正多边形和圆
看清边数趋于无穷时,多边形如何蜕变为圆,π如何从中诞生
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正多边形和圆
看清边数趋于无穷时,多边形如何蜕变为圆,π如何从中诞生
正多边形的定义
上一页我们看到正多边形和圆有天然的亲缘关系——圆里能切出正多边形,正多边形能逼近圆。但「正多边形」这三个字具体是什么意思?让我们把它拆开看。
士兵身高一致对应边相等,间距均匀对应角相等
正多边形 vs 普通多边形
同样叫多边形,凭什么叫「正」?差别就在「边等不等、角等不等」——一个经典问题:等边三角形算不算?
- 所有边的长度都相等
- 所有内角的大小都相等
- 「边等」「角等」同时满足
- 例:等边三角形、正方形、正六边形
- 边的长度可以各不相等
- 内角的大小可以各不相等
- 边、角至少有一条不满足
- 例:直角三角形、梯形、任意四边形
中心与半径
上一页我们看到了正多边形的「完美对称」——所有边等长、所有角相等。这份对称的起点,其实是一个特殊的点:从它出发,到所有顶点都等距。今天就来找到它。
轴心=圆心,车厢=顶点,辐条=半径,所有车厢到轴心等距
中心角与边心距
相邻顶点所夹圆心角与边到中心的距离
四个元素的关系图
从中心出发,沿箭头看四个元素如何一步步联动。后一个元素都建立在前一个之上。
正多边形的外接圆
上一页我们看到四个量都指向同一个点。但凭什么这个中心一定存在?答案是——正多边形的所有顶点,本身就在同一个圆上。
12 个数字等距排在圆周上;连起来就是正十二边形,表盘本身就是它的外接圆
圆内接正多边形
前页讲到正多边形必有外接圆。现在反过来:给你一个圆,能否「倒推」出正多边形?答案是肯定的,而原理只有四个字——把圆等分。
披萨从圆心下刀,每刀切出360°÷n的扇形,外侧弧就是正n边形每边对应的弧
正多边形的内切圆
前面学过,正多边形有一个穿过所有顶点的外接圆。现在反过来——正多边形内部还藏着一个圆,刚好和每条边都相切。这就是内切圆。
方桌面四边都正好顶住圆垫边缘,圆垫圆心就在桌面正中心——这就是内切圆的样子
外接圆与内切圆对比
顶部是同圆心 O,向下分出外接圆与内切圆,最底部汇合于共同刻画正多边形的结论。
由边数求中心角
由边数n推出中心角大小的推导,一共四步。
边长与半径的关系
上页由边数算出了中心角 360°/n。现在反过来:已知边长 a,能不能反推出外接圆半径 R?答案就在中心与两相邻顶点构成的三角形里。
两刀痕=R、两切点之间弦=a、尖角=360°/n
边心距与边长的关系
上一节我们用直角三角形推出边长 a = 2R·sin(180°/n)。同一个直角三角形里,已有斜边 R 和角 180°/n,再添一条直角边就能求出第三个量——边心距 r。
已知屋顶跨度 a 和屋顶半角 180°/n,中柱高度 r 由 tan 关系唯一确定
正多边形面积公式推导
把正多边形切成三角形,再用 SAS 公式求和,四步即可推得面积公式。
圆周率π的本质
前面用正多边形逼近圆,边越多越接近。那圆自身的周长与直径之间,有没有一个不变的对应?
汇率把任意两种货币按固定比例挂钩,π把任意圆的周长和直径按固定比例挂钩
正多边形逼近圆示意
边数越多正多边形越接近外接圆。沿箭头看顶点与圆弧间隙的变化,虚线表示所有顶点始终落在同一个外接圆上。
用边数倍增逼近π
阿基米德用正多边形从两侧夹住圆,一步步把π锁在越来越窄的区间里。
代码验证多边形逼近
用 Python 让边数翻倍,观察周长收敛到 2π。
sin(π/n) 算出每条弦长;周长/(2r) 收敛到 π,验证上页逼近结论。
核心概念自测
对任意n≥3的正n边形,其面积S与外接圆面积πR²、内切圆面积πr²的大小关系是?
本讲要点回顾
- ✓对称性决定形状:n定了,正多边形就定了
- ✓三个距离公式串起边长、半径与边心距
- ✓面积公式本质:n个等腰三角拼整体
- ✓π是边数倍增时多边形逼近圆的极限
- ✓逼近思想搭起离散与连续的桥
课后思考
先自己想,再翻参考答案——三个层次,逐步深入。
参考答案圆周被 n 条半径等分为 n 份,每份 360°/n——这是「正」字的几何后果,不是人为规定。
参考答案连接中心得 6 个等边三角形,每个面积 (√3/4)a²,总面积 = (3√3/2)a²。
参考答案不是「变成」,是「逼近」——极限可无限接近,但任何有限步仍是多边形。这是极限思想。