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立方體

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(重定向自立方体
此条目的主題是幾何圖形立方體。关于与「立方體」標題相近或相同的条目,請見「立方体 (消歧义)」。
正六面體
立方體
(按這裡觀看旋轉模型)
類別柏拉圖立體
正多面体
對偶多面體正八面體在维基数据编辑
識別
名稱正六面體
參考索引U06,C18,W3
鮑爾斯縮寫
verse-and-dimensions的wikiaBowers acronym
cube在维基数据编辑
數學表示法
施萊夫利符號{4,3}在维基数据编辑
威佐夫符號
英语Wythoff symbol
3 | 2 4
康威表示法C在维基数据编辑
性質
6
12
頂點8
歐拉特徵數F=6, E=12, V=8 (χ=2)
二面角90°
組成與佈局
面的種類正方形
面的佈局
英语Face configuration
6個{4}
頂點圖4.4.4
對稱性
對稱群Oh
特性
環帶多面體
圖像

4.4.4
頂點圖

展開圖

幾何學中,立方體,是由6個正方形組成的正多面體,故又稱正六面體正方體正立方體。它有12條稜(邊)和8個頂點,是五個柏拉圖立體之一。

立方體是一種特殊的正四棱柱長方體三方偏方面體、菱形多面體、平行六面體,就如同正方形是特殊的矩形菱形平行四邊形一様。立方體具有正八面體對稱性英语Octahedral symmetry,即考克斯特BC3對稱性,施萊夫利符號{4,3},考克斯特-迪肯符號英语Coxeter-Dynkin digramnode_1 4 node 3 node ,其對偶多面體正八面體

性質

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面的組成:正方形
面的數目:6
邊的數目:12
頂點數目:8
表面積:6a2 {\displaystyle 6a^{2}\ }
體積:a3 {\displaystyle a^{3}\ }
二面角角度:90{\displaystyle 90^{\circ }}
外接球半徑:34a{\displaystyle {\sqrt {\frac {3}{4}}}a}0.866a{\displaystyle \approx 0.866a}
內接球半徑:a2{\displaystyle {\frac {a}{2}}}
對偶多面體:正八面體

在所有表面积一定的长方体中,立方体的体积最大,同样,在所有线性大小(长宽高之和)一定的长方体中,立方体的体积也是最大的。反过来,体积相等的长方体中,立方体拥有最小表面积和线性大小。

顶点坐标及表面方程

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在三维直角坐标系中,对于以原点为中心的、各棱平行于坐标轴的、棱长为2的立方体,其顶点坐标为(±1,±1,±1){\displaystyle (\pm 1,\pm 1,\pm 1)}的全排列。其包含了所有满足|x|1{\displaystyle |x|\leq 1}|y|1{\displaystyle |y|\leq 1}|z|1{\displaystyle |z|\leq 1}的点(x,y,z){\displaystyle (x,y,z)}

R3{\displaystyle R^{3}}中,以点(x0,y0,z0){\displaystyle (x_{0},y_{0},z_{0})}为中心的立方体表面是点(x,y,z){\displaystyle (x,y,z)}的运动轨迹,其中x{\displaystyle x},y{\displaystyle y},z{\displaystyle z}满足:

limn(xx0)n+(yy0)n+(zz0)nan=0.{\displaystyle \lim _{n\to \infty }(x-x_{0})^{n}+(y-y_{0})^{n}+(z-z_{0})^{n}-a^{n}=0.}

几何性质

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立方体有11种不同的展开图,即是说,我们可以有11种不同的方法切开空心立方体的7条棱而将其展平为平面图形,见右图。

立方体的11种不同展开图

如果要将立方体涂色而使相邻的面不带有相同的颜色,则至少需要3种颜色(类似于四色问题)。

立方体是唯一能够独立密铺三维欧几里得空间柏拉图正多面体,因此立方体堆砌也是四维唯一的正堆砌(三维空间中的堆砌拓扑上等价于四维多胞体)。它又是柏拉图立体中唯一一个有偶数边面——正方形面的,因此,它是柏拉图立体中独一无二的环带多面体(它所有相对的面关于立方体中心中心对称)。

