扭棱十二面体

在幾何學中，扭棱十二面体是一種半正多面體，由正三角形和正五邊形組成，由於其具有點可遞的性質，因此屬於阿基米德立體，也是面數最多的阿基米德立體，其對偶多面體為五角六十面體。 這個形狀最早是由克普勒以拉丁文命名的，當時克普勒給出的名稱為dodecahedron simum，該名稱記載於1619的《世界的和諧》。考克斯特利用扭棱十二面體不僅可以由正十二面體扭棱而成，同時也可以用正二十面體扭棱而成，因此稱其為扭棱十二・二十面體（snub icosidodecahedron）或扭棱截十二面體。其兩種手性鏡像中，左旋稱為laevo、右旋稱為dextro。 扭棱十二面體是一種阿基米德立體，為正十二面體（或正二十面體）透過扭稜變換後的結果，在施萊夫利符號中可以用 s { 5 3 } {\displaystyle s\scriptstyle {\begin{Bmatrix}5\\3\end{Bmatrix}}} 或sr{5,3}表示。其具有兩個不同的手性幾何結構，兩者互為鏡像，互相組合後可以形成均勻複合體稱為二複合扭棱十二面體（英语：Compound of two snub dodecahedra），其凸包為大斜方截半二十面体。 扭棱十二面體由92個面、60個頂點和150條邊組成，在其92個面中有80個正三角形和12個正五邊形；60個頂點中，每個頂點都是4個正三角形和1個正五邊形的公共頂點，在頂點圖中可以用5.3.3.3.3來表示；150條稜中有60條稜是三角形和五邊形的公共稜、90條稜是三角形和三角形的公共稜。 若扭棱十二面體邊長為1，則其表面積為： A = 20 3 + 3 25 + 10 5 ≈ 55.286 744 958 445 15 {\displaystyle A=20{\sqrt {3}}+3{\sqrt {25+10{\sqrt {5}}}}\approx 55.286\,744\,958\,445\,15} 體積為： V = 12 ξ 2 ( 3 φ + 1 ) − ξ ( 36 φ + 7 ) − ( 53 φ + 6 ) 6 3 − ξ 2 3 ≈ 37.616 649 962 733 36 {\displaystyle V={\frac {12\xi ^{2}(3\varphi +1)-\xi (36\varphi +7)-(53\varphi +6)}{6{\sqrt {3-\xi ^{2}}}^{3}}}\approx 37.616\,649\,962\,733\,36} 其中 φ = 1 + 5 2 {\displaystyle \varphi ={\frac {1+{\sqrt {5}}}{2}}} 為黄金分割率，而 ξ {\displaystyle \xi } 是三次方程式 x 3 + 2 x 2 − φ 2 = 0 {\displaystyle x^{3}+2x^{2}-\varphi ^{2}=0} 的唯一實數解，換言之 ξ = φ + φ − 5 27 2 3 + φ − φ − 5 27 2 3 {\displaystyle \xi ={\sqrt[{3}]{\frac {\varphi +{\sqrt {\varphi -{\frac {5}{27}}}}}{2}}}+{\sqrt[{3}]{\frac {\varphi -{\sqrt {\varphi -{\frac {5}{27}}}}}{2}}}} ，其值約為 ξ ≈ 0.94315125924 {\displaystyle \xi \approx 0.94315125924} 。 扭棱十二面體有2種二面角，一種是正三角形與正三角形交角，另一種是正三角形與正五邊形交角。其中正三角形與正三角形交角角度約為164.175度： arccos ⁡ ( − 2 ξ 2 − 3 3 ) ≈ 2.865400688 ≈ 164.175366 ∘ {\displaystyle \arccos \left(-{\frac {2\xi ^{2}-3}{3}}\right)\approx 2.865400688\approx 164.175366^{\circ }} 而正三角形與正五邊形交角的角度約為152.9299度： arccos ⁡ ( − 15 ( 4 ( 1 ξ − ξ ) ( 3 φ + 1 ) + ( 12 φ + 19 ) ) 15 ) ≈ 2.66913 ≈ 152.9299 ∘ {\displaystyle \arccos \left({\frac {-{\sqrt {15\left(4\left({\frac {1}{\xi }}-\xi \right)\left(3\varphi +1\right)+\left(12\varphi +19\right)\right)}}}{15}}\right)\approx 2.66913\approx 152.9299^{\circ }} 其中 φ {\displaystyle \varphi } 、 ξ {\displaystyle \xi } 定義如上。 若一扭棱十二面體邊長為一，且質心位於原點，則其頂點座標為下列式子的偶置換： ( c 2 , c 1 , c 14 ) , ( c 0 , c 8 , c 12 ) , ( c 7 , c 6 , c 11 ) {\displaystyle \left(c_{2},c_{1},c_{14}\right),\left(c_{0},c_{8},c_{12}\right),\left(c_{7},c_{6},c_{11}\right)} ，且偶數加上正號 ( c 3 , c 4 , c 13 ) , ( c 9 , c 5 , c 10 ) {\displaystyle \left(c_{3},c_{4},c_{13}\right),\left(c_{9},c_{5},c_{10}\right)} ，且奇數加上正號，左旋與右旋則為y座標相反。 扭棱十二面體有3個特殊的正交投影，分別為於面上投影（兩種）和於稜上投影（一種），其中「在正三角形面上投影」以及「在正五邊形面上投影」其對稱性對應於A2 和 H2的考克斯特平面。 扭棱十二面體可以透過將正十二面體的正五邊形面往外拉，直到完全不接觸後，原本的頂點位置填入三角形，剩下的部分用三角形補滿來構造。而將正十二面體往外拉時，在某個適當的位置時，原本正五邊形與正五邊形的公共稜的位置則可以擺上正方形，此時則會構成小斜方截半二十面体。 而要產生扭棱的形式則需要在將正五邊形面往外拉時稍微有一點旋轉，並只用三角形填滿空隙，而五邊形旋轉的方向不同可以產生手性鏡像。 扭棱十二面體也可以經由大斜方截半二十面体透過交錯變換來構造，但構造出的扭棱十二面体並非所有面都是正多邊形，其結果稱為截角大斜方截半二十面體，其與扭棱十二面體有著相同的拓樸結構。 扭棱十二面體是正十二面體（或正二十面體）經過扭棱變換後的結果，其他也是由正二十面體透過康威變換得到的多面體有： 扭棱十二面體的頂點為4個正三角形與1個正五邊形的公共頂點，頂點圖計為3.3.3.3.5，在考克斯特符號中可以用來表示，其中，正五邊形可以替換為其他多邊形，而構成一個無窮序列。其他頂點圖也為4個正三角形與1個正n邊形的公共頂點（頂點圖：3.3.3.3.n）、考克斯特符號計為的多面體如下表所示。特別地，這些幾何形狀都具有 (n32) 的旋轉對稱性，當n為6時，幾何體退化成平面的無限面體，為一種半正平面鑲嵌，n達到7或以上時，幾何結構則成為雙曲鑲嵌圖；而n為2時，其原像退化為三角形二面體，而n為1或更低時，則該形狀不存在。 在圖論的數學領域中，與扭棱十二面體相關的圖為扭棱十二面體圖，是扭棱十二面體之邊與頂點的圖（英语：1-skeleton），是一種阿基米德圖（英语：Archimedean graph）。由於其可以找到哈密頓迴路因此也是一種哈密顿图。 五角化扭棱十二面体 截半十二面體 Jayatilake, Udaya. 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