Transcript פאון

‫‪Polyhedra‬‬
‫פאונים‬
‫‪1‬‬
‫ולדיסלב פנקוב‬
‫‪16.01.12‬‬
‫תוכן להיום‬
‫•‬
‫‪₋‬‬
‫‪₋‬‬
‫•‬
‫‪₋‬‬
‫‪₋‬‬
‫‪₋‬‬
‫‪2‬‬
‫‪ 6.1‬הגופים האפלטוניים‬
‫פאונים קמורים‬
‫פאונים משוכללים‬
‫‪ 6.2‬מאפיין של אוילר‬
‫הומיאומורפיזם‬
‫נוסחת אוילר‬
‫גנוס‬
‫‪6.1‬‬
‫הגופים האפלטוניים‬
‫‪3‬‬
‫מה זה פאון (‪?)Polyhedron‬‬
‫פאון )‪ (polyhedron‬זוהי הרחבה של מצולע (‪ )polygon‬לתלת מימד‪.‬‬
‫הגדרה לא פורמלית‪:‬‬
‫פאון זהו אזור במרחב‪ ,‬שחסום ע"י מספר סופי של מצולעים שהם‬
‫הפאות (‪ ,)faces‬כאשר החיתוך בין כל זוג פאות כאלו הוא‪:‬‬
‫‪ .1‬ריק‬
‫‪ .2‬קודקוד (‪)vertex‬‬
‫‪ .3‬צלע (‪ )edge‬והקצוות שלו‬
‫‪.1‬‬
‫‪4‬‬
‫‪.2‬‬
‫‪.3‬‬
‫זווית דו‪-‬מישור (‪)Dihedral angle‬‬
‫הגדרה‪:‬‬
‫זווית דו‪-‬מישור ( 𝑏𝑎𝜑) בין שני מישורים (פאות) ‪ a, b‬זוהי הזווית בין שני‬
‫האנכים (הנורמלים) 𝑏𝑛‪ 𝑛𝑎 ,‬של שני המישורים‪.‬‬
‫או בכתיב ווקטורי‪:‬‬
‫‪5‬‬
‫𝑏𝑛 ∙ 𝑎𝑛 = 𝑏𝑎𝜑 ‪cos‬‬
‫צלע קמורה (‪)Convex edge‬‬
‫הגדרה‪:‬‬
‫צלע היא קמורה אם הזווית הדו‪-‬מישור בין שתי הפאות שהיא מחברת בתוך‬
‫הפאון לא גדולה מ‪. 𝜋 -‬‬
‫צלע קמורה‬
‫‪6‬‬
‫צלע לא קמורה‬
‫פאון קמור (‪)Convex Polyhedron‬‬
‫הגדרה‪:‬‬
‫פאון הוא קמור אמ"ם לכל ‪ 2‬נקודות ‪ B ,A‬בתוך הפאון הקטע ‪ AB‬גם בתוך הפאון‪.‬‬
‫למה ‪:6.1‬‬
‫פאון הוא קמור אמ"ם כל הצלעות שלו קמורות‪.‬‬
‫הוכחה (בנפנוף ידיים)‪:‬‬
‫הוכחה פורמלית (פשוטה) אפשר לתת במונחים של פאונים כדוריים לעליהם נדבר בהרצאה הבאה‬
‫‪7‬‬
‫=> נניח בשלילה שיש צלע לא קמורה‪ ,‬אז יש שתי נקודות ‪ B ,A‬כך ש ‪ AB‬יוצא מתוך‬
‫הפאון‪ .‬לכן כל הצלעות קמורות‪.‬‬
‫פנים‬
‫<= נניח בשלילה שקיימות נקודות ‪ B ,A‬כך ש הקטע ‪ AB‬לא‬
‫הפאון‬
‫מוכל כולו בפאון‪ ,‬נבחר תת‪-‬חתך ‪ CD‬שמחבר שתי פאות‬
‫וכולו בחוץ‪ ,‬אז קיים חתך של הפאון שבו נראה שיש צלעות‬
‫לא קמורות‪ ,‬הפאות צריכות‬
‫פנים‬
‫חוץ הפאון‬
‫להיסגר ולכן הזוויות ביניהם‬
‫הפאון‬
‫גדולות מ‪. 𝜋 -‬‬
‫חוץ הפאון‬
‫פאון קמור (‪)Convex Polyhedron‬‬
‫דוגמאות‪:‬‬
‫לא קמור‬
‫‪8‬‬
‫קמור‬
‫מכאן ניתן לראות‪ :‬שפאות קמורות זה אינו תנאי מספיק בשביל הקמירות של הפאון‬
‫אבל הכרחי‬
‫פאון קמור (‪)Convex Polyhedron‬‬
‫תרגיל ‪:6.2‬‬
‫הראה שכל פאה של פאון קמור חייבת להיות מצולע קמור‪.‬‬
‫הוכחה‪:‬‬
‫נניח בשלילה שקיימת פאה לא קמורה‪ ,‬נסמן את (אחד) הקודקוד הלא קמור‬
‫ב ‪ A‬ונסתכל על כל הצלעות ש ‪ A‬מחובר אליהם‪.‬‬
‫עם כל הצלעות האלו קמורות אז הפאות שבין ‪ AC‬ו ‪ AB‬אף פעם לא יפגשו‬
‫וישאר שם חור‪.‬‬