将立方体沿对角线切开,能得到6个全等的正4棱柱(但它不是半正的,底面棱长与侧棱长之比为2:3{\displaystyle 2:{\sqrt {3}}})将其正方形面贴到原来的立方体上,能得到菱形十二面体(两两共面三角形合成一个菱形)。

正交投影

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我们可以从不同角度将立方体投影到二维平面上,这些投影都各自携带有立方体原本BC3对称性的一部分。

正交投影
正对于正方形面顶点
考克斯特群B2
A2
投影
对称性
[4][6]
倾斜视角

半正对称性与表面涂色

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作为正多面体之一,立方体拥有较高的对称性,它的所有面在几何上都是相同的,不可区分的。可是我们也可以想象将立方体的面“涂上”不同的“颜色”,使它其的不同面拥有不同的“几何意义”,使立方体拥有不同的对称性。在立方体完全的对称性,即正八面体对称性Oh中,立方体的所有面都是相同的。二面体对称性D4h则将立方体描述得像一个正四棱柱,有两个颜色相同的上下底面,其余4个侧面颜色相同。立方体最低的对称性D2h也将立方体描述的像一个棱柱,不过是长方形棱柱,即一个长方体,它的相对的面颜色相同,而相邻的面是不同的。每一种半正对称性都有自己的施莱夫利符号考克斯特-迪肯符号英语Coxeter-Dynkin digramWythoff符号英语Wythoff symbol。此外,由于其对偶正八面体也可被看作是正三反棱柱,立方体也可被看作是正三反棱柱的对偶,即正三偏方面体

名称正六面体正四棱柱长方体正三偏方面体
考克斯特符号英语Coxeter-Dynkin diagramnode_1 4 node 3 node node_1 4 node 2 node_1 node_1 2 node_1 2 node_1 node_fh 2 node_fh 6 node 
施莱夫利符号{4,3}{4}×{}{}×{}×{}
Wythoff符号英语Wythoff symbol3 | 4 24 2 | 22 2 2 |
对称性英语List of spherical symmetry groupsOh
(*432)
D4h
(*422)
D2h
(*222)
D3d
(2*3)
对称群阶2416812
图像
(半正表面涂色)

(111)

(112)

(123)

(111), (112), (122), 及(222)

相关多面体及鑲嵌

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正四面體外接正六面體

當正八面體在立方體之內:
正八面體體積 : 立方體體積
=[13×{\displaystyle =[{\frac {1}{3}}\times }×{\displaystyle \times }底面積×2]:{\displaystyle \times 2]:}3
=13×n2×n22×2:n3{\displaystyle ={\frac {1}{3}}\times {\frac {n}{2}}\times {\frac {n^{2}}{2}}\times 2:n^{3}}
=1:6{\displaystyle =1:6}

将立方体对映映射英语Antipodal point后的到的商形成的一个实射影多面体,即立方體半形(hemicube)(不应叫其“半立方体”,因为其易与‘demicube’混淆)。

Hemi-立方体是立方体2到1的商

正方体的对偶多面体正八面体,如果原正方体棱长为1,则对偶正八面体棱长为2{\displaystyle {\sqrt {2}}}

正方体是一种最特殊的四边形正六面体:

名称棱长相等?对角相等?各角为直角?
立方体
菱面体
长方体
平行六面体
四边形正六面体

立方体的8个顶点可以被交错地分为两组,每一组都构成一个完整的正四面体,更严格地说,这是作为超半方形(demicube)的正四面体。这两个正四面体组合到一起,就构成了一个正的复合多面体——星形正八面体(Stella Octagula)。两个正四面体重合的地方构成凸的正八面体。这意味着,正四面体的对称群A3是正方体对称群的子群,对应着能将半立方体变换到自身的对称变换,立方体其余的对称变换能将两个半立方体变换到对方。一个这样的正四面体占据了立方体体积的1/3,立方体剩余的部分是4个全等的、顶角是立方体立体角的正三棱锥,各占立方体体积的1/6

从立方体各棱中点处切掉立方体的角,我们会发现原先立方体的正方形面变成了其对偶的正方形面,而切掉的顶点处出现了新的正三角形面,这样的操作叫“截半”(rectification),得到的半正多面体截半立方体(rectified cube),又叫立方八面体(cuboctahedron)。如果我们不在棱中点处截它,则这种操作叫“截角”(truncation),正方形面变成了八边形。如果截的合适,则我们可将正方形截成正八边形,得到的半正多面体叫截顶立方体(truncated cube)。如果我们同时截掉立方体的棱和顶,则这种操作叫“截棱”(centellation),如果截的恰当,得到的半正多面体是小斜方截半立方体(rhombicuboctahedron)。

