Vì sao chỉ có năm loại khối đa diện đều?

Trong các tinh thể người ta thường thấy các khối đa diện đặc thù: các mặt của tinh thể là những đa diện đều, mọi góc của đa diện đều hoàn toàn bằng nhau. Đó chính là các khối đa diện đều. Có rất nhiều khối đa diện đều, nhưng thực ra chúng được xếp thành năm loại. Tại sao vậy?

Trước hết chúng tôi xin giới thiệu công thức Ơle. Vào thế kỉ XVII, nhà toán học kiệt xuất Thuỵ Sĩ Ơle đã chỉ ra mối quan hệ ràng buộc giữa số mặt, số cạnh và số đỉnh của khối đa diện nói chung. Ông nêu ra hệ thức giải tích

trong đó, E là số cạnh, F là số mặt, V là số đỉnh của khối đa diện.

Trong toán học người ta gọi là công thức Ơle để ghi nhớ công lao của ông. Bây giờ chúng ta sẽ vận dụng công thức Ơle để chứng minh chỉ có năm loại khối đa diện.

Giả sử khối đa diện đều được hình thành từ các mặt, mỗi mặt có m cạnh, số mặt của khối đa diện là F, thế thì F mặt sẽ có mF cạnh, mỗi cạnh lại là cạnh chung của hai mặt lân cận, vì vậy mF = 2E.

Giả sử mỗi đa diện đều có các đỉnh mà mỗi đỉnh lại là đỉnh của một đa giác đều có n cạnh, nếu khối đa diện có V đỉnh sẽ có nV cạnh, mỗi cạnh lại thuộc hai đỉnh nên nV = 2E.

Thay các giá trị của V và F tính từ hai hệ thức vừa nêu vào công thức Ơle ở trên ta có:

Và sau khi biến đổi ta có:

Ta sẽ bắt đầu xét khối đa diện tạo nên từ các tam giác đều. Vì các góc của mặt đa diện tối đa không thể vượt quá 360o, mà mỗi góc của tam giác đều là 60o, nên khối đa diện do các tam giác đều tạo nên chỉ có thể có ba loại: góc tam diện đều, góc tứ diện và góc ngũ diện. Còn với các lục giác đều thì sẽ ra sao? Do 60o 6 = 360o thì chỉ có thể tạo một mặt đa giác mà không tạo được khối đa diện. Còn với m = 3 ta chỉ có ba loại tình huống:

Với n = 3, ta tính được E = 6, F = 4 là một tứ diện đều.

n = 4, ta tính được E = 12, F = 8 là một khối bát diện đều.

n = 5, ta tính được E = 30, F = 20 là một khối 20 mặt.

Như vậy, với mặt tam giác đều ta chỉ có ba loại: khối tứ diện đều, khối bát diện điều, khối 20 mặt. Do vậy khi m = 4 và n = 3 thay vào công thức Ơle ta có:

E = 12, F = 6.

Nghĩa là với các mặt hình vuông ta chỉ tạo được khối lục diện đều.

Thế thì với các mặt ngũ giác đều thì sẽ ra sao? Vì các góc trong của ngũ giác đều bằng 108o nên từ các ngũ giác đều ta chỉ có thể tạo được góc tam diện đều. Vì vậy khi

m = 5, n = 3 thay vào công thức Ơle ta sẽ tính được:

E = 30 và F = 12

Nghĩa là với các mặt ngũ giác đều chỉ có thể tạo thành một khối 12 mặt.

Do đó có thể thấy khối đa diện đều chỉ có năm loại: Khối tứ diện đều, khối lục diện đều, khối bát diện đều, khối 12 mặt đều và khối 20 mặt đều.

Còn với một lục giác đều thì do lục giác đều có góc trong 120o nên không tạo được một góc đa diện nên không tạo được khối đa diện đều.

Tại sao những chiếc lá màu đỏ cũng có thể tiến hành quang hợp được?

Lá xanh của thực vật được con người gọi là “nhà máy màu xanh”. Chúng ta đều biết thực vật muốn tạo ra chất hữu cơ phải tiến hành quang hợp.

Vì sao trên Trái Đất lại có nhiều sa mạc?

Diện tích sa mạc ở Trung Quốc khoảng hơn 70 vạn km2, trong đó trên 90% là ở Nội Mông, Ninh Hà, Cam Túc, Tân Cương…. Các vùng khác trên thế giới sa mạc...

Hương liệu từ đâu mà có?

Ở Trung Quốc, hương liệu đã sử dụng khá phổ biến từ thời nhà Ân, nhà Thương, nhà Chu (khoảng 3000 năm trước). Trong các mỹ phẩm trang điểm của phụ nữ...

Có phải tên lửa và đạn đạo là như nhau không?

Một số người cho rằng tên lửa và đạn đạo<a epub:type="noteref" href="Endnotes.xhtml#n11" title="Từ “đạn đạo” ở đây thực ra là do từ “đạo đạn” nói...

Vì sao lá trên ngọn rụng cuối cùng?

Ở miền ôn đới, mỗi khi mùa thu đến, cây thay màu lá từ xanh sang vàng, cuối cùng trút nốt chiếc áo này, trần trụi đón mùa đông tới. Nếu chú ý một...

Tại sao có một số con đường cần phải nhuộm màu?

Những con đường mà chúng ta thường thấy nếu không phải là mặt đường nhựa màu đen thì là mặt đường xi măng màu xám. Nói đến đường màu, e rằng chỉ thấy...

Vệ tinh truyền thông địa tĩnh có đúng là đứng yên không?

Vệ tinh truyền thông định cư trên tầng cao khí quyển, giữ một trạng thái đứng yên tương đối so với Trái Đất. Nó được một tên lửa có tốc độ cực cao đưa...

Vì sao không thể giết hết rắn độc và mãnh thú?

Chúng ta đã biết thế nào là chuỗi thức ăn. Vấn đề này cũng rất dễ hiểu.

Vì sao Trung Quốc cấm đốt pháo?

Hằng năm khi đến tết, nhiều người rất thích đốt pháo, đặc biệt là trẻ em. Đốt pháo nổ hoặc đốt pháo bông, pháo hoa, màu sắc muôn vẻ thật là náo nhiệt!...