Pravidelný mnohoúhelník - Regular polygon
Sada konvexních pravidelných n-gonů | |
---|---|
| |
Hrany a vrcholy | n |
Schläfliho symbol | {n} |
Coxeter – Dynkinův diagram | ![]() ![]() ![]() |
Skupina symetrie | Dn, objednávka 2n |
Duální mnohoúhelník | Self-dual |
Plocha (s délkou strany, s) | |
Vnitřní úhel | |
Součet vnitřního úhlu | |
Průměr vepsaného kruhu | |
Popsaný průměr kruhu | |
Vlastnosti | Konvexní, cyklický, rovnostranný, isogonal, isotoxální |
v Euklidovská geometrie, a pravidelný mnohoúhelník je polygon to je rovnoramenný (všechny úhly jsou v míře stejné) a rovnostranný (všechny strany mají stejnou délku). Pravidelné polygony mohou být buď konvexní nebo hvězda. V omezit posloupnost pravidelných polygonů s rostoucím počtem stran se blíží a kruh, pokud obvod nebo plocha je pevná nebo běžná apeirogon (účinně a přímka ), pokud je délka hrany pevná.
Obecné vlastnosti

Tyto vlastnosti platí pro všechny pravidelné polygony, ať už konvexní nebo hvězda.
Pravidelný n-stranný polygon má rotační symetrie řádu n.
Všechny vrcholy pravidelného mnohoúhelníku leží na společné kružnici ( opsaná kružnice ); tj. jsou koncyklické body. To znamená, že pravidelný mnohoúhelník je a cyklický mnohoúhelník.
Spolu s vlastností stran stejné délky to znamená, že každý pravidelný mnohoúhelník má také vepsaný kruh nebo incircle to je tečna ke každé straně ve středu. Pravidelný mnohoúhelník je tedy a tangenciální mnohoúhelník.
Pravidelný n-stranný mnohoúhelník lze zkonstruovat pomocí kompas a pravítko jen a jen pokud zvláštní primární faktory n jsou odlišné Fermat připraví. Vidět konstruovatelný mnohoúhelník.
Symetrie
The skupina symetrie z n-stranný pravidelný mnohoúhelník je dihedrální skupina Dn (objednávky 2n): D2, D3, D4, ... Skládá se z rotací v Cn, dohromady s reflexní symetrie v n osy, které procházejí středem. Li n i tehdy polovina těchto os prochází dvěma protilehlými vrcholy a druhá polovina středem protilehlých stran. Li n je liché, pak všechny osy procházejí vrcholem a středem opačné strany.
Pravidelné konvexní mnohoúhelníky
Všechny pravidelné jednoduché polygony (jednoduchý mnohoúhelník je ten, který se nikde neprotíná) jsou konvexní. Ti, kteří mají stejný počet stran, jsou také podobný.
An n-stranný konvexní pravidelný mnohoúhelník je označen jeho Schläfliho symbol {n}. Pro n <3, máme dva degenerovat případy:
- Monogon {1}
- Degenerovat v obyčejný prostor. (Většina úřadů nepovažuje monogon za skutečný polygon, částečně proto, a také proto, že níže uvedené vzorce nefungují a jeho struktura není strukturou žádného abstraktní mnohoúhelník.)
- Digone {2}; „dvojitý úsečka“
- Degenerovat v obyčejný prostor. (Některé úřady proto digon nepovažují za skutečný polygon.)
V určitých kontextech budou všechny uvažované polygony pravidelné. Za takových okolností je obvyklé předponu upustit. Například všechny tváře uživatele jednotná mnohostěna musí být pravidelné a tváře budou popsány jednoduše jako trojúhelník, čtverec, pětiúhelník atd.
Úhly
Pro pravidelné konvexní n-gon, každý vnitřní úhel má míru:
- stupňů;
- radiány; nebo
- úplný zatáčky,
a každý vnější úhel (tj., doplňkový do vnitřního úhlu) má míru stupňů, přičemž součet vnějších úhlů se rovná 360 stupňům nebo 2π radiánům nebo jedné úplné zatáčce.