‫‪A‬‬
‫‪9‬‬
‫‪B‬‬
‫‪C‬‬
‫פאון קמור (‪)Convex Polyhedron‬‬
‫למה ‪:6.3‬‬
‫לכל קודקוד בפאון קמור סכום הזוויות הצמודות לקודקוד בפאות הצמודות‬
‫קטן מ‪.2𝜋 -‬‬
‫𝜋 𝜋 𝜋‬
‫𝜋‪+ + < 2‬‬
‫אין הוכחה‪:‬‬
‫‪2 2 2‬‬
‫גם זאת יותר קל להוכיח במונחים‬
‫של פאונים כדוריים‪.‬‬
‫!אבל גם זהו אינו תנאי מספיק בשביל קמירות‪:‬‬
‫‪10‬‬
‫אותם זוויות‪ ,‬אבל אחד קמור ואחד לא‬
‫פאון משוכלל (‪)Regular Polyhedron‬‬
‫הגדרה‪:‬‬
‫פאון קמור נקרא משוכלל אם כל הפאות שלו הן מצולעים משוכללים חופפים זה לזה‬
‫ולכל קודקוד יש אותו מספר פאות הצמודות אליו‪.‬‬
‫לעומת דו מימד‪ ,‬בתלת מימד יש מספר מאוד סופי של פאונים משוכללים‪:‬‬
‫משפט ‪:6.4‬‬
‫חמשת הגופים האפלטוניים הם הפאונים המשוכללים היחידים בתלת מימד‪.‬‬
‫משפט זה נוסח(ללא שימוש באלגברה) ע"י אוקלידס בספר "יסודות"‪ ,‬שם נאמר‬
‫שככל שיש יותר פאות סביב קודקוד כך גם סכום הזוויות סביב קודקוד גדל ולכן אי‬
‫אפשר לארוז אותם בלי לפגוע בקמירות‪.‬‬
‫‪11‬‬
‫עשרימון‬
‫(‪)Icosahedron‬‬
‫תריסרון‬
‫(‪)Dodecahedron‬‬
‫תמניון‬
‫(‪)Octahedron‬‬
‫קובייה‬
‫(‪)Cube‬‬
‫ארבעון‬
‫(‪)Tetrahedron‬‬
‫פאון משוכלל (‪)Regular Polyhedron‬‬
‫הוכחה‪:‬‬
‫• בהינתן פאון משוכלל 𝑃‬
‫• נסמן ב 𝑘 את מספר הקודקודים של כל פאה של 𝑃‪ ,‬ונסמן ב 𝑚 את מספר‬
‫הפאות הצמודות לכל קודקוד של 𝑃‬
‫• סכום הזוויות במצולע משוכלל בעל וכל זווית )‪ 𝜋(𝑘 − 2‬צלעות הוא 𝑘‬
‫‪2‬‬
‫היא ‪𝜋 1 −‬‬
‫𝑘‬
‫• אז לכל קודקוד של 𝑃 צמודות 𝑚 זוויות בגודל‬
‫בפאון קמור סכום זה קטן מ‪2𝜋 -‬‬
‫• לכן נקבל‪:‬‬
‫‪12‬‬
‫‪2‬‬
‫‪m𝜋 1 −‬‬
‫𝜋‪< 2‬‬
‫𝑘‬
‫‪2 2‬‬
‫< ‪1 −‬‬
‫𝑚 𝑘‬
‫‪𝑘𝑚 − 2𝑘 + 2𝑚 + 4 < 4‬‬
‫‪(𝑘 − 2)(𝑚 − 2) < 4‬‬
‫‪2‬‬
‫𝑘‬
‫‪ 𝜋 1 −‬ולפי למה ‪6.3‬‬
‫פאון משוכלל (‪)Regular Polyhedron‬‬
‫הוכחה (המשך)‪:‬‬
‫• אז קבלנו ‪(𝑘 − 2)(𝑚 − 2) < 4‬‬
‫• כיוון ש ‪ 𝑘,𝑚 ≥ 3‬נקבל ‪ 5‬זוגות }𝑚‪ {𝑘,‬שנקראים ‪ Schläfli symbol‬על שם מתמטיקאי‬
‫שוודי מהמאה ה‪ Ludwig Schläfli 19-‬שפיתח מערכת סימנים לכתיב מבנה פאונים‬
‫משוכללים ומשוכללים למחצה‪:‬‬
‫‪13‬‬
‫שם הפאון‬
‫𝑘‬
‫𝑚‬
‫𝑚()‪(𝑘 − 2‬‬
‫ארבעון‬
‫(‪)Tetrahedron‬‬
‫‪3‬‬
‫‪3‬‬
‫‪1‬‬
‫‪4‬‬
‫קובייה‬
‫(‪)Cube‬‬
‫‪4‬‬
‫‪3‬‬
‫‪2‬‬
‫‪8‬‬
‫‪12‬‬
‫תמניון‬
‫(‪)Octahedron‬‬
‫‪3‬‬
‫‪4‬‬
‫‪2‬‬
‫‪6‬‬
‫‪12‬‬
‫‪8‬‬
‫תריסרון‬
‫(‪)Dodecahedron‬‬
‫‪5‬‬
‫‪3‬‬
‫‪3‬‬
‫‪20‬‬
‫‪30‬‬
‫‪12‬‬
‫עשרימון‬
‫(‪)Icosahedron‬‬
‫‪3‬‬
‫‪5‬‬
‫‪3‬‬
‫‪12‬‬
‫‪30‬‬
‫‪20‬‬
‫‪V‬‬
‫(‪#‬קודקודים)‬
‫‪E‬‬
‫(‪#‬צלעות)‬
‫‪F‬‬
‫(‪#‬פאות)‬
‫‪6‬‬
‫‪4‬‬
‫‪6‬‬
