
今日の板書はこれ!
■ 双対多面体
ある多面体の各面の中心(重心)を新しい頂点として結んだ立体。頂点と面を入れかえた立体になる。
- 正四面体 → 正四面体
- 正六面体 ⇄ 正八面体
- 正十二面体 ⇄ 正二十面体
立方体の各面の中心を頂点とする立体は、正八面体であることを示せ。
▼ 解答
立方体ABCD-EFGHの面ABCD,ABFE,BCGFの中心をP,R,Sとすると、P,R,Sは線分AC,AF,FCの中点である。
AC,AF,FCはどれも合同な正方形の対角線であるから、AC=AF=FC
中点連結定理より PR=\(\frac{1}{2}\)CF,RS=\(\frac{1}{2}\)AC,SP=\(\frac{1}{2}\)AF であるから PR=RS=SP
よって、△PRSは正三角形である。他の面も同様で、8つの面はすべて合同な正三角形である。
また、各頂点(立方体の面の中心)には4つの面が集まる。よって、この立体は正八面体である。

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立方体の面の中心を結ぶと正八面体になる?
立方体の各面の中心を頂点とする立体は、正八面体であることを示せ。

立方体の中に正八面体が入ってるんですか?なんだか不思議です…

正多面体どうしには、双対というおもしろいペアの関係があるんだ。見ていこう!
双対多面体とは?
ある多面体の各面の中心(重心)を新しい頂点として、となり合う面の中心どうしを結んでできる立体を、もとの多面体の双対多面体といいます。
もとの立体の「面」が新しい立体の「頂点」になるので、頂点と面を入れかえた立体ともいえます。
正多面体の双対多面体は、次のようになります。

- 正四面体の双対は正四面体(自分自身と同じ形)
- 正六面体の双対は正八面体、正八面体の双対は正六面体
- 正十二面体の双対は正二十面体、正二十面体の双対は正十二面体
双対多面体では、もとの立体の面が頂点に、頂点が面に入れかわります。
辺は、となり合う2つの面の中心を結ぶ1本の辺に対応するので、辺の数は変わりません。
| もとの立体 | V | E | F | 双対 | V | E | F |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 正六面体 | 8 | 12 | 6 | 正八面体 | 6 | 12 | 8 |
| 正十二面体 | 20 | 30 | 12 | 正二十面体 | 12 | 30 | 20 |
| 正四面体 | 4 | 6 | 4 | 正四面体 | 4 | 6 | 4 |
VとFが入れかわるだけなので、V-E+F=2 も双対多面体でそのまま成り立ちます。
最初の問題を解こう
立方体の各面の中心を頂点とする立体は、正八面体であることを示せ。
立方体ABCD-EFGHで考えます。
頂点Bに集まる3つの面ABCD,ABFE,BCGFの中心をそれぞれP,R,Sとします。

ステップ1:△PRSが正三角形であることを示す
正方形の中心は対角線の中点なので、P,R,Sはそれぞれ線分AC,AF,FCの中点です。
AC,AF,FCはどれも合同な正方形の対角線なので、AC=AF=FC です。
つまり、△AFCは正三角形です。

△AFCで中点連結定理を使うと、PR,RS,SPはそれぞれ CF,AC,AF の半分になります。
PR=RS=SP

よって、△PRSは正三角形です。
ステップ2:正多面体の条件を確かめる
立方体のほかの頂点についても同じように考えると、新しい立体の8つの面はすべて合同な正三角形になります(立方体の頂点が8つあるからです)。

また、新しい立体の頂点は立方体の面の中心です。
立方体の1つの面には頂点が4つあるので、各頂点に4つの面が集まります。

よって、この立体は正八面体です。

「すべての面が合同な正多角形」+「各頂点に集まる面の数が等しい」の2つの条件を確かめるのが正多面体の証明の型だよ!
練習問題
正四面体ABCDの各辺の中点を、右の図のようにP,Q,R,S,T,Uとする。この正四面体を4つの平面PQR,RSU,PST,QTUで切る。新しくできた立体PQRSTUが正八面体であることを示せ。

答えを見る
正四面体の1辺の長さを \(a\) とする。
立体PQRSTUの面は、切り口の△PQR,△RSU,△PST,△QTUと、もとの面に残る△PTQ,△PRS,△QRU,△STUの8つである。
これらの三角形の辺は、どれも正四面体の面(正三角形)の2辺の中点を結んだ線分であるから、中点連結定理より、長さはすべて \(\frac{1}{2}a\) である。
よって、8つの面はすべて1辺 \(\frac{1}{2}a\) の合同な正三角形である。
また、どの頂点にも4つの面が集まり、立体PQRSTUはへこみのない凸多面体である。
したがって、立体PQRSTUは正八面体である。
まとめ:正多面体の双対

さて、今回のまとめだよ!
■ 双対多面体
ある多面体の各面の中心(重心)を新しい頂点として結んだ立体。頂点と面を入れかえた立体になる。
- 正四面体 → 正四面体
- 正六面体 ⇄ 正八面体
- 正十二面体 ⇄ 正二十面体

また一つ賢くなった!

一人だと続かない人は、こんな方法もあるよ!




