Polyèdres convexes semi-réguliers

Sommaire

Le but de ce document est de décrire les polyèdres convexes semi-réguliers.

  1. Polyèdres convexes
  2. Les polyèdres réguliers ou solides de Platon.
  3. Les polyèdres semi-réguliers
  4. Exercices de synthèse
  5. Index des polyèdres
  6. Références

Ce document accompagne une partie du cours de géométrie de la licence scientifique générale (L3 pour des futurs professeurs des écoles à l'université Paris-Sud) .
La référence [DP] est le livre de Daniel PERRIN, Mathématiques d'école, nombres, mesures et géométrie (Editions Cassini).
Pour voir un polyèdre, cliquez sur son nom et soyez patient. Les figures mobiles utilisées pour illustrer ce document sont issues de l' outil polyèdres créé par Bernadette
PERRIN-RIOU sans lien de parenté avec le précédent .

Définitions et premières propriétés.

Nous rappellons ici les définitions et les résultats présentés dans [DP IX.1 et 2].

Définition : Polyèdre convexe

  1. On appelle polyèdre convexe un solide (plein) P vérifiant les propriétés suivantes :
    1. P est l'intersection d'un nombre fini de demi-espaces fermés Ei limités par des plans H1, H2 ..., Hn (on prendra un système minimal)
    2. P est borné
    3. P n'est pas contenu dans un plan
  2. Les faces d'un polyèdre convexe sont les intersections de P avec les plans frontières Hi. Leur réunion est la frontière de P. Les faces sont des polygones plans convexes dont les côtés sont les arêtes du polyèdre et dont les sommets sont les sommets du polyèdre.

Exercice : Explicitez cette définition pour un cube, une pyramide.

Propriétés

  1. Le nombre de côtés d'une face est au moins 3.
  2. Le nombre d'arêtes aboutissant en un sommet est égal au nombre de faces aboutissant en ce même sommet et ce nombre est au moins 3.
  3. Une arête est commune à deux faces exactement et joint deux sommets.
  4. Règle de la somme des angles
  5. Formule d'Euler

Règle de la somme des angles

Patron d'un sommet

On appellera patron du sommet A du polyèdre P une figure plane de toutes les faces aboutissant en A obtenue après découpage selon une arête aboutissant en A et mise à plat.

Voici le patron d'un sommet de cube :

Aidez vous d'un tel patron pour visualiser la règle de la somme des angles.

Règle de la somme des angles

Si A est un sommet de P, la somme des angles (mesurés en degrés) en A de toutes les faces aboutissant en A, est strictement inférieure à 360°.

Une démonstration de cette règle assez évidente visuellement est proposée dans l'annexe de [DP IX].

La somme des angles en un sommet de cube est 270°.

Formule d'Euler

Soit P un polyèdre convexe. On note s, a et f  ses nombres de sommets, d'arêtes  et de faces. La formule d'Euler relie s, a et f :
s - a + f = 2

Pour un cube, on a : s = 8, a = 12 et f = 6.
Pour une pyramide à base pentagonale, on a : s = 6, a = 10 et f = 6.

Polyèdres réguliers : Définition et possibilités

Nous rappellons ici les définitions et les résultats présentés dans [DP IX.3].

Définition : Polyèdre convexe régulier

On dit qu'un polyèdre P convexe est régulier si les faces de P sont des polygones réguliers ayant tous le même nombre p de côtés et si en chaque sommet de P aboutissent le même nombre q de faces (ou d'arêtes).

Notation : Un polyèdre régulier est caractérisé par la liste de ses faces (notées par leurs nombres de côtés) en un sommet. On appellera symbole du polyèdre cette liste (voir la définition générale du symbole ). Par exemple, le polyèdre dont toutes les faces sont des triangles qui se groupent par 4 en chaque sommet se note (3,3,3,3) .

