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多产的数学家欧拉(Euler)及其名题
欧拉(Euler 1707-1783)出生于瑞士的一个牧师家庭,二十八岁一只眼睛失明,五十九岁另一只眼睛也失去了光明,但仍以极大的热情继续科学探索,直到生命的最后一息。
欧拉的研究涉及行星运动、刚体运动、热力学、弹道学、人口学等诸多领域,获得的数学和自然科学成果极为丰富。在数学方面更是做了非常重要的贡献,如在微分方程、曲面微分几何、组合数学、拓扑学等多个数学领域的研究都具有开创性。由于他的贡献,很多重要的公式、方程都以欧拉命名:欧拉角(刚体运动)、欧拉常数(无穷级数)、欧拉方程(流体动力学)、欧拉公式(复合变量)、欧拉数(无穷级数)、欧拉多角曲线(微分方程)、欧拉齐性函数定理(微分方程)、欧拉变换(无穷级数)、伯努利—欧拉定律(弹性力学)、欧拉—傅里叶公式(三角函数)、欧拉—拉格朗日方程(变分学,力学)以及欧拉一马克劳林公式。
教科书中介绍的是欧拉关于多面体的一个研究成果,也称为多面体的欧拉公式,数学上还发现在一些变换下,一个多面体的v-e+f的值不变,因而将该数称为欧拉示性数,数学上还根据几何体的欧拉示性数的不同对几何体进行分类呢,这些将是高中选学内容。
中学生了解欧拉的最简单、最经典的问题,莫过于哥尼斯堡七桥问题了。
问题是这样的:18世纪初在普鲁士的哥尼斯堡城,城内一条河的两支流绕过河中间的一个岛,有七座桥横跨这两支流把全城连接起来。当时城内流传一个问题:一个散步者能否走过每一座桥,而每座桥却只走过一次再返回原处。
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欧拉在1736年圆满地解决了这一问题,证明这种方法并不存在。欧拉把每一座桥视为一条线,桥所连接的地区视为点。这样问题就转化为:能不能从图中A,B,C,D中任意一点出发,连续地(笔不离纸)经过每条线恰好一次最后回到出发点?这就是我们熟悉的“一笔画”问题。
要一笔画成某个图形,必须选择某个点作为起始点,某个点作为终点,这是“两个”(也可能一个)特殊点,其余点是中途经过的点,不妨称为中间点。对于中间点而言,画图可以发现,有一条线“进入”该点,同时必须有一条线“走出”该点,有进有出,因而与该点相连的线的数目是偶数,称该点为偶点。相应地,称与某点相连的线的数目为奇数的点为奇点。由以上分析可知,可以一笔画成的图中偶点数目可以任意,奇点数目是0或2个。现在你知道为什么不可能不重复地走过七桥又回到出发点了吧。
欧拉从七桥问题的研究中发现,这里涉及的几何与图形的形状、大小没有关系,只与相互间的位置关系有关,由此他开创了一种新的几何学——拓扑学。
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凸多边形与凹多边形对比
教科书上关于多边形的定义是一个描述性的非严格定义,此处不要深究。有一点需要说明的是,初中学习的多边形都是凸多边形,虽然有些凹多边形与相应的凸多边形有某些性质相同,但仍不应在教学中引入。但作为教师需要了解这两种多边形的区别。
凸多边形:如果沿着多边形任何一条边作直线,多边形均在直线的同侧。
凹多边型:多边形存在若干这样的一条边,如果沿长这条边作直线,多边形在直线的两侧。
注意:
(1) 凸多边形的内角α的范围:0°<α<180°。 凹多边型
(2) 凹多边至少有一个内角大于180度。
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正多面体只有5个?
古希腊柏拉图时候就知道确有5个正多面体存在。《几何原本》第13卷在命题13、命题14、命题15、命题16、命题17分别描述了正四面体、立方体、正八面体、正十二面体、正二十面体的作法。
那么,到底有多少种正多面体,它们分别是多少面体呢?借助本课后的阅读材料欧拉公式(V+F-E=2)可以证明正多面体只有正四面体、正八面体、正六面体、正十二面和正二十面体五种。
设正多面体的每个面是正N边形,每个顶点有M条棱,于是,棱数e应是f(面数)与N的积的一半,即Nf=2e-------------- 1式
同时,e应是v(顶点数)与M的积的一半