
今日の板書はこれ!
■ オイラーの多面体定理
凸多面体の頂点の数を V,辺の数を E,面の数を F とすると
V-E+F=2
■ 正多面体
次の2つの条件を満たす凸多面体。5種類しかない。
・各面が合同な正多角形
・各頂点に集まる面の数がすべて等しい
正八面体の頂点の数 V,辺の数 E,面の数 F を求め、オイラーの多面体定理 V-E+F=2 が成り立つことを確かめよ。
▼ 解答
F=8 である。各面は正三角形で、1つの辺は2つの面で共有されるから E=8×3÷2=12
1つの頂点には4つの面が集まるから V=8×3÷4=6
よって V-E+F=6-12+8=2 となり、成り立つ。

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現役教員として数学を教えている「さん」と申します。
「人より勉強に時間がかかる」と感じていませんか?私の学校にも、同じ悩みを抱えて苦しんでる生徒がたくさんいます。
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正八面体の頂点・辺・面の数は?
正八面体の頂点の数 V,辺の数 E,面の数 F を求め、オイラーの多面体定理 V-E+F=2 が成り立つことを確かめよ。

正八面体の頂点や辺って、図を見ながら数えるとどこまで数えたか分からなくなります…

数えまちがいを防ぐ計算での求め方があるんだ。それに、V,E,F の間にはきれいな関係があるよ!
凸多面体とオイラーの多面体定理
いくつかの平面で囲まれた立体を多面体といいます。
そのうち、へこみのない多面体を凸多面体といいます。

正確には、どの2つの頂点を結んだ線分も、もとの多面体に含まれるものです。
凸多面体の頂点(Vertex)の数を V,辺(Edge)の数を E,面(Face)の数を F とすると、次の等式が成り立ちます。
これをオイラーの多面体定理といいます。
V-E+F=2
たとえば立方体では、V=8,E=12,F=6 なので、8-12+6=2 となっています。

多面体の1つの面を取り除いて、残りを平らに広げた「網目の図」を考えます。
このとき、面が1つ減るので、図の上では V-E+F=1 を示せばよいことになります。
網目の多角形に対角線を引いて三角形に分けても、辺が1本、面が1つ増えるだけなので V-E+F は変わりません。
外側の三角形を1つずつ取り除いていっても、V-E+F は変わらないことが確かめられます。
最後に三角形が1つだけ残ると、V=3,E=3,F=1 で V-E+F=1 です。
取り除いた面を戻すと F が1増えるので、もとの多面体では V-E+F=2 になります。
正多面体
次の2つの条件を満たす凸多面体を正多面体といいます。
- 各面が合同な正多角形である
- 各頂点に集まる面の数がすべて等しい
正多面体は、次の5種類しかないことが知られています。

立体の頂点ができるためには、1つの頂点に3つ以上の面が集まり、そこに集まる角の和が360°より小さい必要があります。
360°ちょうどだと平らになってしまい、とがった頂点ができません。

正三角形(1つの角60°)なら、3つ(180°)、4つ(240°)、5つ(300°)の3通りです。
6つだと360°になってしまいます。
正方形(90°)なら3つ(270°)、正五角形(108°)なら3つ(324°)の1通りずつです。
正六角形(120°)は3つで360°になるので作れません。
合わせて3+1+1=5通りなので、正多面体は5種類しかないのです。
最初の問題を解こう
正八面体の頂点の数 V,辺の数 E,面の数 F を求め、オイラーの多面体定理 V-E+F=2 が成り立つことを確かめよ。
正八面体は、8つの正三角形でできています。

よって F=8 です。
辺の数 E
正三角形8つの辺を全部数えると 8×3=24 本ですが、組み立てたとき、1本の辺は2つの面で共有されます。
E=8×3÷2=12
頂点の数 V
正三角形8つの頂点を全部数えると 8×3=24 個ですが、正八面体では1つの頂点に4つの面が集まるので、4回ずつ重なって数えています。
V=8×3÷4=6
オイラーの多面体定理の確認
V-E+F=6-12+8=2
たしかに成り立っています。

「面の数×1つの面の辺の数」を重なりで割る、という考え方を覚えておくと、正十二面体や正二十面体でも数えずに求められるよ!
練習問題
5種類の正多面体について、面の数,面の形,頂点の数,辺の数を表にまとめ、すべてについてオイラーの多面体定理が成り立つことを確かめよ。
答えを見る
| 正多面体 | 面の数 F | 面の形 | 頂点の数 V | 辺の数 E |
|---|---|---|---|---|
| 正四面体 | 4 | 正三角形 | 4 | 6 |
| 正六面体 | 6 | 正方形 | 8 | 12 |
| 正八面体 | 8 | 正三角形 | 6 | 12 |
| 正十二面体 | 12 | 正五角形 | 20 | 30 |
| 正二十面体 | 20 | 正三角形 | 12 | 30 |
正十二面体:E=12×5÷2=30,各頂点に3つの面が集まるから V=12×5÷3=20
正二十面体:E=20×3÷2=30,各頂点に5つの面が集まるから V=20×3÷5=12
正四面体 4-6+4=2
正六面体 8-12+6=2
正八面体 6-12+8=2
正十二面体 20-30+12=2
正二十面体 12-30+20=2
よって、すべての正多面体で V-E+F=2 が成り立つ。
下の図のように、立方体の各辺の中点を通る平面で8つのかどを切り取った多面体について、面,頂点,辺の数をそれぞれ求め、オイラーの多面体定理が成り立つことを確かめよ。

答えを見る
面:切り口の正三角形が8つ、もとの立方体の面が残った正方形が6つあるから F=8+6=14
頂点:もとの立方体の各辺の中点が頂点になるから V=12
辺:どの辺も、正三角形と正方形の境目になっている。正三角形8つの辺を数えると E=8×3=24
よって V-E+F=12-24+14=2 となり、成り立つ。
まとめ:正多面体とオイラーの多面体定理

さて、今回のまとめだよ!
■ オイラーの多面体定理
凸多面体の頂点の数を V,辺の数を E,面の数を F とすると
V-E+F=2
■ 正多面体
次の2つの条件を満たす凸多面体。5種類しかない。
・各面が合同な正多角形
・各頂点に集まる面の数がすべて等しい

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!




