正多边形和圆

官方数学老师·21 页·进阶(有基础,想深入原理)·0 次浏览·2 天前
几何极限思想π的诞生多边形逼近

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

按 空格/→ 演示下一步

1 / 21 页

全部页面点击任意一页,跳回舞台从这页播放

几何极限思想π的诞生多边形逼近

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

1第 1 页 · 正多边形和圆

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。

各边相等
每条边的长度完全相同
各角相等
每个内角的度数完全相同
两条件缺一不可
只满足一边或一角相等,都不算正多边形
常见例子
正三角形、正方形、正五边形、正六边形……
仪仗方阵的士兵对应 →正多边形的边和角

士兵身高一致对应边相等,间距均匀对应角相等

每个内角=(n2)×180°n\text{每个内角}=\dfrac{(n-2)\times 180°}{n}
2第 2 页 · 正多边形的定义

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?

正多边形
  • 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
普通多边形
  • 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
等边三角形就是正多边形!所有边都等、所有内角都是 60°,「边等」「角等」两个条件同时具备,缺一不可。
3第 3 页 · 正多边形 vs 普通多边形

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。

外接圆心
正多边形的「几何心脏」,与所有顶点距离相等
外接圆半径
圆心到任一顶点的距离,记作 R,决定整体大小
唯一性
正多边形给定后,圆心和半径都被唯一确定
摩天轮对应 →正多边形的中心与半径

轴心=圆心,车厢=顶点,辐条=半径,所有车厢到轴心等距

a=2Rsinπna = 2R\sin\dfrac{\pi}{n}
4第 4 页 · 中心与半径

中心角与边心距

相邻顶点所夹圆心角与边到中心的距离

中心角与边心距
相邻顶点所夹圆心角与边到中心的距离
5第 5 页 · 中心角与边心距

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。

图解渲染中…
c1相邻两顶点与中心的连线夹角d1中心到一边的垂直距离
6第 6 页 · 四个元素的关系图

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。

外接圆
经过正多边形所有顶点的那个圆,圆心到顶点距离处处相等
存在且唯一
任何正多边形都恰有一个外接圆,圆心就是上一页的「中心」
本质刻画
「顶点等距于一点」与「边等且角等」互为因果,是更深的等价定义
反推构造
反过来,圆上等间隔取 n 个点依次连接,就得到正 n 边形
钟表表盘对应 →正多边形与外接圆

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

R=a2sin(π/n)R = \dfrac{a}{2\sin(\pi/n)}
7第 7 页 · 正多边形的外接圆

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。

等分圆就是画多边形
把圆分成n段相等的弧,顶点就是等分点,连起来就是正n边形
圆心角公式
每段弧在圆心张开的角度都是360°÷n,这就是「等分」的数学表达
半径的特殊身份
圆的半径就是正多边形的外接圆半径,所有顶点到圆心距离天然相等
半径截取(特例)
正六边形最特殊:圆规张开半径长,沿圆逐段截取,每段恰好跨过60°
切披萨分成n等份对应 →把圆等分成n段弧

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

α=360°n\alpha = \frac{360°}{n}
8第 8 页 · 圆内接正多边形

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。

定义
与正多边形每条边都恰好相切的圆
圆心重合
与正多边形中心、外接圆圆心是同一点
半径 = 边心距
内切圆半径 r 就是边心距
与外接圆关系
内切圆在外接圆内部,半径 r < R
方桌面里嵌的圆桌垫对应 →正多边形的内切圆

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

r=Rcos180°nr = R \cdot \cos\frac{180°}{n}
9第 9 页 · 正多边形的内切圆

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。

图解渲染中…
B2R 即顶心距:顶点到中心 O 的距离C2r 即边心距:边到中心 O 的距离
10第 10 页 · 外接圆与内切圆对比

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。

1
圆周=360°
绕圆心一圈回到原点,转过的角度总和就是360°
2
n顶点等分圆周
正多边形的n个顶点在圆上等距,把圆分成n段相等的弧
3
弧等则圆心角等
弧长相等⇒对应的圆心角也相等,所以n个中心角全相等
4
每个角=360°÷n
n个相等角加起来=360°,两边除以n即得公式
11第 11 页 · 由边数求中心角

