黃金菱形
黃金菱形
在幾何學 中,黃金菱形 是指兩對角線長度的比值呈黃金比例 的菱形[ 1] :
D
d
=
φ φ -->
=
1
+
5
2
≈ ≈ -->
1.618
034
{\displaystyle {D \over d}=\varphi ={{1+{\sqrt {5}}} \over 2}\approx 1.618~034}
其中
D
{\displaystyle D}
為長對角線的長度、
d
{\displaystyle d}
為短對角線的長度。而由黃金矩形 中取到的伐里農平行四邊形 皆為黃金菱形。[ 1]
有數種知名的多面體皆由黃金菱形組成,例如比林斯基十二面體 [ 2] [ 3] 、菱形三十面體 [ 4] 等。特別地,有另一種菱形也與黃金比例 相關聯,即潘洛斯鑲嵌 中的菱形,但不同之處在於,潘洛斯鑲嵌 中的菱形是邊長與對角線的比為黃金比例,而黃金菱形則是指兩對角線比值為黃金比例的菱形。[ 5]
性質
黃金菱形是菱形中的一個特例,其基本性質與菱形相同。以下討論黃金菱形的特別性質。
內角
黃金菱形的內角為[ 6] :
銳角:
α α -->
=
2
arctan
-->
1
φ φ -->
{\displaystyle \alpha =2\arctan {1 \over \varphi }}
;
α α -->
=
arctan
-->
2
φ φ -->
1
− − -->
(
1
φ φ -->
)
2
=
arctan
-->
2
φ φ -->
1
φ φ -->
=
arctan
-->
2
≈ ≈ -->
63.43495
∘ ∘ -->
.
{\displaystyle \alpha =\arctan {{2 \over \varphi } \over {1-({1 \over \varphi })^{2}}}=\arctan {{2 \over \varphi } \over {1 \over \varphi }}=\arctan 2\approx 63.43495^{\circ }.}
鈍角:
β β -->
=
2
arctan
-->
φ φ -->
=
π π -->
− − -->
arctan
-->
2
≈ ≈ -->
116.56505
∘ ∘ -->
,
{\displaystyle \beta =2\arctan \varphi =\pi -\arctan 2\approx 116.56505^{\circ },}
這個角度值與正十二面體 相同[ 7]
邊長與對角線長
由於菱形也是一種平行四邊形 [ 8] ,因此黃金菱形的邊長與對角線長可以用平行四邊形恆等式 得出[ 9] :
黃金菱形的邊長
a
{\displaystyle a}
與對角線長
d
{\displaystyle d}
具有以下關係:
a
=
1
2
d
2
+
(
φ φ -->
d
)
2
=
1
2
1
+
φ φ -->
2
d
=
2
+
φ φ -->
2
d
=
1
4
10
+
2
5
d
≈ ≈ -->
0.95106
d
.
{\displaystyle a={1 \over 2}{\sqrt {d^{2}+(\varphi d)^{2}}}={1 \over 2}{\sqrt {1+\varphi ^{2}}}~d={{\sqrt {2+\varphi }} \over 2}~d={1 \over 4}{\sqrt {10+2{\sqrt {5}}}}~d\approx 0.95106~d~.~}
因此,可以用
a
{\displaystyle a}
來表示長對角線
D
{\displaystyle D}
與短對角線
d
{\displaystyle d}
:[ 6]
d
=
2
a
2
+
φ φ -->
=
2
3
− − -->
φ φ -->
5
a
=
2
− − -->
2
5
a
≈ ≈ -->
1.05146
a
.
{\displaystyle d={2a \over {\sqrt {2+\varphi }}}=2{\sqrt {{3-\varphi } \over 5}}~a={\sqrt {2-{2 \over {\sqrt {5}}}}}~a\approx 1.05146~a~.}
D
=
2
φ φ -->
a
2
+
φ φ -->
=
2
2
+
φ φ -->
5
a
=
2
+
2
5
a
≈ ≈ -->
1.70130
a
.
