Правильные многогранники. Симметрия в пространстве

В п. 12.1 мы определили правильный многогранник как многогранник, у которого равны друг другу все элементы одного вида: грани, ребра и т.д. Но правильные многогранники можно определить как самые симметричные изо всех многогранников. Это означает следующее. Если мы возьмем на правильном многограннике некоторую вершину А, подходящее к ней ребро а и грань а, подходящую к этому ребру, и еще любой такой же набор то существует такое самосовмещение многогранника,

которое вершину А переводит в вершину А, ребро а - в ребро а, грань а - в грань а.

Докажем это. Так как любые две грани правильного многогранника равны, то существует движение, которое одну из них переведет в другую. Поскольку все двугранные углы этого многогранника равны, то в результате совмещения граней весь многогранник самосовместится или перейдет в многогранник, симметричный исходному относительно плоскости второй грани. Во втором случае симметрия относительно плоскости этой грани завершит процесс самосовмещения правильного многогранника.

Верно и обратное: многогранники, обладающие этим свойством, будут правильными, так как у них окажутся равны все ребра, все плоские углы и все двугранные углы.

Рассмотрим теперь элементы симметрии правильных многогранников.

Начнем с элементов симметрии куба.

1. Центр симметрии - центр куба.

2. Плоскости симметрии (рис. 12.17): 1) три плоскости симметрии, перпендикулярные ребрам в их серединах; 2) шесть плоскостей симметрии, проходящих через противоположные ребра.

3. Оси симметрии: 1) три оси симметрии 4-го порядка, проходящие через центры противоположных граней (рис. 12.18а); 2) шесть осей поворотной симметрии 2-го порядка, проходящие через середины противоположных ребер (рис. 12.186); 4) четыре диагонали куба являются осями зеркального поворота шестого порядка, самосовмещающего куб (рис. 12.18в).

Это самый интересный и не сразу видный элемент симметрии куба. Сечение куба плоскостью, проходящей через его центр перпендикулярно диагонали, представляет правильный шестиугольник; при повороте куба вокруг диагонали на угол 60° шестиугольник отображается на себя, а куб в целом еще нужно отразить в плоскости шестиугольника.

Октаэдр двойственен кубу, и потому у него те же элементы симметрии с той разницей, что плоскости симметрии и оси, проходящие у куба через вершины и центры граней, у октаэдра проходят наоборот: через центры граней и вершины (рис. 12.19). Так, зеркальная ось 6-го

порядка проходит у октаэдра через центры противоположных граней.

Обратимся к элементам симметрии правильного тетраэдра.

1. Шесть плоскостей симметрии, каждая из которых проходит через ребро и середину противоположного ребра (рис. 12.20а).

2. Четыре оси 3-го порядка, проходящие через вершины и центры противоположных им граней, т.е. через высоты тетраэдра (рис. 12.20б).

3. Три оси зеркального поворота 4-го порядка, проходящие через середины противоположных ребер (рис. 12.20в).

Центра симметрии у тетраэдра нет.

В куб можно вписать два правильных тетраэдра (рис. 12.16). При самосовмещениях куба эти тетраэдры либо самосовмещаются, либо отображаются друг на друга. Выясните, при каких самосовмещениях куба происходит самосовмещение тетраэдров, а при каких они отображаются друг на друга.

Убедитесь, что в первом случае получатся все самосовмещения тетраэдра, так что группа симметрии куба включает в себя группу симметрии куба как подгруппу. (См. п. 28.4).

Группы симметрии у додекаэдра и икосаэдра одинаковы, поскольку эти правильные многогранники двойственны

друг другу. У них есть центр симметрии, плоскости симметрии, оси поворотной симметрии и оси зеркальной поворотной симметрии. Труднее всего найти последние из этих элементов симметрии. Укажем, как их построить.

Оси зеркальной поворотной симметрии в икосаэдре (так же, как и в кубе) соединяют противоположные вершины этого многогранника (рис. 12.21), а в додекаэдре (как и в октаэдре) эти оси идут через центры их параллельных граней (рис. 12.22). Плоскости, проходящие через центры симметрии правильных многогранников и перпендикулярные указанным осям, пересекают правильные многогранники по правильным многоугольникам (рис. 12.23).

