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第 16 章 — 正多边形

16 Capítulo 16 · Neste capítulo você vai 正多边形 识别正多边形并证明它们是不可描述的和可外接的; 识别中心、边心距和中心角; 计算正方形、六边形和 等边三角形 的边长和 边心距 作为半径的函数; 获取正则十边形和五边形的边并识别黄金线段。 六角螺母、蜂窝、停车标志、时钟齿轮:正多边形是您需要围绕中心重复相同部件的地方。在本章中,我们证明每个正多边形都精确地拟合在具有相同中心的两个圆之间,并根据半径计算其边长和 边心距 - 大约两千多年前的计算被用来创建第一个三角表。 蜂窝:正六边形无间隙地组合在一起。 六角螺母和螺钉头。 一、概念和性质 将圆分成相等的部分会产生正多边形。反之亦然:每个正多边形都有一个穿过所有顶点的圆和另一个接触所有边的圆。 谁发现的 内接和外接正多边形是 欧几里德(约公元前 300)第四卷 几何原本 的主题:他用尺子和圆规构造了 等边三角形、正方形、五边形(命题IV.11)、六边形 (IV.15) 和 15 边多边形 (IV.16)。两千多年来没有人超越这一点,直到卡尔·弗里德里希·高斯在1796中构造了正17边多边形,并在1801中展示了可以构造哪些正多边形;在 1837 中,Pierre Wantzel 证明了其他人的不可能。 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 Gauss 和 Wantzel 的结果表明,当 $n$ 是 2 的幂乘以不同的 费马素数(形式为 $2^{2^k} + 1$ 的素数,例如 3、5、17 时,可以用直尺和圆规构造具有 $n$ 边的正多边形, 257 和 65 537。这就是为什么七边形(7边)和九边形(9边)无法构造,但具有257边的多边形可以:在1832中,Friedrich Richelot发布了其构造。

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显着线的计算

中位数、高度和 角平分线 只能从三边计算。所有公式都来自度量关系,而斯图尔特的单一关系可以一次性解决所有问题。 谁发现的 中位数公式被称为阿波罗尼乌斯定理:亚历山大的教皇将其归因于佩尔加的阿波罗尼乌斯(公元前 3 世纪)。高度公式使用三角形的面积作为边的函数,即海伦公式,由亚历山大的海伦在1世纪以公制(阿拉伯人将其归因于阿基米德)证明。苏格兰人Matthew Stewart在一些在高等数学中相当有用的一般定理一书中在1746中发表了适用于连接顶点和对边的任何线段的关系。 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 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 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 马修·斯图尔特。未知作者未知作者 · 维基共享资源 · 公共领域 故事 斯图尔特 (1717–1785) 是格拉斯哥罗伯特·西姆森 (Robert Simson) 和爱丁堡科林·麦克劳林 (Colin Maclaurin) 的学生,并接替麦克劳林担任数学教授。他以希腊的方式提倡纯粹的几何方法,甚至适用于天文学问题,例如计算到太阳的距离。 罗伯特·西姆森.作者身份不明 · 维基共享资源 · 公共领域 科林·麦克劳林.大卫·斯图尔特·厄斯金 (1742–1829) · 维基共享资源 · 公共领域 将顶点连接到对侧点的线段现在称为 ceviana,以纪念意大利人 Giovanni Ceva (1678)。中位数、高度和 角平分线 是特定的 Cevians,因此 Stewart 关系给出了所有这些的公式。

