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.

Những sắc thái kỳ diệu của vầng trăng

Nói đến ánh trăng người ta thường liên tưởng đến màu trắng bạc và cho rằng những cảm nhận khác nhau về màu là do xúc cảm gây nên. Thật ra điều này...

Vì sao phải bảo vệ chim, bảo vệ cóc nhái?

Cóc nhái là loài bắt sâu rất mạnh, là người bạn hỗ trợ đắc lực cho sản xuất nông nghiệp. Các chuyên gia sau khi phân tích thức ăn của các loài cóc cho...

Vì sao mua cổ phần đầu tư độ mạo hiểm thấp hơn mua cổ phiếu?

Từ khi nền kinh tế thị trường bắt đầu phát triển, việc lưu thông tiền tệ trong nước không ngừng xáo động, tăng trưởng. Tầng lớp thị dân ở các thành...

Tại sao một số thực vật có thể phát sáng?

Mùa hè, trong rừng cây hoặc trong bụi cỏ, những con đom đóm bay lập loè phát ra ánh sáng đẹp và tôn lên ánh sao, đây là hiện tượng sinh vật phát sáng...

Tại sao có một số cây nở hoa rồi mới ra lá?

Những cây ta thường gặp thông thường là lá phát triển rồi hoa mới nở nhưng cây mai vàng và cây ngọc lan thì tại sao ra hoa trước rồi mới mọc lá? Đó là...

Vì sao sau khi bị muỗi đốt, nếu bôi vào vết muỗi đốt ít nước xà phòng sẽ cảm thấy bớt ngứa?

Vào ban đêm khi bạn làm bài, học bài bạn có thể nghe tiếng muỗi bay vo ve dưới bàn và bạn có thể bị muỗi đốt đau nhói.

Tại sao "đường tiêu âm" có thể khử được tiếng ồn?

Ở một số nơi của nước Anh, người ta xây dựng những con đường rất kỳ lạ. Những con đường này tuy cũng làm bằng xi măng, nhưng có điều khác là tiếng ồn...

Một người mỗi ngày nên ngủ bao lâu?

Mọi người không thể không ngủ trong một thời gian dài. Có nhà nghiên cứu từng làm thí nghiệm: cho một số người khỏe không ngủ suốt 72-90 giờ liền; kết...

Trên thế giới thực tế có bao nhiêu loài sinh vật?

Tính từ khi Trái Đất ra đời, trên Trái Đất tổng cộng đã xuất hiện khoảng 500 triệu đến một tỉ loài vật. 98% loài vật này đều bị tiêu diệt vì thiên tai...