В частности, додекаэдр и икосаэдр они пересекают по правильным десятиугольникам (рис. 12.23 г,д). Из сказанного следует, что икосаэдр и додекаэдр самосовмещаются зеркальными поворотами относительно осей шестого и десятого порядков.

Найдите самостоятельно более простые элементы симметрии икосаэдра и додекаэдра - плоскости симметрии и оси поворотной симметрии.

Элементы симметрии правильных многогранников Геометрия. 10 класс.

Тетраэдр - (от греческого tetra – четыре и hedra – грань) - правильный многогранник, составленный из 4 равносторонних треугольников. Из определения правильного многогранника следует, что все ребра тетраэдра имеют равную длину, а грани - равную площадь.

Элементы симметрии тетраэдра

Тетраэдр имеет три оси симметрии, которые проходят через середины скрещивающихся рёбер.

Тетраэдр имеет 6 плоскостей симметрии, каждая из которых проходит через ребро тетраэдра перпендикулярно скрещивающемуся с ним ребру.

Октаэдр - (от греческого okto – восемь и hedra – грань) - правильный многогранник, составленный из 8 равносторонних треугольников. Октаэдр имеет 6 вершин и 12 ребер. Каждая вершина октаэдра является вершиной 4 треугольников, таким образом, сумма плоских углов при вершине октаэдра составляет 240° .

Элементы симметрии октаэдра

Три из 9 осей симметрии октаэдра проходят через противоположные вершины, шесть - через середины ребер. Центр симметрии октаэдра - точка пересечения его осей симметрии.

Три из 9 плоскостей симметрии тетраэдра проходят через каждые 4 вершины октаэдра, лежащие в одной плоскости.

Шесть плоскостей симметрии проходят через две вершины, не принадлежащие одной грани, и середины противоположных ребер.

Икосаэдр – (от греческого ico - шесть и hedra - грань) правильный выпуклый многогранник, составленный из 20 правильных треугольников. Каждая из 12 вершин икосаэдра является вершиной 5 равносторонних треугольников, поэтому сумма углов при вершине равна

Элементы симметрии икосаэдра

Правильный икосаэдр имеет 15 осей симметрии, каждая из которых проходит через середины противоположных параллельных ребер. Точка пересечения всех осей симметрии икосаэдра является его центром симметрии.

Плоскостей симметрии также 15.Плоскости симметрии проходят через четыре вершины, лежащие в одной плоскости, и середины противолежащих параллельных ребер.

Куб или гексаэдр (от греческого hex - шесть и hedra - грань) составлен из 6 квадратов. Каждая из 8 вершин куба является вершиной 3 квадратов, поэтому сумма плоских углов при каждой вершине равна 2700. У куба 12 ребер, имеющих равную длину.

Элементы симметрии куба

Ось симметрии куба может проходить либо через середины параллельных ребер, не принадлежащих одной грани, либо через точку пересечения диагоналей противоположных граней. Центром симметрии куба является точка пересечения его диагоналей.

Через центр симметрии проходят 9 осей симметрии.

Плоскостей симметрии у куба также 9 и проходят они либо через противоположные ребра

(таких плоскостей-6), либо через середины противоположных ребер (таких - 3).

Додекаэдр (от греческого dodeka – двенадцать и hedra– грань) это правильный многогранник, составленный из 12 равносторонних пятиугольников. Додекаэдр имеет 20 вершин и 30 ребер. Вершина додекаэдра является вершиной трех пятиугольников, таким образом, сумма плоских углов при каждой вершине равна 3240.

Элементы симметрии додекаэдра

Додекаэдр имеет центр симметрии и 15 осей симметрии. Каждая из осей проходит через середины противолежащих параллельных ребер.

Додекаэдр имеет 15 плоскостей симметрии. Любая из плоскостей симметрии проходит в каждой грани через вершину и середину противоположного ребра.

Развертки правильных многогранников

Развертка- это способ развернуть многогранник на плоскость после проведения разрезов по нескольким ребрам. Развертка представляет собой плоский многоугольник, составленный из меньших многоугольников - граней исходного многогранника. Один и тот же многогранник может иметь несколько разных разверток.