‫פאון משוכלל (‪)Regular Polyhedron‬‬
‫מה אם ‪? 𝑘 − 2 𝑚 − 2 = 4‬‬
‫נקבל מישור אין סופי שלא נחשב לפאון‬
‫‪:𝑘 = 3,𝑚 = 6‬‬
‫‪:𝑘 = 4,𝑚 = 4‬‬
‫‪:𝑘 = 6,𝑚 = 3‬‬
‫‪14‬‬
‫פאון משוכלל (‪)Regular Polyhedron‬‬
‫ניתן לשנות את ההגדרה של פאונים משוכללים ולקבל פאונים חדשים עם תכונות חדשות‪:‬‬
‫הגופים של ארכימדס ‪ -‬מקיימים את ההגדרה של פאון משוכלל רק מורכבים מכמה סוגים של‬
‫מצולעים משוכללים‪ ,‬אבל אותו מבנה פאות לכל קודקוד‪ ,‬בנוסף הם לא מנסרות(לא מעניין)‪.‬‬
‫אם נוותר גם על הקמירות אז נקבל את ‪ 75‬הפאונים האחידים (‪ ,)uniform polyhedra‬בינהם‬
‫נמצא התריסרון הגדול(‪.)great dodecahedron‬‬
‫‪15‬‬
‫התריסרון הגדול‬
‫(‪)great dodecahedron‬‬
‫גופים של ארכימדס‬
‫פאון משוכלל (‪)Regular Polyhedron‬‬
‫תרגיל ‪:6.5‬‬
‫מצא את ‪ 10‬הגופים של ארכימדס שמורכבים רק משני סוגים של מצולעים שונים‪.‬‬
‫הוכחה‪:‬‬
‫• נניח שפאון קמור 𝑃 מורכב ממצולעים ‪ 𝑇1‬ו‪.𝑇2 -‬‬
‫• נסמן ב‪ 𝑘1 -‬את מספר הקודקודים של ‪ 𝑇1‬וב‪ 𝑘2 -‬של ‪.𝑇2‬‬
‫• נסמן ב‪ 𝑚1 -‬את מספר המצולעים ‪ 𝑇1‬שצמודים לכל קודקוד וב‪ 𝑚2 -‬את ‪.𝑇2‬‬
‫• אז נחשב סכום זווית בכל קודקוד ונפעיל את למה ‪( 6.3‬כמו קודם)‪:‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪+ 𝑚2 𝜋 1 −‬‬
‫𝜋‪< 2‬‬
‫‪𝑘1‬‬
‫‪𝑘2‬‬
‫‪2𝑚1‬‬
‫‪2𝑚2‬‬
‫‪𝑚1 −‬‬
‫‪+ 𝑚2 −‬‬
‫‪<2‬‬
‫‪𝑘1‬‬
‫‪𝑘2‬‬
‫‪𝑘1 , 𝑘2 > 2‬‬
‫‪𝑘1 ≠ 𝑘2‬‬
‫‪𝑚1 , 𝑚2 > 0‬‬
‫‪𝑚1 + 𝑚2 > 2‬‬
‫‪𝑚1 𝜋 1 −‬‬
‫‪16‬‬
‫וולפרם אלפה מציע ‪ 29‬פתרונות שלמים‪ ,‬אז נבחר את המתאימים‪:‬‬
‫פאון משוכלל (‪)Regular Polyhedron‬‬
‫תרגיל ‪:6.5‬‬
‫מצא את ‪ 10‬הגופים של ארכימדס שמורכבים רק משני סוגים של מצולעים שונים‪.‬‬
‫הוכחה‪:‬‬
‫‪ 10‬הפתרונות הטובים‪:‬‬
‫𝟏𝑘‬
‫‪𝑘2‬‬
‫𝟏𝒎‬
‫‪𝒎2‬‬
‫‪17‬‬
‫‪2‬‬
‫‪1‬‬
‫‪6‬‬
‫‪3‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪4‬‬
‫‪3‬‬
‫‪2‬‬
‫‪1‬‬
‫‪8‬‬
‫‪3‬‬
‫‪2‬‬
‫‪1‬‬
‫‪6‬‬
‫‪4‬‬
‫‪3‬‬
‫‪1‬‬
‫‪4‬‬
‫‪3‬‬
‫‪1‬‬
‫‪4‬‬
‫‪4‬‬
‫‪3‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪5‬‬
‫‪3‬‬
‫‪2‬‬
‫‪1‬‬
‫‪10‬‬
‫‪3‬‬
‫‪2‬‬
‫‪1‬‬
‫‪6‬‬
‫‪5‬‬
‫‪1‬‬
‫‪4‬‬
‫‪5‬‬
‫‪3‬‬
‫פאון משוכלל (‪)Regular Polyhedron‬‬
‫תרגיל ‪:6.6‬‬
‫הוכח שבפאון משוכלל כל הזוויות הדו‪-‬מישוריות של כל הצלעות שוות‪.‬‬
‫הוכחה (אינטואיציה)‪:‬‬
‫נחסום כדור בתוך הפאון‪ ,‬ומכל שתי פאות נוריד אנך למרכז הכדור ולצלע‬
‫המשותפת‪ ,‬ונקבל מצולעים חופפים לכל זוג פאות (מטעמי סימטריה)‪:‬‬
‫מרכז כדור‬
‫‪18‬‬
‫פאון כללי משוכלל (‪)Regular Polytope‬‬
