平面几何 — 互动书

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两个圆的相对位置

两个圆可以是正割的、相切的、一个在另一个圆的内部或相距很远。中心之间的距离决定了情况。 谁发现的 基本情况是欧几里德(公元前300)的几何原本:两个不同的圆最多相交于两个点(命题III.10),并且当它们接触时,接触点位于连接圆心的直线上(III.11 和 III.12)。一个世纪后,Apollonius of Perga提出了关于该主题的最著名的问题:给定三个圆,为所有圆画第四条切线。 欧几里得,文艺复兴时期的代表传统上与欧几里得或阿基米德相关。拉斐尔·桑齐奥 · 维基共享资源 · 公共领域 佩尔加的阿波罗尼乌斯,后来的艺术表现。乔瓦尼·巴蒂斯塔备忘录 · 维基共享资源 · 公共领域 故事 阿波罗尼乌斯关于切线的书丢失了。在1600中,法国人François Viète用尺子和圆规重构了一个解,这个问题开始被牛顿、欧拉和高斯研究。一般来说,有八种解决方案。 弗朗索瓦·维埃特。作者身份不明;查看源代码 · 维基共享资源 · 公共领域 艾萨克·牛顿。戈弗雷·内勒 (1646–1723) · 维基共享资源 · 公共领域 莱昂哈德·欧拉.雅各布·伊曼纽尔·汉德曼 (1718–1781) · 维基共享资源 · 公共领域 卡尔·弗里德里希·高斯。克里斯蒂安·阿尔布雷希特·詹森 (1792–1870) · 维基共享资源 · 公共领域 阿波罗尼乌斯的问题又回到了 20 世纪的场景:从到三个已知电台的距离中找到一个点与之相关,无线电定位技术就利用了这一推理。 在日常生活中 齿轮和滑轮。 互锁链轮由切圆建模;轴之间的距离是半径之和。 奥林匹克五环和维恩图。 割圆表示具有共同元素的集合。 **水中的波浪。**将两块石头扔进湖中会产生在两点相交的圆形波浪。 **手机的位置。**已知到两个天线的距离,该设备位于圆周相交的两个点之一;第三根天线消除了疑虑。 来源: 元素,命题 III.10 · Apollonius (MacTutor) · Viète (MacTutor)。

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直线和圆的相对位置

一条直线可以在两点处切开一个圆,也可以只接触一个圆,或者穿过很远的地方。只接触的线是切线。 谁发现的 切线性质位于 Euclid 的 几何原本 的第三卷中(c. 300 BC)。 命题 III.16 表明垂直于半径的直线在其端点处与圆相切,而 III.18 证明了相反的情况:切线在接触点垂直于半径。 tangent 这个词来自拉丁语 tangere,“触摸”。 欧几里得,文艺复兴时期的代表传统上与欧几里得或阿基米德相关。拉斐尔·桑齐奥 · 维基共享资源 · 公共领域 故事 命题 III.16 引发了几何学中最长的争议之一。欧几里得指出,圆和切线之间的“角度”小于直线形成的任何角度。这个应急角度将大于零并且小于任何角度——这很奇怪。在 16 世纪,Jacques Peletier 和 Cristovão Clávio 争论了他是否真的是一个角度;几个世纪后这个问题才得到很好的解决。 克里斯托弗·克拉维奥。国家博物馆 · 维基共享资源 · CC0 接触点的半径垂直于切线:曲线、直线和中心之间的关系。来自博客的原始教学插图。 切线也是微分学的起点。 17 世纪,费马、笛卡尔、牛顿和莱布尼茨正在寻找一种绘制任意曲线切线的方法,而导数作为答案诞生了。 皮埃尔·德·费马。身份不明的画家 · 维基共享资源 · 公共领域 艾萨克·牛顿。戈弗雷·内勒 (1646–1723) · 维基共享资源 · 公共领域 在日常生活中 车轮落在地面上。 车轮在一个点接触街道;街道与车轮相切。 来自研磨机的火花。 火花与旋转的石头相切,从轮胎中流出的泥浆也是如此。 吊索和锤子投掷。 释放物体后,物体将沿着圆形路径的切线运动。 **道路曲线。**工程师将直线段和曲线段切向连接,这样方向盘就不需要“摇晃”。 来源: 元素,命题 III.16 · 元素,命题 III.18 · Clávio (MacTutor)。

