挨个数 20 个顶点、30 条棱,最容易漏数。快的方法是「整乘再整除」——先故意多数,再把重复的次数除掉:
设每个面是 n 边形、每个顶点处有 m 个面,则 E = nF2,V = nFm(小图也可以拖动):
| 立体图 | 名称 | 每面边数 n | 每顶点面数 m | 面数 F | 棱数 E | 顶点数 V | V−E+F |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 正四面体 | 3 | 3 | 4 | 6 | 4 | 2 | |
| 正六面体(立方体) | 4 | 3 | 6 | 12 | 8 | 2 | |
| 正八面体 | 3 | 4 | 8 | 12 | 6 | 2 | |
| 正十二面体 | 5 | 3 | 12 | 30 | 20 | 2 | |
| 正二十面体 | 3 | 5 | 20 | 30 | 12 | 2 |
注意最后两行:正十二面体与正二十面体的 V、F 恰好互换(20↔12),棱数同为 30——它们互为对偶多面体(把一个的面中心连起来,就得到另一个)。为什么正多面体只有这 5 种?答案在文末彩蛋。
两招配合的完整流程:先由各个面算出 E(招式 A),再由 E、F 反出 V(招式 B)——顶点一个都不用挨个数。
足球表面由 12 块正五边形皮 + 20 块正六边形皮缝成:
验算 60 − 90 + 32 = 2 ✓。这 60 个顶点正是 C60「足球烯」分子的 60 个原子(1996 年诺贝尔化学奖)。
| 面数 F | 顶点 V | 棱 E | 代回欧拉公式 | |
|---|---|---|---|---|
| n 棱柱 | n + 2 | 2n | 3n | 2n − 3n + (n+2) = 2 ✓ |
| n 棱锥 | n + 1 | n + 1 | 2n | (n+1) − 2n + (n+1) = 2 ✓ |
例:五棱柱 F=7、V=10、E=15;四棱锥 F=5、V=5、E=8。
以立方体为例(其他多面体同理):
第 1 步 · 摊平:把表面想象成橡皮膜,挖掉一个面(比如顶面),剩下的摊平在桌面上,得到一张平面连线图。点还是 V 个、线还是 E 条;原来的 F 个面 = 摊平后的 F 块区域(被挖掉的面变成了最外面的无穷大区域,正好补位)。
第 2 步 · 铺水管(生成树):从 1 个点出发,每次接 1 条线、圈进 1 个新点,把 V 个点全部连通、又不围出任何圈——恰好需要 V − 1 条线。此时整张平面仍是 1 块区域:
V − (V−1) + 1 = 2 ✓
第 3 步 · 补线:把剩下的 E − (V−1) 条线一条条补回去。补的线两端早已连通,一补上必然围出一块新区域——每补 1 条,E 和 F 同时 +1,所以 V − E + F 纹丝不动,始终是 2。补完时区域数 F = 1 + [E − (V−1)] = E − V + 2,整理即 V − E + F = 2。∎
设每个面是 n 边形、每个顶点处 m 个面。把 E = nF2、V = nFm 代入欧拉公式并整理:
F · (2n + 2m − nm) = 4m ⟹ (n−2)(m−2) < 4
又因为面至少 3 条边(n ≥ 3)、每个顶点至少 3 条棱(m ≥ 3),枚举只剩 5 组:(3,3)、(4,3)、(3,4)、(5,3)、(3,5)——正是上表那五种。柏拉图立体到此「封顶」。
若表面有贯通的洞(像相框、甜甜圈),公式变为 V − E + F = 2 − 2g(g = 洞数)。有 1 个贯通洞时结果恰为 0。
这说明欧拉公式的右边只取决于「表面的连接方式像球还是像甜甜圈」,与棱长、角度完全无关——研究这种「连接方式」的学问就是拓扑学。这个公式可追溯到欧拉 1750 年前后的工作(更早的笛卡尔手稿里已有类似想法),被公认为拓扑学的第一个定理。