足球是许多人热爱的运动。但似乎很少有人留意到足球面的组成。从远处看足球似乎是一个完美的球体。但事实上,传统足球是由黑白两色皮黏合、缝制成的多面体,其中黑块皮为正五边形,白块皮为正六边形。一个有趣的问题是:黑、白皮各有多少块呢?
观察一下会发现:黑块皮周围都是白块皮,即每一黑色皮块的边皆与白色皮块相邻,而每一白色皮块却只有 3条边与黑色皮块相接。设 x为黑色皮块的数目,而 y为白色皮块的数目。则黑白图形相邻边的数目= 5 x= 3 y。因此足球面上的“黑白比”为: x: y= 3:5。利用这个比值,只需知道较少的黑皮块数量,就可推算出较多的白皮块数量。我们数一数,就可发现黑皮有 12块,由此可计算出白皮块有 20块,而整个足球皮块总数为 32块。
这个问题如果不数黑皮块也可得到解决,但要借助于欧拉于 1752年给出的凸多面体的欧拉公式。这一奇妙的定理描述了简单多面体的顶点数、面数及棱数之间的关系:将多面体的面数与顶点数相加再减去棱数,结果总是 2。亦即,设多面体的面数为 F,顶点数为 V,棱数为 E,则三者之间满足 F+ V- E= 2。
现在设足球的面、顶点、棱分别为 F、 V、 E,并设正五边形、正六边形分别有 x、 y个。
首先易知,面数 F= x+ y;又因为每两个相邻的正多边形恰好有一条公共边,即每条棱均为两个面的交线,所以棱数 E=;此外,观察可看到一黑两白的相邻三块皮交于一个公共顶点,换言之每个顶点对应三条边,所以顶点数 V=。
于是,由欧拉公式 F+ V- E= 2得到。
与上面已经得到的 5 x= 3 y联立,即可解得 x= 12, y= 20。
因此足球上的黑皮正五边形有 12个,白皮正六边形有 20个。有意思的是,足球表面 32块黑白相间的球皮,倒恰可象征参加世界杯决赛圈比赛的 32支队伍。