Правильный многоугольник - Regular polygon

Множество выпуклых правильных n-угольников

Правильный многоугольник 3 annotated.svgПравильный многоугольник 4 annotated.svgПравильный многоугольник 5 annotated.svgПравильный многоугольник 6 annotated.svg
Правильный многоугольник 7 annotated.svgПравильный многоугольник 8 annotated.svgПравильный многоугольник 9 annotated.svgПравильный многоугольник 10 annotated.svg
Правильный многоугольник 11 annotated.svgПравильный многоугольник 12 annotated.svgПравильный многоугольник 13 annotated.svgПравильный многоугольник 14 annotated.svg
Правильный многоугольник 15 annotated.svgПравильный многоугольник 16 annotated.svgПравильный многоугольник 17 annotated.svgПравильный многоугольник 18 annotated.svg
Правильный многоугольник 19 annotated.svgПравильный многоугольник 20 annotated.svg
Правильные многоугольники

Края и вершинып
Символ Шлефли{п}
Диаграмма Кокстера – ДынкинаCDel node 1.pngCDel n.pngCDel node.png
Группа симметрииDп, порядок 2n
Двойной многоугольникСамодвойственный
Площадь
(с длиной стороны, s)
Внутренний угол
Сумма внутренних углов
Диаметр вписанной окружности
Диаметр описанной окружности
ХарактеристикиВыпуклый, циклический, равносторонний, изогональный, изотоксальный

В Евклидова геометрия, а правильный многоугольник это многоугольник то есть равносторонний (все углы равны по мере) и равносторонний (все стороны одинаковой длины). Правильные многоугольники могут быть либо выпуклый или же звезда. в предел, последовательность правильных многоугольников с увеличивающимся числом сторон приближает круг, если периметр или же площадь фиксированный, или обычный апейрогон (фактически прямая линия ), если длина ребра фиксированная.

Общие свойства

Правильные выпуклые и звездчатые многоугольники с 3–12 вершинами, помеченные символами Шлефли.

Эти свойства применяются ко всем правильным многоугольникам, выпуклым или выпуклым. звезда.

Обычный п-сторонний многоугольник имеет вращательная симметрия порядка п.

Все вершины правильного многоугольника лежат на общей окружности (точка описанный круг ); т.е. они конциклические точки. То есть правильный многоугольник - это циклический многоугольник.

Вместе со свойством сторон равной длины это означает, что каждый правильный многоугольник также имеет вписанную окружность или окружать это касается каждой стороны в средней точке. Таким образом, правильный многоугольник - это касательный многоугольник.

Обычный п-сторонний многоугольник может быть построен с компас и линейка если и только если странный основной факторы п отличны Простые числа Ферма. Видеть конструктивный многоугольник.

Симметрия

В группа симметрии из п-сторонний правильный многоугольник группа диэдра Dп (порядка 2п): D2, D3, D4, ... Он состоит из вращений в Cп, вместе с симметрия отражения в п оси, проходящие через центр. Если п даже тогда половина этих осей проходит через две противоположные вершины, а другая половина - через середины противоположных сторон. Если п нечетно, то все оси проходят через вершину и середину противоположной стороны.

Правильные выпуклые многоугольники

Все обычные простые многоугольники (простой многоугольник - это такой, который нигде не пересекает себя) выпуклые. Те, у кого одинаковое количество сторон, также похожий.

An п-сторонний выпуклый правильный многоугольник обозначается его Символ Шлефли {п}. За п <3, имеем два выродиться случаи:

Моногон {1}
Вырождаться в обычное пространство. (Большинство авторитетов не рассматривают моногон как истинный многоугольник, отчасти из-за этого, а также из-за того, что приведенные ниже формулы не работают, а его структура не соответствует ни одной абстрактный многоугольник.)
Дигон {2}; "двойной отрезок"
Вырождаться в обычное пространство. (Из-за этого некоторые авторитеты не считают двуугольник настоящим многоугольником.)

В определенных контекстах все рассматриваемые полигоны будут правильными. В таких условиях приставка обычная принято опускать. Например, все лица равномерные многогранники должны быть правильными, а грани будут описаны просто как треугольник, квадрат, пятиугольник и т. д.

Углы

Для правильной выпуклой п-угольник, каждый внутренний угол имеет размер:

градусы;
радианы; или же
полный повороты,

и каждый внешний угол (т.е. дополнительный к внутреннему углу) имеет меру градусов, при этом сумма внешних углов равна 360 градусам или 2π радианам или одному полному обороту.

