■オイラーの多面体定理から(その6)
(Q)五角形と六角形からなる多面体には五角形が常に12個ある.
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(A)n本の辺をもつfn枚の面とn本の辺が交わるvn個の頂点をもつ凸多面体について,
F=f3+f4+f5+・・・
2E=3f3+4f4+5f5+・・・
6F−2E≧12
に代入すると
3f3+2f4+f5−f7−2f8−3f9−・・・≧12
地図のように2つの辺に囲まれた領域まで許すことにすると,この数え上げ公式は
4f2+3f3+2f4+f5−f7−2f8−3f9−・・・=12
となり,係数が1ずつ小さくなり,それが0となるf6は式中に現れない.
このことからもf3,f4,f5の少なくとも1つは0でない→多面体には3角形か4角形面か5角形面が少なくとも1つなければならない,同様に,多面体の少なくとも1つの頂点は3次か4次か5次でなければならない→すべての頂点の次数が6以上となることは不可能であり,必ず次数が5以下の頂点をもつことが導き出される.これもオイラーが知っていた結果であるということである.
ここで,
(1)f2=f3=f4=0だとすると,少なくとも12個のf5がなければならないことになる(フラーレン).
(2)多面体の面がすべてf5とf6であるならば,f5=12(切頂二十面体など)
(3)多面体の面がすべてf4とf6であるならば,f4=6(切頂八面体など)
(4)多面体の面がすべてf4,f6,f8であるならば,f4=f8+6(大菱形立方八面体など)
(5)多面体の面がすべてf3とf6であるならば,f3=4(切頂四面体など)
すなわち,球面を六角形と三角形で覆うとしたら,ちょうど4個の三角形が必要である.一般に,球面を六角形とn角形で覆うとしたら,ちょうどk=12/(6−n)個のn角形が必要である.n=3,4,5のとき,
k=12/(6−n)=4,6,12
であるが,これは正多面体の面数と同じである.これらの結果は極めて重要で,四色定理の証明の中核をなしている.
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