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度量关系和余弦定理

当角度不正确时,毕达哥拉斯定理有一个修正项。这个术语就是余弦定律。 谁发现的 该主题的度量关系在欧几里得(c. 300 BC)的几何原本中,以区域语言表示:命题II.12处理钝角的对边,并且II.13,与锐角相对。余弦形式 $a^2 = b^2 + c^2 - 2bc\cos A$ 与三角函数表一起出现的时间要晚得多。波斯天文学家Jamshid al-Kashi在算术的关键中的1427中提出了它;在法国,余弦定律仍称为théorème d’Al-Kashi。 François Viète 在 1593 中用余弦编写。 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 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 故事 欧几里得没有余弦或长度数。他说,钝角对边的正方形比另外两条边的正方形之和大“一侧与另一侧投影形成的矩形的两倍”。和这个主题的关系是一样的,都是用区域来写的。 比较$a^2$和$b^2 + c^2$有一个简单的测试:只要知道三边就可以知道三角形是锐角、直角还是钝角。 在日常生活中 **导航。**一艘船行驶 10 公里,转向 40°,再行驶 6 公里,是根据余弦定律计算出的距离港口的距离。 **机器人。**两段机械臂的关节角度通过余弦定律计算。 **地形。**当测量一块土地的两条边以及它们之间的角度时,第三条边不符合余弦定律。 **体育。**分析师根据两名球员和第三名球员之间的距离以及他们之间的角度来计算传球距离。 来源: 元素,命题 II.12 · 元素,命题 II.13 · Al-Kashi (MacTutor)。 理论与结构 度量关系 Teorema · 锐角的对面 在任何三角形中,锐角对边的平方等于其他两条边的平方和减其中一条边与另一条边在其上的投影的乘积的两倍: $$\hat A < 90^{\circ},\; m = \text{proj. de } b \text{ sobre } c \;\Longrightarrow\; a^2 = b^2 + c^2 - 2cm.$$ Teorema · 钝角的对边 在钝角三角形中,钝角一侧的正方形等于另外两条边的平方和加上其中一侧与另一侧在其上(或包含它的直线上)投影的乘积的两倍: $$\hat A > 90^{\circ},\; m = \text{proj. de } b \text{ sobre } c \;\Longrightarrow\; a^2 = b^2 + c^2 + 2cm.$$

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正弦定理

在任何三角形中,每条边除以对角的正弦值总是给出相同的数字:外接圆的直径。 谁发现的 正弦定理诞生于天文学,用于在天球上绘制三角形。球形版本是由伊斯兰世界的天文学家在 10 世纪获得的,其中包括 阿布·瓦法 和 阿布·纳斯尔·曼苏尔。平面三角形的形状系统地出现在 四边条约 (1260) 源自 波斯语 纳西尔·丁·图西,这使得三角学成为一门独立于天文学的学科。在欧洲,它随书而传播 关于所有类型的三角形, 从 雷吉奥蒙塔努斯,写于 1464 年,印刷于 1533 年。 Abu al-Wafa,后来的艺术代表。作者身份不明 · 维基共享资源 · 公共领域 Nasir al-Din al-Tusi,后来的艺术代表。作者身份不明;查看源代码 · 维基共享资源 · 公共领域 雷吉奥蒙塔努斯。身份不明的录音机;史密森尼收藏 · 维基共享资源 · 公共领域 故事 在正弦之前,天文学家研究了弦:喜帕恰斯和托勒密将圆的每个弧的弦制成表格。圆弧的弦是圆心角一半的正弦值的两倍——这就是为什么正弦定理本质上是圆弦的结果,而本主题的演示正是使用外接圆。 尼西亚的喜帕恰斯,后来的艺术表现。威廉·亨利·史密斯 · 维基共享资源 · 公共领域 克劳狄斯·托勒密,后来的艺术代表。Justus van Gent 或 Pedro Berruguete · 维基共享资源 · 公共领域 利用正弦定理,只需测量距离和两个角度即可计算三角形的另一条边。这就是三角测量的原理,它测量了 17 世纪和 19 世纪之间的整个国家。

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毕达哥拉斯定理的应用

正方形的对角线、等边三角形的高度以及30°、45°和60°的三角比都来自同一个定理。 谁发现的 正方形的对角线已经计算出来 巴比伦人:平板电脑 YBC 7289(约公元前 1800–1600 年)给出 $\sqrt{2}$ 具有六位正确的小数位。直角三角形边之间的比率最初是天文表格: 尼西亚的喜帕恰斯 (公元前2世纪)建立了弦表,印度人 阿里亚巴塔 (499)开始使用半绳——我们的 正弦 ——伊斯兰天文学家喜欢 阿布·瓦法 (10世纪)有组织的影子表,我们的 切线。生成所有有边的毕达哥拉斯三角形的公式 $x^2 - y^2$, $2xy$ 和 $x^2 + y^2$,出现在书中的一句座右铭中 元素 的 欧几里得. 尼西亚的喜帕恰斯,后来的艺术表现。威廉·亨利·史密斯 · 维基共享资源 · 公共领域 Aryabhata,后来的艺术表现。Cpjha13 · 维基共享资源 · CC BY-SA 4.0 Abu al-Wafa,后来的艺术代表。作者身份不明 · 维基共享资源 · 公共领域 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 埃及人已经使用三角比来建造金字塔:莱茵德纸莎草纸(约公元前 1650 BC)计算 seked,即每肘高高度,面部水平前进多少手掌——面部的斜率,余切值。 莱茵德纸莎草纸的细节,由艾哈迈斯在公元前 1650 左右抄写。该文件保留了埃及的数学问题和程序。抄写员艾哈迈斯;大英博物馆文件的复制品 · 维基共享资源 · 公共领域。 毕达哥拉斯套装有一个著名的后代。在 1637 左右,Pierre de Fermat 在他的丢番图算术副本的页边空白处指出,就在套装问题旁边,$x^n + y^n = z^n$ 对于 $n > 2$ 没有正整数解。演示仅在 1994 进行,由 Andrew Wiles 进行。

