File:Academ Platonic dodecahedron on golden tiling Top view.svg

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Summary

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English: Up to similarity, ie considering all objects similar to a given object as one only object, there are five regular polyhedra which are convex.  They are called the five Platonic solids.  The face centers of such a regular polyhedron are the vertices of a second Platonic solid.  And then, the face centers again of the second solid are the vertices of a third polyhedron, similar to the initial one.  Thus, each of the first two solids is called the dual of the other, with the same number of edges.  One of them has as many faces as the other has vertices.  One of the five Platonic solids is itself its dual:  the regular tetrahedron, with six edges, four faces, four vertices.

On this page, a Platonic dodecahedron is seen from above:  a convex regular polyhedron with thirty edges, twelve faces and twenty vertices.  The thirty straight lines that extend all its edges intersect outside the dodecahedron at twelve points, which are the twelve vertices of a Platonic icosahedron:  a concentric specimen of the dual of the dodecahedron.  Each of the twelve points, like  T,  is the intersection of six lines:  five of the thirty lines and the axis of two opposite faces of the dodecahedron.  For example, point N  is a vertex of the dodecahedron, and the line passing through  N  and  T  contains a slanted edge, depicted by a dotted segment.

Each Platonic solid is symmetric with respect to point Ω,  its center shared with its dual.  Each solid is also transformed into itself under certain rotations, around one of its sixteen axis.  Each axis passes through center  Ω,  two opposite vertices of one solid, and the centers of two opposite faces of the other solid:  its dual.  For example, the slanted line that passes through  T  and  Q  is an axis of two opposite faces of the dodecahedron, like the vertical passing through  Ω.  An elevation view also surrounds with a half-disk in orange each of points  KLM  and  Q,  to inform of the coplanarity of these points in a horizontal plane.

This top view is a projection of the three-dimensional figure.  Under an orthogonal projection onto a horizontal plane, the vertical axis of the polyhedra is represented as any of its points, for example Ω  has the same image as two of the twelve vertices of the icosahedron.  Considering these twelve vertices and the thirty lines that contain the edges of the dodecahedron, each line passes through two vertices, for example  L  and  H,  or  H  and  Q,  or  Q  and the higher vertex, lying on the vertical axis.

The stellated pentagon with vertices depicted by black crosses is built by extending the five upper edges of the dodecahedron.  In other words, this regular star is a stellation of the upper face of the dodecahedron.  The thirty edges of the icosahedron are also the edges of a great dodecahedron:  a stellation of the Platonic dodecahedron as shown in another image, where the accent is on other properties of the figure.  For example, here we cannot see that the axis of two opposite faces of the icosahedron passes through  Ω  and two opposite vertices of its dual, like the axis of triangle  HMT  passing through  Ω  and  P.  Here, all the faces of the icosahedron are distorted, although certain lengths are preserved, for example between  H  and  T  the edge length, or the distance between two opposite edges like between  M  and  Q,  because the two points are the endpoints of a horizontal segment.

The dodecahedron is placed on a horizontal jigsaw puzzle.  Sixty puzzle pieces are visible.  The two last paragraphs below deal with the two kinds of puzzle pieces, and the idea of "gnomon".

Another image exhibits an analogous tiling, that partly covers a face of a Platonic dodecahedron.  This other tessellation shows two sides of two hexagonal sections of the solid:  two equal segments which here represent two extensions of edges of the dodecahedron.  The image of the ten extensions is a regular decagonal star, more visible in an image where the dodecahedron is removed, so it no longer hides thirty puzzle pieces in the decagonal center.

Here the top view is an image of the figure through a vertical orthogonal projection.  One only point may be the image of several objects through this projection, for example these five objects: the center of the pentagonal puzzle, two of the twelve points, the midpoint of the segment joining them, which is the center of the two solids denoted by  Ω,  and the common vertical axis of the Platonic solids.  The image of  Ω  is also the center of two convex regular decagons, the sides of which form the outlines of the two solids.

Here the edges of the icosahedron are not visible, except the horizontal edge that joins  K and  L,  and the ten slanted edges depicted on its outline.  The boundary of the puzzle contains five sides of this outline, four of them are thick blue lines.  By dividing up the fifth side into two segments in red and green, the image exhibits the unit length:  the larger side length of a puzzle piece is chosen as unit length.

