角柱の体積が角錐の体積の 3分の1 になる理由を書いておきます。
ここで、 次の2点は既知とします。
- 底面積と高さが同じ角錐は同じ体積になる。 (これもいつか証明を書きます。)
- 角柱の体積は底面積と高さの積である。
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証明: 数列が収束する必要十分条件
数列が収束する必要十分条件を証明します。 (ここで証明するのは Cauchyの判定法ではありません。)
まずは収束の定義の確認です。
定義
数列 ( {alpha _n } ) が実数 ( alpha ) に収束するとは、 任意の正の実数 ( varepsilon ) に対応して 自然数 ( n_0 ( varepsilon ) ) が定まって次を満たすことをいう。
[ n > n_0 (varepsilon) Rightarrow | alpha _n – alpha | < varepsilon ]数列 ( { alpha _n } ) が ( alpha ) に 収束する必要十分条件は次のようになります。
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オイラーの多面体定理を証明する
オイラーの多面体定理を考えてみましょう。 (もともとはグラフ理論での定理なのですが。)
オイラーの多面体定理
多面体では次の等式が成り立つ。
頂点の数 – 辺の数 + 面の数 = 2
平面上の図形においてもこの式は成り立つ。
今回はこの式が本当に正しいのか検証してみようという趣旨です。 オイラーの式は平面上で成り立つ式なので、平面上で考えます。 多面体は平面図形に置き換えられるので、 平面図形でオイラーの式が成り立てば 多面体でも成り立つことになります。
多面体を平面に投影する
多面体は平面図形に投影することができます。
左の4面体は右のように平面に投影できます。 4面体の面は4角形になったのが3つ、残る面はまわりのエリアです。 点と線で 4つの区域に分けられていますね。
証明
平面上に描かれた点と線を考えます。 線の両端が点だと考えてください。 全ての線は点を介してつながっているものとし、点以外では線がつながらないものとします。 線は曲線も含みます。
数学的帰納法で考えます。 点の数を \( V \) 、 線の数を \( E \) 、 面の数を \( F \) とします。 \( V – E + F = 2 \) を証明すればOKです。
\( E = 1 \) のとき
辺 \( E \) は 1, 面 \( F \) は 1, 点 \( V \) は 2 です。
\[ V – E + F = 2 – 1 + 1 = 2 \]オイラーの式は成立しています。
\( E = k \in \mathbb{N} \) でオイラーの式が成り立つとき
\( E = k \) でオイラーの式が成立するときの \( E \) 、 \( V \) 、 \( F \) の値をそれぞれ \( E_k \) 、 \( V_k \) 、 \( F_k \) とすると、次の式が成り立ちます。
\[ V_k – E_k + F_k = 2 \]ここで \( V_k \) 、 \( F_k \) の値は \( k \) によって一意に定まるものではなく、 あくまで前提とした条件での値です。
図形に線を足す場合を考えます。 線は点を介してつながっているので、新しく引く線は両端または一方の端が既存の線とつながります。
線の一方のみが既存の点に接続する場合
点が新たに1つ増えるので \( V = V_k + 1 \) 、 線が新たに1つ増えるので \( E = E_k + 1 \) 、 面の数は変わらないので \( F = F_k \) 。
\begin{array}{cl} & V – E + F \\ = & ( V_k + 1 ) – ( E_k + 1 ) + F_k \\ = & V_k – E_k + F_k \\ = & 2 \end{array}線の両端が既存の点に接続する場合
新しく線を引く前の状態で、 既存の線は繋がっているため 新しく引く線の片側または両側は線が閉じていることになる。 すなわち線を新しく引くと、 面の数が1増える。
これより 点の数は増えず \( V = V_k \) 、 線の数は1増えて \( E = E_k + 1 \) 、 面の数も1増えて \( F = F_k + 1 \) 。 これは 線の始点と終点が同じ場合も含みます。
\begin{array}{cl} & V – E + F \\ = & V_k – ( E_k + 1 ) + ( F_k + 1 ) \\ = & V_k – E_k + F_k \\ = & 2 \end{array}以上より、 \( E = k \in \mathbb{N}\) で オイラーの式が成立していれば \( E = k + 1 \) でも成立することが分かる。
よって すべての場合で オイラーの式は成立する。
証明にしてはちょっとゆるい感じがしますが、 式が成り立つことを理解していただけるとうれしいです。
このオイラーの定理を使うと、デカルトの定理も証明できます。 詳細は デカルトの定理を証明する をご覧ください。