正十二面体有20个顶点,它们可以以不同组合分成由8个顶点组成的5组,这8个顶点两两相连,构成内接在正十二面体内部的立方体,它的棱都是正十二面体的各面的对角线。这五个立方体组合在一起,构成复合多面体——五复合立方体

正十二面体内部的五复合立方体

如果我们完全切掉立方体相对的两个顶点,我们会得到一个非正的八面体,将8个这样的八面体正三角形面对正三角形面贴到正八面体上,则我们得到截半立方体。
立方体与所有其它拥有BC3对称性的多面体(如正八面体和立方八面体)构成正八面体家族:

半正正八面体家族多面体
对称性:[4,3], (*432)[4,3]+, (432)[1+,4,3], (*332)[4,3+], (3*2)
node_1 4 node 3 node node_1 4 node_1 3 node node 4 node_1 3 node node 4 node_1 3 node_1 node 4 node 3 node_1 node_1 4 node 3 node_1 node_1 4 node_1 3 node_1 node_h 4 node_h 3 node_h node_h 4 node 3 node node 4 node_h 3 node_h 
{4,3}t0,1{4,3}t1{4,3}t1,2{4,3}{3,4}t0,2{4,3}t0,1,2{4,3}s{4,3}h{4,3}h1,2{4,3}
半正多面体的对偶
node_f1 4 node 3 node node_f1 4 node_f1 3 node node 4 node_f1 3 node node 4 node_f1 3 node_f1 node 4 node 3 node_f1 node_f1 4 node 3 node_f1 node_f1 4 node_f1 3 node_f1 node_fh 4 node_fh 3 node_fh node_fh 4 node 3 node node 4 node_fh 3 node_fh 
V4.4.4V3.8.8V3.4.3.4V4.6.6V3.3.3.3V3.4.4.4V4.6.8V3.3.3.3.4V3.3.3V3.3.3.3.3

此外,立方体在拓扑上与其它3阶正镶嵌{n,3}相关:

多面体欧式镶嵌双曲镶嵌

{2,3}
node_1 2 node 3 node 

{3,3}
node_1 3 node 3 node 

{4,3}
node_1 4 node 3 node 

{5,3}
node_1 5 node 3 node 

{6,3}
node_1 6 node 3 node 

{7,3}
node_1 7 node 3 node 

{8,3}
node_1 8 node 3 node 
...
{∞,3}
node_1 infin node 3 node 

立方体在拓扑上还和其它阶的正方形正镶嵌{4,n}(n≥3)有关:

多面体欧式镶嵌双曲镶嵌

{4,2}
node_1 4 node 2 node 

{4,3}
node_1 4 node 3 node 

{4,4}
node_1 4 node 4 node 

{4,5}
node_1 4 node 5 node 

{4,6}
node_1 4 node 6 node 

{4,7}
node_1 4 node 7 node 

{4,8}
node_1 4 node 8 node 
...
{4,∞}
node_1 4 node infin node 

立方体是正四棱柱:

正多邊形柱體系列
對稱群英语List of spherical symmetry groups3456789101112
[2n,2]
[n,2]
[2n,2+]
node_1 3 node 2 node_1 node_1 4 node 2 node_1 
node_1 2 node_1 2 node_1 
node_1 4 node_h 2 node_h 
node_1 5 node 2 node_1 node_1 6 node 2 node_1 
node_1 3 node_1 2 node_1 
node_1 6 node_h 2 node_h 
node_1 7 node 2 node_1 node_1 8 node 2 node_1 
node_1 4 node_1 2 node_1 
node_1 8 node_h 2 node_h 
node_1 9 node 2 node_1 node_1 10 node 2 node_1 
node_1 5 node_1 2 node_1 
node_1 10 node_h 2 node_h 
node_1 11 node 2 node_1 node_1 12 node 2 node_1 
node_1 6 node_1 2 node_1 
node_1 12 node_h 2 node_h 
圖像