Histoire : Les polyèdres convexes réguliers sont aussi appelés solides de Platon (voir [DP IX introduction])

Les possibilités

En respectant la règle de la somme des angles ,  combien peut-on mettre de triangles autour d'un sommet  d'un polyèdre régulier ?
Voici les patrons possibles pour un sommet entouré de triangles :

Combien peut-on mettre de carrés autour d'un sommet  ?  de pentagones ?

Voici les patrons possibles pour un sommet entouré de carrés, de pentagones :


Combien peut-on mettre d'hexagones autour d'un sommet  ?  d'heptagones ? ...
La somme des angles de trois hexagones, heptagones ... dépasse 360°. Donc les polyèdres réguliers ont des faces triangulaires, carrées ou pentagonales.

En résumé, il n'y a que cinq possibilités que nous étudions à la page suivante.

Liste des polyèdres réguliers

Autour d'un sommet d'un polyèdre régulier, on peut mettre 3, 4 ou 5 triangles, 3 carrés ou 3 pentagones. Il y a donc 5 symboles possibles pour un polyèdre régulier.

En utilisant la formule d'Euler , on détermine à partir du symbole d'un polyèdre régulier (ou liste des faces en un sommet) le nombre s de ses sommets, a de ses arêtes, f de ses faces (voir démonstration de [DP IX.3.3]). Ensuite, il reste à le construire. Le symbole détermine complètement le polyèdre régulier et son nom dépend du nombre de ses faces :

Le polyèdre (3,3,3) est un tétraèdre et possède 4 faces (Le voir et le faire tourner) .
Le polyèdre (3,3,3,3) est un octaèdre et possède 8 faces (Le voir et le faire tourner) .
Le polyèdre (3,3,3,3,3) est un icosaèdre et possède 20 faces (Le voir et le faire tourner) .
Le polyèdre (4,4,4) est un cube ou hexaèdre et possède 6 faces (Le voir et le faire tourner) .
Le polyèdre (5,5,5) est un dodécaèdre et possède 12 faces (Le voir et le faire tourner) .

Exercices :
  1. Apprenez à les reconnaître !
  2. Apprenez à écrire leur nom !

Polyèdres réguliers en dualité, nombres de sommets et de faces

Si P est un polyèdre régulier, imaginons le polyèdre Q dont les sommets sont les centres des faces de P : Le polyèdre Q est régulier, on l'appelle dual de P. Par exemple si P est un cube, Q est un octaèdre. Le dual de Q est un homothétique de P. Donc le dual d'un octaèdre est un cube. Le nombre de sommets de Q est le nombre de faces de P et réciproquement.

Connaître le dual d'un polyèdre régulier permet de retenir son nombre de sommets, le nombre de faces étant indiqué par le nom d'un polyèdre régulier, il suffit de connaître la formule d'Euler pour calculer le nombre d'arêtes. Evidemment, un polyèdre et son dual ont même nombre d'arêtes ( Les nombres de sommets et de faces étant échangés, la formule d'Euler donne le même nombre d'arêtes. ).

Le dual d'un tétraèdre est un tétraèdre, celui d'un cube un octaèdre, celui d'un docécaèdre est un icosaèdre.

polyèdre dual
tétraèdre
(3,3,3)
s=4 a=6 f=4
Voir son dual
cube
(4,4,4)
s=8 a=12 f=6
Voir son dual
octaèdre
(3,3,3,3)
s=6 a=12 f=8
Voir son dual
dodécaèdre
(5,5,5)
s=20 a=30 f=12
Voir son dual
icosaèdre
(3,3,3,3,3)
s=12 a=30 f=20
Voir son dual

Mémorisez les caractéristiques des polyèdres de Platon !

Les polyèdres semi-réguliers

Définition : Un polyèdre semi-régulier est un polyèdre convexe dont toutes les faces sont des polygones réguliers et tel qu'en chaque sommet aboutissent le même nombre de faces de chaque type et dans le même ordre.

Un polyèdre régulier est semi-régulier.

Toutes les arêtes ont même longueur et les faces de même type sont isométriques.

Remarque : Pour se débarrasser de la paire de faux jumeaux, il faudrait affiner la définition. Mais, pour nos objectifs, cet énoncé suffit.

