stringtranslate.com

Полигон

Некоторые многоугольники разных видов: открытые (исключая границу), имеющие только границу (исключая внутреннюю часть), замкнутые (включая как границу, так и внутреннюю часть) и самопересекающиеся.

В геометрии многоугольник ( / ˈ p ɒ l ɪ ɡ ɒ n / ) — это плоская фигура, состоящая из отрезков прямых , соединенных в замкнутую многоугольную цепь .

Сегменты замкнутой многоугольной цепи называются ее ребрами или сторонами . Точки, где встречаются два ребра, являются вершинами или углами многоугольника . N -угольник — это многоугольник с n сторонами; например, треугольник — это 3-угольник.

Простой многоугольник — это тот, который не пересекает сам себя. Точнее, единственными допустимыми пересечениями между отрезками линий, которые составляют многоугольник, являются общие конечные точки последовательных отрезков в многоугольной цепи. Простой многоугольник — это граница области плоскости, которая называется сплошным многоугольником . Внутренняя часть сплошного многоугольника — это его тело , также известное как многоугольная область или многоугольная область . В контекстах, где речь идет только о простых и сплошных многоугольниках, многоугольник может относиться только к простому многоугольнику или к сплошному многоугольнику.

Полигональная цепь может пересекать сама себя, создавая звездчатые многоугольники и другие самопересекающиеся многоугольники . Некоторые источники также считают замкнутые полигональные цепи в евклидовом пространстве типом многоугольника ( косой многоугольник ), даже если цепь не лежит в одной плоскости.

Полигон — это двумерный пример более общего многогранника в любом количестве измерений. Существует множество других обобщений полигонов, определенных для различных целей.

Этимология

Слово polygon происходит от греческого прилагательного πολύς ( polús ) 'много', 'много' и γωνία ( gōnía ) 'угол' или 'колен'. Было высказано предположение, что γόνυ ( gónu ) 'колено' может быть источником gon . [1]

Классификация

Некоторые различные типы полигонов

Количество сторон

Многоугольники в первую очередь классифицируются по количеству сторон.

Выпуклость и пересечение

Многоугольники можно охарактеризовать по типу их выпуклости или невыпуклости:

Равенство и симметрия

Свойство регулярности можно определить и другими способами: многоугольник является правильным тогда и только тогда, когда он является одновременно изогональным и изотоксальным, или, что эквивалентно, он является одновременно вписанным и равносторонним. Невыпуклый правильный многоугольник называется правильным звездчатым многоугольником .

Разнообразный

Свойства и формулы

Разбиение n -угольника на n − 2 треугольника

Везде предполагается евклидова геометрия .

Углы

У любого многоугольника столько же углов, сколько и сторон. Каждый угол имеет несколько углов. Два самых важных из них:

Область

Координаты невыпуклого пятиугольника

В этом разделе вершины рассматриваемого многоугольника считаются упорядоченными. Для удобства в некоторых формулах также будет использоваться обозначение ( x n , y n ) = ( x 0 , y 0 ) .

Простые многоугольники

Если многоугольник не является самопересекающимся (то есть простым ), то площадь со знаком равна

или, используя определители

где — квадрат расстояния между и [4] [5]

Площадь со знаком зависит от порядка вершин и ориентации плоскости . Обычно положительная ориентация определяется вращением (против часовой стрелки), которое отображает положительную ось x в положительную ось y . Если вершины упорядочены против часовой стрелки (то есть в соответствии с положительной ориентацией), площадь со знаком положительна; в противном случае она отрицательна. В любом случае формула площади верна по абсолютной величине . Это обычно называется формулой шнурка или формулой геодезиста . [6]

Площадь A простого многоугольника также можно вычислить , если известны длины сторон a 1 , a 2 , ..., a n и внешние углы θ 1 , θ 2 , ..., θ n , из:

Формула была описана Лопшицем в 1963 году. [7]

Если многоугольник можно нарисовать на равноотстоящей сетке так, чтобы все его вершины были точками сетки, теорема Пика дает простую формулу для площади многоугольника на основе количества внутренних и граничных точек сетки: первое число плюс половина второго числа, минус 1.