Jak se počet stran, n blíží nekonečnu, vnitřní úhel se blíží 180 stupňům. Pro běžný mnohoúhelník s 10 000 stranami (a myriagon ) vnitřní úhel je 179,964 °. Jak se počet stran zvyšuje, vnitřní úhel se může přiblížit velmi blízko k 180 ° a tvar mnohoúhelníku se blíží tvaru kruhu. Z mnohoúhelníku se však nikdy nemůže stát kruh. Hodnota vnitřního úhlu se nikdy nemůže rovnat přesně 180 °, protože z obvodu by se ve skutečnosti stala přímka. Z tohoto důvodu kruh není mnohoúhelník s nekonečným počtem stran.
Úhlopříčky
Pro n > 2, počet úhlopříčky je ; tj. 0, 2, 5, 9, ..., pro trojúhelník, čtverec, pětiúhelník, šestiúhelník, .... Úhlopříčky rozdělují mnohoúhelník na 1, 4, 11, 24, ... kousky OEIS: A007678.
Pravidelně n-gon vepsaný do kruhu o poloměru jednotky, součin vzdáleností od daného vrcholu ke všem ostatním vrcholům (včetně sousedních vrcholů a vrcholů spojených úhlopříčkou) se rovná n.
Body v rovině
Pro běžné jednoduché n-gon s circumradius R a vzdálenosti di od libovolného bodu v rovině po vrcholy, máme[1]
Pro vyšší síly vzdáleností z libovolného bodu v rovině k vrcholům pravidelného -gon, pokud
- ,
pak[2]
- ,
a
- ,
kde je kladné celé číslo menší než .
Li je vzdálenost od libovolného bodu v rovině k těžišti pravidelného objektu -gon s circumradius , pak [2]
- ,
kde = 1,2,…, -1.
Vnitřní body
Pravidelně n-gon, součet kolmých vzdáleností od jakéhokoli vnitřního bodu k n strany je n krát apothem[3]:str. 72 (apothem je vzdálenost od středu k jakékoli straně). Toto je zobecnění Vivianiho věta pro n= 3 případy.[4][5]
Circumradius


The circumradius R od středu pravidelného mnohoúhelníku k jednomu z vrcholů souvisí s délkou strany s nebo do apothem A podle
Pro konstruovatelné polygony, algebraické výrazy protože tyto vztahy existují; vidět Bicentrický mnohoúhelník # Pravidelné mnohoúhelníky.
Součet kolmic z pravidelné n-gonovy vrcholy k libovolné přímce tečné k polokruhu se rovnají n krát circumradius.[3]:str. 73
Součet čtverců vzdáleností od vrcholů pravidelného n-gon do libovolného bodu na jeho kruhovém kruhu se rovná 2nR2 kde R je cirkadius.[3]:str. 73
Součet čtverců vzdáleností od středů po stranách pravidelného n-gon do kteréhokoli bodu v kruhovém kruhu je 2nR2 − ns2/4, kde s je délka strany a R je cirkadius.[3]:str. 73
Li jsou vzdálenosti od vrcholů pravidelného objektu - tedy do libovolného bodu jeho obvodu [2]
- .
Pitvy
Coxeter uvádí, že každý zonogon (a 2m-gon, jehož protilehlé strany jsou rovnoběžné a stejné délky), do kterých lze členit nebo m(m-1) / 2 rovnoběžníky. Tyto naklonění jsou obsaženy jako podmnožiny vrcholů, hran a ploch v ortogonálních projekcích m- kostky.[6]To platí zejména pro pravidelné mnohoúhelníky s rovnoměrně mnoha stranami, v takovém případě jsou rovnoběžníky všechny kosočtverce. OEIS: A006245 poskytuje počet řešení pro menší polygony.
