方面体是一个等面图形,即面可递多面体,其所有面都相等。更具体来说,其不仅所有面都全等,且面与面必须能在其对称性上传递,也就是说,面必须位于同一个对称性轨道内。这种凸多面体是能做成公正的骰子的形状[17],然而二十面骰通常以正二十面体居多[18]

十方偏方面体在施莱夫利符号中可以用{ }⨁{10}来表示,在考克斯特符号中可以用node_fh 2 node_fh 20 node node_fh 2 node_fh 10 node_fh 来表示,在康威多面体表示法中可以用dA10来表示。

部分星形均匀多面体具有20个面,分别为小立方立方八面体[19]大立方截半立方体[20]立方截角立方八面体[21]

约翰逊多面体

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以下是属于约翰逊多面体的二十面体:[22]

J22 J35 J36 J59 J60 J92

正三角台塔反角柱

同相双三角台塔柱英语Elongated triangular orthobicupola

异相双三角台塔柱英语Elongated triangular gyrobicupola

对二侧锥十二面体英语Parabiaugmented dodecahedron

间二侧锥十二面体英语Metabiaugmented dodecahedron

三角广底球状丸塔
16个三角形
3个正方形
 
1个六边形
8个三角形
12个正方形
8个三角形
12个正方形
10个三角形
 
10个五边形
10个三角形
 
10个五边形
13个三角形
3个正方形
3个五边形
1个六边形

二十面体列表

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名称 种类 图像 符号 顶点 χ 面的种类 对称性 展开图
正二十面体 正多面体 {3,5} 12 30 20 2 20个正三角形 Ih, H3, [5,3], (*532)
大二十面体 正多面体 {3,5/2} 12 30 20 2 20个正三角形 Ih, H3, [5,3], (*532)
十八角柱 棱柱体 t{2,18}
{18}x{}
node_1 2 node_1 18 node 
54 36 20 2 2个十八边形
18个矩形
D18h, [18,2], (*18 2 2)
十九角锥 棱锥体 ( )∨{19} 20 38 20 2 1个十九边形
19个三角形
C19v, [19], (*19 19)
九角反棱柱 反棱柱 s{2,18}
sr{2,9}
18 36 20 2 2个九边形
18个三角形
D6d, [2+,12], (2*6), 24阶
九角台塔 台塔 {9}||t{9} 27 45 20 2 9个三角形
9个正方形
1个九边形
1个十八边形
C9v, [1,9], (*99), 18阶
双十角锥 双锥体 { }+{10} 12 30 20 2 20个三角形 D10h, [10,2], (*10 2 2), 40阶
十方偏方面体 偏方面体 { }⨁{10}[23] 22 40 20 2 20个筝形 D10d, [2+,10], (2*10)
六角丸塔 丸塔 24 42 20 2 1个六边形顶面
1个十二边形底面
6个五边形侧面
12个三角形侧面
C6v英语Dihedral symmetry in three dimensions, [4], (*66), 12阶
双五角锥反角柱 双锥反柱体 12 30 20 2 20个三角形 D5d, [2+,10], (2*5), order 20

扭歪二十面体

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六角四片三角孔扭歪正二十面体是一个扭歪二十面体,其面向镜头的正六边形面已去除。其位于四维空间,图为四维到三维的施莱格尔投影。

扭歪二十面体是指面与顶点并不存在同一个三维空间(共面在四维空间的推广)而无法确定体积的二十面体,是一种扭歪多面体,所有的扭歪二十面体只能存于四维或以上的空间。例如有一种六维空间的扭歪二十面体。[24]

