四角柱
在幾何學中,四角柱又稱四棱柱[1]是指底面為四邊形的柱體,當底面為正方形時會成為立方體。所有四角柱都有6個面8個頂點和12個邊。對偶多面體是雙四角錐。
只要底面是四邊形皆稱為四角柱 |
四種四角柱 | |
類別 | 柱體 |
---|---|
對偶多面體 | 雙四角錐 |
數學表示法 | |
考克斯特符號 | |
施萊夫利符號 | t{2,4} {4}×{} |
威佐夫符號 | 2 4 | 2 |
康威表示法 | P4 |
性質 | |
面 | 6 |
邊 | 12 |
頂點 | 8 |
歐拉特徵數 | F=6, E=12, V=8 (χ=2) |
組成與佈局 | |
面的種類 | 4個矩形側面 2個四邊形底面 |
頂點圖 | 4.4.4 |
特性 | |
凸 | |
性質
體積與表面積
底面為任意四邊形的四角柱的體積可以利用底面積乘以高來計算,若底面為凸四邊形則可以透過底面的兩個對角線向量與兩個底面對角線交點向量的三階行列式絕對值來計算:[2][3]
- V凸四角柱 =
其中ABCD為底面四邊形,AC、BD為凸四角柱底面四邊形的兩條對角線,對角線AC向量為、對角線BD向量為,P為下底對角線交點、Q上底對角線交點,PQ為柱高,表示PQ向量
亦可寫為向量積與數量積的形式:
- V凸四角柱 =
此種計算方法源自於底面積乘以高,而任意凸四角柱的底面一定是凸四邊形,因此會適用於任意凸四邊形的面積公式,可由對角線長與對角線夾角計算[4][5]
- A底面積
其中n為單位向量,但由於最後結果取絕對值所以被省略。
因此其表面積也可以利用此法計算,為底面積的兩倍加上周長乘高:
- A凸四角柱 =
常見的四角柱
正四角柱
正四角柱代表底面為正方形的四角柱,其對偶為正雙四角錐。若側面不是正方形也稱為長方體,因為可以使用其中一個側面當作底面。側面也是正方形的正四角柱是正立方體,其具有正八面體對稱性,對應的考克斯特群是BC3對稱性,由於底面和側面全等,因此每個頂點都是三個正方形(一個底面正方形和兩個側面正方形)的公共頂點,施萊夫利符號{4,3}[8],其頂點圖為正三角形,頂點布局為33(三個正方形,一個底面和兩個側面),在考克斯特-迪肯符號中以表示,由於側面是正方形的正四角柱是正多面體,因此其對偶多面體也會是正多面體,即正八面體,也就是一個所有面都全等的正雙四角錐。
正四角柱 |
依照底面和側面的特性有不同的對稱性,對稱性最高的是底面和側面都是正方形的正四角柱,其次是側面不是正方形的正四角柱,長寬高都不等長的長方體的對稱性最低。
名稱 | 立方體 | 正四角柱 | 長方體 |
---|---|---|---|
考克斯特記號 | |||
施莱夫利符號 | {4,3} | {4}×{} | {}×{}×{} |
威佐夫記號 | 3 | 4 2 | 4 2 | 2 | 2 2 2 | |
對稱性 | Oh (*432) |
D4h (*422) |
D2h (*222) |
對稱群階數 | 24 | 16 | 8 |
圖像 | (111) |
(112) |
(123) |
長方體
長方形的柱體稱為長方體[9]。其具有D2h, [2,2], (*222)的對稱性,階數為8,其在施萊夫利符號中用{ } × { } × { }表示,其頂點圖為三角形,在考克斯特-迪肯符號中以表示,其對偶多面體為雙長方錐,及兩個底面為長方體的四角錐被堆被堆疊所形成的立體。
若一個長方體的底面任一邊長與與高相等,則這個長方體會有兩個正方形側面,因此也可以視為正四角柱,此時每個頂點都是2個長方形和一個正方形的公共頂點,具有點可遞的性質,頂點圖為等腰三角形,等腰三角形兩個腰長來自長方形對角線,等腰三角形的底邊來自正方形面,這種長方體在施萊夫利符號中可表示為{4}x{}、並具有比上述另一種長方體擁有更高的D4h, [4,2], (*422)對稱性,階數為12。
其展開圖的數量依邊長的差異性有所不同。底面邊長不同且高也跟底面邊長不同的長方體共有54種不同的展開圖[10]。
四角柱 |
矩形柱的展開圖 |
梯形柱
底面是梯形的四角柱稱為梯形柱。
梯形柱 |
梯形柱 |
梯形柱展開圖 |
梯形柱的體積可以藉由LH(A + B)/2來計算,其中A是底面梯形的上底、B是底面梯形的下底、L是底面梯形的高、H是柱體的高[11]。