Правильные многогранники. Симметрия в пространстве. «Симметрия…есть идея, с помощью которой человек веками пытался объяснять и создавать порядок, красоту и совершенство» (Герман Вейль) Многогранник- геометрическое тело, ограниченное со всех сторон плоскими многоугольниками, называемыми гранями. Стороны граней называются ребрами многогранника. По числу граней различают четырёхгранники, пятигранники и т. д. Многогранник называется правильным, если: -он выпуклый -все его грани являются равными правильными многоугольниками -в каждой его вершине сходится одинаковое число рёбер. Существует пять типов правильных многогранников. Эти многогранники и их свойства были описаны более двух тысяч лет назад древнегреческим философом Платоном, чем и объясняется их общее название. Каждому правильному многограннику соответствует другой правильный многогранник с числом граней, равным числу вершин данного многогранника. Число ребер у обоих многогранников одинаково. Закон взаимности 4 В каждой вершине многогранника должно сходиться столько правильных n – угольников, чтобы сумма их углов была меньше 0 0 360 . Т.е должна выполняться формула βk < 360 (βградусная мера угла многоугольника, являющегося гранью многогранника, k – число многоугольников, сходящихся в одной вершине многогранника.) название β k Сумма плоских углов тетраэдр 60 3 180 октаэдр 60 4 240 икосаэдр 60 5 300 гексаэдр 90 3 270 додекаэдр 108 3 324 5 Выводы: Многогранник называется правильным, если: Он выпуклый; Все его грани равные правильные многоугольники; В каждой вершине сходится одно число граней; Все его двугранные углы равны. 6 Тетраэдр - правильный четырехгранник. Он ограничен четырьмя равносторонними треугольниками (это – правильная треугольная пирамида). ППространственная теорема Пифагора Если все плоские углы при одной из вершин тетраэдра- прямые, то квадрат площади грани, противолежащей этой вершине, равен сумме квадратов площадей остальных граней. Гексаэдр - правильный шестигранник. Это куб состоящий из шести равных квадратов Октаэдр - правильный восьмигранник. Он состоит из восьми равносторонних и равных между собой треугольников, соединенных по четыре у каждой вершины. Додекаэдр - правильный двенадцатигранник, состоит из двенадцати правильных и равных пятиугольников, соединенных по три около каждой вершины. Икосаэдр - состоит из 20 равносторонних и равных треугольников, соединенных по пять около каждой вершины. Если все грани - правильные р-угольники и q из них примыкают к каждой вершине, то такой правильный многогранник обозначается {p,q} .Это обозначение было предложено Л.Шлефли (1814-1895г.р.), швейцарским математиком, которому принадлежат не мало изящных результатов в геометрии и математическом анализе. Название Запись Шлефли Число вершин N0 Число ребер N1 Число граней N2 Тетраэдр {3,3} 4 6 4 Куб {4,3} 8 12 6 Октаэдр {3,4} 6 12 8 Икосаэдр {3,5} 12 30 20 Додекаэдр {5,3} 20 30 12 Следующий серьезный шаг в науке о многогранниках был сделан в XVIII веке Леонардом Эйлером (17071783), который без преувеличения «поверил алгеброй гармонию». Теорема Эйлера о соотношении между числом вершин, ребер и граней выпуклого многогранника, доказательство которой Эйлер опубликовал в 1758 г. в «Записках Петербургской академии наук», окончательно навела математический порядок в многообразном мире многогранников. Вершины + Грани - Рёбра = 2. Рассматривая таблицу, можно заметить интересное соотношение между числом вершин N0, числом рёбер N1 и числом граней N2 любого выпуклого правильного многогранника {p,q} .Речь идёт о соотношении N0 - N1 +N2= 2, которое называется «формулой Эйлера». Левая часть этой формулы называется «эйлеровой характеристикой». Полуправильные многогранники или Архимедовы тела - выпуклые, многогранники обладающие двумя свойствами: -Все грани являются правильными многогранниками двух или более типов (если все грани - правильные многоугольники одного типа, это -правильный многогранник); -Для любой пары вершин существует симметрия многогранника (то есть движение переводящее многогранник в себя) переводящая одну вершину в другую. Двойственные к полуправильным многогранникам, так называемые Каталановы тела, имеют конгруэнтные грани, равные двугранные углы и правильные многогранные углы. Каталановы тела тоже иногда называют полуправильными многогранниками. Первое построение полуправильных многогранников приписывается, Архимеду хотя соответствующие работы утеряны. Существует две бесконечные последовательности полуправильных многогранников - правильные призмы и антипризмы. Кроме них, существует 13 архимедовых тел, два из которых (курносый куб и курносый додекаэдр) не являются зеркально-симметричными и имеют левую и правую формы. Соответственно, существует 13 каталановых тел. Усечённый тетраэдр Усечённый додекаэдр Усечённый куб Усечённый октаэдр Усечённый икосаэдр Кроме правильных выпуклых многогранников существуют и правильные выпукло-вогнутые многогранники. Их называют звездчатыми (самопересекающимися). Рассматривая пересечения продолжения