文／沙國(guó)祥

圖／張志勇

（2019年全國(guó)Ⅱ卷第16題）中國(guó)有悠久的金石文化，印信是金石文化的代表之一.印信的形狀多為長(zhǎng)方體、正方體或圓柱體，但南北朝時(shí)期的官員獨(dú)孤信的印信形狀是“半正多面體”（圖1）.半正多面體是由兩種或兩種以上的正多邊形圍成的多面體.半正多面體體現(xiàn)了數(shù)學(xué)的對(duì)稱(chēng)美.圖2是一個(gè)棱數(shù)為48的半正多面體，它的所有頂點(diǎn)都在同一個(gè)正方體的表面上，且此正方體的棱長(zhǎng)為1.則該半正多面體共有____個(gè)面，其棱長(zhǎng)為_(kāi)___.

圖1

圖2

本題第二空難度較大.題中出現(xiàn)了一種特殊多面體——“半正多面體”，對(duì)于它的結(jié)構(gòu)描述“它的所有頂點(diǎn)都在同一個(gè)正方體的表面上”，很多同學(xué)覺(jué)得難以理解和想象，因而無(wú)法順利作答.

事實(shí)上，這種“半正多面體”就是所謂的“阿基米德體”.這類(lèi)多面體是由正多面體切割而得，各面上出現(xiàn)的多邊形是兩種或兩種以上的正多邊形，每個(gè)頂點(diǎn)處都由相同種類(lèi)和順序的正多邊形圍成.如圖2，此阿基米德體的每個(gè)頂點(diǎn)都是由一個(gè)正三角形、三個(gè)正方形圍成，自然，它們的邊長(zhǎng)都相等啦！這個(gè)阿基米德體是由一個(gè)正方體（我們稱(chēng)之為“原初正方體”）切割而得.

但因?yàn)樵跽襟w未出現(xiàn)，因而不易想象切割后的阿基米德體與原正方體的關(guān)系.

同學(xué)們可以發(fā)揮想象力求解：

如圖3，考慮到對(duì)稱(chēng)性，八邊形ABCDEFGH是正八邊形，其八個(gè)頂點(diǎn)位于同一平面上.想象一下，此正八邊形的上面兩個(gè)頂點(diǎn)A，H位于原初正方體的上表面，下面兩個(gè)頂點(diǎn)D，E 位于原初正方體的下表面.畫(huà)出平面直觀圖，如圖4：

圖3

圖4

分別延長(zhǎng)上下、左右的相對(duì)兩條邊，得到一個(gè)正方形，這個(gè)正方形其實(shí)是原初正方體的一個(gè)平行于一個(gè)表面的截面，其邊長(zhǎng)正是正方體的棱長(zhǎng)1.

設(shè)正八面體的邊長(zhǎng)為x，根據(jù)圖4，從正方形的邊長(zhǎng)為1可得方程

此即“半正多面體”的棱長(zhǎng).

只是做完這道高考題，還不能壓住我們心頭的好奇和疑問(wèn)：那個(gè)“原初正方體”在哪兒？怎樣由這個(gè)原初正方體切割成高考題中的阿基米德體？阿基米德體我們以前見(jiàn)過(guò)嗎？一共有多少種？下次還會(huì)考嗎？

我們知道，一個(gè)正方體由六個(gè)面組成，分成三組，每組中兩個(gè)面互相平行.大家仔細(xì)觀察一下圖2，這個(gè)阿基米德體的上下、左右、前后三組，共六個(gè)小正方形（或者水平，或者豎直），正位于原初正方體的相應(yīng)六個(gè)面上，它們并沒(méi)有被切割掉啊！展開(kāi)你想象的翅膀，依據(jù)這六個(gè)小正方形就可以作出所在六個(gè)平面，復(fù)原“原初正方體”（如圖5，查看動(dòng)畫(huà)請(qǐng)掃描文末的二維碼）.這樣就更容易理解上述解法了.你甚至可以通過(guò)延長(zhǎng)小正方形的邊作出原初正方體的棱.再看圖6，這是另一種觀察視角.

圖5

圖6

阿基米德體非常罕見(jiàn)嗎？高考命題者就是要找些稀奇古怪的玩意兒“捉弄考生”？其實(shí)，阿基米德體我們?nèi)巳硕家?jiàn)過(guò)，最常見(jiàn)的足球“電視之星”（如圖7），就是由一個(gè)阿基米德體充氣后膨脹而成的.這個(gè)阿基米德體，是在一個(gè)“原初正二十面體”的12個(gè)頂點(diǎn)處切割掉12個(gè)小五棱錐得到的（如圖8）.因此，一個(gè)常見(jiàn)的足球上，就有12個(gè)五邊形，20個(gè)六邊形.

圖7

圖8

高考題中的阿基米德體你可能沒(méi)見(jiàn)過(guò)，但它的兄弟就活躍在足球場(chǎng)上，你留心過(guò)嗎？研究過(guò)它的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)嗎？如果由此及彼，再追問(wèn)：這種足球是哪類(lèi)立體圖形？同類(lèi)圖形還有哪些？那你不就接近甚至發(fā)現(xiàn)高考題了嗎？

最后告訴你，阿基米德體一共有13種（具體可參考《數(shù)學(xué)文化素質(zhì)教育資源庫(kù)》中的《數(shù)學(xué)之美》分冊(cè)）.它會(huì)不會(huì)以后再考？很難說(shuō)，可能會(huì)以另一種形式考也未可知.所以，學(xué)習(xí)不必太顧眼前，風(fēng)物長(zhǎng)宜放眼量，你關(guān)注數(shù)學(xué)文化，了解數(shù)學(xué)問(wèn)題、方法的歷史背景、來(lái)龍去脈，說(shuō)不定哪天就碰上高考題了.