‫פאון כללי משוכלל ארבע מימדי‪:‬‬
‫מורכב מפאונים משוכללים תלת מימדים מחוברים ביחד במימד הרביעי‪.‬‬
‫דרך אחת לייצג גופים אילו היא על ידי הטלת מסגרת התיל (‪ )Wire-frame‬של הצורה‬
‫לתלת מימד‪ ,‬שיטה זאת נקראת תרשים שלגל (‪.)Schlegel diagram‬‬
‫יש ‪ 6‬פאונים כללים משוכללים בארבע מימדים ו ‪ 3‬בכל מימד מעל‪.‬‬
‫את כל הפאונים המשוכללים בארבע מימדים מצאו ‪ 2000‬שנה אחרי האלו בשלושה‬
‫מימדים‪ .‬כיום לפאונים כללים יש הרבה שימושים ויישומים והם נמצאים תחת מחקר‬
‫אקטיבי כיום‪.‬‬
‫‪19‬‬
‫‪-120‬תא‬
‫(‪)hecatonicosachoron, 120-cell‬‬
‫היפרקובייה‬
‫(‪)Hypercube‬‬
‫‪6.2‬‬
‫מאפיין של אוילר‬
‫‪20‬‬
‫פאון (‪)Polyhedron‬‬
‫נגדיר מחדש את הפאון‪:‬‬
‫הגדרה‪:‬‬
‫• פאון מורכב מפאות‪ ,‬צלעות וקודקודים‪.‬‬
‫• נגביל כל פאה להיות מצולע קמור(מצולע לא קמור ניתן פשוט לפרק למצולעים‬
‫קמורים)‪.‬‬
‫• חלקים אלה יוצרים ביחד את פני השטח של הפאון אם הם מקיימים את‬
‫שלושת תנאים הבאים‪:‬‬
‫‪ .1‬חיתוך‪ :‬חיתוך כל שתי פאות הוא ריק‪ ,‬קודקוד יחיד או צלע(כולל הקצוות)‪.‬‬
‫‪ .2‬טופולוגיה מקומית‪ :‬לכל נקודה ‪ p‬על פני השטח של הפאון יש סביבה‬
‫שהומיאומורפית לדיסק פתוח‪.‬‬
‫‪ .3‬טופולוגיה גלובלית‪ :‬פני השטח של הפאון הם קשירים – לכל שתי נקודות על‬
‫פני השטח קיים מסלול שעובר על פני השטח שמחבר אותם‪.‬‬
‫‪21‬‬
‫הומיאומורפיזם (‪)Homeomorphism‬‬
‫הגדרה‪:‬‬
‫שני משטחים ‪ 𝑆2 ,𝑆1‬הן הומיאומורפים אם קיים הומיאומורפיזם ביניהם‪.‬‬
‫הומיאומורפיזם הוא פונקציה חח"ע‪ ,‬רציפה שגם ההופכית שלה(קיימת) ורציפה‪.‬‬
‫לא פורמלי‪:‬‬
‫ניתן לחתוך את ‪ 𝑆1‬לכמה חתיכות‪ ,‬כל אחת למתוח ולקפל באופן רציף ואז לחבר בחזרה‬
‫באותו אופן שגזרנו ולקבל את ‪.𝑆2‬‬
‫פאון הומיאומורפי לכדור נקרא פאון כדורי‪.‬‬
‫‪22‬‬
‫הומיאומורפיזם (‪)Homeomorphism‬‬
‫תרגיל ‪:6.10‬‬
‫הראה דוגמאות ששלושת התנאים בהגדרת ההומיאומורפיזם הם הכרחיים בשביל שקילות‬
‫טופולוגית‪:‬‬
‫‪ (a‬חח"ע‬
‫‪ (b‬רציפות‬
‫‪ (c‬הפיכה רציפה‬
‫פתרון‪:‬‬
‫‪(a‬‬
‫‪(b‬‬
‫‪23‬‬
‫‪(c‬‬
‫נוסחת אוילר (‪)Euler's formula‬‬
‫אחד התגליות החשובות ביותר בתורת הפאונים הייתה נוסחת אוילר שהתגלתה‬
‫ב‪ 1750‬ע"י לאונרד אוילר (‪ )Leonhard Euler‬והיא אומרת שסכום הקודקודים והפאות‬
‫גדול ב ‪ 2‬ממספר הצלעות‪:‬‬
‫‪𝑉+𝐹 =𝐸+2‬‬
‫אוילר לא הוכיח את הנוסחה עד הסוף‪ ,‬הראשון שהביא הוכחה מלאה היה אדריאן‪-‬‬
‫מארי לז'נדר (‪ )Adrien-Marie Legendre‬שהוכיח אותה ב‪.1794‬‬
‫אז רבים שמו לב כי פאונים (לא רק קמורים) מקיימים את הנוסחה ללא יוצא מן הכלל‪,‬‬
