2013年1月27日 星期日

歐拉多面體公式

  數學書上寫着:對於任意多面體(polyhedron),端數-棱數+面數=2,記作V-E+F=2,稱為歐拉公式(Euler’s Formula)。(歐拉公式一般指e^t=cos t + i sin t。這只是命名上的重覆,小事。)然而V-E+F=2只在凸多面體成立,而非任何多面體。凸(convex),即在圖形中任意取兩點,連起的直線完全在該圖形之中。教師用書的附註中也舉出了反例。課本卻由始至終都只是指出了V-E+F=2。數學普遍的做法是:詳細列出定理的所有必要條件,經嚴謹緊明後,得出了無一例外的結果。書中的做法,省略了一些條件,得出的結果也只是「多數」(以學生會接觸的圖形來說)成立。
  V-E+F=2的意義何在?讓我們數了V和E之後就省去數F的工夫嗎?不然。我後來才了解到,V-E+F的意義,在於它是個拓撲不變量(topological invariant)。即是說:在物體的長度和角度改變下,這個量也是不變的。例如:我將一個正立方體拉長成為一個長方體,再把他推歪成成一個平行六面體(parallelepiped),扭正後再將它其中兩個則面合併變成一個三角柱體。這個過程中,各邊長,面積,體積,角度不斷改變,但V-E+F卻保持不變。了解了此一道理,我們就可以將這個觀念應用於任何圖形(平面,彎曲均可)之上,並且將V-E+F相同的圖形歸為同一類,看看它們有甚麼相同。「將不同長度和角度的圖形視為相同」便是拓撲學(topology)的基本想法。不妨看看Wikipedia中的資料。文字嫌長,看圖好了。
http://en.wikipedia.org/wiki/Euler_characteristic
  拓撲學是一們很有趣,很能啟發思維,亦很具數學價值的學問。V-E+F=2則可謂通往拓撲學的門戶。從考評角度看,只考公式當然比考深層意義來得方便。但從學問角度來說,學了公式卻不繼續深究,就好像打開了寶庫之門,卻只是看兩眼就走了。這實在十分可惜。