正多面体の種類と整数不等式

 各面が同じ正多角形で,各頂点に集まる面と辺の数が等しい多面体を正多面体といいます。正多面体は次にあげる5種類しか存在しないことが分かっています。
正四面体正六面体正八面体
正十二面体正二十面体

 正多面体などいくらでも存在しそうな感じもしますが,5種類しか存在しないのはなぜでしょう。
 タイル張りで正n角形が1つの頂点の周りにm個集まって,ちょうど360°になることを用いて説明しました。今度は右の図からも分かる通り,1つの頂点にm個集まると360°より小さくなくてはなりません。

 今,m個の正n角形が1つの頂点の周りに集まったとします。1つの内角の大きさが(n−2)×180°/nでしたから,
   m×(n−2)×180/n<360
この式を変形すると,
   m(n−2)<2n
   (m−2)(n−2)<4
 正の整数をかけて4より小さくなるのは
   1×1,1×2,2×1,1×3,3×1
 あてはまる自然数の組(m,n)を考えると
   (m,n)=(3,3),(3,4),(4,3),(3,5),(5,3)
 それぞれに対応する多面体は

(3,3):正六角形が3個→正四面体
(3,4):正方形が4個→正六面体
(4,3):正六角形が4個→正八面体
(3,5):正五角形が3個→正十二面体
(5,3):正六角形が5個→正二十面体

 こうして正多面体が5種類しかないことが分かります。
 この他にもオイラーの多面体定理を用いた方法があります。これについては次のページをご覧下さい。

《参考資料》