‫ולכן הרבה מאוד זמן חשבו שהתריסרון הגדול (‪ )great dodecahedron‬הוא לא פאון‬
‫בגלל שהתייחסו אליו כאוסף מחומשים משוכללים שחותכים זה את זה‪ ,‬כמו שעשה‬
‫יוהנס קפלר (‪ ,)Johannes Kepler‬במקום להסתכל עליו כאוסף של משולשים‪.‬‬
‫התריסרון הגדול (‪ )great dodecahedron‬הוא אחד מארבעת הפאונים המשוכללים‬
‫הלא קמורים שנקראים פאוני קפלר‪-‬פוינסוט (‪.)Kepler-Poinsot polyhedra‬‬
‫‪24‬‬
‫נוסחת אוילר (‪)Euler's formula‬‬
‫תרגיל ‪:6.11‬‬
‫חשב את 𝐹 ‪ 𝑉 − 𝐸 +‬עבור התריסרון הגדול (‪ )great dodecahedron‬בשני דרכים‪:‬‬
‫‪ (a‬אוסף משולשים חופפים‬
‫‪ (b‬אוסף מחומשים משוכללים חופפים שחותכים זה את זה‬
‫פתרון‪:‬‬
‫‪3‬‬
‫‪ (a‬סה"כ יש ‪ 60‬משולשים לכן ;‪32 𝑉 = 12 + 20 = 32; 𝐸 = 60 ∗ 2 = 90; 𝐹 = 60‬‬
‫‪+ 60 − 90 = 2‬‬
‫‪5‬‬
‫‪ (b‬סה"כ יש ‪ 12‬מחומשים לכן ;‪12 + 12 𝑉 = 𝐹 = 12; 𝐸 = 12 ∗ 2 = 30; 𝐹 = 12‬‬
‫‪− 30 = −6‬‬
‫‪25‬‬
‫נוסחת אוילר (‪)Euler's formula‬‬
‫למת עזר‪:‬‬
‫לעץ (גרף) עם 𝑛 קודקודים יש ‪ 𝑛 − 1‬צלעות‪.‬‬
‫הוכחה‪:‬‬
‫אינדוקציה‪:‬‬
‫‪ : 𝑛 = 1‬קודקוד אחד אין צלעות‪.‬‬
‫‪ : 𝑛 => 𝑛 + 1‬נוריד קודקוד עלה (יש כזה כי אין מעגלים בגרף) ואת הצלע אליו הוא מחובר‬
‫ונקבל ‪ 𝑛 − 1‬צלעות‪ ,‬אז מלכתחילה היו 𝑛 צלעות ו‪ 𝑛 + 1‬קודקודים‪.‬‬
‫‪26‬‬
‫𝑛‬
‫‪𝑛+1‬‬
‫נוסחת אוילר (‪)Euler's formula‬‬
‫משפט ‪:6.12‬‬
‫לכל פאון 𝑃 שהומיאומורפי לכדור עם 𝑉 קודקודים‪ 𝐸 ,‬צלעות ו 𝐹 פאות מתקיים‪:‬‬
‫‪𝑉+𝐹 =𝐸+2‬‬
‫הוכחה‪:‬‬
‫נוכיח זאת בשלבים‪:‬‬
‫‪ .1‬בהינתן פאון 𝑃 נבנה גרף פשוט 𝐺‪.‬‬
‫‪ .2‬נמצא את העץ הפורש 𝑇 של הגרף 𝐺‪.‬‬
‫‪ .3‬נבנה את הגרף הדואלי ∗ 𝐺 של 𝐺‪.‬‬
‫‪ .4‬נמצא את העץ הפורש ∗ 𝑇 של הגרף ∗ 𝐺‪.‬‬
‫‪ .5‬נפעיל את למת העזר על 𝑇 ו ∗ 𝑇‪.‬‬
‫‪27‬‬
‫נוסחת אוילר (‪)Euler's formula‬‬
‫משפט ‪:6.12‬‬
‫לכל פאון 𝑃 שהומיאומורפי לכדור עם 𝑉 קודקודים‪ 𝐸 ,‬צלעות ו 𝐹 פאות מתקיים‪:‬‬
‫‪𝑉+𝐹 =𝐸+2‬‬
‫הוכחה (המשך)‪:‬‬
‫‪ .1‬נבחר באקראי פאה של 𝑃‪ ,‬נמחק אותה ואת החור שהתקבל נמתח עד שניתן יהיה להטיל‬
‫את מה שנותר על מישור בלי שאף שתי צלעות יחתכו (זהו בעצם תרשים שלגל של הפאון)‪:‬‬
‫את הגרף שיתקבל נסמן ב 𝐺 ולו יש 𝑉 קודקודים‪ 𝐸 ,‬צלעות ו 𝐹 פאות כולל פאת החוץ‪ ,‬כמו ל ‪.P‬‬
‫‪28‬‬
‫נוסחת אוילר (‪)Euler's formula‬‬
‫משפט ‪:6.12‬‬
‫לכל פאון שהומיאומורפי לכדור עם 𝑉 קודקודים‪ 𝐸 ,‬צלעות ו 𝐹 פאות מתקיים‪:‬‬
‫‪𝑉+𝐹 =𝐸+2‬‬
‫הוכחה (המשך)‪:‬‬
‫‪ .2‬נבנה עץ פורש 𝑇 של הגרף 𝐺‪:‬‬
‫גם ל 𝑇 יש 𝑉 קודקודים‬
‫‪29‬‬
‫נוסחת אוילר (‪)Euler's formula‬‬