Поскольку количество сторон n приближается к бесконечности, внутренний угол приближается к 180 градусам. Для правильного многоугольника с 10000 сторон (a мириагон ) внутренний угол составляет 179,964 °. По мере увеличения количества сторон внутренний угол может приближаться к 180 °, а форма многоугольника приближается к форме круга. Однако многоугольник никогда не может стать кругом. Значение внутреннего угла никогда не может стать точно равным 180 °, поскольку окружность фактически превратилась бы в прямую линию. По этой причине круг - это не многоугольник с бесконечным числом сторон.

Диагонали

За п > 2, количество диагонали является ; то есть 0, 2, 5, 9, ..., для треугольника, квадрата, пятиугольника, шестиугольника, .... Диагонали делят многоугольник на 1, 4, 11, 24, ... части. OEISA007678.

Для регулярного п-угольник, вписанный в окружность единичного радиуса, произведение расстояний от данной вершины до всех других вершин (включая соседние вершины и вершины, соединенные диагональю) равно п.

Очки в плоскости

Для обычного простого п-гон с по окружности р и расстояния dя из произвольной точки на плоскости к вершинам имеем[1]

Для больших расстояний из произвольной точки на плоскости в вершины правильного -угольник, если

,

тогда[2]

,

и

,

куда положительное целое число меньше, чем .

Если - расстояние от произвольной точки на плоскости до центра тяжести правильного -угольник с радиусом описанной окружности , тогда [2]

,

куда = 1,2,…, -1.

Внутренние точки

Для регулярного п-угольник, сумма перпендикулярных расстояний от любой внутренней точки до п стороны п раз апофема[3]:п. 72 (апофема - это расстояние от центра до любой стороны). Это обобщение Теорема Вивиани для п= 3 случая.[4][5]

Circumradius

Графики сторона, s ; апофема, а и площадь, А из правильные многоугольники из п стороны и по окружности 1, с основание, б из прямоугольник с такой же площадью - зеленая линия показывает корпус п = 6

В по окружности р от центра правильного многоугольника до одной из вершин зависит от длины стороны s или в апофема а к

За конструктивные многоугольники, алгебраические выражения ибо эти отношения существуют; видеть Бицентрический многоугольник # Правильные многоугольники.

Сумма перпендикуляров от правильного п-угольника к любой прямой, касающейся описанной окружности, равно п умноженное на радиус описанной окружности.[3]:п. 73

Сумма квадратов расстояний от вершин правильного п-угольник в любую точку его описанной окружности равно 2nR2 куда р это радиус описанной окружности.[3]:стр.73

Сумма квадратов расстояний от середин сторон правильного п-угольник в любую точку описанной окружности равен 2nR2нс2/4, куда s это длина стороны и р это радиус описанной окружности.[3]:п. 73

Если - расстояния от вершин правильного -угольник в любую точку описанной окружности, тогда [2]

.

Расслоения

Coxeter заявляет, что каждый зоногон (а 2м-угольник, противоположные стороны которого параллельны и равной длины) можно разрезать на или же м(м-1) / 2 параллелограмма. Эти мозаики содержатся в виде подмножеств вершин, ребер и граней в ортогональных проекциях. м-кубы.[6]В частности, это верно для правильных многоугольников с равным числом сторон, и в этом случае все параллелограммы являются ромбическими. OEISA006245 дает количество решений для меньших полигонов.

Пример сечения для выбранных правильных четных многоугольников
2м6810121416182024304050
ИзображениеРомбическое рассечение 6-угольника.svgРомбическое рассечение 8-угольника.svgСолнце decagon.svgРомбическое рассечение 12-угольника.svg14-гон-диссекция-star.svgРомбическое рассечение 16-угольников.svg18-угольников-диссекция-star.svgРомбическое рассечение 20-угольников.svgРомбическое рассечение 24-угольника.svg30-гон-рассечение-star.svgРомбическое рассечение 40-угольников.svg50-гон-диссекция-star.svg
Ромбы3610152128364566105190300

Площадь

Площадь А выпуклой регулярной п-сторонний многоугольник, имеющий сторона s, по окружности р, апофема а, и периметр п дан кем-то[7][8]

Для правильных многоугольников со стороной s = 1, радиус описанной окружности р = 1, или апофема а = 1, получается следующая таблица:[9] (Обратите внимание, что поскольку в качестве ,[10] область, когда стремится к в качестве становится большим.)

Число
сторон
Площадь, когда сбоку s = 1Площадь окружности радиуса р = 1Площадь при апофеме а = 1
ТочныйПриближениеТочныйПриближениеВ качестве (приблизительного)
доля
описанный круг площадь
ТочныйПриближениеВ качестве (приблизительного)
несколько из
 окружать площадь
п
30.4330127021.2990381050.41349667145.1961524241.653986686
411.00000000022.0000000000.636619772244.0000000001.273239544
51.7204774012.3776412910.75682672883.6327126401.156328347
62.5980762112.5980762110.82699334283.4641016161.102657791
73.6339124442.7364101890.87102641573.3710223331.073029735
84.8284271252.8284271250.90031631603.3137085001.054786175
96.1818241942.8925442440.92072542903.2757321091.042697914
107.6942088432.9389262620.93548928403.2491969631.034251515
119.3656399072.9735244960.94650224403.2298914231.028106371
1211.1961524233.0000000000.95492965863.2153903091.023490523
1313.185768333.0207006170.96151886943.2042122201.019932427
1415.334501943.0371861750.96676638593.1954086421.017130161
15[11]17.64236291[12]3.0505248220.9710122088[13]3.1883484261.014882824
16[14]20.109357973.0614674600.9744953584[15]3.1825978781.013052368
1722.735491903.0705541630.97738774563.1778507521.011541311
1825.520768193.0781812900.97981553613.1738856531.010279181
1928.465189433.0846449580.98187298543.1705392381.009213984
20[16]31.56875757[17]3.0901699440.9836316430[18]3.1676888061.008306663
100795.51289883.1395259770.99934215653.1426266051.000329117
100079577.209753.1415719830.99999342003.1416029891.000003290
10,0007957746.8933.1415924480.99999993453.1415927571.000000033
1,000,000795774715453.1415926541.0000000003.1415926541.000000000
Сравнение размеров правильных многоугольников с одинаковой длиной ребра, от три к шестьдесят стороны. Размер неограниченно увеличивается по мере приближения числа сторон к бесконечности.

Из всех п-угольники с заданным периметром, тот, у которого наибольшая площадь, правильный.[19]

Конструируемый многоугольник

Некоторые правильные многоугольники легко строить с циркулем и линейкой; другие правильные многоугольники вообще невозможно построить. древнегреческие математики умел построить правильный многоугольник с 3, 4 или 5 сторонами,[20]:п. xi и они знали, как построить правильный многоугольник с удвоенным числом сторон данного правильного многоугольника.[20]:стр. 49–50 В связи с этим возник вопрос: можно ли построить все обычный п-угольники с циркулем и линейкой? Если нет, то какой п-угольники можно построить, а какие нет?

Карл Фридрих Гаусс доказал конструктивность регулярного 17-угольник в 1796 году. Пятью годами позже он разработал теорию Гауссовские периоды в его Disquisitiones Arithmeticae. Эта теория позволила ему сформулировать достаточное условие для конструктивности правильных многоугольников:

Обычный п-угольник можно построить с помощью циркуля и линейки, если п является произведением степени двойки и любого количества различных Простые числа Ферма (в том числе ни одного).

(Простое число Ферма - это простое число формы ) Гаусс без доказательства заявил, что это условие также необходимо, но никогда не публиковал свое доказательство. Полное доказательство необходимости было предоставлено Пьер Ванцель в 1837 году. Результат известен как Теорема Гаусса – Вантцеля..

Эквивалентно обычный п-gon можно построить тогда и только тогда, когда косинус ее общего угла - это конструктивное число - то есть может быть записано в терминах четырех основных арифметических операций и извлечения квадратных корней.

Правильные косые многоугольники

Куб петри многоугольник sideview.png
В куб содержит перекос регулярный шестиугольник, видно как 6 красных краев, зигзагообразных между двумя плоскостями, перпендикулярными диагональной оси куба.
Antiprism17.jpg
Зигзагообразные боковые края п-антипризма представляют собой правильный перекос 2п-угольник, как показано на этой 17-угольной антипризме.

А обычный наклонный многоугольник в 3-м пространстве можно рассматривать как неплоские пути, зигзагообразные между двумя параллельными плоскостями, определяемые как боковые края однородной антипризма. Все края и внутренние углы равны.

Петри polygons.png
В Платоновы телатетраэдр, куб, октаэдр, додекаэдр, и икосаэдр ) имеют многоугольники Петри, показанные здесь красным, со сторонами 4, 6, 6, 10 и 10 соответственно.

В более общем смысле правильные косые многоугольники можно определить в п-Космос. Примеры включают Полигоны Петри, многоугольные пути ребер, разделяющих правильный многогранник на две половины и выглядит как правильный многоугольник в ортогональной проекции.

