五角錐球狀屋頂 (日語:五角錐球形屋根 [ 1] 、英語:Disphenocingulum )是一種由20個三角形 和4個正方形組成的二十四面體 [ 2] ,為詹森多面體 的其中一個,索引為J90 [ 3] 。其可以藉由合併2個去除2個三角形面的球狀屋頂 來構造,但它無法由柏拉圖立體 (正多面體)和阿基米得立體 (半正多面體)經過切割、增補而得來,是詹森多面體中的基本立體之一。詹森多面體是凸多面體 ,面皆由正多邊形組成但不屬於均勻多面體,共有92種。這些立體最早在1966年由諾曼·詹森 (Norman Johnson)命名並給予描述[ 4] 。
性質
五角錐球狀屋頂共由24個面 、38條邊 和16個頂點 組成[ 5] [ 6] [ 7] [ 8] 。其可以視為由2個去除2個三角形面的球狀屋頂 三角形面重新排列合併而成,每個去除2個三角形面的球狀屋頂 有12個面,三角形面重新排列合併完成後為二十四面體。其英文名稱字首「di-」表示兩個球狀屋頂 ,而字尾「-cingulum」(為belt(腰帶)的拉丁語)指的是12個分布於兩個正方形「屋頂」周圍的三角形的腰帶,兩者彼此旋轉90度互相接合[ 7] 。雖然這24個面皆為正多邊形,但由於其有多種頂角,不滿足點可遞的特性,因此不屬於均勻多面體,這類立體早在1966年由諾曼·詹森 (Norman Johnson)命名並給予描述[ 4] 。
在組成五角錐球狀屋頂的24個面中, 有20個三角形面和4個正方形面[ 6] [ 8] 。在其16個頂點中,有4個是5個三角形的公共頂點[ 8] ,在頂點圖中可以用[35 ]來表示[ 9] 、還有8個頂點是4個三角形和1個正方形的公共頂點,在頂點圖中可以用[34 ,4]來表示[ 9] 、剩下的4個頂點是2個三角形和2個正方形的公共頂點[ 8] ,在頂點圖中可以用[32 ,42 ]來表示[ 9] 。
體積與表面積
若一個五角錐球狀屋頂邊長為
a
{\displaystyle a}
,則其表面積
A
{\displaystyle A}
為:[ 10]
A
=
4
+
5
3
a
2
≈
12.6603
a
2
{\displaystyle A=4+5{\sqrt {3}}a^{2}\approx 12.6603a^{2}}
[ 11]
在92種詹森多面體中,有13種詹森多面體的單位邊長體積(V /a 3 )無法表達為解析數 。而五角錐球狀屋頂就是這13種詹森多面體之一。
由於其體積無法表達為解析數,但可以用近似值表示。邊長為
a
{\displaystyle a}
的五角錐球狀屋頂體積近似為:
V
≈
3.7776453418585752429
a
3
{\displaystyle V\approx 3.7776453418585752429a^{3}}
[ 6] 。
上述體積近似值為以下多項式的最大實根:[ 12]
1213025622610333925376 x 24
+ 54451372392730545094656 x 22
− 796837093078664749252608 x 20
− 4133410366404688544268288 x 18
+ 20902529024429842816303104 x 16
− 133907540390420673677230080 x 14
+ 246234688242991598853881856 x 12
− 63327534106871321714442240 x 10
+ 14389309497459555704164608 x 8
+ 48042947402464500749392128 x 6
− 5891096640600351061013664 x 4
− 3212114716816853362953264 x 2
+ 479556973248657693884401
頂點座標
令
a
{\displaystyle a}
≈ 0.76713為下列多項式的實根
256
x
12
−
512
x
11
−
1664
x
10
+
3712
x
9
+
1552
x
8
−
6592
x
7
+
1248
x
6
+
4352
x
5
−
2024
x
4
−
944
x
3
+
672
x
2
−
24
x
−
23
{\displaystyle {\begin{aligned}&256x^{12}-512x^{11}-1664x^{10}+3712x^{9}+1552x^{8}-6592x^{7}\\&\quad {}+1248x^{6}+4352x^{5}-2024x^{4}-944x^{3}+672x^{2}-24x-23\end{aligned}}}
和
h
=
2
+
8
a
−
8
a
2
{\displaystyle h={\sqrt {2+8a-8a^{2}}}}
和
c
=
1
−
a
2
{\displaystyle c={\sqrt {1-a^{2}}}}
。
則邊長為2的五角錐球狀屋頂可以由下列頂點的軌道 的並集在沿xz平面和yz平面鏡射所產生的空間對稱群 之群作用 下給出:[ 13]
(
1
,
2
a
,
h
2
)
,
(
1
,
0
,
2
c
+
h
2
)
,
(
1
+
3
−
4
a
2
c
,
0
,
2
c
−
1
c
+
h
2
)
{\displaystyle \left(1,2a,{\frac {h}{2}}\right),\ \left(1,0,2c+{\frac {h}{2}}\right),\ \left(1+{\frac {\sqrt {3-4a^{2}}}{c}},0,2c-{\frac {1}{c}}+{\frac {h}{2}}\right)}
相關多面體
參見
參考文獻
^ 整面凸多面体データ . mitani.cs.tsukuba.ac.jp. [2022-09-11 ] . (原始内容存档 于2023-01-14).
^ Santiago Alvarez. Polyhedra in (Inorganic) Chemistry (PDF) . Electronic Supplementary Information for Dalton Transactions. 2005 [2022-09-25 ] . (原始内容存档 (PDF) 于2022-01-21).
^ Weisstein, Eric W. (编). Disphenocingulum . at MathWorld --A Wolfram Web Resource. Wolfram Research, Inc. (英语) .
^ 4.0 4.1 Johnson, Norman W. , Convex polyhedra with regular faces, Canadian Journal of Mathematics , 1966, 18 : 169–200, MR 0185507 , Zbl 0132.14603 , doi:10.4153/cjm-1966-021-8
^ V.Bulatov. disphenocingulum . [2022-09-11 ] . (原始内容存档 于2022-09-11).
^ 6.0 6.1 6.2 David I. McCooey. Johnson Solids: Disphenocingulum . [2022-09-07 ] . (原始内容存档 于2022-09-11).
^ 7.0 7.1 The Disphenocingulum . qfbox.info. [2022-09-11 ] . (原始内容存档 于2022-12-31).
^ 8.0 8.1 8.2 8.3 Disphenocingulum . polyhedra.tessera.li. [2022-09-11 ] . (原始内容存档 于2023-01-03).
^ 9.0 9.1 9.2 Richard Klitzing. disphenocingulum, dawci . bendwavy.org. [2022-09-11 ] . (原始内容存档 于2022-11-14).
^ Wolfram, Stephen . " Disphenocingulum" . from Wolfram Alpha : Computational Knowledge Engine, Wolfram Research (英语) .
^ Wolfram Research, Inc. Wolfram|Alpha Knowledgebase. Champaign, IL. 2020. PolyhedronData[{"Johnson", 90}, "SurfaceArea"]
^ Wolfram Research, Inc. Wolfram|Alpha Knowledgebase. Champaign, IL. 2020. PolyhedronData[{"Johnson", 90}, "Volume"]
^ Timofeenko, A. V. The non-platonic and non-Archimedean noncomposite polyhedra. Journal of Mathematical Sciences. 2009-10-17, 162 (5): 710–729. ISSN 1072-3374 . S2CID 120114341 . doi:10.1007/s10958-009-9655-0 .
外部連結