Symbole d'un polyèdre semi-régulier

Définition : On appelle symbole d'un polyèdre semi-régulier une suite des nombres de côtés des faces aboutissant en un sommet, dans l'ordre d'adjacence. On le note (n1, n2, ...nq). Par permutation circulaire et retournement, on déduit d'un symbole tous les symboles possibles pour un polyèdre donné. Usuellement, on appelle le symbole du polyèdre semi-régulier celui parmi les symboles qui est le premier dans l'ordre lexicographique. En particulier n1 est le nombre de côtés de la plus petite face.

On gardera ces notations tout au long de ce document : q est le nombre de faces aboutissant en un sommet et n1 est le nombre de côtés de la plus petite face. La règle de la somme des angles permet d'affirmer que q et n1 sont inférieurs ou égaux à 5.

L'ordre lexicographique est l'ordre utilisé pour ranger les mots dans un dictionnaire. On trie les mots par la première lettre, puis on range ceux qui ont la même première lettre par ordre de la seconde lettre ... Le grand rhombicuboctaèdre admet pour symboles rangés dans l'ordre lexicographique : (4,6,8), (4,8,6), (6,4,8), (6,8,4), (8,4,6), (8,6,4).

Le symbole détermine complètement la combinatoire d'un polyèdre, c'est-à-dire les nombres de ses sommets, arêtes et faces de chaque type (voir ici pour un exemple).

On ne cherche pas à démontrer que le symbole détermine un polyèdre semi-régulier à similitude près. Si on ajoute à la définition d'un polyèdre semi-régulier une condition du type "tous les sommets sont pareils", le symbole détermine le polyèdre semi-régulier à similitude près, sinon on trouve deux polyèdres différents de symbole (3,4,4,4)(cherchez les différences).

Exemple : Le symbole d'un prisme droit régulier pentagonal est (4,4,5). Celui d'un cuboctaèdre est (3,4,3,4).

Exercice : Symbole d'un polyèdre

Règle de parité, symboles possibles

La règle de parité

Quand le symbole d'un polyèdre semi-régulier, non régulier, est (n1,n2,n3) (c'est-à-dire dans le cas q=3), soit les ni sont tous pairs, soit l'un est impair et les deux autres pairs et égaux.

Démonstration : Indiquer le nombre de côtés des faces autour des sommets d'une face à nombre impair de côtés (voir [DP page 375]).

Les symboles possibles

Dans le problème "Les polyèdres archimédiens" ([DP page 283]), on recherche les symboles possibles pour des polyèdres semi-réguliers en s'appuyant sur la règle de la somme des angles , la règle de parité et d'autres raisonnements du même type et on montre qu'il en existe au plus 13 en plus des 5 polyèdres réguliers , des prismes et antiprismes . Pour montrer qu'à chacun de ces 13 symboles correspond un polyèdre semi-régulier, il suffit de construire celui-ci. Dans la suite, on verra comment la plupart s'obtient simplement à partir des polyèdres réguliers et on dressera la liste de tous les polyèdres semi-réguliers.

Définition : Les 13 polyèdres semi-réguliers (non réguliers) et les 5 réguliers s'appellent les 18 polyèdres archimédiens.

Exercice 1 : Utiliser la règle de la somme des angles et la règle de parité pour faire la liste des seuls symboles possibles vérifiant : q=3 et n1=3. Même exercice avec n1=4, puis n1=5. On verra dans la suite de ce document qu'il existe pour chacun de ces symboles un polyèdre semi-régulier.

Exercice 2 : Par un raisonnement analogue à la démonstration de la règle de parité, montrer que, dans les symboles de la forme (3,n2,3,n4) avec , les entiers n2 et n4 sont nécessairement égaux et déterminer tous les symboles de ce type.

Prismes et antiprismes

On appelle prisme régulier un prisme droit de base un polygone régulier à n côtés ( ) et à faces latérales carrées. C'est un polyèdre semi-régulier de symbole (3, 4, 4) si n vaut 3 et (4,4,n) sinon. Pour n = 4, le prisme régulier est un cube.

