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周长

将绳子缠绕在罐子上,然后将其拉伸至直径:它刚好适合三倍。这适用于任何罐头、轮子或硬币。这个“略多于三”是数字π。 谁发现的 大约 4 000 年前,巴比伦人和埃及人就已经知道圆的轮廓略大于三个直径;他们使用了 3、$3\tfrac{1}{8}$ 和 3,16 等值。第一个计算出 π 的确定性是锡拉丘兹的阿基米德(公元前 3 世纪):他使用边长为 96 的多边形,证明了 π 位于 $3\tfrac{10}{71}$ 和 $3\tfrac{1}{7}$ 之间。符号 π 由威尔士人 William Jones 在 1706 中使用,并由 Leonhard Euler 推广。 故事 阿基米德用两个多边形(一内一外)包围圆,并将边数增加四倍:6、12、24、48和96。多边形的周长从下方和上方接近轮廓。 公元5世纪,中国祖冲之达到了3,1415926 < π < 3,1415927,这个记录持续了近一千年。如今,π 的小数位数已由计算机计算得出,但对于工程中的几乎所有内容,3,14159 就足够了。 在日常生活中 **车轮和里程表。**每转一圈,车轮都会行驶其长度 $C = 2\pi r$;汽车仪表板计算圈数。 自行车。 轮辋为 29 的车轮与轮胎的直径约为 74 厘米:每转行驶约 2,3 米。 **田径跑道。**外侧车道的起点更靠前,因为它们的弯道更长。 **裁缝的卷尺。**测量腰围就是测量“周长”。 公式 选择半径并将轮子滚动一圈。展开的红色部分就是周长;黄色标记是直径。 Ative o JavaScript para ver esta figura interativa. Teorema · 周长 任何圆的长度 $C$ 与其直径 $d$ 之间的比率始终是相同的数字 $\pi \approx 3{,}14159$。像这样, $$C = \pi \cdot d = 2\pi r.$$

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切线段 — 外接四边形

从圆外一点引出两条切线,到切点的两条线段长度相等。 谁发现的 切线段相等是欧几里得的几何原本的命题III.17的直接结果,该命题教导如何通过外点绘制切线。这就产生了皮托定理:在有内切圆的四边形中,对边之和相等。法国工程师 Henri Pitot 在 1725 中发表了它(请参阅下面关于他的好奇心)。 倒数(如果对边之和相等,则四边形有内切周长)已在 19 世纪得到证明,通常归因于 Jakob Steiner。 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 亨利·皮托.未知作者未知作者 · 维基共享资源 · 公共领域 雅各布·斯坦纳。作者身份不明;查看源代码 · 维基共享资源 · 公共领域 故事 皮托定理的证明是一个很好的例子,说明了一个简单的性质如何产生很多结果:四边形的每个顶点都是圆外的一个点,并且有两个相等的切线段。将相对的边相加,每个线段在每个总和中恰好出现一次。 皮托的职业并不是数学家。作为一名水利工程师,他在法国南部建造了渡槽和桥梁,并发明了皮托管,可测量液体和气体的速度,并为现代飞机提供动力。 在日常生活中 **皮带和皮带轮。**包含两个皮带轮的皮带的直线部分与轮子相切;在相同的滑轮上,它们具有相同的长度。 **自行车链条。**它离开齿冠相切,到达棘轮相切。 **灯塔视图。**从灯塔顶部看,接触圆岛的两条视线到接触点为止的长度相同。 飞机的速度。 皮托管与该定理由同一位工程师发明,是测量飞机相对于空气的速度的传感器。 来源: 元素,命题 III.17 · 亨利·皮托 (Wikipedia) · Steiner (MacTutor)。 理论与结构 Teorema · 切线段 如果从点 $P$ 开始,我们驱动线段 $\overline{PA}$ 和 $\overline{PB}$,两者都与圆相切,$A$ 和 $B$ 在圆上,然后是 $PA = PB$。另外,中心位于$A\hat{P}B$的角平分线处。

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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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正多边形的周长比