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。

连心造三角形
中心 O 连相邻两顶点 A、B,得等腰三角形,两腰=R、底=a
作高劈两半
从 O 向 AB 作垂线,劈成两个全等直角三角形
边角对应
sin(180°/n) = (a/2) / R
公式成形
反解得 R = a / (2sin(180°/n))
披萨的一片对应 →中心与两顶点构成的等腰三角形

两刀痕=R、两切点之间弦=a、尖角=360°/n

R=a2sin(180°/n)R = \dfrac{a}{2\sin(180°/n)}
12第 12 页 · 边长与半径的关系

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。

还是那个直角三角形
半径 R 作斜边,中心到边中点的连线 r 作直角边,a/2 是另一条直角边
锐角仍是 180°/n
半径 R 把中心角 360°/n 平分,每个直角三角形的锐角就是 180°/n
换三角比:tan
对边 = a/2,邻边 = r,所以 tan(180°/n) = (a/2) ÷ r
解出 r
交叉相乘整理得 r = a / (2·tan(180°/n))
三角形屋顶的中柱对应 →边心距

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

r=a2tan(180°/n)r = \dfrac{a}{2\tan(180°/n)}
13第 13 页 · 边心距与边长的关系

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。

1
连心分三角形
把正n边形的中心与每个顶点相连,分成n个全等的等腰三角形
2
锁两腰与夹角
单三角形两腰等于外接圆半径a,夹角即中心角360°/n
3
SAS求单面积
用两边一夹角公式,得单三角形面积 = a²sin(360°/n)/2
4
推广到整体
n个全等三角形累加得 S = na²sin(360°/n)/2
14第 14 页 · 正多边形面积公式推导

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?

π的定义
任意圆的周长C除以直径d,记作π = C/d
普适常数
圆无论大小,比值都相同,约3.14159
无理数
小数部分无限不循环,永远算不完
正多边形求π
正n边形周长与2R的比值,n越大越逼近π
货币汇率对应 →π作为C与d的换算率

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

π=Cd3.14159265\pi=\dfrac{C}{d}\approx 3.14159265\ldots
15第 15 页 · 圆周率π的本质

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。

图解渲染中…
c外接圆:所有多边形的顶点始终落在这条圆上p5n→∞ 时,多边形的边无限短,与圆重合
16第 16 页 · 正多边形逼近圆示意

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。

1
六边形起步
选六边形,因为边长等于半径,周长立刻可算
2
内外夹逼
内接周长小于圆周长,外切周长大于圆周长
3
边数倍增
6→12→24→48→96,边数翻倍,越来越逼近圆
4
递推边长
用勾股定理,由旧边长推新边长,无需三角函数
5
得到π的界
算出 223/71 < π < 22/7,精度到小数点后两位
17第 17 页 · 用边数倍增逼近π

代码验证多边形逼近

python

用 Python 让边数翻倍,观察周长收敛到 2π。

代码高亮加载中…

sin(π/n) 算出每条弦长;周长/(2r) 收敛到 π,验证上页逼近结论。

18第 18 页 · 代码验证多边形逼近

核心概念自测

点击作答

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?

19第 19 页 · 核心概念自测

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
延伸主题:正多边形的尺规作图祖冲之与π的精算史极限思想与微积分起源
20第 20 页 · 本讲要点回顾

课后思考

先自己想,再翻参考答案——三个层次,逐步深入。

1为什么正 n 边形的中心角一定是 360°/n,而不是别的数?

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。

2已知正六边形边长为 a,不查表,你能推出它的面积公式吗?

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。

3正 n 边形边数无限增大时,它真的『变成』圆了吗?

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。

21第 21 页 · 课后思考