Un antiprisme de base un polygone régulier à n côtés ( ) est un polyèdre semi-régulier de symbole (3, 3, 3, n).

Un prisme régulier a 2n sommets, 3n arêtes et pour faces : n carrés et 2 polygones à n côtés.

Voici un prisme à base hexagonale :

Un antiprisme a 2n sommets, 4n arêtes et pour faces : 2n triangles et 2 polygones à n côtés.

Voici un antiprisme à base octogonale :

Tronquer un polyèdre

Pour obtenir un nouveau polyèdre à partir d'un polyèdre donné, on peut considérer un polyèdre dont les sommets sont sur les arêtes du polyèdre , c'est-à-dire à tronquer .

Tronquer un polyèdre semi-régulier consiste à retirer à ce polyèdre en chaque sommet une même pyramide (on fait la même opération en chaque sommet pour garder une chance d'obtenir un polyèdre semi-régulier) . Plus précisément, on enlève au sommet S du polyèdre la pyramide de sommet S et de base le polygone où, pour tout , Aj est un point de la j-ième arête aboutissant en S. On a coupé le polyèdre selon le plan contenant les points .

Le sommet S est donc remplacé par la face . Des conditions sont imposées au polyèdre à tronquer pour obtenir un polyèdre semi-régulier.

Exemple : Tronquer un cube

Rectifier un polyèdre consiste à le tronquer au milieu de chaque arête.

Pour tronquer les polyèdres, il faut savoir comment tronquer les polygones .

Tronquer un cube

Vous pouvez faire bouger le point P entre M et B. Les faces roses sont les bases des pyramides retirées. Les octogones verts sont les faces qui remplacent les faces du cube. Si P est en M, on obtient un cuboctaèdre . Si P est en Q, on obtient un cube tronqué .

Soyez patient au téléchargement. Répondez "se fier" ou "autoriser".

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Tronquer un polygone

lien vers les polyèdres archimédiens

Problèmes

Soit un polygone régulier à n côtés, le polyèdre dont les sommets sont les milieux des côtés de est encore un polygone régulier à n côtés. Cette remarque est à la base de la rectification des polyèdres .
Le but de cette partie est de construire un polygone régulier à 2n côtés dont les sommets sont sur les côtés de . Cette construction est utile pour tronquer les polyèdres . Si n égale 3, c'est facile, il suffit de prendre les sommets de l'hexagone au tiers des côtés du triangle équilatéral. Quand n égale 4, ce n'est plus si simple .

Premières propriétés

On note A, B, C, ... les sommets de et A', B', C' ... ceux de , M le milieu de [AB], N celui de [BC]. Commençons par deux remarques importantes :
  1. Les polygones et ont le même cercle inscrit, en effet un côté sur deux de est porté par un côté de . On notera O le centre commun des deux polygones.
  2. Si on a construit un sommet A' de , on obtient les autres sommets de comme intersections du cercle de centre O passant par A' avec les côtés de .
  3. On peut exprimer assez facilement la longueur du coté de en fonction de celle du côté de . Voici la formule et les limites qu'elle impose à l'opération de troncature.

Cas particuliers utiles pour les polyèdres

Construction d'un hexagone régulier dans un triangle équilatéral

Soit ABC un triangle équilatéral et O son centre de gravité. On note a la longueur de son côté. On considère les points On va montrer que l'hexagone A1 A2 B1 B2 C1 C2 est régulier :
Par hypothèse, le triangle A1 AA2 est isocèle en A et comme ABC est équilatéral, l'angle en A vaut 60° donc A1 A A2 est un triangle équilatéral. De même pour les triangles B1 B B2 et C1 C C2. Donc les côtés de l'hexagone A1 A2 B1 B2 C1 C2 ont tous pour longueur . D'autre part tous ses angles sont supplémentaires d'un angle d'un petit triangle équilatéral donc ils valent tous 120°. L'hexagone A1 A2 B1 B2 C1 C2 a tous ses côtés et ses angles égaux, il est régulier.