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定义和要素

所有点到中心的距离都相同:圆的定义适合一条直线,但它隐藏了数字 π。 谁发现的 圆圈是人类历史上最古老的形式之一,从美索不达米亚的轮子(约公元前 3500 BC)到石碑。严格的定义来自欧几里得(几何原本的定义I.15到I.18):由一条线限定的图形,该线的所有点与内部点(中心)的距离相同。他的第三个公设保证可以以任意圆心和任意半径绘制圆。第一个准确计算轮廓与直径之比的人是阿基米德(公元前3世纪)。 欧几里得,文艺复兴时期的代表传统上与欧几里得或阿基米德相关。拉斐尔·桑齐奥 · 维基共享资源 · 公共领域 阿基米德,后来的艺术表现。多梅尼科·费蒂 · 维基共享资源 · 公共领域 故事 所有圆圈都具有相同的形状,只是大小发生变化。因此,长度 $C$ 和直径 $2R$ 之间的比率始终相同 - 我们今天称之为 π 的数字。巴比伦人使用3或$3\tfrac{1}{8}$; Rhind 纸莎草给出的值接近 3,16。 展开后,圆的直径刚好超过三个:C = π · 2R。来自博客的原始教学插图,根据欧拉之眼系列中的人物重新设计。 阿基米德将圆包围在具有 96 条边(一条内接一条外接)的多边形之间,并得出 π 位于 $3\tfrac{10}{71}$ 和 $3\tfrac{1}{7}$ 之间的结论。符号 π 由威尔士人 William Jones 在 1706 中使用,并由 Euler 推广。 威廉·琼斯.威廉·霍加斯 (1697–1764) · 维基共享资源 · 公共领域 莱昂哈德·欧拉.雅各布·伊曼纽尔·汉德曼 (1718–1781) · 维基共享资源 · 公共领域 在日常生活中 **轮子。**轮子可以平稳旋转,因为边缘上的所有点到轴的距离都相同。 **井盖。**它们是圆形的,因为圆不会从任何位置的开口落下。 披萨和时钟。 披萨片是圆形扇形;时钟的指针是扫过表盘的射线。 指南针和 GPS。 天线或无线电信号从一个点的范围是一个圆。 来源: 元素,定义 I.15 · 阿基米德 (MacTutor) · π 的历史 (MacTutor)。

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对角线、内角和外角

多边形有多少条对角线?你的角度加起来是多少?答案来自一个简单的想法:将多边形分成三角形。 谁发现的 多边形的内角和是欧几里德的几何原本的命题I.32的扩展,该命题涉及三角形。 Proclus(公元 5 世纪)记录了凸多边形的两个结果:具有 $n$ 条边的多边形的内角总和等于 $2n - 4$ 个直角,而外角总和始终等于四个直角。在 1619 中,Johannes Kepler 使用这些总和来计算出哪些正多边形可以平铺平面。 欧几里得,文艺复兴时期的代表传统上与欧几里得或阿基米德相关。拉斐尔·桑齐奥 · 维基共享资源 · 公共领域 约翰内斯·开普勒。奥古斯特·科勒 [1] · 维基共享资源 · 公共领域 故事 证明根据顶点或内点将多边形划分为三角形 - 与本主题中的方法相同。对角线计数 $\tfrac{n(n-3)}{2}$ 是一个组合问题:每个顶点都连接到除自身及其两个邻居之外的所有其他顶点。 多边形分成三角形:分解图形可以让您进行角度关系。来自博客的原始教学插图。 在Harmonices Mundi (1619)中,开普勒表明,在正多边形中,只有三角形、正方形和六边形覆盖了没有孔的平面:其内角(60°, 90° 和 120°) 是唯一能精确整除 360° 的值。 在日常生活中 **地板和瓷砖。**具有单一类型正多边形的瓷砖只有在三角形、正方形或六边形时才有用——这是角度和的直接结果。 绕着一个方块行走。 绕着一个多边形正方形走一圈并返回起点的人总共转动了 360°:它是外角之和。 **机器人和乌龟。**在 Logo 和 Scratch 等适合儿童的编程语言中,绘制边长为 $n$ 的正多边形需要在每个角处旋转 $360°/n$。 握手。 在 $n$ 个人的群体中,握手的次数是具有 $n$ 个顶点的多边形的边数加上对角线的数量。 来源: 元素,命题 I.32 · Proclus (MacTutor) · 开普勒 (MacTutor)。

