Matematické Fórum

Nevíte-li si rady s jakýmkoliv matematickým problémem, toto místo je pro vás jako dělané.

Nástěnka
22. 8. 2021 (L) Přecházíme zpět na doménu forum.matweb.cz!
04.11.2016 (Jel.) Čtete, prosím, před vložení dotazu, děkuji!
23.10.2013 (Jel.) Zkuste před zadáním dotazu použít některý z online-nástrojů, konzultovat použití můžete v sekci CAS.

Nejste přihlášen(a). Přihlásit

#1 01. 08. 2010 12:08

check_drummer
Příspěvky: 4650
Reputace:   101 
 

Platónská tělesa - existence

Platónské těleso je konvexní těleso, jehož stěny jsou pravidelné, shodné k-úhelníky (pro neměnné k) a v každém vrcholu se stýká stejný počet hran.
Platónských těles existuje pět (až na podobnost): pravidelný čtyřstěn, šstistěn (krychle), osmistěn, dvanáctistěn, dvacetistěn.

Z podmínek výše lze jednoduše odvodit nutné podmínky pro existenci takovýchto těles: Kolik hran se musí stýkat v daném vrcholu v závislosti na k (k-úhelník tvořící stěnu).

Jak však dokázat, že taková tělesa skutečně existují aniž bychom je kontstruovali (tj. aniž bychom prováděli stereometrické výpočty)? Existuje nějaký elementárnější postup? (Např. pomocí eulerova vztahu v+s-e=2 lze zjistit kolik budou mít taková tělesa stěn (s), ale neznamená to ještě, že budou pravidlená.)

Taková konstrukce nějakého platónského tělesa může vypadat tak, že začnu u jednoho vrcholu, "obklopím" ho pravidelnými k-úhelníky, následně si vyberu další vrchol, který ještě není zcela pravidelnými k-úhelníky obklopen a "obklopím" jej, atd. Ovšem může se mi stát, že u posledních ještě neobklopených vrcholů nebude možné pokračovat, protože již umístěné k-úhelníky by mohly nějakým způsobem bránit v pokládání dalších k-úhelníků. (Toto je spíš úvaha naznačující, že existence platónských těles nemusí být zřejmá. Vyjadřuji se vágně, ale snad je zřejmé, co tím myslím.)


"Máte úhel beta." "No to nemám."

Offline

 

#2 02. 08. 2010 15:26

pietro
Příspěvky: 4762
Reputace:   187 
 

Re: Platónská tělesa - existence

↑ check_drummer:Možno že odbočujem od témy, ale mne sa to prelína s mojim  "problémom" rovnomerného rozdelenia bodov na povrchu napr. 3 rozm. gule.
Nechce sa mi veriť, že by sa nedalo napr. 41 bodov rovnomerne rozmiestniť po povrchu gule.
Keby som mal zväzok 41 vektorov, ktoré sa na konci odpudzujú , mali by sa po čase zostabilizovať do nejakého priestorovo rovnomerného usporiadania.( Ale to je už asi o Deltaédroch)

Offline

 

#3 02. 08. 2010 20:39

check_drummer
Příspěvky: 4650
Reputace:   101 
 

Re: Platónská tělesa - existence

↑ pietro:

A co je to rovnoměrné rozptýlení? Asi by bylo vhodné jej nějak definovat - např. ve vztahu jednoho bodu k ostatním bodům.


"Máte úhel beta." "No to nemám."

Offline

 

#4 02. 08. 2010 21:47

pietro
Příspěvky: 4762
Reputace:   187 
 

Re: Platónská tělesa - existence

↑ check_drummer:Myslim, keď sa dá rovnomerne na kružnici rozmiestniť n bodov ( napr. pri riešení n tých odmocnín z komplexného čísla v Gauss.rovine) tak by to malo(?) ísť aj v priestore.
Napr. ako sa to udialo tu:
http://sk.wikipedia.org/wiki/Fuller%C3%A9n
http://www.gvi.cz/files/chemie/hybridizace.pdf

Plochu 2D vieme pokryť rovnomerne rovnostrannými trojuholníkmi, Priestor 3D, zase pravidelnými tetraédrami....
Len tuším, ale neviem definovať tú rovnomernosť ( snád rovnostranné sférické trojuholníky ) :-(

Offline

 

#5 02. 08. 2010 22:39

check_drummer
Příspěvky: 4650
Reputace:   101 
 

Re: Platónská tělesa - existence

↑ pietro:
Ale abychom zjistili, zda jde nebo nejde koule (resp. její plášť) rovnoměrně pokrýt daným počtem bodů, pak si prostě musíme definovat pojem "rovnoměrné pokrytí (daným počtem bodů)", jinak si můžeme jen kreslit obrázky a nikam to nepovede. :-)


"Máte úhel beta." "No to nemám."