‫משפט ‪:6.12‬‬
‫לכל פאון שהומיאומורפי לכדור עם 𝑉 קודקודים‪ 𝐸 ,‬צלעות ו 𝐹 פאות מתקיים‪:‬‬
‫‪𝑉+𝐹 =𝐸+2‬‬
‫הוכחה (המשך)‪:‬‬
‫‪ .3‬נבנה את הגרף הדואלי ∗ 𝐺 של 𝐺‪:‬‬
‫קודקודי הגרף ∗ 𝐺 יהיו פאות של 𝐺 (זה כולל את הפאה החיצונית) ופאות הגרף ∗ 𝐺 יהיו‬
‫קודקודים של 𝐺‪.‬‬
‫לשני הגרפים אותו מספר צלעות 𝐸‬
‫‪30‬‬
‫נוסחת אוילר (‪)Euler's formula‬‬
‫משפט ‪:6.12‬‬
‫לכל פאון שהומיאומורפי לכדור עם 𝑉 קודקודים‪ 𝐸 ,‬צלעות ו 𝐹 פאות מתקיים‪:‬‬
‫‪𝑉+𝐹 =𝐸+2‬‬
‫הוכחה (המשך)‪:‬‬
‫‪ .4‬נמצא את עץ פורש ∗ 𝑇 של הגרף ∗ 𝐺‪:‬‬
‫נבחר את הצלעות של ∗ 𝑇 להיות הצלעות שלא בחרנו בבניית 𝑇‪.‬‬
‫כיוון שב 𝑇 אין מעגלים ∗ 𝑇 פורש את ∗ 𝐺‪.‬‬
‫ב ∗ 𝑇 אין מעגלים אחרת חלק מהקודקודים של 𝐺 היו נסתרים מהשער ו 𝑇 לא היה פורש את 𝐺‪.‬‬
‫לכן ∗ 𝑇 פורש את ∗ 𝐺‪.‬‬
‫‪31‬‬
‫∗𝑇‬
‫ כחול‬‫𝑇 ‪ -‬אדום‬
‫נוסחת אוילר (‪)Euler's formula‬‬
‫משפט ‪:6.12‬‬
‫לכל פאון שהומיאומורפי לכדור עם 𝑉 קודקודים‪ 𝐸 ,‬צלעות ו 𝐹 פאות מתקיים‪:‬‬
‫‪𝑉+𝐹 =𝐸+2‬‬
‫הוכחה (המשך)‪:‬‬
‫‪ .5‬נפעיל את למת העזר על 𝑇 ו ∗ 𝑇‪.‬‬
‫ב ∗ 𝑇 יש 𝐹 קודקודים ולפי הלמה ‪ 𝐹 − 1‬צלעות‪.‬‬
‫ב 𝑇 יש 𝑉 קודקודים ולפי הלמה ‪ 𝑉 − 1‬צלעות‪.‬‬
‫לפי בניית ∗ 𝑇 מספר הצלעות הכולל של ∗ 𝑇 ו 𝑇 זה בדיוק 𝐸‪.‬‬
‫לכן קבלנו‪:‬‬
‫𝐸 = )‪(𝐹 − 1) + (𝑉 − 1‬‬
‫‪𝑉+𝐹 =𝐸+2‬‬
‫∎‬
‫‪32‬‬
‫∗𝑇‬
‫ כחול‬‫𝑇 ‪ -‬אדום‬
‫נוסחת אוילר (‪)Euler's formula‬‬
‫תרגיל ‪:6.13‬‬
‫תבנה פאון 𝑃 ע"י הדבקה של 𝑘 תריסרונים בשורה ובדוק את נוסחת אוילר עבור 𝑃‪.‬‬
‫פתרון‪:‬‬
‫בתריסרון יש לנו‪:‬‬
‫‪𝑉 = 20‬‬
‫‪𝐸 = 30‬‬
‫‪𝐹 = 12‬‬
‫‪𝑉 − 𝐸 + 𝐹 = 20 − 30 + 12 = 2‬‬
‫אז בהדבקה של 𝑘 תריסרונים נקבל‪:‬‬
‫‪𝑉 = 20 ∗ 𝑘 − 𝑘 − 1 ∗ 5 = 15𝑘 + 5‬‬
‫‪𝐸 = 30 ∗ 𝑘 − 𝑘 − 1 ∗ 5 = 25𝑘 + 5‬‬
‫‪𝐹 = 12 ∗ 𝑘 − 𝑘 − 1 ∗ 2 = 10𝑘 + 2‬‬
‫‪𝑉 − 𝐸 + 𝐹 = 15𝑘 + 5 − 25𝑘 − 5 + 10𝑘 + 2 = 2‬‬
‫‪33‬‬
‫גנוס (‪)Genus‬‬
‫עד עכשיו כל הפאונים שראינו היו הומיאומורפים לכדור‪ ,‬אבל טורוס‪-‬פאוני לדוגמה לא הומיאומורפי‬
‫לכדור אלא לטורוס עצמו‪.‬‬
‫את ההבדל בין כדור לטורוס ראינו בהרצאה קודמת ע"י השערת פואנקרה )‪,)Poincaré conjecture‬‬
‫כל מעגל על פני השטח של הכדור ניתן לכווץ לנקודה באופן רציף ובטורוס לא (מעגל סביב לטורוס)‪.‬‬
‫ע"י הוספת חורים לפאון ניתן לקבל אינסוף פאונים שאף אחד מהם לא הומיאומורפי לאחר‪.‬‬
‫הגדרה‪:‬‬
‫מספר החורים בפאון נקרא הגנוס (‪ )genus‬של הפאון‪.‬‬
‫כאשר מספר חורים זהו מספר מסילות פשוטות מקסימלי שלא חותכות זו את זו‪ ,‬וכאשר‬
‫חותכים את פני השטח של הפאון לפי אותם המסילות הם נשארים קשירים‪.‬‬
