Dieser Artikel beschreibt den Oktaeder allgemein, für die Zentralabituraufgabe in Nordrhein-Westfalen 2008 siehe Oktaeder des Grauens.
Oktaeder bedeutet Achtflächner und bezeichnet in umfassender Bedeutung jedes Polyeder mit acht Seiten. Dazu zählen neben weitgehend unregelmäßigen Polyedern auch:
Ist das Viereck der Viereck-Doppelpyramide ein Quadrat und sind die Kanten zu den beiden anderen Ecken genauso lang wie die Seiten des Vierecks, so ergibt sich ein regelmäßiger Achtflächner aus kongruenten Seiten, gleichlangen Kanten und gleichen Winkeln in allen Ecken.
Im allgemeinen Sprachgebrauch wird mit Oktaeder nur dieser regelmäßige Polyeder bezeichnet.
Dieser Artikel handelt im Folgenden vom Oktaeder als regelmäßiger Achtflächner.
Euklid beschreibt und beweist im dreizehnten Buch seines Werkes Elemente, unter Proposition 14, die Konstruktion des Oktaeders.
„Ein Oktaeder einer Kugel mit gegebenem Durchmesser einbeschreiben.
Das Quadrat über dem Durchmesser der Kugel ist dann gleich dem doppelten Quadrat
über der Kante des Oktaeders.“
Gegeben sei eine Umkugel, z. B mit dem Radius gleich und deren Mittelpunkt . Beim Bestimmen der und Achsen eines kartesischen Koordinatensystems ergeben sich die Punkte und auf der Oberfläche der Umkugel.
Vorab ist die Kantenlänge des Oktaeders als Verbindung des Punktes mit , sprich , festzulegen.[5]
Für die eigentliche Konstruktion reichen vier Hauptschritte aus. Es beginnt mit dem Ziehen des ersten Kreises mit Richtung Achse um Mittelpunkt und Radius . Anschließend wird der erste Eckpunkt beliebig auf dem Kreis positioniert. Der darauffolgende zweite (nicht eingezeichnete) Kreis mit Richtung parallel zur Achse und Radius gleich der Kantenlänge um , erzeugt die Eckpunkte und . Der dritte und letzte Kreis mit gleichem Radius und gleicher Richtung um liefert den noch offenen Eckpunkt . Nach dem abschließenden Verbinden der betreffenden Eckpunkte ist das Oktaeder fertiggestellt.
Beziehungen zu anderen Polyedern
Das Oktaeder ist das zum Hexaeder (Würfel) dualePolyeder (Bild 1) und umgekehrt.
Die dreidimensionaleSchnittmenge der zwei Tetraeder (Bild 3) ist ein Oktaeder mit halber Seitenlänge. Setzt man auf die 8 Seitenflächen des Oktaeders Tetraeder auf, entsteht ebenfalls ein Sterntetraeder.
Wird ein Oktaeder von einem regelmäßigen Tetraeder umschrieben (Bild 4), sind die 6 Ecken des Oktaeders die Mittelpunkte der 6 Tetraederkanten und liegen 4 der 8 Oktaederflächen in den Seitenflächen eines der beiden möglichen Tetraeder. Das Oktaeder entsteht also, wenn von einem Tetraeder mit doppelter Kantenlänge 4 Tetraeder mit derselben Seitenlänge abgeschnitten werden.
Mithilfe von Oktaeder und Würfel können zahlreiche Körper konstruiert werden, die ebenfalls die Oktaedergruppe als Symmetriegruppe haben. So erhält man zum Beispiel
Ein Oktaeder mit der Kantenlänge kann man sich aus zwei quadratischen Pyramiden mit der Quadratlänge und der Seitenkantenlänge gleich zusammengesetzt denken. Wendet man den Satz von Pythagoras auf die Höhe , eine halbe Diagonale der Grundfläche und eine Seitenkante an, ergibt sich
.
Damit lassen sich die Punkte eines regulären Oktaeders mit der Kantenlänge in einem kartesischen Koordinatensystem so beschreiben:
Winkel
Aus der Zeichnung erkennt man, dass für den Winkel zwischen der Grundfläche und einer Seitenfläche gilt. Also ist der
Winkel zwischen der Grundfläche und einer Seitenfläche gleich
und der
Winkel zwischen zwei Seitenflächen ist
Um-, In- und Kanten-Kugelradien
Die Kugel, die die Kanten des Oktaeders berührt, berührt das Basisquadrat der Pyramide von innen. Also ist der
Kantenkugelradius
Die Umkugel geht durch alle Oktaederpunkte und es ist der
Umkugelradius
Der Inkugelradius ist (im Bild) der Abstand des Nullpunktes zur Gerade in der y-z-Ebene durch die Punkte . Sie hat die Gleichung . Berechnet man den Abstand mit Hilfe der Hessesche Normalform ergibt sich der
Innenkugelradius
Oberfläche, Volumen
Die Oberfläche des Oktaeders ist die Summe der 8 Dreiecksflächen. Die Fläche eines regelmäßigen 3-Ecks ist
. Damit ist die
Oberfläche des Oktaeders: .
