四角柱

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

四角柱
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
英语Coxeter-Dynkin diagram
CDel node 1.pngCDel 2.pngCDel node 1.pngCDel 4.pngCDel node.png
施萊夫利符號t{2,4} or {4}x{}
威佐夫符號
英语Wythoff symbol
2 4 | 2
性質
6
12
頂點8
歐拉特徵數F=6, E=12, V=8 (χ=2)
組成與佈局
頂點圖4.4.4
面的種類4個矩形側面
2個四邊形底面
特性
四角柱.png
只要底面是四邊形皆稱為四角柱

性質编辑

體積與表面積编辑

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 

而此公式就直接對應到底面對角線向量的外積:[6][7]

 

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 =  

作為截角四面形编辑

四面形是一種退化的四面體,在球面幾何學中,四面形可以在球面上以鑲嵌的方式存在,表示四個鑲嵌在球體上的球弓形英语Spherical lune施萊夫利符號中利用{2,4}來表示,然而四角柱可藉由切去四面形的兩個頂點產生上下兩個四邊形面,原本的二角形因為多了切去四面形的兩個頂點所形成的兩條邊而變成側面正方形。

也因此,四角柱在施萊夫利符號中也可以寫為t{2,4},表示截角的四面形。

 
四面形
 
截角四面形

常見的四角柱编辑

正四角柱编辑

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英语Octahedral symmetry,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-迪肯符號英语Coxeter-Dynkin digram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
考克斯特記號英语Coxeter-Dynkin diagram                  
施莱夫利符號 {4,3} {4}×{} {}×{}×{}
威佐夫記號英语Wythoff symbol 3 | 4 2 4 2 | 2 2 2 2 |
對稱性英语List of spherical symmetry groups Oh
(*432)
D4h
(*422)
D2h
(*222)
對稱群階數 24 16 8
圖像  
(111)
 
(112)
 
(123)

長方體编辑

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-迪肯符號英语Coxeter-Dynkin digram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

梯形柱编辑

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]

非凸四角柱编辑

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

斜四角柱编辑

斜四角柱是一種底面為四邊形但是側面與底面不成直角的柱體[12]。最常見的斜四角柱是平行六面體,一種底面為平行四邊形的斜四角柱

 
斜平行四邊形柱體
又稱平行六面體

相關多面體與鑲嵌编辑

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:

半正方形二面體球面多面體
對稱群英语List of spherical symmetry groups[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:

正多邊形柱體系列
對稱群英语List of spherical symmetry groups 3 4 5 6 7 8 9 10英语Decagonal prism 11英语Hendecagonal prism 12
[2n,2]
[n,2]
[2n,2+]
           
     
     
           
     
     
           
     
     
           
     
     
           
     
     
圖像    
 
 
   
 
 
   
 
 
       
球面多面體
圖像    
 
   
 
   
 
 
 
柱體形式半正鑲嵌系列:
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}
     

立方體堆疊编辑

立方體堆疊為立方體上下堆疊無限延伸的立體圖形,可以看做是無限延伸的正四角柱,也就是其柱高為無窮的四角柱。沿著這種幾何結構可以構造出一種扭歪無限邊形,環繞著無限堆疊的正方體而構成一個四角螺旋無限邊形,其扭曲角為90度,在施萊夫利符號中以{∞}#{4}表示。

 

其也可以看作是立方體堆砌的一部份。

參見编辑

參考文獻编辑

  1. ^ 楊波. 四棱柱側棱上四點共面的一個充要條件. MIDDLE SCHOOL MATHEMATICS (陝西省城固師范學校). 2003, 10. doi:10.3969/j.issn.1002-7572.2003.10.024. 
  2. ^ 李汶忠. 四棱柱体积的解析求法. 中央民族大学学报: 自然科学版. 1997, (1): 39-41. 
  3. ^ 李汶忠. 四边形面积和四棱柱, 锥体积的解析求法. 数学通报. 1985, 6: 12. 
  4. ^ Harries, J. "Area of a quadrilateral," Mathematical Gazette 86, July 2002, 310–311.
  5. ^ Josefsson, Martin, Five Proofs of an Area Characterization of Rectangles (PDF), Forum Geometricorum, 2013, 13: 17–21 [2016-08-24], (原始内容 (PDF)存档于2016-03-04) .
  6. ^ Wilson, Edwin Bidwell. Vector Analysis: A text-book for the use of students of mathematics and physics, founded upon the lectures of J. Willard Gibbs. Yale University Press. 1901.  p. 60–61
  7. ^ Dennis G. Zill; Michael R. Cullen. Definition 7.4: Cross product of two vectors. Advanced engineering mathematics 3rd. Jones & Bartlett Learning. 2006: 324. ISBN 0-7637-4591-X. 
  8. ^ 埃里克·韦斯坦因. Cube. MathWorld. 
  9. ^ Robertson, Stewart Alexander, Polytopes and Symmetry, Cambridge University Press: 75, 1984, ISBN 978-0-521-27739-6 
  10. ^ nets of a cuboid. donsteward. 2013-05-24 [2016-08-23]. (原始内容存档于2016-03-04). 
  11. ^ TR Smith. Volume of a Trapezoidal Prism: Formula and Examples. Owlcation. 2016-02-08 [2016-08-23]. (原始内容存档于2016-08-26). 
  12. ^ どちらも四角柱です. morinogakko. [2016-08-24]. (原始内容存档于2016-08-27).