граней Платоновых тел, мы будем получать звездчатые многогранники. Звездчатый октаэдр - восемь пересекающихся плоскостей граней октаэдра отделяют от пространства новые "куски", внешние по отношению к октаэдру. Это малые тетраэдры, основания которых совпадают с гранями октаэдра. Его можно рассматривать как соединение двух пересекающихся тетраэдров, центры которых совпадают с центром исходного октаэдра. Все вершины звездчатого октаэдра совпадают с вершинами некоторого куба, а ребра его являются диагоналями граней (квадратов) этого куба. Дальнейшее продление граней октаэдра не приводит к созданию нового многогранника. Октаэдр имеет только одну звездчатую форму. Такой звездчатый многогранник был открыт Леонардо да Винчи, затем спустя 100 лет переоткрыт Иоганом Кеплером (1571-1630) в 1619 году, и назвал его stella octangula - восьмиугольная звезда. Малый звездчатый додекаэдр - звездчатый додекаэдр первого продолжения. Он образован продолжением граней выпуклого додекаэдра до их первого пересечения. Каждая грань выпуклого додекаэдра при продолжении образует правильный звездчатый пятиугольник. Пересекающиеся плоскости граней додекаэдра отделяют от пространства новые "куски", внешние по отношению к додекаэдру. Это двенадцать правильных пятиугольных пирамид, основания которых совпадают с гранями додекаэдра. При дальнейшем продолжении граней до нового пересечения образуется средний звездчатый додекаэдр - звездчатый додекаэдр второго продолжения. Последней же звездчатой формой правильного додекаэдра является звездчатый додекаэдр третьего продолжения - большой звездчатый додекаэдр. Он образован продолжением граней звездчатого додекаэдра второго продолжения до их нового пересечения. Симметрией в геометрии называют способность фигур к отображению. В переводе с древнегреческого это слово обозначает «соразмерность». Существует несколько видов симметрии - зеркальная, лучевая, центральная, осевая. На практике симметричные построения применяются в архитектуре, дизайне и многих других отраслях. Основной интерес к правильным многогранникам вызывает большое число симметрий, которыми они обладают. Под симметрией (или преобразованием симметрии) многогранника мы понимаем такое его движение как твердого тела в пространстве (например, поворот вокруг некоторой прямой, отражение относительно некоторой плоскости и т.д.), которое оставляет неизменными множества вершин, ребер и граней многогранника. Иначе говоря, под действием преобразования симметрии вершина, ребро или грань либо сохраняет свое исходное положение, либо переводится в исходное положение другой вершины, другого ребра или другой грани. Рассматривается 3 случая расположения центра симметрии: центр вне фигуры; центр внутри фигуры; центр – точка данной фигуры. Практическая работа Ж У Н Г О Ш Б П Т Распределите по видам симметрии. Определение Зеркальной симметрией (симметрией относительно плоскости) называется такое отображение пространства на себя, при котором любая точка М переходит в симметричную ей относительно этой плоскости точку М1. М ММ М м М К К ОО К1 М1М ОМ=ОМ1 ; ММ1 М1 МК=М1К1 Фигуры, симметричные относительно плоскости Фигура (тело) называется симметричной относительно некоторой плоскости, если эта плоскость разбивает фигуру на две равные симметричные части. Сколько плоскостей симметрии имеет куб? Ответы: 2; 4; 5; 6; 9 Симметрия в пирамиде Верно ли высказывание: правильная четырехугольная пирамида имеет четыре плоскости симметрии Зеркальная симметрия в призме 1)Сколько плоскостей симметрии имеет правильная четырехугольная призма? Ответы: а)2 б)4 в)3 г) г)5 5 д)12 2)Сколько плоскостей симметрии имеет прямая призма, в основании которой лежит прямоугольник? Ответы: б)б)33 в)1 а)2 г)4 д)8 3)Сколько плоскостей симметрии имеет правильная треугольная призма? Ответы: а) а)44 б)3 в)1 г)2 д)5 Симметрии тетраэдра Любая прямая, проходящая через любую вершину и центр тетраэдра, проходит через центр противоположной грани. Так как у тетраэдра 4 вершины (и 4 грани), то мы получим всего 8 прямых симметрий. Любая прямая, проходящая через центр и середину ребра тетраэдра проходит через середину противоположного ребра. Так как у тетраэдра 3 пары ребер, мы получаем еще 3 прямые симметрии. Следовательно, общее число прямых симметрий, включая тождественное преобразование, доходит до 12. Элементы симметрии правильных многогранников тетраэдр октаэдр икосаэдр гексаэдр додекаэдр Центры симметрии - 1 1 1 1 Оси симметрии 3 9 15 9 15 Плоскости симметрии 6 9 15 9 15 28 Задачи на дом. 1. Сколько плоскостей симметрии имеет пирамида, в основании которой лежит прямоугольник, ромб? Какое дополнительное условие должно присутствовать в условии задачи, чтобы ваш ответ был верен? Задачи на дом. 2. Начертить четырехугольную пирамиду, которая имеет одну плоскость симметрии. а) какой четырехугольник может лежать в основании пирамиды? б) куда должна проектироваться вершина пирамиды? 3.Существует ли четырехугольная пирамида, не имеющая ни одной плоскости симметрии? (привести пример)