Offline

 

#6 03. 08. 2010 11:09

pietro
Příspěvky: 4762
Reputace:   187 
 

Re: Platónská tělesa - existence

↑ check_drummer:Ďakujem za navigovanie .. a mohlo by to byť "definované" ako rovnaká Euklid. vzdialenosť od všetkých susedných bodov?

Offline

 

#7 03. 08. 2010 15:23

Stýv
Vrchní cenzor
Příspěvky: 5692
Reputace:   215 
Web
 

Re: Platónská tělesa - existence

↑ pietro: a které body jsou sousední?

Offline

 

#8 03. 08. 2010 18:47

check_drummer
Příspěvky: 4650
Reputace:   101 
 

Re: Platónská tělesa - existence

↑ pietro:

Nevím, jaké je v této oblasti vžité pojmosloví a s jakými pojmy se pracuje, ale např. mě napdá, že definice rovnoměrnosti by mohla znít:
Blízkost bodu X k ostatním bodům definujeme jako B(X)=suma(1/vzdálenost(X,Y)^2)(pro X<>Y) (používám tvou myšlenku s body na povrchu koule, které se nějakou silou odpuzují). "vzdálenost" je nějaká "vhodná" vzdálenost. Pak řekneme, že body jsou rozmístěny rovnoměrně, pokud B(X)=B(Y) pro všechna X,Y a B(X) je nejmenší možné. Resp. pokud minima nelze dosáhnout, tak bychom použili definici přes infimum a "libovolně blízké" přiblížení tomuto stavu.

Ale musím upozornit, že se nám téma otázky rozbíhá poněkud jiným směrem.


"Máte úhel beta." "No to nemám."

Offline

 

#9 03. 08. 2010 22:14

pietro
Příspěvky: 4762
Reputace:   187 
 

Re: Platónská tělesa - existence

↑ Stýv:Mám s tým väčší problém ......než jsme doufali! Ale aj tak vďaka!

Offline

 

#10 03. 08. 2010 22:15 — Editoval pietro (03. 08. 2010 22:34)

pietro
Příspěvky: 4762
Reputace:   187 
 

Re: Platónská tělesa - existence

↑ check_drummer: Ano odbočujeme, ale to je mojím svojským prístupom. Ospravedlňujem sa a ďakujem za poslané!
A ešte jedno malé odbočenie:
Prečo sa Gibbsov zákon fázOdkaz  v= k-f+2 opticky podobá na Eulerov vztah hran, vrcholov a ploch ..v+s-e=2 , tiež by ma zaujímalo, ale to asi inokedy.

Offline

 

#11 04. 08. 2010 08:01 — Editoval Honzc (04. 08. 2010 08:02)

Honzc
Příspěvky: 4551
Reputace:   241 
 

Re: Platónská tělesa - existence

Offline

 

#12 04. 08. 2010 20:11

check_drummer
Příspěvky: 4650
Reputace:   101 
 

Re: Platónská tělesa - existence

↑ Honzc:
Ano, nutné podmínky existence jsou zřejmé, ovšem dle mého nikli samotná existence.


"Máte úhel beta." "No to nemám."

Offline

 

#13 04. 08. 2010 22:25

petrkovar
Veterán
Místo: Ostrava/Krmelín
Příspěvky: 1012
Pozice: VŠB - TU Ostrava
Reputace:   23 
Web
 

Re: Platónská tělesa - existence

↑ check_drummer:Myslím, že existence se nejlépe ukáže konstrukcí.
Vzhledem k symetrii (každé dvě stěny shodné a u každého vrcholu stejný počet stejných hran) čekáme (ano, toto je velmi intuitivní část důkazu), že všechna platonovská tělesa budou vepsána do koule a stačí zkoumat okolí jednoho (libovolného!) vrcholu.
Stačí si pak rozmyslet, že trojúhelníky se mohou "potkat" (a utvořit konvexní vrchol mnohostěnu) tři, čtyři nebo pět, čtverce tři a pětiúhelníky také jen tři. Potřebuji znát jen vnitřní úhly u pravidelného trojúhelníka, čtverce a pětiúhelníka, aby součet těch, co se u vrcholu potkají, byl méně než 360 stupňů. U toho posledního stačí vlastně jen vědět, že to je více než u čtverce a méně než u šestiúhelníku.

