面
miàn
面是三维立体图形的任意一个平面;多面体完全由多边形的面构成。
Definition
面是三维图形的任意一个平面侧面;正方体有 $6$ 个正方形面,三棱柱有 $5$ 个面($2$ 个三角形和 $3$ 个矩形)。严格地说,多面体的面是构成其边界一部分的多边形区域,由棱围成,并沿棱与相邻的面相接;五种柏拉图立体的面都是同一种正多边形。在凸多面体理论中,$\mathbb{R}^n$ 中多面体 $P$ 的一个面,是形如 $P \cap \{x : c^Tx = \max_{y \in P} c^Ty\}$ 的子集(对某个非零向量 $c$,即某个线性泛函的最大值点集);二维面、棱和顶点分别是多面体的2维、1维和0维面,多面体的面格结构编码了它全部的组合信息。
Example
数一数面的数目就能识别一个立体:$4$ 个面是四面体,$5$ 个是四棱锥或三棱柱,$6$ 个是长方体,$8$ 个是八面体。正八面体有 $8$ 个等边三角形面,正十二面体有 $12$ 个正五边形面;根据欧拉公式 $F + V - E = 2$,一个有 $12$ 个面、$20$ 个顶点的正十二面体必定有 $30$ 条棱:$12 + 20 - 30 = 2$。正方体的面格有 $1$ 个空面、$8$ 个顶点、$12$ 条棱、$6$ 个面和 $1$ 个满面,共计 $28$ 个元素,而对偶的正八面体则有反转的面格,$1+6+12+8+1$。
Key Insight
欧拉公式 $F + V - E = 2$ 是所有凸多面体的一个拓扑不变量,是拓扑学最早的成果之一,揭示了所有凸立体无论形状如何都共享的一种隐藏结构关系。正方体($6$ 个面,$8$ 个顶点)与正八面体($8$ 个面,$6$ 个顶点)之间的对偶性是一种普遍现象,每个凸多面体都有一个面与顶点互换的对偶体,这在线性规划中至关重要,可行多面体的顶点对应基本可行解。