球面多面體
圖像



類別柏拉圖立體卡塔蘭立體
種子
{3,3}

{4,3}

{3,4}

{5,3}

{3,5}

aC

aD
倒角
cT

cC

cO英语Chamfered octahedron

cD

cI

caC

caD

應用

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數學問題

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由正方體展開圖可得知正方體表面積算法
正六邊形的切法:沿上底兩條鄰邊的中點,切至下底兩條鄰邊的中點

倍立方體問題

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參見尺規作圖,已經證明此題無法用無刻度的直尺與圓規去畫出23{\displaystyle {\sqrt[{3}]{2}}}的位置

最大的橫切面

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立方體的橫切面只有四種:

其中以正六邊形的面積最大,若立方体的棱长为a{\displaystyle a},则正六边形的面积为33a24{\displaystyle {\frac {3{\sqrt {3}}a^{2}}{4}}}

參見

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外部連結

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0 - 10
11 - 20
其他
正多面體
几何学术语
直线曲线
平面圖形
立體圖形
曲面
高維空間
圖形關係
三角形關係
作圖
分支
理論
柏拉圖立體
维度为2-10的基本凸正多胞形均勻多胞形英语Uniform polytope
系列AnBnI2(p) /DnE6英语E6 (mathematics) /E7英语E7 (mathematics) /E8英语E8 (mathematics) /F4英语F4 (mathematics) /G2英语G2 (mathematics)Hn英语H4 (mathematics)
正多边形正三角形正方形正p邊形正六邊形正五邊形
均勻多面體正四面體正八面體立方體半立方體正十二面體正二十面體
四維均勻多胞體英语Uniform 4-polytope正五胞體正十六胞体四維超正方體四維超半方形正二十四胞体正一百二十胞体正六百胞体
五維均勻多胞體英语Uniform 5-polytope五維正六胞體五维正轴体五维超正方体五維超半方形英语5-demicube
六維均勻多胞體英语Uniform 6-polytope六維正七胞體六維正軸體英语6-orthoplex六維超立方體英语6-cube六維超半方形英语6-demicube122英语1 22 polytope221英语2 21 polytope
七維均勻多胞體英语Uniform 7-polytope七維正八胞體七維正軸體英语7-orthoplex七維超立方體英语7-cube七維超半方形英语7-demicube132英语1 32 polytope231英语2 31 polytope321英语3 21 polytope
八維均勻多胞體英语Uniform 8-polytope八維正九胞體八維正軸體英语8-orthoplex八維超立方體英语8-cube八維超半方形英语8-demicube142英语1 42 polytope241英语2 41 polytope421英语4 21 polytope
九維均勻多胞體英语Uniform 9-polytope九維正十胞體英语9-simplex九維正軸體英语9-orthoplex九維超立方體英语9-cube九維超半方形英语9-demicube
十維均勻多胞體英语Uniform 10-polytope十維正十一胞體十維正軸體英语10-orthoplex十維超立方體英语10-cube十維超半方形英语10-demicube
n維均勻多胞體n-單純形n-正轴形n-超方形n-超半方形1k2英语Uniform 1 k2 polytope2k1英语Uniform 2 k1 polytopek21英语Uniform k 21 polytopen-类五边形形
主題:多胞形系列英语Polytope families正圖形正圖形列表
錐體
雙錐體
柱體
反柱體
錐台
雙錐台
錐柱體
雙錐柱體
角錐反柱
雙錐反柱
其他
柏拉圖立體
星形正多面體
正扭歪無限面體
皮特里對偶
無法良好具像化的抽象英语Abstract_polytope正多面體
複合正多面體
一種多面體
對偶複合體
其他空間的正多面體
複數空間
四元數空間
相關條目
※註:{p,q|h}r施莱夫利符号,表示該正多面體p邊形組成,每粒頂點為qp邊形的公共頂點,整體結構中有h邊形的孔洞,且赤道面上的扭歪多邊形r邊形。更精確地說,該立體的p邊形、頂點圖q邊形、皮特里多邊形r邊形並有h邊形的孔洞。
二邊形鑲嵌
三角形鑲嵌
正方形鑲嵌
五邊形鑲嵌
六邊形鑲嵌
七邊形鑲嵌
八邊形鑲嵌
無限邊形鑲嵌
星型面的鑲嵌
星型頂點圖的鑲嵌
複合鑲嵌(重疊)
其他
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