{\displaystyle D={2\varphi a \over {\sqrt {2+\varphi }}}=2{\sqrt {{2+\varphi } \over 5}}~a={\sqrt {2+{2 \over {\sqrt {5}}}}}~a\approx 1.70130~a~.}
面積
已知短對角線長
d
{\displaystyle d}
時,黃金菱形的的面積為[ 10] :
A
=
(
φ φ -->
d
)
⋅ ⋅ -->
d
2
=
φ φ -->
2
d
2
=
1
+
5
4
d
2
≈ ≈ -->
0.80902
d
2
.
{\displaystyle A={{(\varphi d)\cdot d} \over 2}={{\varphi } \over 2}~d^{2}={{1+{\sqrt {5}}} \over 4}~d^{2}\approx 0.80902~d^{2}~.}
已知邊長為
a
{\displaystyle a}
時,黃金菱形的的面積為[ 6] [ 10] :
A
=
(
sin
-->
(
arctan
-->
2
)
)
a
2
=
2
5
a
2
≈ ≈ -->
0.89443
a
2
.
{\displaystyle A=(\sin(\arctan 2))~a^{2}={2 \over {\sqrt {5}}}~a^{2}\approx 0.89443~a^{2}~.}
在多面體中
黃金菱形出現在許多高對稱性的多面體中,例如菱形三十面體 (截半二十面体 的對偶多面體)[ 4] 、菱形六十面體 (菱形三十面體 的星形化體)[ 11] 。黃金菱形也構成了許多知名的多面體,例如黃金菱形六面體 、比林斯基十二面體 和菱形二十面體 等。由全部皆由黃金菱形組成的凸多面體僅有兩種黃金菱形六面體、比林斯基十二面體、菱形二十面體以及菱形三十面體五種。而不考慮凹凸性 (即允許非凸多面體),則有無限多種多面體可以包含黃金菱形[ 12] 。
參見
參考文獻
^ 1.0 1.1 Senechal, Marjorie, Donald and the golden rhombohedra, Davis, Chandler; Ellers, Erich W. (编), The Coxeter Legacy, American Mathematical Society, Providence, RI: 159–177, 2006, ISBN 0-8218-3722-2 , MR 2209027
^ Branko Grünbaum. The Bilinski Dodecahedron and Assorted Parallelohedra, Zonohedra, Monohedra, Isozonohedra, and Otherhedra (PDF) 32 (4): 5–15. 2010 [2020-08-04 ] . (原始内容 (PDF) 存档于2015-04-02).
^ H.S.M Coxeter, "Regular polytopes", Dover publications, 1973.
^ 4.0 4.1 Weisstein, Eric W. (编). Rhombic Triacontahedron . at MathWorld --A Wolfram Web Resource. Wolfram Research, Inc. (英语) .
^ Livio, Mario, The Golden Ratio: The Story of Phi, the World's Most Astonishing Number, New York: Broadway Books: 206, 2002
^ 6.0 6.1 6.2 Ogawa, Tohru, Symmetry of three-dimensional quasicrystals, Materials Science Forum, January 1987, 22–24 : 187–200, doi:10.4028/www.scientific.net/msf.22-24.187 . See in particular table 1, p. 188.
^ Gevay, G., Non-metallic quasicrystals: Hypothesis or reality?, Phase Transitions, June 1993, 44 (1-3): 47–50, doi:10.1080/01411599308210255
^ Zalman Usiskin and Jennifer Griffin. "The Classification of Quadrilaterals. A Study of Definition" . Information Age Publishing. 2008: pp. 55-56 [2020-08-15 ] . (原始内容存档 于2020-02-26).
^ Weisstein, Eric W. (编). Wolfram MathWorld (首頁) . at MathWorld --A Wolfram Web Resource. Wolfram Research, Inc. (英语) .
^ 10.0 10.1 Weisstein, Eric W. (编). Golden Rhombus . at MathWorld --A Wolfram Web Resource. Wolfram Research, Inc. (英语) .
^ Weisstein, Eric W. (编). Rhombic hexecontahedron . at MathWorld --A Wolfram Web Resource. Wolfram Research, Inc. (英语) .
^ Grünbaum, Branko, The Bilinski dodecahedron and assorted parallelohedra, zonohedra, monohedra, isozonohedra, and otherhedra (PDF) , The Mathematical Intelligencer, 2010, 32 (4): 5–15 [2020-08-04 ] , MR 2747698 , doi:10.1007/s00283-010-9138-7 , (原始内容存档 (PDF) 于2015-04-02) .
外部連結