Construction d'un octogone régulier dans un carré

Dans le cas n = 4, les formules donnent et . On peut aussi calculer ces valeurs directement en utilisant les relations : c = 2d+c' et (obtenue dans le triangle isocèle rectangle A1 AA2). Ces valeurs nous assurent que les côtés de l'octogone ont même longueur. L'égalité des angles est évidente puisque les triangles "aux coins" du carré sont isocèles rectangles.
Construction : Comme c' + d vaut , on construit le point B1 comme intersection de [AB] et du cercle centré en A et passant par O. Les autres sommets sont sur le cercle de centre O passant par B1.

Longueur de l'arête de Q'

Analyse

Soit un polygone régulier à n côtés, supposons qu'on ait construit un polygone régulier à 2n côtés dont les sommets sont sur les côtés de . La distance d entre un sommet de et un sommet voisin de dépend de la valeur de n. Nous avons le résultat général suivant :

Proposition : Soient un polygone régulier à n côtés de longueur c et un polygone régulier à 2n côtés dont les sommets sont sur les côtés de . Si c' est la longueur du côté de , on a la relation :
La distance d entre un sommet de et un sommet voisin de vaut (c-c')/2.

Démonstration : Dans un polygone régulier à n côtés dont le côté a pour longueur c, on note R le rayon du cercle circonscrit et r le rayon du cercle inscrit. On a : et . On en déduit :
(*) .
Les polygones et inscrit dans ont même cercle inscrit. La relation entre c et c' se déduit de (*) appliquée pour chacun des polygones et de quelques formules de trigonométrie.

Exemple : Pour n=3, la distance d vaut , pour n=4, elle vaut .

Synthèse

Soit A' placé sur [AB] à la distance d du sommet A de . On doit montrer que les points d'intersection du cercle de centre O passant par A' et des côtés de sont bien les sommets d'un polyèdre régulier. Ils sont cocycliques par construction, il suffit de montrer que tous les côtés de ont même longueur. Par construction et symétrie, les côtés de portés par ceux de de ont pour longueur c'. On conclut en considérant des triangles isocèles et en utilisant des formules métriques dans ces triangles. La synthèse est plus simple pour les cas particuliers qui nous intéressent :

voir la synthèse dans le cas n=3.

voir un calcul et une construction directe dans le cas n=4.

Application aux polyèdres tronqués

Application aux polyèdres tronqués

Quand on tronque un polyèdre régulier, on enlève une petite pyramide en chaque sommet du polyèdre en coupant par un plan à la distance d (sur l'arête) de chaque sommet. Chaque face à n côtés du polyèdre régulier porte alors une face à 2n côtés du polyèdre tronqué.
Quand le polyèdre à tronquer est semi-régulier sans être régulier, par exemple, si en chaque sommet, arrivent des carrés et des triangles, en considérant la
formule donnant la longueur du côté du polygone inscrit, on a le choix : Si on coupe à un tiers du sommet, les octogones obtenus sur les faces carrées ne seront pas réguliers. Si on coupe à une distance du sommet (avec c longueur des arêtes), les hexagones obtenus sur les faces triangulaires ne seront pas réguliers.

Retour aux polyèdres tronqués ou retour aux polygones tronqués.

Construction d'un décagone régulier dans un pentagone

Soit ABCDE un pentagone régulier inscrit dans un cercle Gamma de centre O. Soit AA'BB'CC'DD'EE' le décagone régulier inscrit dans le même cercle ( On rappelle que A' est l'autre intersection de (OD) avec Gamma etc... ).

Soient P, Q, R et S comme sur la figure. Par exemple, Q (resp. R) est l'intersection de [A'B'] avec [AB] (respectivement [BC]). Les symétries du décagone permettent d'affirmer que ces points sont cocycliques. Par exemple, la symétrie par rapport à (OA') envoie P sur Q qui est envoyé sur R par la symétrie par rapport à (OB) etc... Donc les distances de ces points à O sont égales.

