关于欧拉公式
歐拉公式是指以歐拉命名的諸多公式。其中最著名的有,
復變函數(shù)中的歐拉幅角公式--將
復數(shù)、
指數(shù)函數(shù)與
三角函數(shù)聯(lián)系起來;
拓撲學中的歐拉
多面體公式;初等數(shù)論中的
歐拉函數(shù)公式。 此外還包括其他一些歐拉公式,比如
分式公式等等。
(2) 去掉多面體的一個面,就可以完全拉開鋪在平面上而得到一個平面中的直線形,像圖中②的樣子。假設F′,E′和V′分別表示這個平面圖形的(簡單)多邊形、邊和頂點的個數(shù),我們只須證明F′-E′+V′=1。
(3) 對于這個平面圖形,進行三角形分割,也就是說,對于還不是三角形的多邊形陸續(xù)引進對角線,一直到成為一些三角形為止,像圖中③的樣子。每引進一條對角線,F′和E′各增加1,而V′卻不變,所以F′-E′+V′不變。因此當完全分割成三角形的時候,F′-E′+V′的值仍然沒有變。有些三角形有一邊或兩邊在平面圖形的邊界上。
(4) 如果某一個三角形有一邊在邊界上,例如圖④中的△ABC,去掉這個三角形的不屬于其他三角形的邊,即AC,這樣也就去掉了△ABC。這樣F′和E′各減去1而V′不變,所以F′-E′+V′也沒有變。
(5) 如果某一個三角形有二邊在邊界上,例如圖⑤中的△DEF,去掉這個三角形的不屬于其他三角形的邊,即DF和EF,這樣就去掉△DEF。這樣F′減去1,E′減去2,V′減去1,因此F′-E′+V′仍沒有變。
(6) 這樣繼續(xù)進行,直到只剩下一個三角形為止,像圖中⑥的樣子。這時F′=1,E′=3,V′=3,因此F′-E′+V′=1-3+3=1。
(7) 因為原來圖形是連在一起的,中間引進的各種變化也不破壞這事實,因此最后圖形還是連在一起的,所以最后不會是分散在向外的幾個三角形,像圖中⑦那樣。
(8) 如果最后是像圖中⑧的樣子,我們可以去掉其中的一個三角形,也就是去掉1個三角形,3個邊和2個頂點。因此F′-E′+V′仍然沒有變。
即F′-E′+V′=1[3]
成立,于是歐拉公式:
得證。
空間中的歐拉公式
V+F-E=X(P),V是多面體P的頂點個數(shù),F是多面體P的面數(shù),E是多面體P的棱的條數(shù),X(P)是多面體P的歐拉示性數(shù)。 如果P可以同胚于一個球面(可以通俗地理解為能吹脹而繃在一個球面上),那么X(P)=2,如果P同胚于一個接有h個環(huán)柄的球面,那么X(P)=2-2h。 X(P)叫做P的歐拉示性數(shù),是拓撲不變量,就是無論再怎么經(jīng)過拓撲變形也不會改變的量,是拓撲學研究的范圍。 在多面體中的運用: 簡單多面體的頂點數(shù)V、面數(shù)F及棱數(shù)E間有關系 V+F-E=2 這個公式叫歐拉公式。公式描述了簡單多面體頂點數(shù)、面數(shù)、棱數(shù)特有的規(guī)律。平面上的歐拉公式
V+F-E=X(P),其中V是圖形P的頂點個數(shù),F是圖形P內(nèi)的區(qū)域數(shù),E是圖形的邊數(shù)。 在非簡單多面體中,歐位公式的形式為: V-E+F-H=2(C-G) 其中H指的是平面上不完整的個數(shù),而C指的是獨立的多面體的個數(shù),G指的是多面體被貫穿的個數(shù)。 證明 (1) 把多面體(圖中①)看成表面是薄橡皮的中空立體。(2) 去掉多面體的一個面,就可以完全拉開鋪在平面上而得到一個平面中的直線形,像圖中②的樣子。假設F′,E′和V′分別表示這個平面圖形的(簡單)多邊形、邊和頂點的個數(shù),我們只須證明F′-E′+V′=1。
(3) 對于這個平面圖形,進行三角形分割,也就是說,對于還不是三角形的多邊形陸續(xù)引進對角線,一直到成為一些三角形為止,像圖中③的樣子。每引進一條對角線,F′和E′各增加1,而V′卻不變,所以F′-E′+V′不變。因此當完全分割成三角形的時候,F′-E′+V′的值仍然沒有變。有些三角形有一邊或兩邊在平面圖形的邊界上。
(4) 如果某一個三角形有一邊在邊界上,例如圖④中的△ABC,去掉這個三角形的不屬于其他三角形的邊,即AC,這樣也就去掉了△ABC。這樣F′和E′各減去1而V′不變,所以F′-E′+V′也沒有變。
(5) 如果某一個三角形有二邊在邊界上,例如圖⑤中的△DEF,去掉這個三角形的不屬于其他三角形的邊,即DF和EF,這樣就去掉△DEF。這樣F′減去1,E′減去2,V′減去1,因此F′-E′+V′仍沒有變。
(6) 這樣繼續(xù)進行,直到只剩下一個三角形為止,像圖中⑥的樣子。這時F′=1,E′=3,V′=3,因此F′-E′+V′=1-3+3=1。
(7) 因為原來圖形是連在一起的,中間引進的各種變化也不破壞這事實,因此最后圖形還是連在一起的,所以最后不會是分散在向外的幾個三角形,像圖中⑦那樣。
(8) 如果最后是像圖中⑧的樣子,我們可以去掉其中的一個三角形,也就是去掉1個三角形,3個邊和2個頂點。因此F′-E′+V′仍然沒有變。
即F′-E′+V′=1[3]
成立,于是歐拉公式:
得證。
總結
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