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數(shù)學學習樂園之九十二(歐拉關系)

2009-03-17 14:42:37      下載試卷

  歐拉發(fā)現(xiàn)在多面體的頂點、邊與面的數(shù)目間存在著一種簡單的關系,這種關系被視為圖論(graph theory)中相當重要的定理.

  你現(xiàn)在應該可以自己敘述歐拉關系了.看看此關系是否也能適用于其他的多面體,檢驗一下你的推論.

  當時歐拉認為這只是多面體的性質,但后來數(shù)學家發(fā)現(xiàn)這種關系也能適用于球面或平面上的網(wǎng)絡.



  考慮如圖1的網(wǎng)絡.其中有3個結點A、B、C,4條弧p、q、r、s;這個網(wǎng)絡把平面分成3個區(qū)域1、2、3.這些數(shù)目滿足下列關系:

  N-A+R=2

  N為結點的數(shù)目,A為弧的數(shù)目,R為區(qū)域的數(shù)目.你覺得這與多面體的關系是否有什么類似之處?

  現(xiàn)在把上述的關系式用在其他的網(wǎng)絡上,試試結果如何.

  你是否試過圖2中不相連的網(wǎng)絡?



  你應該會發(fā)現(xiàn),上述的關系式需要視網(wǎng)絡中分離部分的數(shù)目作修正.看看你是否能找到一個公式,不管網(wǎng)絡中到底有多少部分,都能成立.

  “歐拉關系”與“網(wǎng)絡關系”之間的聯(lián)系可以用圖3說明.

  想象一下,用具有彈性的材料做一個立方體,可以如圖3的方式伸展,然后壓平,成為平面上的網(wǎng)絡.原來立方體的每一個頂點現(xiàn)在都成為網(wǎng)絡中的結點,原來立方體的每一條邊現(xiàn)在則成為網(wǎng)絡中的一條。



  立方體的每一面現(xiàn)在都成為平面中的一個區(qū)域,只除了ABCD之外,不過也可以把ABCD看成是代表網(wǎng)絡外部的區(qū)域.所有多面體以這種方式變換都可得到類似的結果,但要注意的是,對有洞的多面體需要做進一步的考察.

  如果將多面體看作是三維空間分隔成不同區(qū)域,則對歐拉的關系式還可以作進一步推廣.

  考慮一下最簡單的多面體——四面體(圖4).



  四面體將空間分成兩個區(qū)域,且

  V-E+F-R=4-6+4-2=0

  其中V、E、F各代表多面體的頂點、邊與面的數(shù)目,R為區(qū)域的數(shù)目.現(xiàn)在在立方體上加一個金字塔形的角錐體.這種組合將空間分成3個區(qū)域,包括9個頂點、16條邊與10個面(圖5).



  我們再度得出

  V-E+F-R=0

  這是由歐拉原始的關系式推廣得出的另一個關系式.用其他的方法分割空間,檢驗一下這個關系式.
 

來源:網(wǎng)絡

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