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定义和要素

三角形、正方形、五边形、六边形:多边形存在于蜂窝、路标和螺母中。 谁发现的 最简单的正多边形是由欧几里德(约公元前300 BC)在几何原本第四卷中用尺子和圆规构造出来的:三角形、正方形、五边形、六边形和15边的多边形。两千多年来,没有人能够构造出另一个具有素数边数的正多边形。在 1796 的 18 岁,卡尔·弗里德里希·高斯构建了十七边形,即具有 17 条边的正多边形。 欧几里得,文艺复兴时期的代表传统上与欧几里得或阿基米德相关。拉斐尔·桑齐奥 · 维基共享资源 · 公共领域 卡尔·弗里德里希·高斯。克里斯蒂安·阿尔布雷希特·詹森 (1792–1870) · 维基共享资源 · 公共领域 故事 高斯的发现是如此非凡,据他说,这使他选择了数学而不是语言学。他展示了可以用直尺和圆规构造哪些正多边形;在1837中,Pierre Wantzel完成了其他人不可能的证明。据说高斯想在他的坟墓上雕刻一个十七边形,但雕刻家拒绝了,说它看起来像一个圆形。 称为 P.Oxy 的元素碎片。我29,在奥西林科发现。文字和图形记录了欧几里得几何学的古代传承。欧几里得文本;身份不明的早期抄袭者 · 维基共享资源 · 公共领域。 多边形的名称来自希腊语:polys,“许多”和gonia,“角度”。 五角大楼有五个角; 六边形,六个; 八边形,八个。 在日常生活中 蜂窝。 蜜蜂建造规则的六边形。 亚历山大警察在 4 世纪就已经对这种选择表示​​赞赏,并在 1999 托马斯·黑尔斯中证明了六边形将平面划分为具有尽可能最小周长的相同面积的单元。 **停止标志。**即使从后面或远处也可以识别出规则的红色八边形。 螺母和螺钉。 六角头是六边形:扳手适合多个位置。 **地板和人行道。**六边形、方形和三角形瓷砖覆盖地板,不留间隙。 来源: 高斯 (MacTutor) · 元素,命题 IV.11 · Wantzel (MacTutor)。 理论与结构 Definição · 多边形 给定平面 $(A_1, A_2, \ldots, A_n)$ 上的一系列点,其中 $n \geq 3$,全部不同且具有三个连续的非共线点(也考虑连续的 $A_{n-1}, A_n, A_1$ 和 $A_n, A_1, A_2$),线段的交汇称为 多边形 $$A_1A_2 \cup A_2A_3 \cup \cdots \cup A_{n-1}A_n \cup A_nA_1.$$点 $A_i$ 是顶点,线段是边,角度 $\hat A_1 = A_n\hat{A_1}A_2$、…、$\hat A_n = A_{n-1}\hat{A_n}A_1$ 是多边形的角度。具有 $n$ 个顶点的多边形具有 $n$ 条边和 $n$ 个角。边长之和就是周长。

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垂心 — 高度

三角形的三个高度也交于一点,垂心。有趣的是,欧几里得从未证明过这一点。 谁发现的 几何原本 并不表明高度是并发的。第一个已知的公开演示是由英国人 William Chapple 在 1749 中进行的。然而,被引用最多的是 Carl Friedrich Gauss (1810):他为每个顶点绘制了与对边的平行线,形成了一个更大的三角形;原始三角形的高度成为较大三角形的垂直平分线,因此相交。 垂心 这个名字(源自希腊语 orthos,“直”)是在 19 世纪才创建的。 卡尔·弗里德里希·高斯。克里斯蒂安·阿尔布雷希特·詹森 (1792–1870) · 维基共享资源 · 公共领域 故事 高斯的证明是一个很好的例子,说明如何将一个新问题简化为一个已经解决的问题:他没有直接研究高度,而是将它们转化为垂直平分线,欧几里得已经证明了其竞争。 欧几里得,文艺复兴时期的代表传统上与欧几里得或阿基米德相关。拉斐尔·桑齐奥 · 维基共享资源 · 公共领域 三个高度在垂心处找到;每个都垂直于相对侧。来自博客的原始教学插图。 垂心 有一个奇怪的行为:它在锐角三角形内部,与直角三角形中的直角顶点重合,在钝角三角形中位于外部。在 1765 中,Leonhard Euler 发现它与 重心 和 外心 对齐,如下面好奇的“欧拉直线”中所述。 莱昂哈德·欧拉.雅各布·伊曼纽尔·汉德曼 (1718–1781) · 维基共享资源 · 公共领域 在日常生活中 **屋顶和坡道的高度。**三角形的高度是现场测量的垂直距离;山墙(三角形墙)的面积使用底乘高。 **土地面积。**测量员通过降低选定作为底边的高度来计算三角形地块的面积。 **直角三角形。**在正方形中,其中两个高度是垂直边本身,垂心 是直角。 **桁架。**在三角形结构中,垂直于一侧的支柱遵循三角形的高度。 来源: 高斯 (MacTutor) · 欧拉 (MacTutor)。