De plus des angles au centre sont égaux deux à deux. Par exemple, si M est le milieu de [A'B'], N celui de [BC] on a : et . Comme les triangles rectangles MOR et NOR ont deux côtés égaux, ils sont isométriques ; on en déduit : . On montre de même que tous les angles au centre de PQRSTUVWXY sont égaux.
L'intersection de ABCDE et de A'B'C'D'E' est donc un décagone régulier dont les sommets sont sur les côtés de ABCDE.

Les polyèdres archimédiens

Nous allons maintenant énumérer les polyèdres archimédiens . Nous ne justifions pas toutes nos affirmations mais nous nous attachons à décrire les polyèdres pour aider l'imagination. Nous avons choisi de les classer en trois familles qui correspondent à la valeur de q, le nombre d'arêtes aboutissant en un sommet, mais aussi à la façon de les obtenir par troncature à partir des polyèdres réguliers.

Les premiers exercices de chaque partie permettent de visualiser les polyèdres ainsi construits en les repérant par leurs symboles.

Polyèdres rectifiés

Méthode de rectification

On considère un polyèdre semi-régulier tel que de part et d'autre de chaque arête, on ait une face à n1 côtés et une face à n2 côtés. On considère le polyèdre dont les sommets sont les milieux des arêtes de , c'est-à-dire qu'on coupe le polyèdre en chaque sommet selon un plan passant au milieu des arêtes. Soit [RS] une arête de et M son milieu. Les faces de aboutissant en M sont au nombre de 4 : Et chaque sommet de (milieu d'une arête de ) présente le même aspect du fait de l'hypothèse.

Voici la méthode appliquée au patron du sommet d'un octaèdre :

Le polyèdre a a sommets (un par arête de ), autant de faces à n1 ou n2 côtés que , s faces à q côtés et 2a arêtes puisque par la formule d'Euler , on a a'=s'+f'-2=a+f+s-2=2a.

Quel résultat ?

Dans le cas où est régulier, n1 et n2 sont égaux, notons n leur valeur commune. Alors les faces à q côtés de correspondant aux sommets de sont des polygones réguliers. Le polyèdre est semi-régulier et son symbole est (q, n, q, n) à permutation circulaire près.

Dans le cas où est semi-régulier sans être régulier, l'hypothèse implique que le symbole de est (q,n1,q,n2) à permutation circulaire près. Le polyèdre n'est pas semi-régulier mais il existe un polyèdre semi-régulier de même combinatoire (même symbole, mêmes nombres s, a et fk), appelé petit rhombi...

Cuboctaèdre et compagnie

Les polyèdres obtenus par la rectification vérifient q=4. Et ce sont les seuls avec les antiprismes et l'octaèdre obtenu par rectification du tétraèdre. La rectification de deux polyèdres réguliers duaux donne le même polyèdre semi-régulier.

Polyèdres réguliers Polyèdres semi-réguliers
un sommet au milieu de chaque arête
(3,3,3) Tétraèdre régulier
4s 6a 4 triangles
(3,3,3,3) Octaèdre
(4,4,4) Cube
8s 12 a 6 carrés
(3,4,3,4) Cuboctaèdre
12s 24a 6 carrés et 8 triangles
(3,3,3,3) Octaèdre
6s 12a 8 triangles
(5,5,5) Dodécaèdre
20s 30a 12 pentagones
(3,5,3,5) Icosidodécaèdre
30s 60a 12 pentagones et 20 triangles
(3,3,3,3,3) Icosaèdre
12s 30a 20 triangles

Les petits Rhombi...

On peut rectifier un cuboctaèdre ou un isosidodécaèdre. Les polyèdres obtenus ne sont pas semi-réguliers mais le petit rhombicuboctaèdre et le petit rhombicosidodécaèdre sont les polyèdres semi-réguliers de même combinatoire :

Le petit rhombicuboctaèdre a pour symbole (3,4,4,4). Il a 24 sommets, 48 arêtes et pour faces 8 triangles et 18 carrés.
Le petit rhombicosidodécaèdre a pour symbole (3,4,5,4). Il a 60 sommets, 120 arêtes et pour faces 20 triangles, 30carrés et 12 pentagones.

