Подходы к определению выпуклого многогранника.

После введения понятия многогранника в школе, как правило, рассматривают выпуклые многогранники. Удачным считается подход, когда сразу дается определение выпуклого многогранника и для него определяются элементы, что сделать легче. Изучение свойств как выпуклых многоуголь­ников, так и выпуклых многогранников занимает очень большое место в школьном курсе геомет­рии. Однако точный смысл понятия «вы­пуклый» в средней школе не раскрывается и причины, заставляющие требовать вы­пуклости рассматриваемых многоугольни­ков и многогранников, нигде не объясняют­ся. Учащиеся часто вообще не воспринима­ют смысла прилагательного «выпуклый» и лишь по привычке, машинально в ответ на предложение изобразить какой-либо че­тырехугольник рисуют фигуру, изображен­ную на рисунке l.4,а(а иногда даже фигуру, изображенную на рис 1.4,б), а не фигу­ру, изображенную на рис l.4,в. При этом может показаться, что лишь недостаток об­щей математической культуры заставляет их считать все четырехугольники выпуклы­ми, подобно тому как наиболее слабые школьники иногда не в состоянии предста­вить себе четырехугольника, отличного от прямоугольника (рис. 1.4,б), параллело­грамма или, в лучшем случае, от трапеции. В некоторых случаях игнорирование усло­вия о выпуклости многоугольника или мно­гогранника оказывается даже совершенно законным - какую, например, ценность имеет оговорка о выпуклости в теореме: сумма углов выпуклого n-угольника равна (n - 2).180° Условие этой теоремы пол­ностью сохраняет силу и для невыпуклых (простых) многоугольников; так, например, ясно, что сумма углов и невыпуклого четы­рехугольника (рис. 1.4,в ) равна 360°. Прав­да, приводимое в школе доказательство теоремы справедливо лишь для выпук­лых многоугольников.

Понятие выпуклого многогранника чаще всего вводят по аналогии с выпуклым многоугольником. Очень хорошо эта аналогия просматривается в учебнике Александрова [3]. Существует два способа определения выпуклого многогранника. Многогранник называется выпуклым, если он лежит по одну сторону от каждой из ограничивающих его плоскостей. Такой подход принят в учебниках [4] и [22]. Либо многогранник называется выпуклым, если любые две его точки могут быть соединены отрезком. Такое определение дается в учебнике [28]. В учебнике [3] за основу берется второе определение и доказывается возможность другого (в нашем случае первого) определения.

Остановимся подробнее на втором определении. Чаще всего в геометрии рассматривают связные фигу­ры, т. е. такие, в которых любые две точки можно соединить линией, целиком принад­лежащей этой фигуре. При этом соединяю­щая линия может оказаться довольно слож­ной (рис 1.5). Естественно выделить класс фигур, для которых в качестве линии, со­единяющей две ее точки А, В, всегда мож­но выбрать самую простую линию - прямо­линейный отрезок АВ. Такие фигуры на­зываются выпуклыми.

Фигура F называется вы­пуклой, если вместе с каждыми двумя точ­ками А, В она целиком содержит и весь отрезок АВ. Примеры выпуклых фигур показаны на рис.1.6; на рис. 1.7 изображены неко­торые невыпуклые фигуры.

Кроме плоских, можно рассматривать пространственные выпуклые фигуры (их обычно называют выпуклыми телами). Примерами могут служить тетраэдр, параллелепипед, шар, шаровой слой и другие.

Выпуклые тела в прост­ранстве можно определить как пересечение некоторого множества полупространств. Простейшими выпуклыми телами являются те, которые можно представить в виде пере­сечения конечного числа полупрост­ранств. Такие выпуклые тела называются выпуклыми многогранниками.

Свойство, положенное в основу опреде­ления выпуклых фигур (существование в фигуре прямолинейного отрезка, соединя­ющего любые две ее точки), с первого взгляда может показаться несущественными, даже надуманным. В действительности же выделяемый этим определением класс выпуклых фигур является весьма интерес­ным и важным для геометрии. Дело в том, что «произвольные» геометрические фигу­ры могут быть устроены необычайно слож­но. Например, определить, находится ли точка А «внутри» или «вне» замкнутого многоугольника, изображенного на рис1.8, совсем не просто. Если же рассмат­ривать фигуры, не являющиеся многоугольниками, то можно столкнуться и с гораздо большими сложностями. Существует, например, плоская фигура, ограниченная не пересекающей себя замкнутой линией и в то же время не имеющая ни площади, ни периметра. Для выпуклых фигур такие чудовищные явле­ния не могут иметь места: внутренняя об­ласть выпуклой фигуры сравнительно про­сто устроена, любая ограниченная плоская выпуклая фигура обладает определенными площадью и периметром, а пространствен­ное выпуклое тело - объемом и площадью поверхности и т. д. Таким образом, выпуклые фигуры со­ставляют класс сравнительно просто устро­енных фигур, допускающих изучение геометрическими методами.

С другой стороны, класс выпуклых фигур является достаточно обширным. Так, все фигуры и тела, рассматриваемые в элементарной геометрии, либо являются выпуклыми, либо представляют собой несложные комбинации выпуклых фигур и тел. [6]