Given a vertex of the icosahedron depicted on its outline, either it lies on the horizontal plane containing the puzzle and the bottom face of the dodecahedron, in this case the vertex is depicted like  L  or  M as the center of a small half-disk in orange, or else the vertex like  H  or  T  lies on the opposite plane, depicted by a black cross.  Such a point which lies on five extensions of edges is also denoted by  T  in two views of another image, where point  T  lies on the bottom plane, while here it lies on the upper plane.  The puzzle plane contains five horizontal edges of the icosahedron, like the one joining  L  and  M.  The puzzle plane divides up the icosahedron into two parts.  The part below the puzzle is a regular pentagonal pyramid, which shares its vertical axis with the Platonic solids.

We see a sketch of three unfolded faces of the dodecahedron, of which vertex    is in the bottom left image.  Within another image with the same partial net of the dodecahedron, the accent is on two geometric sequences of five lengths and five areas, with common ratio φ: the golden ratio.

Behind the puzzle pieces, there is the idea of "gnomon":  a good way to remember a few geometric shapes and some formulas about the golden ratio.  The concept of gnomon is not mathematic:  in order to get a similar figure by adding another figure to a given one, the most interesting figure to add is chosen, called the gnomon of the initial figure.  The two shapes of puzzle pieces are called "golden triangles", each shape is the gnomon of the other shape.

All the puzzle pieces are isosceles triangles of two different kinds.  Two pieces of the same kind are "isometric".  In other words, given two triangles of a given kind, we can superpose them in such a way they coincide exactly.  Denoting by "type 1" the shape of an acute puzzle piece of which the equal sides are its larger sides, by "type 2" the other triangular shape, one piece of type 1 and two pieces of type 2 together form the small pentagon with green sides, shown in the upper right image.  This small pentagon is regular and convex.  Calling "golden triangle" any triangle which is similar to a puzzle piece, two equal angles of a golden triangle measure either 36 degrees or 72 degrees.  Given a golden triangle of a given type, its gnomon is a golden triangle of the other type.  In a golden triangle, the golden ratio is the ratio of the larger side length to the smaller one:
φ = 2 cos 36° =
 
Français : Aux similitudes près, c’est-à-dire en considérant tous les objets semblables à un objet donné comme un seul objet, il y a cinq polyèdres réguliers convexes.  On les appelle les cinq solides de Platon.  Les centres des faces d’un tel polyèdre régulier sont les sommets d’un deuxième solide de Platon.  Et puis, les centres des faces du deuxième solide sont encore les sommets d’un troisième polyèdre, semblable au polyèdre initial.  Ainsi, l’un des deux premiers solides est appelé le dual de l’autre.  Ils ont le même nombre d’arêtes.  L’un d’eux a autant de faces que l’autre a de sommets.  Le tétraèdre régulier est son propre dual, avec six arêtes, quatre faces, quatre sommets.

En haut de cette page, un dodécaèdre de Platon est vu de dessus :  un polyèdre régulier convexe de trente arêtes, douze faces et vingt sommets.  Les trente droites qui prolongent toutes ses arêtes se coupent hors du dodécaèdre en douze points, qui sont les douze sommets d’un icosaèdre de Platon :  un spécimen concentrique du dual du dodécaèdre.  Chacun des douze points, tel que  T,  est le point de concours de six droites :  cinq des trente droites et l’axe de deux faces opposées du dodécaèdre.  Par exemple, le point N  est un sommet du dodécaèdre, et la droite passant par  N  et  T  contient une arête oblique, représentée par un segment pointillé.

Chaque solide de Platon est symétrique par rapport au point  Ω :  son centre, qu’il partage avec son dual.  Chaque solide est aussi transformé en lui-même par certaines rotations, autour de l’un de ses seize axes.  Chaque axe passe par le centre  Ω,  deux sommets opposés d’un solide, et les centres de deux faces opposées de l’autre solide:  son dual.  Par exemple, la droite oblique qui passe par  T  et  Q  est l’axe de deux faces opposées du dodécaèdre, comme la verticale passant par  Ω.  Une vue en élévation entoure également par un demi-disque orange chacun des points  KLM  et  Q,  pour informer du fait que ces points sont coplanaires dans un plan horizontal.

