一個長方體有8個點頂,12條棱,6個面。
若把頂點和面的數量相加,比棱的數量多2。
如果用分别用V,E,F表示一個多面體(要滿足一定的條件,在此不讨論),則有:
V-E F=2
這是歐拉定理。
用變與不變的思想來看歐拉定理,是說多面體是可以變化的,從而V,E,F都是可以變化的,但在變化的過程中,V-E F是一個不變量。
我們要讨論的問題的,一個平面上的、與歐拉定理相關的結論。
如下圖:
平面上有一些點,将這些點用線段連起來,可以得到一個圖,我們同樣讨論圖中的點、邊(線段)和面(封閉的區域)數。
以這個圖為例,有8個頂點,12條邊和5個面。
8 5-12=1
我們要來說明,一個這樣的圖,頂點數與面數的和,總是比邊數多1的。
(印象中一次全國性小學數學競賽中出過類似的題)
圖有無窮多種,情況非常複雜,如果能說明這個一般的結論也是正确的呢?
下面的說明也很機智。
對于任何一個圖,我們可以這樣做:
(1)通過添對角線的辦法,把每一個區域都變成三角形,如下圖:
容易發現,每添加這樣一條對角線,圖的頂點數沒有變,邊增加了一條,而一條邊把原來的一個面分成了兩個,也就是面也增加了一個。
這樣,頂點 面-邊的值就不會發生變化。
(2)我們現在要來減少三角形的個數。通過取掉一些邊達到目的。
如果一個三角形隻有一條邊在邊界上,就先取掉邊界上這條邊:
容易發現,少了一條邊,同時少了一個面。因此,頂點 面-邊的值不會發生變化。
我們再取掉一條:
同樣是減少一條邊和一個面。
這時,出現了一種三角形,它有兩條邊都在邊界上:
我們把這兩條邊界上的邊都去掉。
容易發現,減少兩條邊,一個面,一個頂點。頂點 面-邊的值不會發生變化。
(3)按一定的順序,這樣一個個三角形去掉,直到最後隻剩一個三角形。
此時:三個頂點,三條邊,一個面。點 面-邊=3 1-3=1。
因為在上述操作中,點 面-邊的值一直保持不變,所以原來的圖,同樣有:
點 面-邊=1
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