В каждом многоугольнике с периметром p и площадью A выполняется изопериметрическое неравенство . [8]

Для любых двух простых многоугольников равной площади теорема Бойяи–Гервина утверждает, что первый можно разрезать на многоугольные части, которые затем можно собрать во второй многоугольник.

Длины сторон многоугольника в общем случае не определяют его площадь. [9] Однако, если многоугольник простой и вписанный, то стороны определяют площадь. [10] Из всех n -угольников с заданными длинами сторон, тот, у которого наибольшая площадь, является вписанным. Из всех n -угольников с заданным периметром, тот, у которого наибольшая площадь, является правильным (и, следовательно, вписанным). [11]

Правильные многоугольники

Для вычисления площадей правильных многоугольников применимо множество специальных формул .

Площадь правильного многоугольника определяется через радиус r вписанной в него окружности и его периметр p по формуле

Этот радиус также называется апофемой и часто обозначается как .

Площадь правильного n -угольника через радиус R описанной окружности можно выразить тригонометрически как: [12] [13]

Площадь правильного n- угольника, вписанного в окружность единичного радиуса со стороной s и внутренним углом, можно также выразить тригонометрически как:

Самопересекающийся

Площадь самопересекающегося многоугольника можно определить двумя способами, дающими разные ответы:

Центроид

Используя то же соглашение для координат вершин, что и в предыдущем разделе, координаты центра тяжести сплошного простого многоугольника равны

В этих формулах необходимо использовать знаковое значение площади .

Для треугольников ( n = 3 ) центры тяжести вершин и объемной фигуры совпадают, но, в общем случае, это неверно для n > 3. Центр тяжести множества вершин многоугольника с n вершинами имеет координаты

Обобщения

Идея многоугольника была обобщена различными способами. Вот некоторые из наиболее важных:

Нейминг

Слово polygon происходит от позднелатинского polygōnum (существительное), от греческого πολύγωνον ( polygōnon/polugōnon ), существительного, использующего средний род от πολύγωνος ( polygōnos/polugōnos , прилагательное мужского рода), что означает «многоугольный». Отдельные многоугольники называются (и иногда классифицируются) в соответствии с числом сторон, комбинируя греческий -производный числовой префикс с суффиксом -gon , например, pentagon , dodecagon . Треугольник , четырехугольник и девятиугольник являются исключениями.

Помимо декагонов (10-угольников) и додекагонов (12-угольников), математики обычно используют числовые обозначения, например, 17-угольник и 257-угольник. [17]

Исключения существуют для количества сторон, которые легко выразить в словесной форме (например, 20 и 30), или которые используются нематематиками. Некоторые специальные многоугольники также имеют свои собственные названия; например, правильный звездный пятиугольник также известен как пентаграмма .

Чтобы составить имя многоугольника с более чем 20 и менее чем 100 ребрами, объедините префиксы следующим образом. [21] Термин «kai» применяется к 13-угольникам и выше и использовался Кеплером , а также пропагандировался Джоном Х. Конвеем для ясности конкатенированных префиксных чисел в именовании квазиправильных многогранников , [25] хотя не все источники используют его.

История

Историческое изображение многоугольников (1699)

Многоугольники известны с древних времен. Правильные многоугольники были известны древним грекам, с пентаграммой , невыпуклым правильным многоугольником ( звездчатым многоугольником ), появившимся еще в VII веке до н. э. на кратере Аристофана , найденном в Цере и ныне находящемся в Капитолийском музее . [40] [41 ]

Первое известное систематическое исследование невыпуклых многоугольников в целом было проведено Томасом Брэдвардином в 14 веке. [42]

В 1952 году Джеффри Колин Шепард обобщил идею многоугольников на комплексную плоскость, где каждое действительное измерение сопровождается мнимым , чтобы создать сложные многоугольники . [43]

В природе

Дорога гигантов в Северной Ирландии

Многоугольники встречаются в горных породах, чаще всего в виде плоских граней кристаллов , где углы между сторонами зависят от типа минерала, из которого сделан кристалл.