§ 1 Правильный многогранник

На этом уроке рассмотрим правильные многогранники, а именно симметрию таких фигур. Поговорим о том, кто в своем творчестве обращался к гармонии и красоте правильных многогранников.

Напомним определение правильного многогранника и вспомним, какие именно правильные многогранники существуют и изучаются в геометрии.

Выпуклый многогранник называется правильным, если все его грани - равные правильные многоугольники и в каждой его вершине сходится одно и то же число ребер. Правильных многогранников всего пять: тетраэдр, гексаэдр, октаэдр, додекаэдр, икосаэдр.

Напомним так же, о каких видах симметрии мы говорим в пространстве - это симметрия центральная (относительно точки), осевая симметрия (относительно прямой) и симметрия относительно плоскости.

§ 2 Элементы симметрии правильного тетраэдра

Рассмотрим элементы симметрии правильного тетраэдра. Он не имеет центра симметрии. Зато прямая, проходящая через середины двух противоположных ребер, является его осью симметрии.

Плоскость, проходящая через ребро АВ перпендикулярно к противолежащему ребру СD правильного тетраэдра АВСD, является плоскостью симметрии. Посмотрите, правильный тетраэдр имеет три оси симметрии и шесть плоскостей симметрии.

§ 3 Элементы симметрии куба

Куб имеет один центр симметрии - точку пересечения его диагоналей. Прямые а и b, проходящие соответственно через центры противоположных граней и середины двух противоположных ребер, не принадлежащих одной грани, являются его осями симметрии. Куб имеет девять осей симметрии. Обратите внимание, все оси симметрии проходят через центр симметрии. Плоскостью симметрии куба является плоскость, проходящая через любые две оси симметрии. Куб имеет девять плоскостей симметрии. Оставшиеся три правильных многогранника так же имеют центр симметрии и несколько осей и плоскостей симметрии. Попробуйте посчитать их число.