Cette vue de dessus est une projection de la figure en trois dimensions.  Par une projection orthogonale sur un plan horizontal, l’axe vertical des polyèdres est représenté comme n’importe quel de ses points, par exemple Ω  a la même image que deux des douze sommets de l’icosaèdre.  En considérant ces douze sommets et les trente droites qui contiennent les arêtes du dodécaèdre, chaque droite passe par deux sommets, par exemple  L  et  H,  ou  H  et  Q,  ou  Q  et le sommet supérieur, situé sur l’axe vertical.

Le pentagone étoilé aux sommets représentés par des croix noires est construit en prolongeant les cinq arêtes supérieures du dodécaèdre.  Autrement dit, cette étoile régulière est obtenue en étoilant la face supérieure du dodécaèdre.  Les trente arêtes de l’icosaèdre sont aussi les arêtes d’un grand dodécaèdre :  un étoilement du dodécaèdre de Platon exhibé dans une autre image, qui met l’accent sur d’autres propriétés de la figure.  Par exemple, ici nous ne pouvons pas voir que l’axe de deux faces opposées de l’icosaèdre passe par  Ω  et deux sommets opposés de son dual, comme l’axe du triangle  HMT  passant par  Ω  et  P.  Ici, toutes les faces de l’icosaèdre sont déformées, même si certaines longueurs sont conservées, par exemple entre  H  et  T  la longueur d’une arête, ou la distance entre deux arêtes opposées comme entre  M  et  Q,  parce que les deux points sont les extrémités d’un segment horizontal.

Le dodécaèdre est placé sur un puzzle horizontal.  Soixante pièces du puzzle sont visibles.  Les deux derniers paragraphes ci-dessous traitent des deux sortes de pièces de puzzle, et de l’idée de “gnomon”.

Une autre image présente un pavage analogue, qui couvre en partie une face d’un dodécaèdre de Platon.  Cet autre pavage montre deux côtés de deux sections hexagonales du solide :  deux segments égaux qui représentent ici deux prolongements d’arêtes du dodécaèdre.  L’image des dix prolongements est une étoile régulière décagonale, mieux visible dans une image où le dodécaèdre est supprimé, de sorte qu’il ne cache plus trente pièces du puzzle dans le centre décagonal.

Ici la vue de dessus est l’image de la figure par une projection orthogonale verticale.  Un seul point peut être l’image de plusieurs objets par cette projection, par exemple ces cinq objets :  le centre du puzzle pentagonal, deux des douze points, le milieu du segment qui les joint, qui est le centre des deux solides désigné par  Ω,  et l’axe vertical commun aux deux solides de Platon.  L’image de  Ω  est aussi le centre de deux décagones réguliers convexes, dont les côtés forment les contours des deux solides.

Ici les arêtes de l’icosaèdre ne sont pas visibles, sauf l’arête horizontale qui joint  K  et  L,  et les dix arêtes inclinées représentées sur son contour.  La frontière du puzzle contient cinq côtés de ce contour, quatre d’entre eux sont cinq traits bleus épais.  En divisant le cinquième côté en deux segments rouge et vert, l’image montre la longueur unité :  la longueur d’un plus grand côté d’une pièce du puzzle est choisie comme unité de longueur.

Étant donné un sommet de l’icosaèdre représenté sur son contour, soit il appartient au plan horizontal contenant le puzzle et la face inférieure du dodécaèdre, dans ce cas le sommet est représenté tel que  L  ou  M  au centre d’un demi-disque orange, ou sinon le sommet tel que  H  ou  T  appartient au plan opposé, représenté par une croix noire.  Un tel point situé sur cinq prolongements d’arêtes est aussi désigné par  T  dans deux vues d’une autre image, où le point  T  appartient au plan inférieur, alors qu’ici il appartient au plan supérieur.  Le plan du puzzle contient cinq arêtes horizontales de l’icosaèdre, telle que celle joignant  L  et  M.  Le plan du puzzle partage l’icosaèdre en deux parties.  La partie en dessous du puzzle est une pyramide pentagonale régulière, qui partage son axe vertical avec les solides de Platon.

Nous voyons une esquisse de trois faces dépliées du dodécaèdre, dont le sommet  L   est dans le coin inférieur gauche de l’image.  Dans une autre image du même patron partiel du dodécaèdre, l’accent est mis sur deux suites géométriques de cinq longueurs et cinq aires, de raison φ :  le nombre d’or.
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