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外心 — 垂直平分线

三角形的三个 垂直平分线 在 外心 处相交,即穿过三个顶点的圆心。 谁发现的 其构造是欧几里德的几何原本的命题IV.5(c. 300 BC):“将一个圆外接到给定的三角形”。 垂直平分线 的交点与三个顶点的距离相同,因此作为中心。欧几里得还观察中心的位置:如果是锐角三角形,则在三角形内部;如果是矩形,则在最大边上;如果是钝角三角形,则在最大边上。 欧几里得,文艺复兴时期的代表传统上与欧几里得或阿基米德相关。拉斐尔·桑齐奥 · 维基共享资源 · 公共领域 故事 同样的问题以另一种形式出现:通过三个未对齐的点,恰好有一个圆通过。这是许多定位和重建技术的基础。 垂直平分线 的交点与三个顶点的距离相同,并确定外接圆。来自博客的原始教学插图。 考古学家使用 外心 来重建破碎的陶器碎片。他们利用盘子边缘的单个片段标记三个点,追踪两个 垂直平分线 并找到原始盘子的中心和半径,从而知道它的大小。 在日常生活中 **重建一个板或一个轮子。**边缘上的三个点足以找到中心和直径。 等距地点。 距离三个城市相同距离的医院、天线或集合点位于 外心。 **通过三点绘制圆弧。**绘图和 CAD 程序在“通过三点的圆弧”工具中使用此结构。 **直角三角形。**在直角三角形中,外心 是斜边的中点:正方形的角始终将斜边“视为”直径。 来源: 元素,命题 IV.5 · 欧几里德 (MacTutor)。 理论与结构 Teorema · 来自垂直平分线的竞争 三角形各边的 垂直平分线 相交于同一点,到顶点的距离相等: $$m_1 \cap m_2 \cap m_3 = \lbrace O \rbrace, \qquad OA = OB = OC.$$ 演示。 令 $O$ 为 $m_2$ 和 $m_3$ 的交集(垂直平分线 为 $\overline{AC}$ 和 $\overline{AB}$ 的交集)。如$O \in m_2$、$OA = OC$;例如$O \in m_3$、$OA = OB$。所以$OB = OC$,$O$在$\overline{BC}$的垂直平分线$m_1$中。

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内心 — 角平分线 内部

三角形的三个内部 角平分线 在 内心 处相交,即位于其内部的最大圆的中心。 谁发现的 该构造位于欧几里得的几何原本的命题IV.4(c. 300 BC):“在给定的三角形中内切一个圆”。欧几里得从两个角度画出角平分线,取交点并表明它到三个边的距离相同。由于第三个角平分线也经过这一点,因此三人是竞争对手。一个著名的公式将这个圆的半径与面积联系起来:它位于亚历山大海伦(公元一世纪)的公制中,以及他的三边面积公式。 欧几里得,文艺复兴时期的代表传统上与欧几里得或阿基米德相关。拉斐尔·桑齐奥 · 维基共享资源 · 公共领域 亚历山大的苍鹭,后来的艺术表现。作者身份不明 · 维基共享资源 · 公共领域 故事 几何原本 的第四册专门讨论圆的内接和外接图形。 内心 出现在那里并不是作为一个奇怪的问题,而是作为一个实际构造问题的解决方案:在哪里放置指南针的尖端以绘制接触三个边的圆。 角平分线在内心中;等于边的距离决定了内切圆的半径。来自博客的原始教学插图。 海伦证明,三角形的面积等于内接圆的半径乘以周长的一半。这个想法是将三角形分成三个顶点位于 内心 的三角形,每个三角形的高度等于半径。 在日常生活中 **最大的圆桌。**在房间或三角形地块上,适合的最大桌子、泳池或圆床以 内心 为中心。 **环岛。**在三角形三路交叉口,三条街道的等距点是内心。 **板材切割。**要从三角形金属或木材废料中切割出尽可能大的圆盘,切割中心为 内心。 **观察点。**距三角形湖三岸相同距离的哨所位于 内心。 来源: 元素,命题 IV.4 · 亚历山大苍鹭 (MacTutor)。 理论与结构 Teorema · 来自内部的竞争 角平分线 三角形的三个内部 角平分线 相交于同一点,距边的距离相等: $$\overline{AS_1} \cap \overline{BS_2} \cap \overline{CS_3} = \lbrace S \rbrace, \qquad d_{S,a} = d_{S,b} = d_{S,c}.$$ **演示。**令 $S$ 为 $\overline{BS_2}$ 和 $\overline{CS_3}$ 的交集。由于$S$在$\hat{B}$的角平分线中,$d_{S,a} = d_{S,c}$;如$\hat{C}$、$d_{S,a} = d_{S,b}$。因此,$d_{S,b} = d_{S,c}$、$S$也在角平分线或$\hat{A}$中(与角各边等距的内点在角平分线中)。