2m | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 | 16 | 18 | 20 | 24 | 30 | 40 | 50 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
obraz | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() |
Kosočtverce | 3 | 6 | 10 | 15 | 21 | 28 | 36 | 45 | 66 | 105 | 190 | 300 |
Plocha
Oblast A konvexního pravidelného n-stranný polygon s boční s, circumradius R, apothem A, a obvod p darováno[7][8]
Pro běžné polygony s bočnicí s = 1, cirkadius R = 1, nebo apothem A = 1, vytvoří se následující tabulka:[9] (Všimněte si, že od té doby tak jako ,[10] oblast, když má tendenci tak jako roste velký.)
Číslo stran | Plocha na straně s = 1 | Plocha při poloměru R = 1 | Plocha, kdy apothem A = 1 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Přesný | Přiblížení | Přesný | Přiblížení | Jako (přibližný) zlomek obvod plocha | Přesný | Přiblížení | Jako (přibližný) násobek incircle plocha | |
n | ||||||||
3 | 0.433012702 | 1.299038105 | 0.4134966714 | 5.196152424 | 1.653986686 | |||
4 | 1 | 1.000000000 | 2 | 2.000000000 | 0.6366197722 | 4 | 4.000000000 | 1.273239544 |
5 | 1.720477401 | 2.377641291 | 0.7568267288 | 3.632712640 | 1.156328347 | |||
6 | 2.598076211 | 2.598076211 | 0.8269933428 | 3.464101616 | 1.102657791 | |||
7 | 3.633912444 | 2.736410189 | 0.8710264157 | 3.371022333 | 1.073029735 | |||
8 | 4.828427125 | 2.828427125 | 0.9003163160 | 3.313708500 | 1.054786175 | |||
9 | 6.181824194 | 2.892544244 | 0.9207254290 | 3.275732109 | 1.042697914 | |||
10 | 7.694208843 | 2.938926262 | 0.9354892840 | 3.249196963 | 1.034251515 | |||
11 | 9.365639907 | 2.973524496 | 0.9465022440 | 3.229891423 | 1.028106371 | |||
12 | 11.19615242 | 3 | 3.000000000 | 0.9549296586 | 3.215390309 | 1.023490523 | ||
13 | 13.18576833 | 3.020700617 | 0.9615188694 | 3.204212220 | 1.019932427 | |||
14 | 15.33450194 | 3.037186175 | 0.9667663859 | 3.195408642 | 1.017130161 | |||
15 | [11] | 17.64236291 | [12] | 3.050524822 | 0.9710122088 | [13] | 3.188348426 | 1.014882824 |
16 | [14] | 20.10935797 | 3.061467460 | 0.9744953584 | [15] | 3.182597878 | 1.013052368 | |
17 | 22.73549190 | 3.070554163 | 0.9773877456 | 3.177850752 | 1.011541311 | |||
18 | 25.52076819 | 3.078181290 | 0.9798155361 | 3.173885653 | 1.010279181 | |||
19 | 28.46518943 | 3.084644958 | 0.9818729854 | 3.170539238 | 1.009213984 | |||
20 | [16] | 31.56875757 | [17] | 3.090169944 | 0.9836316430 | [18] | 3.167688806 | 1.008306663 |
100 | 795.5128988 | 3.139525977 | 0.9993421565 | 3.142626605 | 1.000329117 | |||
1000 | 79577.20975 | 3.141571983 | 0.9999934200 | 3.141602989 | 1.000003290 | |||
10,000 | 7957746.893 | 3.141592448 | 0.9999999345 | 3.141592757 | 1.000000033 | |||
1,000,000 | 79577471545 | 3.141592654 | 1.000000000 | 3.141592654 | 1.000000000 |
Ze všech n-gony s daným obvodem, ten s největší oblastí je pravidelný.[19]
Konstruktivní polygon
Některé pravidelné polygony jsou snadné postavit s kompasem a pravítkem; jiné pravidelné polygony nejsou vůbec konstruovatelné starořečtí matematici věděl, jak sestrojit pravidelný mnohoúhelník se 3, 4 nebo 5 stranami,[20]:str. xi a věděli, jak sestrojit regulární polygon s dvojnásobným počtem stran daného regulárního polygonu.[20]:str. 49–50 To vedlo k položení otázky: je možné postavit Všechno pravidelný n-gony s kompasem a pravítkem? Pokud ne, tak n-gony jsou konstruovatelné a které ne?
