凸多面体的平面展开图,一定不会重叠么?

作者: 冯伟

来源: 新东方智慧学堂

发布日期: 2021-03-08 13:32:18

本文探讨了凸多面体的平面展开图是否一定不会重叠的问题,介绍了多面体展开图的概念,并讨论了是否所有多面体都具有简单展开图的可能性。文章提到,尽管数学家们已经找到了一些反例,但关于凸多面体是否一定具有简单展开图的猜想仍未被证明。

同学们,你知道什么是多面体的展开图嘛?将一个三维多面体沿边线裁开,并将多面体表面在平面上摊平,我们就得到了该多面体的展开图。如果展开图中的各个面之间互相没有交叠,则称之为简单展开图。1525年,德国画家丢勒研究了一些正多面体和半正多面体的展开图的构建。可以看出,所有正多面体都具有简单展开图。你能构建出一个具有非简单展开图的多面体吗?

下面这种多面体可能是你最先想到的:不过,它依然具有简单展开图——那能否构建出不存在简单展开图的多面体呢?答案是肯定的。比如下面这种,无论以何种方式裁剪展开,总会有两个面交叠。玄机就在于无论怎么展开总会有两个红色面相邻,而这相邻面形成的空格仅够放两个绿色的面!如果我们仔细观察,会发现,上面两种具有非简单展开图的多面体都至少有一个面是非凸多边形。

那是不是限制多面体的每个面都是凸多边形,就能保证任意裁剪展开都是简单展开图呢?或者退一步,至少保证有一种简单展开图呢?很遗憾,数学家找到了这样一个多面体,它的每个面都是凸多边形,然而却不具有简单展开图,就是下面这样的。聪明的你一定发现了,这些具有非简单展开图的多面体都比较怪异,准确的说它们都不是凸多面体。所谓凸多面体是指这样一类多面体——将其任意一个面扩展成平面,其他所有面都在该平面的同一侧。

如果将黄色面扩展开来,就会将这个多面体分割在这个面的两侧,所以他不是一个凸多面体。比如之前我们提到的下面这个多面体。那么,是不是凸多面体的任意展开图都是简单展开图呢?数学家们又发现了这样一些反例。最后的最后,跟大家介绍一个猜想,它是由舍普哈德在1975提出的:对于凸多面体,一定具有某种裁剪方法使其展开图为简单展开图。这一次,数学家们没能再举出反例,但也没能给出证明。聪明的你,能找出反例嘛?

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