§ 4 Многогранники в искусстве

Изучение многогранников увлекало многих творческих людей. Знаменитый художник Альбрехт Дюрер в известной гравюре «Меланхолия» на переднем плане изобразил додекаэдр. Перед вами изображение картины художника Сальвадора Дали "Тайная Вечеря". Это огромное полотно, в котором художник решил посоревноваться с Леонардо да Винчи. Обратите внимание, что изображено на переднем плане картины. Христос со своими учениками изображён на фоне огромного прозрачного додекаэдра. Голландский художник Мориц Корнилис Эшер, родившийся в 1989 году в Леувардене, создал уникальные и очаровательные работы, в которых использован или показан широкий круг математических идей. Правильные геометрические тела - многогранники - имели особое очарование для Эшера. В его многих работах многогранники являются главной фигурой и в еще большем количестве работ они встречаются в качестве вспомогательных элементов. На гравюре "Четыре тела" Эшер изобразил пересечение основных правильных многогранников, расположенных на одной оси симметрии, кроме этого многогранники выглядят полупрозрачными, и сквозь любой из них можно увидеть остальные. В начале XX века во Франции зародилось модернистское направление в изобразительном искусстве, прежде всего в живописи - кубизм, характеризующийся использованием подчеркнуто геометризованных условных форм, стремлением «раздробить» реальные объекты на стереометрические примитивы. Наиболее известными кубистическими произведениями стали картины Пикассо «Авиньонские девицы», «Гитара».

§ 5 Многогранники в природе

Природа создает не менее восхищающие творения. Поваренная соль состоит из кристаллов в форме куба. Скелет одноклеточного организма феодарии представляет собой икосаэдр. Минерал сильвин также имеет кристаллическую решетку в форме куба. Кристаллы пирита имеют форму додекаэдра. Молекулы воды имеют форму тетраэдра.

Минерал сильвин также имеет кристаллическую решетку в форме куба. Кристаллы пирита имеют форму додекаэдра. Молекулы воды имеют форму тетраэдра. Минерал куприт образует кристаллы в форме октаэдров. Вирусы, построенные только из нуклеиновой кислоты и белка, имеют вид икосаэдра.Всем этим мы можем любоваться и восхищаться повсюду.

И в который раз хочется вернуться к словам Иоганна Кеплера немецкого математика, астронома, механика, оптика и астролога, первооткрывателя законов движения планет, который сказал «Математика есть прообраз красоты мира.

Список использованной литературы:

1. Геометрия. 10 – 11 классы: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / [ Л. С. Атанасян, В. Ф. Бутузов, С.Б. Кадомцев и др.]. – 22-е изд. – М. : Просвещение, 2013. – 255 с. : ил. – (МГУ - в школе)
2. Учебно – методическое пособие в помощь школьному учителю. Составитель Яровенко В.А. Поурочные разработки по геометрии к учебному комплекту Л. С. Атанасяна и др. (М. : Просвещение) 10 класс
3. Рабинович Е. М. Задачи и упражнения на готовых чертежах. 10 – 11 классы. Геометрия. – М. : Илекса, 2006 . – 80 с.
4. М. Я Выгодский Справочник по элементарной математике М.: АСТ Астрель, 2006. - 509с.
5. Аванта+. Энциклопедия для детей. Том 11. Математика 2-е изд., перераб.- М.: Мир энциклопедий Аванта+: Астрель 2007. - 621 с. Ред. коллегия: М. Аксёнова, В. Володин, М.Самсонов.

Использованные изображения:

Основной интерес к правильным многогранникам вызывает большое число симметрий, которыми они обладают. Под симметрией (или преобразованием симметрии) многогранника мы понимаем такое его движение как твердого тела в пространстве (например, поворот вокруг некоторой прямой, отражение относительно некоторой плоскости и т.д.), которое оставляет неизменными множества вершин, ребер и граней многогранника. Иначе говоря, под действием преобразования симметрии вершина, ребро или грань либо сохраняет свое исходное положение, либо переводится в исходное положение другой вершины, другого ребра или другой грани. Существует одна симметрия, которая свойственна всем многогранникам. Речь идет о тождественном преобразовании, оставляющем любую точку в исходном положении. С менее тривиальным примером симметрии мы встречаемся в случае прямой правильной р-угольной призмы.

Примеры размерности симметрии плоских фигур дают правильные многоугольники. Примеры симметрии пространственных фигур дают правильные призмы и пирамиды: они совмещаются сами с собой, например, поворотами вокруг оси, перпендикулярной плоскости основания и проходящей через его центр.