Carl Friedrich Gauss prokázal konstruktivitu pravidelného 17-gon v roce 1796. O pět let později vyvinul teorii Gaussovské období v jeho Disquisitiones Arithmeticae. Tato teorie mu umožnila formulovat a dostatečný stav pro konstruovatelnost pravidelných polygonů:
- Pravidelný n-gon může být sestrojen pomocí kompasu a pravítka, pokud n je produktem síly 2 a libovolného počtu odlišných Fermat připraví (včetně žádného).
(Fermat prime je a prvočíslo formuláře ) Gauss uvedl bez důkazu, že tato podmínka také byla nutné, ale nikdy nezveřejnil svůj důkaz. Úplný důkaz nutnosti poskytl Pierre Wantzel v roce 1837. Výsledek je znám jako Gauss – Wantzelova věta.
Ekvivalentně pravidelný n-gon je konstruovatelný právě tehdy, když kosinus jeho společného úhlu je a konstruovatelné číslo —To je, lze napsat ve smyslu čtyř základních aritmetických operací a extrakce druhé odmocniny.
Pravidelné zkosené mnohoúhelníky
![]() The krychle obsahuje šikmý regulární šestiúhelník, viděn jako 6 červených okrajů klikatých mezi dvěma rovinami kolmými na diagonální osu krychle. | ![]() Klikaté boční hrany a n-antiprism představují pravidelné zkosení 2n-gon, jak je ukázáno v tomto 17-úhlovém antiprism. |
A pravidelný zkosit mnohoúhelník ve 3-prostoru lze vidět jako neplanární cesty cik-cak mezi dvěma rovnoběžnými rovinami, definované jako boční okraje uniformy antiprism. Všechny hrany a vnitřní úhly jsou stejné.
![]() The Platonické pevné látky (dále jen čtyřstěn, krychle, osmistěn, dvanáctistěn, a dvacetistěnu ) mají Petrie polygony, které zde vidíte červeně, se stranami 4, 6, 6, 10 a 10. |
Obecněji pravidelné šikmé polygony lze definovat v n-prostor. Mezi příklady patří Petrie polygony, polygonální cesty hran, které rozdělují a běžný mnohostěn na dvě poloviny a viděn jako pravidelný mnohoúhelník v ortogonální projekci.
V nekonečném limitu pravidelné šikmé polygony stočit se apeirogony.
Pravidelné hvězdné polygony
2 <2q gcd (p, q) = 1
| ||||
---|---|---|---|---|
Schläfliho symbol | {p / q} | |||
Vrcholy a Hrany | p | |||
Hustota | q | |||
Coxeterův diagram | ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() | |||
Skupina symetrie | Vzepětí (D.p) | |||
Duální mnohoúhelník | Self-dual | |||
Vnitřní úhel (stupňů ) | [21] |
Non-konvexní pravidelný mnohoúhelník je pravidelný hvězdný polygon. Nejběžnějším příkladem je pentagram, který má stejné vrcholy jako a Pentagon, ale spojuje střídavé vrcholy.
Pro n-stranný hvězdný polygon, Schläfliho symbol je upraven tak, aby označoval hustota nebo „hvězdnost“ m polygonu, jako {n/m}. Li m je například 2, pak se spojí každý druhý bod. Li m je 3, pak se spojí každý třetí bod. Hranice mnohoúhelníku se vine kolem středu m krát.
(Nedegenerované) pravidelné hvězdy až 12 stran jsou:
- Pentagram – {5/2}
- Heptagram - {7/2} a {7/3}
- Octagram – {8/3}
- Enneagram - {9/2} a {9/4}
- Dekagram – {10/3}
- Hendecagram - {11/2}, {11/3}, {11/4} a {11/5}
- Dodekagram – {12/5}
m a n musí být coprime, nebo se postava zvrhne.
Degenerované pravidelné hvězdy až 12 stran jsou:
- Tetragon - {4/2}
- Šestiúhelníky - {6/2}, {6/3}
- Osmiúhelníky - {8/2}, {8/4}
- Enneagon - {9/3}
- Decagons - {10/2}, {10/4} a {10/5}
- Dodecagons - {12/2}, {12/3}, {12/4} a {12/6}
Grünbaum {6/2} nebo 2 {3}[22] | Coxeter 2{3} nebo {6} [2 {3}] {6} |
---|---|
![]() | ![]() |
Dvojnásobně vinutý šestiúhelník | Hexagram jako sloučenina ze dvou trojúhelníků |
V závislosti na přesném odvození Schläfliho symbolu se názory na povahu zdegenerované postavy liší. Například {6/2} může být zacházeno dvěma způsoby:
- Po většinu 20. století (viz např Coxeter (1948) ), jsme běžně vzali / 2 k označení spojení každého vrcholu konvexního {6} s jeho blízkými sousedy o dva kroky dále, abychom získali pravidelný sloučenina ze dvou trojúhelníků, nebo hexagram. Coxeter objasňuje tuto běžnou sloučeninu zápisem {kp} [k {p}] {kp} pro sloučeninu {p / k}, takže hexagram je reprezentován jako {6} [2 {3}] {6}.[23] Kompaktněji Coxeter také píše 2{n / 2} jako 2{3} pro hexagram tak složený jako střídání pravidelných rovnoměrných polygonů s kurzívou na hlavním faktoru, který jej odlišuje od shodné interpretace.[24]
- Mnoho moderních geometrů, jako je Grünbaum (2003),[22] považovat to za nesprávné. Berou znak / 2 k označení pohybu dvou míst kolem {6} v každém kroku, přičemž získají trojúhelník s „dvojitým vinutím“, který má dva vrcholy překryté v každém rohu a dva okraje podél každého úsečky. Nejen, že to lépe zapadá do moderních teorií abstraktní polytopy, ale také to těsněji kopíruje způsob, jakým Poinsot (1809) vytvořil své hvězdné polygony - tím, že vezme jednu délku drátu a ohne jej v následujících bodech stejným úhlem, dokud se postava neuzavře.
Dualita pravidelných polygonů
Všechny pravidelné polygony jsou samodvojné až shodné a liché n jsou sebe-duální vůči identitě.
Kromě toho jsou pravidelné hvězdné postavy (sloučeniny), skládající se z pravidelných polygonů, také sebe-duální.
Pravidelné mnohoúhelníky jako plochy mnohostěnů
A jednotný mnohostěn má pravidelné polygony jako plochy, takže pro každé dva vrcholy je znak izometrie mapování jednoho do druhého (stejně jako u běžného mnohoúhelníku).
A kvaziregulární mnohostěn je jednotný mnohostěn, který má jen dva druhy tváří střídajících se kolem každého vrcholu.
A pravidelný mnohostěn je jednotný mnohostěn, který má jen jeden druh obličeje.
Zbývající (nejednotné) konvexní mnohostěn s pravidelnými tvářemi jsou známé jako Johnson pevné látky.
Mnohostěn s pravidelnými trojúhelníky jako plochami se nazývá a deltahedron.
Viz také
- Euklidovské obklady konvexními pravidelnými polygony
- Platonická pevná látka
- Apeirogon - Polygon s nekonečnou stranou může být také pravidelný, {∞}.