在之前的文章中我们讨论了斯图尔特定理,这里我们将讨论正多边形中的周长关系。圆和正多边形之间的关系是几何学中一个令人着迷且复杂的话题。正多边形是具有全等边和角的几何图形,而圆可以看作具有无限条边的正多边形的极限情况。 当正多边形内接于圆时,它的每个顶点都与圆相切,并且多边形的中心与圆的中心重合。这样可以在圆的半径和多边形的尺寸(例如边和 边心距)(从中心到边的距离)之间建立精确的关系。 例如,在圆内切正方形的情况下,圆的直径等于正方形的对角线,通过应用毕达哥拉斯定理,可以找到正方形的边长与圆的半径之间的关系。对于正内接六边形,六边形的边等于圆的半径,因为六边形的每条边都等于从中心延伸到顶点的半径之一。 历史 欧几里得是对这一领域做出贡献的最早也是最有影响力的数学家之一,他的著作《几何原本》建立了许多公理和定理,用于理解圆内接和外接的正多边形的性质。他将圆划分为全等弧以及从这些弧形成正多边形的工作仍然是几何研究的基础。 另一位著名的数学家是佩尔加的阿波罗尼乌斯,他以圆锥曲线的研究而闻名,这也有助于理解多边形和圆之间的关系。他对椭圆、抛物线和双曲线性质的研究有助于发展将多边形与其外接圆联系起来的理论。 贡献 佩尔加的阿波罗尼乌斯 在伊斯兰世界,比鲁尼和奥马尔·海亚姆等数学家也做出了重大贡献。 Al-Biruni 开发了计算面积和体积的方法,包括正多边形的面积和体积,而 Omar Khayyam 致力于分类和求解三次方程,这对多边形的几何有直接影响。 近代,被誉为“数学家王子”的卡尔·弗里德里希·高斯做出了深刻影响几何学的发现。他的正多边形定理证明,如果数字 n 是 2 的幂和任何不同的费马素数的乘积,则可以用直尺和圆规构造正 n 边多边形。 Leonhard Euler 的著名定理 V-E+F=2(其中 V 是多面体的顶点数,E 是边数,F 是多面体的面数)也有助于理解不同几何尺寸之间的关系,该定理可应用于分析正多边形及其与圆的关系。 这些只是塑造我们对几何关系理解的众多数学家中的一小部分。他的贡献继续影响着当代数学,并激励新一代数学家探索几何的深度。 日常生活中的应用 外接正多边形是那些边与内圆相切的多边形。这种独特的特性使工程师和建筑师能够利用这些形状来优化空间并确保结构中力的均匀分布,从而确保结构的稳定性和安全性。 自古罗马以来,工程师就使用外接多边形来设计耐用的建筑物。如今,这种做法仍然具有现实意义,证明了数学知识的永恒性和重要性。理解这些概念对于解决需要精度和效率的实际问题至关重要,尤其是在工程和建筑领域。 应用这些原理的一个典型例子是在圆的帮助下计算正多边形的测量值,例如边和 边心距。这些测量值是根据内接圆周的半径确定的,有利于桥梁、塔楼和具有复杂几何形状的建筑物等结构的设计。 此外,多边形边长与内切圆半径之间的精确数学关系是精确计算周长和面积的基础,为安全高效的建筑设计提供有力的工具。例如,边数较多的多边形往往接近圆形,这对于需要形状平滑度的设计是有利的。 这些数学关系不仅仅是理论上的;而且是真实的。它们对日常生活有直接影响。例如,当设计轮子、齿轮,甚至在圆形空间中布置家具时,都会应用外接多边形的原理来达到最佳效果。 概念 具有全等边的多边形为 等边,如果具有全等角,则为 等角。 等边四边形 等角四边形 定义:凸多边形是正多边形当且仅当它具有所有全等的边 (等边) 和所有全等的角 (等角)。 正三角形 (等边) 正四边形(正方形) 特性 **定理:**当我们将圆分成$n$时,其中$n$大于或等于3,全等弧。所以: 1。由两个连续分割点确定的所有弦连接在一起,形成一个正多边形,其边长$n$内接于圆。 2。由分割点绘制的切线确定一个正多边形,其$n$边外接于圆周。 演示: 案例 1: 设$A$、$B$、$C$、$D$、$\dots$、$M$和$N$为圆$\lambda$的$n$分割点。多边形 $ABCD\dots MN$ 内接于圆。 这样,弧就全等了: $$\stackrel{\frown}{AB} \equiv \stackrel{\frown}{BC}\equiv \stackrel{\frown}{CD} \equiv \stackrel{\frown}{DE} \equiv \dots \equiv \stackrel{\frown}{MN} \equiv \stackrel{\frown}{NA}$$结果是: