空间计数实验室
正四面体 · 平行截面 · 组合计数

把看不见的 65 块,
一层一层拆给你看。

6 条棱上的 24 个分点会作出 48 次平面,但其中只有 16 个不同的截面。旋转、筛选、拆开模型,亲手看清每一块从哪里来。

开始交互演示
24个内分点
48次作平面
16个不同平面
65个三维部分

交互实验

从分点走到分块

任意方向拖动 · 360° 自由旋转 · 滚轮缩放

24 个分点
任意方向拖动 · 360° 自由旋转

完整解答

把空间问题,变成四个整数的和

设点的重心坐标为 A, λB, λC, λD),它们都不小于 0,且总和恒为 1。平行于面 BCD 的平面就是 λA=常数;其余三个方向同理。

6 × 4 = 24棱上的内分点
每点作 2 个
24 × 2 = 48作平面的动作
同层三次重合
4 × 4 = 16真正不同的平面
关键编码

每个区域对应一个四元组

在任意一个未被截面穿过的区域内,令

qX = ⌊5λX⌋ (X=A,B,C,D)

于是 qX∈{0,1,2,3,4}。同一四元组给出的集合是凸集,所以非空时恰好对应一个连通的三维部分。

非空条件

只有三种可能的和

S=qA+qB+qC+qD。因为

qX/5 < λX < (qX+1)/5

四式相加,并利用 ΣλX=1,得到 S<5<S+4,故 S 只能是 2、3、4

S = 2

C(5,3) = 10 10 个四元组

S = 3

C(6,3) = 20 20 个四元组

S = 4

C(7,3) = 35 35 个四元组

总计

65 个部分
答案65

这些平面将正四面体分成 65 个部分。一般地,若每条棱 n 等分,同样作图,分块数为 (n³+n)/2

原题第 34 题
题目原图:将正四面体的每条棱五等分并作平行截面,求分成的部分数