В бесконечном пределе правильные косые многоугольники стать перекосом апейрогоны.

Правильные звездчатые многоугольники

Правильные звездчатые многоугольники
2 <2q gcd (p, q) = 1
Правильный звездообразный многоугольник 5-2.svg
{5/2}
Правильный звездообразный многоугольник 7-2.svg
{7/2}
Правильный звездообразный многоугольник 7-3.svg
{7/3}...
Символ Шлефли{p / q}
Вершины и Краяп
Плотностьq
Диаграмма КокстераCDel node 1.pngCDel p.pngCDel rat.pngCDel dq.pngCDel node.png
Группа симметрииДвугранный (Dп)
Двойной многоугольникСамодвойственный
Внутренний угол
(градусы )
[21]

Невыпуклый правильный многоугольник - это правильный звездный многоугольник. Самый распространенный пример - это пентаграмма, имеющая те же вершины, что и пятиугольник, но соединяет чередующиеся вершины.

Для п-сторонний звездный многоугольник Символ Шлефли изменен, чтобы указать плотность или "звездность" м многоугольника, как {п/м}. Если м равно 2, например, каждая вторая точка присоединяется. Если м равно 3, то присоединяется каждая третья точка. Граница многоугольника огибает центр м раз.

(Невырожденные) правильные звезды с числом сторон до 12:

м и п должно быть совмещать, иначе фигура выродится.

Вырожденные правильные звезды с числом сторон до 12:

  • Тетрагон - {4/2}
  • Шестиугольники - {6/2}, {6/3}
  • Октагоны - {8/2}, {8/4}
  • Эннеагон - {9/3}
  • Декагоны - {10/2}, {10/4} и {10/5}
  • Додекагоны - {12/2}, {12/3}, {12/4} и {12/6}
Две интерпретации {6/2}
Грюнбаум
{6/2} или 2 {3}[22]
Coxeter
2{3} или {6} [2 {3}] {6}
Дважды намотанный шестиугольник.pngОбычная звездочка 2 (3,1) .svg
Шестигранник с двойной обмоткойГексаграмма как соединение
двух треугольников

В зависимости от точного происхождения символа Шлефли мнения разнятся относительно природы вырожденной фигуры. Например, {6/2} можно лечить одним из двух способов:

  • На протяжении большей части 20-го века (см., Например, Кокстер (1948) ), мы обычно использовали / 2 для обозначения соединения каждой вершины выпуклого {6} с ее ближайшими соседями на расстоянии двух шагов, чтобы получить регулярный сложный двух треугольников, или гексаграмма.
    Кокстер поясняет это обычное соединение с помощью обозначения {kp} [k {p}] {kp} для соединения {p / k}, поэтому гексаграмма представлен как {6} [2 {3}] {6}.[23] Более компактно Кокстер также пишет 2{n / 2}, нравится 2{3} для гексаграммы составной как чередования правильных четных многоугольников с курсивом по ведущему фактору, чтобы отличить его от совпадающей интерпретации.[24]
  • Многие современные геометры, такие как Грюнбаум (2003),[22] считаю это неправильным. Они используют / 2 для обозначения перемещения на два места вокруг {6} на каждом шаге, получая треугольник "с двойной обмоткой", у которого две вершины наложены друг на друга в каждой угловой точке и два ребра вдоль каждого сегмента линии. Это не только лучше согласуется с современными теориями абстрактные многогранники, но он также более точно копирует способ, которым Пуансо (1809) создал свои звездные многоугольники - взяв один отрезок проволоки и согнув его в последовательных точках под тем же углом, пока фигура не сомкнется.

Двойственность правильных многоугольников

Все правильные многоугольники самодвойственны для конгруэнтности, а для нечетных п они самодвойственны идентичности.

Кроме того, правильные звездные фигуры (соединения), состоящие из правильных многоугольников, также самодуальны.

Правильные многоугольники как грани многогранников

А равномерный многогранник имеет правильные многоугольники как грани, так что для каждых двух вершин существует изометрия отображение одного в другой (точно так же, как для правильного многоугольника).

А квазирегулярный многогранник представляет собой равномерный многогранник, у каждой вершины которого чередуются грани двух типов.

А правильный многогранник представляет собой равномерный многогранник с одной гранью.

Остальные (неоднородные) выпуклые многогранники с правильными лицами известны как Твердые тела Джонсона.

