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数学 / 几何原本 / Proposition XIII.18

第13卷命题 18 · 正多面体边长的比较与构造

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To set out the sides of the five figures and to compare them with one another.

给定球直径AB,将其分为AC=CB和AD=2DB,作半圆AEB,从C、D作垂线CE、DF,连接AF、FB、EB。证明AF等于正四面体边长,BF等于立方体边长,BE等于正八面体边长。通过构造证明KM等于正二十面体边长,NB等于正十二面体边长。并证明除这五种正多面体外,不存在其他由等边等角面构成的正多面体。

A B C D E F G H K L M N O P T
fig-1

球直径 AB;以 AB 为直径的半圆,C 把 AB 一半分(AC=CB),D 三分(AD=2DB);CE⊥AB、DF⊥AB 与半圆交于 E、F。AF=正四面体边,BF=立方体边,BE=正八面体边。下排 G H K L M N P T 是用作辅助比较的边段标记。

线

正文图形由校订坐标生成;点、线、角、圆可与证明和问答联动。

分步证明Step-by-step proof
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  1. 设球直径AB,取点C使AC=CB,点D使AD=2DB。作半圆AEB,从C、D作AB垂线CE、DF,连接AF、FB、EB。

  2. 由AD=2DB得AB=3BD,故BA:AD=3:2。因三角形AFB与AFD等角,得BA²:AF²=3:2,即AF²=(2/3)AB²。已知球直径平方是正四面体边长的1.5倍,故AF等于正四面体边长。

  3. 类似地,由AB=3BD得AB²:BF²=3:1,即BF²=(1/3)AB²,故BF等于立方体边长。由AB=2BC得AB²:BE²=2:1,即BE²=(1/2)AB²,故BE等于正八面体边长。

  4. 通过构造垂线AH=AB,连接HC,作垂线HK,得BC²=5CK²。设CL=CK,作垂线LM,连接MB,得AB²=5KL²,故KL为圆半径,该圆内接正六边形边长为KL,正五边形边长为MB,即正二十面体边长。将FB黄金分割得NB,即正十二面体边长。最后证明MB>NB,且除这五种外无其他正多面体。