Exercice : Sommets au milieu des arêtes

Quels polyèdres tronquer ?

Tronquer un polyèdre régulier

Soit un polyèdre régulier admettant s sommets, a arêtes et f faces à n côtés. Considérons deux points sur chaque arête de posés de sorte que sur chaque face de le polygone de sommets les nouveaux points soit régulier ( comment ? ). Il a donc 2n côtés. Le polyèdre dont les sommets sont les nouveaux points est appelé polyèdre tronqué de , il est semi-régulier par construction. Il a 2a sommets et f faces à 2n côtés.
Exemple : Voyons, sur l'exemple de l'octaèdre, quelle est l'allure d'un sommet du polyèdre . Nous avons tracé le patron d'un sommet S de et, sur les arêtes aboutissant en S, posé les sommets de . Par exemple A et B se trouvent sur l'arête [RS]. Les faces hexagonales de sont bleues. Autour du sommet B, on a donc deux faces hexagonales et une face à q côtés obtenue en tronquant le sommet R, ici, c'est un carré.

En chaque sommet de P aboutissent q arêtes, pour obtenir P', on enlève une petite pyramide (on tronque le sommet de P) et on le remplace par une face à q côtés qui est la base de la pyramide enlevée, P' a donc s faces à q côtés. Le symbole de P' est (q, 2n, 2n). Comme n vaut au moins 3 et q au plus 5, l'ordre du symbole est bien respecté, la règle de parité aussi.
Exemple : Aperçu de l' octaèdre tronqué . Son symbole est (4,6,6).

Par la formule d'Euler on obtient le nombre d'arête de P' qui égale 3a = 2a+f+s-2.

Le polyèdre tronqué d'un polyèdre régulier P (avec s sommets, a arêtes, f faces à n côtés et q faces en chaque sommet) a pour symbole est (q, 2n, 2n). Il a 2a sommets, 3a arêtes, f faces à 2n côtés et s faces à q côtés.

Tronquer un polyèdre semi-régulier

Si on veut appliquer cette méthode de troncature à un polyèdre semi-régulier, on doit imposer à celui-ci que de part et d'autre d'une arête se trouvent une face à n1 côtés et une face à n2 côtés ( Les seuls polyèdres semi-réguliers qui vérifient cette hypothèses sont le cuboctaèdre et l'icosidodécaèdre. ) mais on est embarrassé pour placer les deux sommets sur une arête ( pourquoi ? ). Dans tous les cas, le polyèdre obtenu ne sera pas semi-régulier bien que tous ses sommets aient même aspect. Par exemple, à partir d'un cuboctaèdre, on obtient un polyèdre de symbole (4,6,8). Les polyèdres semi-réguliers qui ont la combinatoire de ces polyèdres tronqués sont les grands rhombi...

Polyèdres tronqués (vrais ou faux)

Les polyèdres tronqués

Tous les polyèdres archimédiens obtenus par
troncature vérifient q=3 et ce sont les seuls polyèdres semi-réguliers vérifiant q=3 avec les prismes , le tétraèdre, le cube et le dodécaèdre et les faux tronqués (voir plus bas).
Polyèdres réguliers Polyèdres semi-réguliers
deux sommets par arêtes

(3,3,3) Tétraèdre régulier
4s 6a 4 triangles
(3,6,6) Tétraèdre tronqué
12s 18a 4 triangles et 4 hexagones
(4,4,4) Cube
8s 12 a 6 carrés
(3,8,8) Cube tronqué
24s 36a 8 triangles et 6 octogones
(3,3,3,3) Octaèdre
6s 12a 8 triangles
(4,6,6) Octaèdre tronqué
24s 36a 6 carrés et 8 hexagones
(5,5,5) Dodécaèdre
20s 30a 12 pentagones
(3,10,10) Dodécaèdre tronqué
60s 90a 20 triangles et 12 décagones
(3,3,3,3,3) Icosaèdre
12s 30a 20 triangles
(5,6,6) Icosaèdre tronqué (ballon de football)
60s 90a 12 pentagones et 20 hexagones