非凸四角柱
非凸四角柱是指底面為非凸四邊形的四角柱。
凹四角柱是指有一個角大於180度的四角柱,通常凹四角柱都是因為底面有凹四邊形才會構成。
二複合二角形柱體 兩個四邊形二面體組成的複合體 在施萊夫利符號中計為{4/2}x{} 但是其已退化,不具有體積 |
凹鷂形柱 底面為凹鷂形的柱體 |
相關多面體與鑲嵌
四角柱可以看作是一種截角四面形,其他與四面形相關的圖形有:
對稱群:[4,2], (*422) | [4,2]+, (422) | [1+,4,2], (222) | [4,2+], (2*2) | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
{4,2} | t{4,2} | r{4,2} | 2t{4,2}=t{2,4} | 2r{4,2}={2,4} | rr{4,2} | tr{4,2} | sr{4,2} | h{4,2} | s{2,4} |
半正對偶 | |||||||||
V42 | V82 | V42 | V4.4.4 | V24 | V4.4.4 | V4.4.8 | V3.3.3.4 | V22 | V3.3.2.3 |
四角柱是一個底面邊數為四的柱體,底面邊數不同的柱體有:
對稱群 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
[2n,2] [n,2] [2n,2+] |
||||||||||
圖像 | ||||||||||
球面多面體 | ||||||||||
圖像 |
球面鑲嵌 | 柱體 | 歐式鑲嵌 仿緊空間 |
雙曲鑲嵌 非緊空間 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
t{2,1} |
t{2,2} |
t{3,2} |
{4,2} |
t{5,2} |
t{6,2} |
t{7,2} |
t{8,2} |
... |
t{2,∞} |
t{2,iπ/λ} |
參見
參考文獻
- 楊波. . MIDDLE SCHOOL MATHEMATICS (陝西省城固師范學校). 2003, 10. doi:10.3969/j.issn.1002-7572.2003.10.024.
- 李汶忠. . 中央民族大学学报: 自然科学版. 1997, (1): 39-41.
- 李汶忠. . 数学通报. 1985, 6: 12.
- Harries, J. "Area of a quadrilateral," Mathematical Gazette 86, July 2002, 310–311.
- Josefsson, Martin, (PDF), Forum Geometricorum, 2013, 13: 17–21 [2016-08-24], (原始内容 (PDF)存档于2016-03-04).
- Wilson, Edwin Bidwell. . Yale University Press. 1901. p. 60–61
- Dennis G. Zill; Michael R. Cullen. . 3rd. Jones & Bartlett Learning. 2006: 324. ISBN 0-7637-4591-X.
- Weisstein, Eric W. (编). . at MathWorld--A Wolfram Web Resource. Wolfram Research, Inc. (英语).
- Robertson, Stewart Alexander, , Cambridge University Press: 75, 1984, ISBN 978-0-521-27739-6
- . donsteward. 2013-05-24 [2016-08-23]. (原始内容存档于2016-03-04).
- TR Smith. . Owlcation. 2016-02-08 [2016-08-23]. (原始内容存档于2016-08-26).
- . morinogakko. [2016-08-24]. (原始内容存档于2016-08-27).