典例 十八世纪瑞士数学家欧拉证明了简单多面体中顶点数$(V)$、面数$(F)$与棱数$(E)$之间存在一个有趣的关系式,这个关系式被称为欧拉公式.请你观察下列几种简单多面体模型,解答下列问题:

四面体 长方体 八面体 十二面体
| 多面体 | 顶点数$(V)$ | 面数$(F)$ | 棱数$(E)$ |
| --- | --- | --- | --- |
| 四面体 | 4 | 4 |
|
| 长方体 | 8

| 6 | 12 |
| 八面体 | 6 | 8 | 12 |
| 十二面体 | 20 | 12 |
|
(1) 根据上面多面体模型,完成表格中的空格;
(2) 你发现顶点数$(V)$、面数$(F)$与棱数$(E)$之间存在的关系式是
;
(3) 若一个多面体的顶点数比面数大4,且有18条棱,则这个多面体的顶点数是
;
(4) 某个玻璃饰品的外形是简单多面体,它的外表面是由四边形和六边形两种多边形拼接而成,且有12个顶点,每个顶点处都有3条棱.若该玻璃饰品表面四边形的个数为$x$,六边形的个数为$y$,求$x+y$的值.
【思路点拨】(1) 由题图,得四面体的棱数为6,十二面体的棱数为30;
(2) 观察表格中顶点数、面数以及棱数,易知$V+F-E=2$;
(3) 因为顶点数比面数大4,所以$V=F+4$,即$F=V-4$.因为这个多面体有18条棱,所以$E=18$.因为$V+F-E=2$,所以$V+V-4-18=2$,解得$V=12$,所以这个多面体的顶点数是12;
(4) 先求解出该玻璃饰品的棱数,再根据$V+F-E=2$可求出该玻璃饰品的面数,最后根据$x+y=F$可知$x+y$的值.
【答案】(1) 6 30
(2) $V+F-E=2$
(3) 12
(4) 因为该玻璃饰品有12个顶点,每个顶点处都有3条棱,所以共有$12×3÷2=18$(条)棱.因为该玻璃饰品表面四边形的个数为$x$,六边形的个数为$y$,所以$F=x+y$.因为$V+F-E=2$,且$E=18,V=12$,所以$12+F-18=2$,解得$F=8$,所以$x+y=8$.
要点提示▶掌握简单多面体中顶点数、面数与棱数之间的关系,并能合理运用求解.
解析:
【分析】
1. 第(1)问:观察多面体的结构特征,直接数出四面体的棱数,结合十二面体的模型特点得出棱数,填入表格即可。
2. 第(2)问:将表格中四个多面体的顶点数V、面数F、棱数E分别代入计算,归纳共同规律,即可得到三者的数量关系式。
3. 第(3)问:先根据“顶点数比面数大4”得到V和F的等量关系,将F用含V的式子表示,再结合已知的棱数E=18,代入欧拉公式列一元一次方程求解即可。
4. 第(4)问:先计算总棱数:每个顶点连3条棱,每条棱属于2个顶点,因此总棱数=顶点数×3÷2;再将V、E的值代入欧拉公式求出总面数F,总面数就是四边形个数x与六边形个数y的和,即可得到x+y的值。
【解析】
(1) 观察多面体模型,可得四面体的棱数为6,十二面体的棱数为30,因此表格空格依次填6、30。
(2) 代入各组数据验证:
四面体:$4+4-6=2$;长方体:$8+6-12=2$;八面体:$6+8-12=2$;十二面体:$20+12-30=2$,因此顶点数(V)、面数(F)与棱数(E)的关系式为$\boldsymbol{V+F-E=2}$。
(3) 由题意得$V=F+4$,即$F=V-4$,已知$E=18$,代入欧拉公式:
$\begin{aligned}V + (V-4) - 18 &= 2 \\2V -22 &=2 \\2V &=24 \\V &=12\end{aligned}$
即这个多面体的顶点数是12。
(4) 该玻璃饰品的总棱数为:$12×3÷2=18$(条)
由题意可知该多面体的总面数$F=x+y$,将$V=12$,$E=18$代入欧拉公式$V+F-E=2$:
$\begin{aligned}12 + (x+y) - 18 &=2 \\x+y -6 &=2 \\x+y &=8\end{aligned}$
【答案】
(1) $\boldsymbol{6}$;$\boldsymbol{30}$
(2) $\boldsymbol{V+F-E=2}$
(3) $\boldsymbol{12}$
(4) $\boldsymbol{8}$
【知识点】
欧拉公式;多面体的特征;一元一次方程的应用
【点评】
本题从规律探究到实际应用,围绕欧拉公式设置问题,既考查观察归纳能力,也考查公式的灵活运用能力,解题核心是熟练掌握欧拉公式,理清多面体顶点、面、棱之间的数量关系。
【难度系数】
0.7