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度量关系

斜边的平方是边的平方和。但这只是直角三角形中高度所揭示的几种关系之一。 谁发现的 直角三角形边之间的关系比 萨摩斯岛的毕达哥拉斯 (公元前六世纪)。董事会 巴比伦 从公元前 1800 年左右开始,使用 3、4、5 等术语来计算正方形的对角线;你 苏尔巴经 从 印度 (约公元前 800 年至公元前 500 年)规定了建造祭坛的规则;和中文文本 周笔算经 提供视觉证据。希腊传统将该定理与毕达哥拉斯联系在一起,但没有文献证据证明他证明了这一定理。我们最古老的示威是在 元素 的 欧几里得 (约公元前 300 年):命题 I.47 通过面积证明定理,并且 I.48 证明 互惠的。与音高的关系——每条腿和音高为 比例平均数 ——在提案中 六.8 及其推论。 萨摩斯岛的毕达哥拉斯,后来的艺术表现。作者身份不明 · 维基共享资源 · 公共领域 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 本章的证明是第六卷中欧几里得的证明:高度将三角形分成两个与原来相似的三角形,比例给出了度量关系;将它们两个相加就得到毕达哥拉斯定理。很少有数学陈述能以如此多的方式得到证明:美国教授 Elisha Loomis 在 1940 版的《毕达哥拉斯命题》毕达哥拉斯命题 中汇集了 370 种不同的论证,其中包括未来美国总统 詹姆斯·加菲尔德的一项论证,作者是 1876,用秋千做的。 伊丽莎·斯科特·卢米斯。Finkel, B. F. · 维基共享资源 · 公共领域 詹姆斯·加菲尔德。身份不明的摄影师; Brady-Handy 收藏 · 维基共享资源 · 公共领域 欧几里得毕达哥拉斯定理(命题一47)的中文字母:在利玛窦和徐光启翻译的《几何原本》1607中,希腊标签变成了十个天干。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。 该定理也是通向无理数的大门:边长为 1 的正方形的对角线测量为 $\sqrt{2}$,并且这个数字不是分数的发现震惊了毕达哥拉斯学派。

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多边形:边和顶点

仅使用直线部分绘制图形,不要将铅笔从纸上取下,直到回到起点 无需穿越道路。您绘制了一个多边形! 什么是多边形 Definição · 多边形 多边形是一个平坦的闭合图形,仅由直线(边)组成, 不相交。两条边相交的点是顶点。 圆不是多边形:它的轮廓是弯曲的。开放图形也不是多边形。 选择边数并拖动黄色球。当两侧交叉时会发生什么? Ative o JavaScript para ver esta figura interativa. 多边形的名称 每个多边形都具有相同数量的边和顶点。从名字就可以看出有多少个: 侧面 姓名 记住 3 三角形 “tri” = 三,如三轮车 4 四边形 “四”=四 5 五角大楼 美国五角大楼 6 六边形 蜂窝 8 八边形 停车标志 停止标志 STOP 标志有 8 条边:它是一个八边形。没有其他路标具有这种格式,所以 即使从后面或被雪覆盖,驾驶员也能认出它。 四边形:有四个边的族 在四边形中,有些有特殊的名称:正方形、矩形、菱形 (如黄色警告标志)、平行四边形和梯形。你将学习它们 在小学二中冷静下来。 火柴棍 使用 12 根相等的牙签,组装一个具有 3 边的多边形,一个具有 4 边的多边形,一个具有 6 边的多边形,使用所有 每个都有牙签。每边有多少根牙签? 检查答案 三角形:12 ÷ 3 = 4 棍子 在一边。平方:12 ÷ 4 = 3 棍子。六边形:12 ÷ 6 = 2 棍子.