Многогранник с правильными треугольниками гранями называется многогранником. дельтаэдр.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Парк, Пу-Сун. "Расстояния регулярных многогранников", Форум Geometricorum 16, 2016, 227-232. http://forumgeom.fau.edu/FG2016volume16/FG201627.pdf
  2. ^ а б c Месхишвили, Мамука (2020). «Средние циклические правильные многоугольники и платоновы тела». Коммуникации в математике и приложениях. 11: 335–355.
  3. ^ а б c d Джонсон, Роджер А., Продвинутая евклидова геометрия, Dover Publ., 2007 (ориг. 1929 г.).
  4. ^ Пиковер, Клиффорд А, Книга по математике, Стерлинг, 2009: с. 150
  5. ^ Чен, Чжибо, и Лян, Тянь. «Обратное к теореме Вивиани», Математический журнал колледжа 37 (5), 2006, стр. 390–391.
  6. ^ Coxeter, Математические развлечения и эссе, тринадцатое издание, с.141
  7. ^ «Открытый справочник по математике». Получено 4 февраля 2014.
  8. ^ "Математические слова".
  9. ^ Результаты для р = 1 и а = 1, полученное с помощью Клен, используя определение функции:
    ж := proc (п)опции оператор, стрелка;[ [конвертировать(1/4*п*детская кроватка(число Пи/п), радикальный), конвертировать(1/4*п*детская кроватка(число Пи/п), плавать)], [конвертировать(1/2*п*грех(2*число Пи/п), радикальный), конвертировать(1/2*п*грех(2*число Пи/п), плавать), конвертировать(1/2*п*грех(2*число Пи/п)/число Пи, плавать)], [конвертировать(п*загар(число Пи/п), радикальный), конвертировать(п*загар(число Пи/п), плавать), конвертировать(п*загар(число Пи/п)/число Пи, плавать)]]конец proc

    Выражения для п= 16 получаются двойным применением формула касательного полуугла загорать (π / 4)

  10. ^ Тригонометрические функции
  11. ^
  12. ^
  13. ^
  14. ^
  15. ^
  16. ^
  17. ^
  18. ^
  19. ^ Чакериан Г.Д. "Искаженное представление о геометрии". Гл. 7 дюйм Математические сливы (Р. Хонсбергер, редактор). Вашингтон, округ Колумбия: Математическая ассоциация Америки, 1979: 147.
  20. ^ а б Смелый, Бенджамин. Известные задачи геометрии и способы их решения, Dover Publications, 1982 (начало 1969 г.).
  21. ^ Каппрафф, Джей (2002). За гранью: экскурсия по природе, мифам и числам. World Scientific. п. 258. ISBN  978-981-02-4702-7.
  22. ^ а б Ваши многогранники такие же, как мои многогранники? Бранко Грюнбаум (2003), рис.
  23. ^ Правильные многогранники, стр.95
  24. ^ Кокстер, Плотности правильных многогранников, II, 1932, стр.53.

Рекомендации

  • Кокстер, H.S.M. (1948). «Правильные многогранники». Метуэн и Ко. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)CS1 maint: ref = harv (связь)
  • Grünbaum, B .; Ваши многогранники такие же, как мои многогранники ?, Дискретный и вычислительный. geom: фестиваль Гудмана-Поллака, Ред. Аронов и др., Springer (2003), стр. 461–488.
  • Пуансо, Л.; Memoire sur les polygones et polyèdres. J. de l'École Polytechnique 9 (1810), стр. 16–48.

внешняя ссылка

Фундаментальный выпуклый обычный и однородные многогранники в размерах 2–10
СемьяАпBпя2(п) / DпE6 / E7 / E8 / F4 / грамм2ЧАСп
Правильный многоугольникТреугольникКвадратп-угольникШестиугольникПентагон
Равномерный многогранникТетраэдрОктаэдрКубДемикубДодекаэдрИкосаэдр
Равномерный 4-многогранник5-элементный16 ячеекТессерактDemitesseract24-элементный120 ячеек600 ячеек
Равномерный 5-многогранник5-симплекс5-ортоплекс5-куб5-полукуб
Равномерный 6-многогранник6-симплекс6-ортоплекс6-куб6-полукуб122221
Равномерный 7-многогранник7-симплекс7-ортоплекс7-куб7-полукруглый132231321
Равномерный 8-многогранник8-симплекс8-ортоплекс8-куб8-полукруглый142241421
Равномерный 9-многогранник9-симплекс9-ортоплекс9-куб9-полукруглый
Равномерный 10-многогранник10-симплекс10-ортоплекс10-куб10-полукуб
Униформа п-многогранникп-симплексп-ортоплексп-кубп-полукуб1k22k1k21п-пятиугольный многогранник
Темы: Семейства многогранниковПравильный многогранникСписок правильных многогранников и соединений