- Seznam běžných polytopů a sloučenin
- Rovnostranný mnohoúhelník
- Carlyle kruh
Poznámky
- ^ Park, Poo-Sung. "Pravidelné vzdálenosti polytopů", Fórum Geometricorum 16, 2016, 227-232. http://forumgeom.fau.edu/FG2016volume16/FG201627.pdf
- ^ A b C Meskhishvili, Mamuka (2020). „Cyklické průměry pravidelných polygonů a platonických těles“. Komunikace v matematice a aplikacích. 11: 335–355.
- ^ A b C d Johnson, Roger A., Pokročilá euklidovská geometrie, Dover Publ., 2007 (orig. 1929).
- ^ Pickover, Clifford A, Matematická kniha, Sterling, 2009: str. 150
- ^ Chen, Zhibo a Liang, Tian. "Opak Vivianiho věty", The College Mathematics Journal 37 (5), 2006, s. 390–391.
- ^ Coxeter Matematické rekreace a eseje, třinácté vydání, s. 141
- ^ „Math Open Reference“. Citováno 4. února 2014.
- ^ „Mathwords“.
- ^ Výsledky pro R = 1 a A = 1 získáno s Javor, pomocí definice funkce:
F := proc (n)možnosti operátor, Šíp;[ [konvertovat(1/4*n*dětská postýlka(Pi/n), radikální), konvertovat(1/4*n*dětská postýlka(Pi/n), plovák)], [konvertovat(1/2*n*hřích(2*Pi/n), radikální), konvertovat(1/2*n*hřích(2*Pi/n), plovák), konvertovat(1/2*n*hřích(2*Pi/n)/Pi, plovák)], [konvertovat(n*opálení(Pi/n), radikální), konvertovat(n*opálení(Pi/n), plovák), konvertovat(n*opálení(Pi/n)/Pi, plovák)]]konec proc
Výrazy pro n= 16 se získá dvojnásobným použitím tangensový polohranný vzorec opálit se (π / 4)
- ^ Trigonometrické funkce
- ^
- ^
- ^
- ^
- ^
- ^
- ^
- ^
- ^ Chakerian, G.D. "Zkreslený pohled na geometrii." Ch. 7 palců Matematické švestky (R. Honsberger, redaktor). Washington, DC: Mathematical Association of America, 1979: 147.
- ^ A b Bold, Benjamin. Slavné problémy geometrie a jak je řešit, Dover Publications, 1982 (orig. 1969).
- ^ Kappraff, Jay (2002). Mimo měřítko: prohlídka přírody, mýtu a počtu s průvodcem. World Scientific. str. 258. ISBN 978-981-02-4702-7.
- ^ A b Jsou vaše mnohostěny stejné jako moje mnohostěny? Branko Grünbaum (2003), obr
- ^ Pravidelné polytopy, str.95
- ^ Coxeter, The Densities of the Regular Polytopes II, 1932, s. 53
Reference
- Coxeter, H.S.M. (1948). "Pravidelné Polytopy". Methuen and Co. Citovat deník vyžaduje
| deník =
(Pomoc)CS1 maint: ref = harv (odkaz) - Grünbaum, B .; Jsou vaše mnohostěny stejné jako moje mnohostěny ?, Diskrétní a výpočetní. geom: Goodman-Pollack festschrift, Ed. Aronov et al., Springer (2003), str. 461–488.
- Poinsot, L.; Memoire sur les polygones et polyèdres. J. de l'École Polytechnique 9 (1810), s. 16–48.
externí odkazy
- Weisstein, Eric W. „Pravidelný mnohoúhelník“. MathWorld.
- Pravidelný popis mnohoúhelníku S interaktivní animací
- Incircle of Regular Polygon S interaktivní animací
- Oblast pravidelného mnohoúhelníku Tři různé vzorce s interaktivní animací
- Stavby renesančních umělců z pravidelných polygonů na Konvergence