Offline

 

#14 05. 08. 2010 22:15

check_drummer
Příspěvky: 4650
Reputace:   101 
 

Re: Platónská tělesa - existence

↑ petrkovar:

Co když s touto konstrukcí "začnu" na jedné "straně" (v nějakého vrcholu) mnohostěnu, budu přilepovat další a další mnohoúhelníky k již umístěným mnohoúhelníkům pláště a na druhé straně mnohostěnu se dostanu do problémů, protože se mi mnohoúhelníky nějakým způsobem "protnou", místo aby se jen dotýkaly?... Jak dokázata, že toto nenastane?


"Máte úhel beta." "No to nemám."

Offline

 

#15 06. 08. 2010 09:49

petrkovar
Veterán
Místo: Ostrava/Krmelín
Příspěvky: 1012
Pozice: VŠB - TU Ostrava
Reputace:   23 
Web
 

Re: Platónská tělesa - existence

↑ check_drummer:Předně musím přiznat, že se pouštím za hranice toho, v čem jsem kovaný.
No a teď argument sporem: Dostaneme spor díky pravidelnosti mnohostěnu. Začneme od nějakého vrcholu, třeba A. U něj se potkává p n-úhelníků. Problém nastane "na druhé straně". Vezměme jiný vrchol už sestavené části, třeba X. U něj se opět potkává p n-úhelníků, tvar okolí je stejný, protože je sestaven ze stejného počtu n-úhelníků. Problém ale nastal jinde, než "naproti" vrcholu X i když sestavujeme stejně. Z tohoto sporu plyne, že problém nenastane.

Offline

 

#16 06. 08. 2010 11:15 — Editoval Pavel Brožek (09. 07. 2011 20:44)

Pavel Brožek
Místo: Praha
Příspěvky: 5694
Škola: Informatika na MFF UK
Pozice: Student
Reputace:   194 
 

Re: Platónská tělesa - existence

↑ petrkovar:

Můžu se zeptat, proč by tento důkaz sporem neměl fungovat na následující příklad?

V rovině sestrojíme n-úhelník tak, že sestrojíme úsečku AB z k ní přiložíme další dvě strany n-úhelníku tak, že s AB svírají úhel 130°. Takto přikládáme další strany, dokud se "na druhé straně" nespojí v jednom bodě a nevznikne pravidelný n-úhelník.

Tento postup samozřejmě nepovede k sestrojení pravidelného n-úhelníku, jak je vidět na následujícím obrázku.

http://forum.matweb.cz/upload3/img/2011-07/37044_pravidelny_n-uhelnik.png

Offline

 

#17 06. 08. 2010 18:51

petrkovar
Veterán
Místo: Ostrava/Krmelín
Příspěvky: 1012
Pozice: VŠB - TU Ostrava
Reputace:   23 
Web
 

Re: Platónská tělesa - existence

↑ BrozekP:Nejsou zakresleny všechny vrcholy a všechny hrany. (U platónských mnohostěnů s příslušnýni parametry známe počet vrcholů, hran a stěn.) Pokud bychom v zakreslování hran pokračovali přidáváním hran pod úhlem 130°, tak po 36 krocích se obrazec "uzavře". Nebude to jednat o n-úhelník, ale spíš o lunatic fringe.
Souhlasím, podobný zádrhel by mohl nastat i pro tělesa. Na druhou stranu máme nejvýše 20 stěn...

Offline

 

#18 08. 08. 2010 17:16

check_drummer
Příspěvky: 4650
Reputace:   101 
 

Re: Platónská tělesa - existence

↑ petrkovar:
Nerozumím, proč by mělo řešení záviset na tom, že počet stěn je omezený. Myslím, že případ mnohoúhelníku, který ukazuje ↑ BrozekP: lze uvést takový, aby počet hran byl "libovolný" (např. 20).
To, že u platónských tělesů známe počet hran, vrcholů a stěn bych formulovat spíše tak, že známe nutnou podmínku na tyto počty.


"Máte úhel beta." "No to nemám."

Offline

 

#19 12. 08. 2010 12:48

petrkovar
Veterán
Místo: Ostrava/Krmelín
Příspěvky: 1012
Pozice: VŠB - TU Ostrava
Reputace:   23 
Web
 

Re: Platónská tělesa - existence

↑ check_drummer: Ano, nutné podmínky omezily počet stěn. A jestli nám jde o to ukázat existenci aniž konstruujeme mnohostěn, tak nám omezení počtu stěn náramně pomůže při argumentaci, že podobný "falešný" mnohostěn neexistuje.