‫‪34‬‬
‫פאון עם גנוס ‪4‬‬
‫מאפיין של אוילר (‪)Euler's characteristic‬‬
‫ההנחה שעשינו כשהוכחנו את נוסחת אוילר היא שהפאון הומיאומורפי לכדור‪ ,‬מה שבעצם‬
‫אפשר לנו לקחת ולהטיל את הפאון על מישור(טורוס לדוגמה אי אפשר להטיל על מישור באופן‬
‫רציף)‪.‬‬
‫אז עכשיו ננסה להרחיב את הנוסחה גם לפאונים עם חורים (עם גנוס גדול מ ‪.)0 -‬‬
‫מציאת הגנוס של הפאון הוא דבר לא קל(למטה)‪ ,‬אבל זה ימצא לבד ע"י הנוסחה המורחבת‪.‬‬
‫לעומת זאת שאוילר הרכיב את הנוסחה שלו לפאונים‪ ,‬זוהי אינווריאנטה טופולוגית למשטחים‬
‫יותר כלליים‪.‬‬
‫נקח משטח ‪ S‬הומיאומורפים לפאון‪ ,‬כדי לבדוק את נוסחת אוילר על המשטח נצייר גרף קשיר 𝐺‬
‫על המשטח 𝑆 שיחלק את 𝑆 לקודקודים‪ ,‬צלעות ופאות‪ ,‬אנו אומרים ש 𝐺 משוכן על 𝑆‪.‬‬
‫צלעות של 𝐺 יכולות להיפגש רק בקודקודים‪ ,‬והפאות של 𝐺 הומיאומורפיות למצולעים‪.‬‬
‫‪35‬‬
‫כדור משוכן ע"י רשת ריבועית‬
‫מאפיין של אוילר (‪)Euler's characteristic‬‬
‫הגדרה‪:‬‬
‫עבור משטח 𝑆 שמשוכן ע"י גרף 𝐺 ל 𝑉 קודקודים‪ 𝐸 ,‬צלעות ו 𝐹 פאות‪ ,‬המאפיין של אוילר של‬
‫המשטח הוא‪:‬‬
‫𝐹‪𝜒 𝑆 =𝑉−𝐸+‬‬
‫מכאן ניתן לראות שהמאפיין של אוילר של המשטח תלוי בגרף 𝐺 שמשוכן עליו‪ ,‬אבל מהמשפט‬
‫הבא מסתבר שזה תלוי רק בגנוס של המשטח!‬
‫אז הנה נוסחת אוילר המורכבת שלראשונה הושגה ע"י ‪ Simon L'Huilier‬ב ‪.1813‬‬
‫משפט ‪:6.15‬‬
‫עבור משטח 𝑆 עם גנוס 𝑔 המאפיין של אוילר של המשטח הוא‪:‬‬
‫𝑔‪𝜒 𝑆 = 2 − 2‬‬
‫הוכחה‪:‬‬
‫נוכיח באינדוקציה שלכל גרף 𝐺 שמשוכן על 𝑆 מתקיים‪:‬‬
‫𝐹 ‪2 − 2𝑔 = 𝑉 − 𝐸 +‬‬
‫‪36‬‬
‫עבור ‪ 𝑔 = 0‬כבר הוכחנו זאת במשפט ‪6.12‬‬
‫‪𝑉−𝐸+𝐹 =2‬‬
‫מאפיין של אוילר (‪)Euler's characteristic‬‬
‫משפט ‪:6.15‬‬
‫עבור משטח 𝑆 על גנוס 𝑔 המאפיין של אוילר של המשטח הוא‪:‬‬
‫𝑔‪𝜒 𝑆 = 2 − 2‬‬
‫הוכחה (המשך)‪:‬‬
‫אז בהינתן וזה נכון לכל גנוס קטן מ‪ 𝑔 -‬נוכיח שזה נכון גם ל 𝑔‪:‬‬
‫נניח 𝑆 משטח עם גנוס 𝑔 ועליו משוכן גרף 𝐺‪ ,‬נבחר מעגל ‪ λ‬ב 𝐺 שלא מחלק את המשטח‬
‫לשניים (אפשרי אם גנוס גדול מאפס)‪ ,‬ונחתוך את ‪ S‬לאורך המעגל ‪ λ‬ונאטום את החורים בשתי‬
‫פאות חדשות‪ ,‬נקבל משטח חדש ‪ 𝑆 ′‬עם גנוס ‪.𝑔 − 1‬‬
‫לאורך המעגל ‪ λ‬מספר הצלעות והקודקודים יוכפל ולכן לא ישנה את 𝑆 𝜒 אבל זה גם יוסיף שתי‬
‫פאות חדשות ולכן באינדוקציה נקבל‪:‬‬
‫‪𝜒 𝑆 + 2 = 𝜒 𝑆′ = 2 − 2 𝑔 − 1‬‬
‫𝑔‪𝜒 𝑆 = 2 − 2‬‬
‫‪37‬‬
‫מאפיין של אוילר (‪)Euler's characteristic‬‬
‫נשים לב שההוכחה הייתה בלתי תלויה מחלוקת הגרף 𝐺‪ ,‬זה בעצם היה הוכח כתנאי התחלה‬