Das Volumen des Oktaeders ist die Summe der Volumina der 2 quadratischen Pyramiden.
Das Volumen einer Pyramide ist und das
Volumen des Oktaeders ist .
Raumwinkel in den Ecken
Der Raumwinkel ist der Flächeninhalt des in dem Bild durch rote Punkte markierten sphärischen Vierecks der Einheitskugel in der Oktaederecke. Betrachtet man nur die obere Hälfte (Pyramide) des Oktaeders, so erhält man ein sphärisches Dreieck, dessen Winkel in den unteren Punkten jeweils gleich dem halben Winkel zwischen Seitenflächen des Okteders ist (siehe Bild oben). Der Winkel im oberen Punkt ist gleich dem Winkel . Damit hat das sphärische Dreieck den Flächeninhalt
.
Der Raumwinkel ist der Flächeninhalt des sphärischen Vierecks:
.
Der Raumwinkel entspricht der Fläche eines Kugelsegments auf der Einheitskugel mit einem halben Öffnungswinkel .
Das Oktaeder hat elf Netze[8]. Das heißt, es gibt elf Möglichkeiten, ein hohles Oktaeder durch Aufschneiden von 5 Kanten aufzuklappen und in der Ebene auszubreiten. Die anderen 7 Kanten verbinden jeweils die 8 gleichseitigen Dreiecke des Netzes. Um ein Oktaeder so zu färben, dass keine benachbarten Flächen dieselbe Farbe haben, braucht man mindestens 2 Farben.
Graphen, duale Graphen, Zyklen, Färbungen
Das Oktaeder hat einen ihm zugeordneten ungerichteten planaren Graphen mit 6 Knoten, 12 Kanten und 8 Gebieten, der 4-regulär ist, d. h. von jedem Knoten gehen 4 Kanten aus, sodass der Grad für alle Knoten gleich 4 ist. Bei planaren Graphen ist die genaue geometrische Anordnung der Knoten unwesentlich. Wichtig ist allerdings, dass sich die Kanten nicht schneiden müssen. Die Knoten dieses Oktaedergraphen entsprechen den Ecken des Würfel.
Die Knoten des Oktaedergraphen können mit 3 Farben so gefärbt werden, dass benachbarte Knoten immer unterschiedlich gefärbt sind. Dies bedeutet, dass die chromatische Zahl dieses Graphen gleich 3 ist. Außerdem können die Kanten mit 4 Farben so gefärbt werden, dass benachbarte Kanten immer unterschiedlich gefärbt sind. Mit 3 Farben ist das nicht möglich, sodass der chromatische Index für die Kantenfärbung gleich 4 ist (das nebenstehende Bild veranschaulicht diese Färbungen).
Um die entsprechende nötige Anzahl der Farben für die Flächen oder Gebiete zu bestimmen, ist der duale Graph (Würfelgraph) mit 8 Knoten, 12 Kanten und 6 Gebieten hilfreich. Die Knoten dieses Graphen werden dabei den Gebieten des Oktaedergraphen eineindeutig (bijektiv) zugeordnet und umgekehrt (siehe bijektive Funktion und Abbildung oben). Die Knoten des Würfelgraphen können mit 2 Farben so gefärbt werden, dass benachbarte Knoten immer unterschiedlich gefärbt sind, sodass die chromatische Zahl des Würfelgraphen gleich 2 ist. Daraus lässt sich indirekt schließen: Weil die chromatische Zahl gleich 2 ist, sind 2 Farben für eine solche Flächenfärbung des Oktaeders oder eine Färbung der Gebiete des Oktaedergraphen nötig.[9]
Die 5 aufgeschnittenen Kanten jedes Netzes (siehe oben) bilden zusammen mit den Ecken (Knoten) einen Spannbaum des Oktaedergraphen. Jedes Netz entspricht genau einem Spannbaum und umgekehrt, sodass hier eine eineindeutige (bijektive) Zuordnung zwischen Netzen und Spannbäumen besteht. Wenn man ein Oktaedernetz ohne das äußere Gebiet als Graphen betrachtet, erhält man als dualen Graphen jeweils einem Baum mit 8 Knoten und 7 Kanten und dem maximalen Knotengrad 3. Jede Fläche des Oktaeders wird dabei einem Knoten des Baums zugeordnet. Dabei kommt nicht jede graphentheoretische Konstellation (siehe Isomorphie von Graphen) solcher Bäume vor, aber einige mehrfach.
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