Offline

 

#20 15. 08. 2010 18:34

check_drummer
Příspěvky: 4650
Reputace:   101 
 

Re: Platónská tělesa - existence

↑ petrkovar:
Ovšem stále nevidím, že nám toto pomůže v důkazu toho, že daný mnohostěn skutečně existuje.


"Máte úhel beta." "No to nemám."

Offline

 

#21 15. 08. 2010 20:59

petrkovar
Veterán
Místo: Ostrava/Krmelín
Příspěvky: 1012
Pozice: VŠB - TU Ostrava
Reputace:   23 
Web
 

Re: Platónská tělesa - existence

↑ check_drummer:
Máme pravidelný mnohostěn. Sestavíme si jeho graf (překreslení do roviny, ve kterém nesedí úhly a vzdálenosti, ale jen počtu stěn a hran a sousednost (mapa mnohostěnu). Z eulerova vztahu dostaneme omezení na mapu a tedy i původní mnohostěn.
A konstrukce následuje lepením příslušného počtu n-úhelníků kolem každého vrcholu. Třeba takový dvanáctistěn. Kolem jednoho vrcholu jsou tři stěny-pětiúhelníky. Součet tří vnitřních úhlů pětúhelníku je 3*108=324, což je méně než 360 stupňů a proto vznikne konvexní útvar. Jedná se o pravidelný mnohostěn, proto je konfigurace u každého vrcholu i kolem každé stěny stejná.
Kolem jedné stěny je 5 dalších stěn, to je celkem 6. Dohromady je stěn jen dvanáct, proto se nejedná o nějaký "falešný" mnohostěn, ale o objekt.

Offline

 

#22 17. 08. 2010 19:35

check_drummer
Příspěvky: 4650
Reputace:   101 
 

Re: Platónská tělesa - existence

↑ petrkovar:
Jak mám rozmět Tvé poslední větě:
"Dohromady je stěn jen dvanáct, proto se nejedná o nějaký "falešný" mnohostěn, ale o objekt."
?

Stále mi není z žádného argumentu jasné, že uvedeným postupem (lepením n- úhelníků kolem vrcholů) pravidelný mnohostěn vznikne, všechna uvedená tvrzení mi připadají jako nutné, nikoli postačující podmínky pro existenci pravidleného mnohostěnu.


"Máte úhel beta." "No to nemám."

Offline

 

#23 17. 08. 2010 21:17

petrkovar
Veterán
Místo: Ostrava/Krmelín
Příspěvky: 1012
Pozice: VŠB - TU Ostrava
Reputace:   23 
Web
 

Re: Platónská tělesa - existence

↑ check_drummer:Kdybychom mohli přidávat další a další stěny, tak buď by jich bylo nekonečně mnoho, nebo konečně mnoho.
My ale víme, že jich musí být 12, jinak by nám vyšlo i jiné než těch 5 různých řešení soustavy rovnic pro počet stěn, hran a vrcholů.

Přidáváním stěn "něco" vzniknout musí. Vždyť máme rovinnou mapu.

Offline

 

#24 17. 08. 2010 22:08

check_drummer
Příspěvky: 4650
Reputace:   101 
 

Re: Platónská tělesa - existence

↑ petrkovar:
Ale oněch 5 různých řešení soustavy ještě nedokazuje, že taková (pravidelná) tělesa skutečně existují.
Otázka zní, co opravdu vznikne přidáváním stěn - co když se při takovém přidání nějaké dvě stěny protnou ve svých nehraničních bodech? (Pak v místě průniknu vzniknou "nové" hrany, se kterými jsme nepočítali a tedy konstruované těleso nebude mít požadovaný počet hran.)  Může to nastat? Již tu zazněl argument, že nikoli, ale následně byl uveden příklad, že u mnohoúhelníku tato úvaha nevede k cíli.


"Máte úhel beta." "No to nemám."

Offline

 

#25 18. 08. 2010 13:18

petrkovar
Veterán
Místo: Ostrava/Krmelín
Příspěvky: 1012
Pozice: VŠB - TU Ostrava
Reputace:   23 
Web
 

Re: Platónská tělesa - existence

↑ check_drummer:Protnout se mohou jen nesousední stěny, jinak nekonstruujeme pravidelný mnohostěn.

Možná bude dobré sformulovat co máme a co chceme.
Předpokládejme, že známe mapy platonských těles. Abychom tělesa zkonstruovali, nemusíme provádět žádné stereometrické výpočty. Při sestavování tělesa vzniknou tělesa odpovídající právě uvedeným mapám.

Offline

 

Zápatí

Powered by PunBB
© Copyright 2002–2005 Rickard Andersson