参见

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参考文献

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  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Weisstein, Eric W. (编). Great Icosahedron. at MathWorld--A Wolfram Web Resource. Wolfram Research, Inc. (英语). 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Weisstein, Eric W. (编). Regular Icosahedron. at MathWorld--A Wolfram Web Resource. Wolfram Research, Inc. (英语). 
  3. ^ Weisstein, Eric W. (编). Vertex Figure. at MathWorld--A Wolfram Web Resource. Wolfram Research, Inc. (英语). 
  4. ^ Weisstein, Eric W. (编). Regular Dodecahedron. at MathWorld--A Wolfram Web Resource. Wolfram Research, Inc. (英语). 
  5. ^ Weisstein, Eric W. (编). Great Stellated Dodecahedron. at MathWorld--A Wolfram Web Resource. Wolfram Research, Inc. (英语). 
  6. ^ Weisstein, Eric W. (编). Stellation. at MathWorld--A Wolfram Web Resource. Wolfram Research, Inc. (英语). 
  7. ^ Coxeter, H.S.M. and DuVal, P. and Flather, H.T. and Petrie, J.F. The Fifty-Nine Icosahedra. Springer New York. 2012 [2022-08-29]. ISBN 9781461382164. (原始内容存档于2022-08-29). 
  8. ^ John Baez. Fool's Gold. September 11, 2011 [2022-08-29]. (原始内容存档于2018-05-19). 
  9. ^ Jessen, Børge. Orthogonal icosahedra. Nordisk Matematisk Tidskrift. 1967, 15 (2): 90–96. JSTOR 24524998. MR 0226494. 
  10. ^ Wolfram, Stephen. "Octadecagonal prism". from Wolfram Alpha: Computational Knowledge Engine, Wolfram Research (英语). 
  11. ^ 11.0 11.1 Wolfram, Stephen. "Enneadecagon pyramid". from Wolfram Alpha: Computational Knowledge Engine, Wolfram Research (英语). 
  12. ^ Weisstein, Eric W. (编). RhombicIcosahedron. at MathWorld--A Wolfram Web Resource. Wolfram Research, Inc. (英语). 
  13. ^ Johnson, Norman W.英语Norman Johnson (mathematician), Convex polyhedra with regular faces, Canadian Journal of Mathematics英语Canadian Journal of Mathematics, 1966, 18: 169–200, MR 0185507, Zbl 0132.14603, doi:10.4153/cjm-1966-021-8 .
  14. ^ 14.0 14.1 14.2 Wolfram, Stephen. "equilateral nonagonal antiprism". from Wolfram Alpha: Computational Knowledge Engine, Wolfram Research (英语). 
  15. ^ 15.0 15.1 David I. McCooey. Simplest Canonical Polyhedron with D10h Symmetry: Enneagonal Dipyramid. [2022-09-14]. (原始内容存档于2021-09-24). 
  16. ^ 16.0 16.1 Wolfram, Stephen. "10-trapezohedron". from Wolfram Alpha: Computational Knowledge Engine, Wolfram Research (英语). 
  17. ^ McLean, K. Robin, Dungeons, dragons, and dice, The Mathematical Gazette, 1990, 74 (469): 243–256, JSTOR 3619822, doi:10.2307/3619822 .
  18. ^ Cromwell, Peter R. "Polyhedra" (1997) Page 327.
  19. ^ David I. McCooey. Self-Intersecting Quasi-Quasi-Regular Polyhedra: Small Cubicuboctahedron. (原始内容存档于2016-03-24). 
  20. ^ David I. McCooey. Self-Intersecting Quasi-Quasi-Regular Polyhedra: Great Cubicuboctahedron. [2016-09-01]. (原始内容存档于2016-03-24). 
  21. ^ David I. McCooey. Self-Intersecting Truncated Quasi-Regular Polyhedra: Cubitruncated Cuboctahedron. [2022-08-29]. (原始内容存档于2022-02-14). 
  22. ^ Weisstein, Eric W. (编). Icosahedron. at MathWorld--A Wolfram Web Resource. Wolfram Research, Inc. (英语). .
  23. ^ Johnson, N.W. Chapter 11: Finite symmetry groups. Geometries and Transformations. 2018. 11.3 Pyramids, Prisms, and Antiprisms, Figure 11.3c. ISBN 978-1-107-10340-5. 
  24. ^ Weisstein, Eric W. (编). Skew Icosahedron. at MathWorld--A Wolfram Web Resource. Wolfram Research, Inc. (英语).