Мы будем понимать симметрию в общем смысле, как она определена в начале и как ее понимают, в частности, когда говорят о симметрии кристаллов. При этом наложения фигуры на себя называются преобразованиями симметрии.

Теорема. Рассмотрим данный правильный многогранник Р. Пусть А -- его вершина, а -- ребро с концом А, а -- грань со стороной а. Для любых других аналогичных его элементов А", а", а" существует наложение многогранника Р на себя, переводящее А" в А, а" в а, а" в а.

Доказательство

Переносом многогранника переведем вершину А" в А. Поворотом многогранника вокруг А переведем перенесенное ребро а" в а. Поворотом многогранника вокруг ребра а приведем (перенесенную и повернутую) грань а" в совпадение с гранью а. Так как грани равны, то грань а" полностью совместится с а.

Так как двугранные углы равны, то для граней р и р", смежных с а и а", есть только две возможности: 1) р" совпадает с р; 2) р" не совпадает с р, но будет симметрична р относительно плоскости грани а. В таком случае отражением в этой плоскости переведем Р" в р.

Итак, наложением всего многогранника Р мы совместили вершину А" с А, ребро а" -- с а, грани а", р", смежные по ребру а", -- с гранями а, р, смежными по ребру а.

Убедимся, что при этом многогранник оказывается совмещенным сам с собой. Две грани многогранного угла при вершине А совпали (а" с а, р" с р). Перейдем к граням у и у", соседним с р. Двугранные углы, которые они образуют с р, равны и расположены с одной стороны -- с той же, с какой лежит грань а. Поэтому грань у" совпадает с у. Так убедимся, что многогранные углы при вершине А совпали. Переходя к другой вершине, соединенной с А ребром, аналогично убедимся, что и при этой вершине многогранные углы совпадают. И так пройдя по всему многограннику, убедимся, что он совпал сам с собой, что и требовалось доказать. ?

Свойство правильных многогранников, установленное доказанной теоремой, означает, что они обладают, так сказать, максимальной мыслимой симметрией. Наложение, совмещение многогранника самого с собою, неизбежно совмещает какую-то вершину А" с А, ребро а" -- с а, грань а"-- с а, и примыкающую грань р" -- с р. Наложение этим вполне определено, оно только одно. Поэтому максимальное число возможных наложений будет тогда, когда каждую совокупность А, а, а, р можно перевести в каждую. А это так у правильных многогранников Очевидно, верно и обратное. Если многогранник обладает такой максимальной симметрией, то он правильный (так как ребро а совмещается с а", угол на грани а" при вершине А совмещается с таким же углом, и двугранный угол между а" и р 4 " совмещается с углом между а и р.-- так что все ребра и углы равны). Число наложений, совмещающих правильный многогранник сам с собою, равно 2 те, где т -- число ребер, сходящихся в одной вершине, и е -- число вершин; те наложений первого рода и те -- наложений второго рода. Они и образуют группу симметрии правильного многогранника. Группы симметрии у куба и октаэдра совпадают ввиду их двойственности. Так же совпадают группы симметрии у додекаэдра и икосаэдра. Группа тетраэдра является подгруппой группы куба, как видно из возможности вложить тетраэдр в куб (рис. 1.5, а). Наиболее интересные элементы симметрии -- это зеркальные оси: 4-го порядка у тетраэдра, 6-го порядка -- у куба, 10-го порядка -- у додекаэдра (рис. 1.5,б). Убедитесь, что это так, определив, как расположены эти оси. Оси симметрии и плоскости симметрии куба изображены на рис. 1.5 в, г.

1 .5 Подобие многогранников

Два многогранника называются подобными, если существует преобразование подобия, переводящее один многогранник в другой.

Подобные многогранники имеют соответственно равные многогранные углы и соответственно подобные грани. Соответственные элементы подобных многогранников называются сходственными. У подобных многогранников двугранные углы равны и одинаково расположены, а сходственные ребра пропорциональны.

Кроме того, справедливы следующие теоремы:

Теорема 1. Если в пирамиде провести секущую плоскость параллельно основанию, то она отсечет от нее пирамиду, подобную данной.

Теорема 2. Площади поверхностей подобных многогранников относятся как квадраты, а их объемы - как кубы сходственных линейных элементов многогранников.