1.一個玩具
早前入了些貨,其中一件:
正四面體困在籠中,
硬闖不能:
如何逃脫?其實唔難。想想:正方體的某四角相連,可生成正四面體(regular tetrahedron)見下:
點擊以下連結動動它吧:
http://tube.geogebra.org/m/1790351
可見,設正方體邊長 1 單位,正四面體的邊長就是 ,較正方體邊長,但只要放好位置,剛好像被一個正方體包圍般,我們便可輕易把正四面體救出來。
2.一道習題
碰巧又是教立體三角的時間,我隨便給舊題學生做:
所謂證明甲烷(Methane,化學式為 )的鍵角(bond angle)為
109.5°,見
https://en.wikipedia.org/wiki/Methane
(若有 lone pair electrons 之類,唔識計,聞說要靠電腦模擬~)
如何計出 ?重點是,粒炭原子在正四面體的「中心」位置:
看不清楚,又點擊以下連結動動它吧:
http://tube.geogebra.org/m/1796029
由對稱性,想像正面看正四面體任何一個三角面,炭原子都在「中心」(形心)。
現在想像圍著那正四面的正方體,由對稱性,我們看某個氫原子(即正方體的角),在某個位置可以看到,那「中心」也是正六邊形的中心,見:
那麼,炭原子必在正方體的對角線上,即「中心」是正方體對角線的交點,見:
於是,C-H 鍵也在對角線上,故鍵角就是(比方說)長方形 CDEF 的對角線夾角(鈍角),
而該長方形的長闊比是 ,利用 cosine law,算出鍵角的大小是
除了上法,起碼還有兩個方法得到鍵角:
1) 利用三維向量的內積,比如設氫原子分別在 (0,0,0), (1,1,0), (0,1,1) 及 (1,0,1);則炭原子在 (0.5,0.5,0.5) 之處。
2) 把正四面體,沿 C-H 切開成 4 個全等的四面體,考慮該 4 個四面積積積總和就是原來的正四面體體積之類。
3.主要問題
Core Math 立體三角會問到兩面夾角,比如:正四面體的鄰面夾角大小。
參下圖,設 K 為 DE 的中點,則正四面體的鄰面夾角是 ,
不難得出是 ,
剛好是 的補角(supplementary angle)。但除了具體計算,如何看出正四面體的鄰面夾角和 C-H 鍵角是互補關係?
讓我再多加一個全等的正方體在旁,見下。
因 K 是垂直正方形的中心,則 K, B 和(B 的對角)O 共線;G, K, L 也共線。故正四面體的鄰面夾角,就是長方形 GBLO 的夾角(銳角)。
好了,還記得鍵角就是(比方說)長方形 CDEF 的對角線夾角(鈍角)嗎?見下:
現在只要知:長方形 GBLO 和 CDEF 是相似的,因為它們長闊比皆是 。於是,長方形對角線夾的銳角和鈍角互補,就自然不過了。
又點擊以下連結動動它吧:
http://tube.geogebra.org/m/1798661
4.兩個順便
再補多句數學通識,以正方形為底的四角錐體(right pyramid with square base):
若側棱和底邊等長,則其相鄰兩面夾角又是 ,有何推論?諸君自擬。
順便多談一下。M2 同學知
那麼
又會否等於某個有理數
乘以
呢?
現在證明這是不能的。
M2 同學懂得:
即
依次代入
…
於是,不難看出 可以拆成以
為不定元的多項式(polynomial in
),
即
其中 是多項式,循上例,知
…
可見 的 degree 為
,其首項係數(leading coefficient)為
,且所有係數皆為整數。
(注1:同學可以 M.I.,或考慮 證之。)
(注2:上面的 ,是所謂第一類切比雪夫多項式,見 https://en.wikipedia.org/wiki/Chebyshev_polynomials)
好了,現在用反證,假設 ,其中
皆為正整數。
於是
換言之, 是多項式方程
的根。
即 ,其中
是整數係數多項式,即
的首項係數是 3 的倍數。
但這是矛盾的,皆因前文推論過: 的首項係數是
。
換言之, 沒可能等於有理數乘以
。
其實 也不是有理數,同學試找找證明。
5.兩個OT
(OT1) 偶看某 dse core math 練習書,真係夠膽死當 mc 問:
Find the angle between two adjacent lateral faces of a regular dodecahedron.
A.117°
B.118°
C.119°
D.120°
雖然把 long question 變 mc 來出題見唔少,但咁樣玩,意義在哪(比如這是沒有 detractors 的 mc)?下次玩正二十面體體積囉,咁樣樣。
(OT2) 早前同學介紹我看以下片段,當中的立體的一些夾角,似乎也有研究的樂趣:
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