‫‪ 𝑔 = 0‬כאשר נעזרנו במשפט ‪ ,6.12‬משם פשוט שינינו את המספר באינדוקציה בלי להיזכר‬
‫מזה בכלל הגרף 𝐺‪.‬‬
‫בנוסף קבלנו תכונה גלובלית ‪ -‬גנוס‪ ,‬מתכונה לוקלית של בחירת הגרף 𝐺‪ .‬מאפיין של אוילר‬
‫הפך למפתח בחקר מרחבים טופולוגיים כללים‪:‬‬
‫זה הסכום לסירוגין של מספרי בטי (‪ ,)Betti numbers‬שמכיל את הדרגה של קבוצות‬
‫הומולוגיה(‪ )homology groups‬לאותו מרחב‪.‬‬
‫לא נמשיך לחקור עוד בכיוון הזה ‪ D:‬אבל נשתמש בזה בפרק הבא להוכחת משפט גאוס‪-‬בונט‬
‫(‪.)Gauss-Bonnet‬‬
‫‪38‬‬
‫נוסחת אוילר (‪)Euler's formula‬‬
‫תרגיל ‪:6.16‬‬
‫בדוק את נוסחת אוילר עבור הפאון הבא‪:‬‬
‫פתרון‪:‬‬
‫‪𝑉 = 32 ∗ 2 = 64‬‬
‫‪𝐸 = 57 ∗ 2 + 32 = 146‬‬
‫‪𝐹 = 22 ∗ 2 + 32 = 76‬‬
‫‪𝑉 − 𝐸 + 𝐹 = 64 − 146 + 76 = −6 ≠ 2‬‬
‫‪2 − 2𝑔 = −6‬‬
‫‪𝑔=4‬‬
‫‪39‬‬
‫מאפיין של אוילר (‪)Euler's characteristic‬‬
‫תרגיל ‪:6.17‬‬
‫מצא את המאפיין של אוילר ואת הגנוס של פאונים הבאים‪:‬‬
‫פתרון‪:‬‬
‫‪𝑉 = 26‬‬
‫‪𝐸 = 55‬‬
‫‪𝐹 = 27‬‬
‫‪𝜒 𝑆 = 𝑉 − 𝐸 + 𝐹 = 26 − 55 + 27 = −2‬‬
‫‪2 − 2𝑔 = −2‬‬
‫‪𝑔=2‬‬
‫‪40‬‬
‫‪𝑉 = 5 ∗ 6 = 30‬‬
‫‪𝐸 = 8 ∗ 6 + 3 ∗ 8 = 72‬‬
‫‪𝐹 = 6 + 3 ∗ 8 = 30‬‬
‫‪𝜒(𝑆) = 𝑉 − 𝐸 + 𝐹 = 30 − 72 + 30 = −12‬‬
‫‪2 − 2𝑔 = −12‬‬
‫‪𝑔=7‬‬
‫מאפיין של אוילר (‪)Euler's characteristic‬‬
‫תרגיל ‪:6.18‬‬
‫למרות שנוסחת אוילר מתוכננת למשטחים קשירים‪ ,‬היא עובדת גם למשטחים כללים יותר‪.‬‬
‫מצא את המאפיין של אוילר עבור קובייה עם חלל ריק בצורת קובייה‪.‬‬
‫האם זה זהה לכל ספרה טופולוגית עם חלל ריק בצורת ספרה טופולוגית?‬
‫פתרון‪:‬‬
‫‪𝜒 𝑆 =2+2=4‬‬
‫‪𝑔 = −1‬‬
‫אותו דבר לכל ספרה טופולוגית‪.‬‬
‫‪41‬‬
‫מאפיין של אוילר (‪)Euler's characteristic‬‬
‫נשים לב שממשפט ‪ )𝜒 𝑆 = 2 − 2𝑔( 6.15‬המאפיין של אוילר תמיד זוגי‪.‬‬
‫זה נכון לכל משטח סגור אבל עבור משטחים חתוכים זה יכול להיות גם אי זוגי (דוגמאות‬
‫בהמשך)‪.‬‬
‫‪42‬‬
‫מאפיין של אוילר (‪)Euler's characteristic‬‬
‫תרגיל ‪:6.19‬‬
‫מצא את נמאפיין של אוילר עבור דיסק טופולוגי‪.‬‬
‫פתרון‪:‬‬
‫‪𝜒 𝑆 =𝑉−𝐸+𝐹 =3−3+1=1‬‬
‫‪2 − 2𝑔 = 1‬‬
‫‪𝑔 = 0.5‬‬
‫‪43‬‬
‫מאפיין של אוילר (‪)Euler's characteristic‬‬
‫תרגיל ‪:6.20‬‬
‫מצא את המאפיין של אוילר עבור קובייה פתוחה‪.‬‬
‫פתרון‪:‬‬
‫‪𝜒(𝑆) = 𝑉 − 𝐸 + 𝐹 = 8 − 12 + 5 = 1‬‬
‫‪2 − 2𝑔 = 1‬‬
‫‪𝑔 = 0.5‬‬
‫‪44‬‬
‫מאפיין של אוילר (‪)Euler's characteristic‬‬
‫תרגיל ‪:6.20‬‬
‫מצא את המאפיין של אוילר עבור רצועה גלילית‪.‬‬
‫פתרון‪:‬‬
‫‪𝜒 𝑆 =𝑉−𝐸+𝐹 =4−6+2=0‬‬
‫‪2 − 2𝑔 = 0‬‬
‫‪𝑔=1‬‬
‫‪45‬‬
‫סוף‬
‫תודה על ההקשבה‬
‫‪46‬‬