Les grands rhombi... ou faux tronqués

Voici deux polyèdres semi-réguliers dont les symboles pourraient résulter d'une telle opération de troncature (sur quels polyèdres ?). Ce sont les grands rhombi... (ou faux tronqués). Ils ont la combinatoire des polyèdres tronqués.
Le grand rhombicuboctaèdre a pour symbole (4,6,8). Il a 48 sommets, 72 arêtes et pour faces 12 carrés, 8 hexagones et 6 octogones.
Le grand rhombicosidodécaèdre a pour symbole (4,6,10). Il a 120 sommets, 180 arêtes et pour faces 30 carrés, 20 hexagones et 12 décagones.

Exercices :

  1. Reconnaître sur une figure un polyèdre obtenu par troncature
  2. Reconnaître un polyèdre (obtenu par troncature) donné par son symbole
  3. Décrire un polyèdre obtenu par troncature

Les adoucis

Comment classer ou caractériser ces deux derniers polyèdres archimédiens ? Avec l'icosaèdre, ce sont les seuls qui vérifient q=5 : en chaque sommet aboutissent 5 faces. Ensuite grâce à la règle de la somme des angles, les cas possibles sont vite énumérés.

Le cube adouci a pour symbole (3,3,3,3,4). Il a 24 sommets, 60 arêtes et pour faces 32 triangles et 6 carrés.

Le dodécaèdre adouci a pour symbole (3,3,3,3,5). Il a 60 sommets, 150 arêtes et pour faces 80 triangles et 12 pentagones.

Pour comprendre le nom d'adouci, il faut imaginer qu'on a pris un cube par exemple et qu'on a adouci ses sommets et ses arêtes par des triangles et obtenu ainsi un cube adouci. Plus précisément, on a 6 faces carrées qui correspondent à celles du cube, 8 faces triangulaires à la place des sommets et 2 faces triangulaires par arête du cube soit en tout 32 triangles. Chaque sommet du cube adouci appartient à une face carrée et une seule (voir le symbole) donc le cube adouci a sommets. Le nombre d'arêtes calculé par la formule d'Euler est 24+6+32-2=60.

Exercice : Calculer (s,a,f) du dodécaèdre adouci en utilisant les relations entre s, a et f. ( Solution )

Exercices de synthèse

  1. Généralités sur le symbole
  2. Classer les polyèdres selon le nombre d'arêtes en un sommet
  3. Nommer un polyèdre donné par son symbole
  4. Décire un polyèdre semi-régulier donné par une figure (1)
  5. Reconaître les rhombi ...
  6. Nommer les rhombi...
  7. Décrire un polyèdre semi-régulier donné par une figure (2)

Index des polyèdres

Le lien renvoie à la page de ce document où le polyèdre est décrit. Vous pouvez utiliser l' outil polyèdres pour les visualiser.


Par Version interactive
Dernière modif. 20091006
Description: description des polyèdres de Platon et d'Archimède.

Keywords: polyèdre, régulier, semi-régulier, dodécaèdre, icosaèdre, octaèdre cube, tétraèdre, archimédien, Platon, prisme, wims, mathematics, mathematical, math, maths, interactive mathematics, interactive math, interactive maths, mathematic, online, calculator, graphing, exercise, exercice, puzzle, calculus, K-12, algebra, mathématique, interactive, interactive mathematics, interactive mathematical, interactive math, interactive maths, mathematical education, enseignement mathématique, mathematics teaching, teaching mathematics, algebra, geometry, calculus, function, curve, surface, graphing, virtual class, virtual classes, virtual classroom, virtual classrooms, interactive documents, interactive document