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重心 — 中位数

三角形的三个中线交汇于一点:重心,其中三角板在指尖上保持平衡。 谁发现的 锡拉丘兹的阿基米德(c. 287–212 BC)是链接到 重心 的名称。在论平面平衡中,他证明了三角形的重心位于连接顶点和对边中点(中线)的直线上,因此位于三个中线的交点处。 重心 这个词的出现要晚得多:它源自希腊语 barys,意为“重”,并于 19 世纪由德国人 August Möbius 在重心微积分一书中使用。 (1827)。 阿基米德,后来的艺术表现。多梅尼科·费蒂 · 维基共享资源 · 公共领域 奥古斯特·费迪南德·莫比乌斯。阿道夫·诺依曼 (1825–1884) · 维基共享资源 · 公共领域 故事 阿基米德的推理混合了几何学和物理学。他想象将三角形切成与一侧平行的非常细的条带;每个范围的中心位于其中点,并且所有这些中点都位于中位数上。然后整个三角形就在它上面保持平衡。重复另一个中位数的论证,平衡点必须是两者的交点。 本主题中演示的每个中位数除以比率 2 : 1 是同一平衡点的另一个结果。他的这句话——“给我一个支撑点,我将撬动世界”——谈论的是杠杆,但表现出同样的兴趣:将平衡问题转化为几何问题。 在日常生活中 **手指上的平衡。**厚度均匀的三角形纸板恰好放在 重心 上时保持平衡。 手机。 像 Alexander Calder 这样的艺术家将每件作品悬挂在重心上,使其保持在所需的位置。 **汽车和卡车。**工程师计算车辆的重心;越低,翻倒的风险就越低。 携带一个托盘。 携带完整三角形托盘的人将手放在靠近中心的位置,以免掉落任何东西。 来源: 阿基米德 (MacTutor) · 莫比乌斯 (MacTutor)。 理论与结构 Teorema · 来自中位数的竞争 三角形的三个中线相交于同一点,这将每个中线分为两部分,使得包含顶点的部分是另一个部分大小的两倍: $$\overline{AM_1} \cap \overline{BM_2} \cap \overline{CM_3} = \lbrace G \rbrace, \qquad AG = 2 \cdot GM_1,\quad BG = 2 \cdot GM_2,\quad CG = 2 \cdot GM_3.$$ 演示 设$X$为中位数$\overline{BM_2}$和$\overline{CM_3}$的交点,$D$、$E$为$\overline{BX}$和$\overline{CX}$的中点。 在$\triangle ABC$中,$\overline{M_3M_2}$是平均碱基:$\overline{M_3M_2} \parallel \overline{BC}$和$M_3M_2 = \dfrac{BC}{2}$。 在$\triangle XBC$中,$\overline{DE}$是平均碱基:$\overline{DE} \parallel \overline{BC}$和$DE = \dfrac{BC}{2}$。 因此$\overline{M_3M_2}$和$\overline{DE}$平行且全等:$M_3M_2ED$是平行四边形,其对角线切成两半:$DX = XM_2$和$EX = XM_3$。 然后是$BX = BD + DX = 2 \cdot XM_2$和$CX = 2 \cdot XM_3$。 重复中位数 $\overline{AM_1}$ 和 $\overline{CM_3}$,我们得到点 $Y$ 和 $CY = 2 \cdot YM_3$。由于$X$和$Y$以相同的比例除$\overline{CM_3}$,因此$X = Y = G$:三个中位数通过$G$。