空间分割的几何直觉

延展多面体的面,空间会被切成多少块?

下图交互式展示了两种经典模型:正六棱柱与正八面体。 我们将原有的面无限延展成平面,通过三维可视化与截面动画,直观解析空间被切割成的所有区域。

正六棱柱延展 57 个三维区域
正八面体延展 65 个三维区域
问题一

正六棱柱:八个平面如何把空间切成 57 部分?

正六棱柱包含 2 个水平面与 6 个竖直面。延展后,6 个竖直面对应于三组互相平行的平面,与上下两平面共同构成 57 个空间区域。 场景中提供动态截面,帮助你观察“每层 19 块 × 三层 = 57”的结构。

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截面图展示 19 个区域:六面延展在平面上形成的 3 组平行线,将每一层切成 19 块。

竖直平面的组合

正六棱柱的侧面投影为正六边形。延展 6 个侧面后,可视为三组平行平面。任何一组平行平面之间形成“夹层”,而不同方向的平面则彼此相交,构造出 19 个竖向延伸的区域。

水平切分创造倍数关系

上下两个水平面与竖直切分独立。它们把竖直延伸的 19 个区域三等分:上层、夹层、下层,从而得到 3 × 19 = 57 个三维区域。

问题二

正八面体:八个切面构成 65 个空间区域

正八面体的每一个面都延展成平面,可表示为 ±x ± y ± z = 1 的 8 个方程。它们构成四组相互平行的平面,整体对称且交错复杂。 在交互场景中,通过可移动的截线和颜色提示,可以看到中心区域的“立方体核”以及向外逐渐扩张的多面体区域。

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当截面靠近中心时,八个平面围成的区域逼近一个内接立方体;向外移动,区域迅速增多,最终统计得到 65 块空间。

四组对向平面

正八面体的面法向量对应立方体的空间对角线,构成四组相互平行的平面。延展后,这些平面在空间中交错,生成大量楔形和无界区域。

组合计数思路

可以按平面逐一加入的思想统计区域数:每引入一个新平面,就在其自身上形成若干新区域,从而分割已有体积。 顺序累积后,得到总计 65 个三维区域。

解析总结

从可视化回到推导:两道题的核心逻辑

正六棱柱

  • 6 个侧面 = 3 组平行竖直平面 → 平面内形成 19 个区域
  • 上下两个水平面互不影响竖直切分 → 三层结构
  • 综合:19 × 3 = 57 个空间区域,视觉上可分为上层、核心、中层三个高度区间

正八面体

  • 八个平面来自 ±x ± y ± z = 1,共四组平行面
  • 逐个加入平面,统计其与已有平面构成的分割
  • 利用平面阵列的对称性,可验证总数为 65,并形成内外多层的空间网格