Правильные шестиугольники могут образовываться, когда при охлаждении лавы образуются области плотно упакованных базальтовых колонн , которые можно увидеть на Тропе гигантов в Северной Ирландии или на Столбах дьявола в Калифорнии .

В биологии поверхность восковых сот, созданных пчелами, представляет собой массив шестиугольников , а стороны и основание каждой ячейки также являются многоугольниками.

Компьютерная графика

В компьютерной графике полигон — это примитив, используемый в моделировании и рендеринге. Они определяются в базе данных, содержащей массивы вершин (координаты геометрических вершин , а также другие атрибуты полигона, такие как цвет, затенение и текстура), информацию о связях и материалы. [44] [45]

Любая поверхность моделируется как тесселяция, называемая полигональной сеткой . Если квадратная сетка имеет n + 1 точек (вершин) на сторону, то в сетке есть n квадратных квадратов или 2 n квадратных треугольников, поскольку в квадрате два треугольника. На треугольник приходится ( n + 1) 2 / 2( n 2 ) вершин. Когда n велико, это приближается к половине. Или каждая вершина внутри квадратной сетки соединяет четыре ребра (линии).

Система визуализации вызывает из базы данных структуру полигонов, необходимых для создания сцены. Она передается в активную память и, наконец, в систему отображения (экран, телевизионные мониторы и т. д.), чтобы сцену можно было просматривать. Во время этого процесса система визуализации визуализирует полигоны в правильной перспективе, готовой к передаче обработанных данных в систему отображения. Хотя полигоны являются двумерными, через системный компьютер они размещаются в визуальной сцене в правильной трехмерной ориентации.

В компьютерной графике и вычислительной геометрии часто необходимо определить, лежит ли заданная точка внутри простого многоугольника, заданного последовательностью отрезков. Это называется тестом точки в многоугольнике . [46]

Смотрите также

Ссылки

Библиография

Примечания

  1. ^ Крейг, Джон (1849). Новый универсальный этимологический, технологический и орфоэпический словарь английского языка. Оксфордский университет. С. 404.Выдержка из стр. 404
  2. ^ Магнус, Вильгельм (1974). Неевклидовы мозаики и их группы. Чистая и прикладная математика. Т. 61. Academic Press. С. 37.
  3. ^ Каппрафф, Джей (2002). За пределами меры: экскурсия по природе, мифу и числу. World Scientific. стр. 258. ISBN 978-981-02-4702-7.
  4. ^ Б.Сз. Надь, Л. Редей: Eine Verallgemeinerung der Inhaltsformel von Heron. Опубл. Математика. Дебрецен 1, 42–50 (1949)
  5. ^ Бурк, Пол (июль 1988 г.). "Вычисление площади и центра масс многоугольника" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 16 сентября 2012 г. . Получено 6 февраля 2013 г. .
  6. ^ Барт Брейден (1986). «Формула площади геодезиста» (PDF) . The College Mathematics Journal . 17 (4): 326–337. doi :10.2307/2686282. JSTOR  2686282. Архивировано из оригинала (PDF) 2012-11-07.
  7. ^ AM Лопшиц (1963). Вычисление площадей ориентированных фигур . переводчики: J Massalski и C Mills Jr. DC Heath and Company: Boston, MA.
  8. ^ «Дергиадес, Николаос, «Элементарное доказательство изопериметрического неравенства», Forum Mathematicorum 2, 2002, 129–130» (PDF) .
  9. Роббинс, «Многоугольники, вписанные в окружность», American Mathematical Monthly 102, июнь–июль 1995 г.
  10. ^ Пак, Игорь (2005). «Площадь циклических многоугольников: недавний прогресс в гипотезах Роббинса». Advances in Applied Mathematics . 34 (4): 690–696. arXiv : math/0408104 . doi :10.1016/j.aam.2004.08.006. MR  2128993. S2CID  6756387.
  11. ^ Чакериан, ГД «Искаженный взгляд на геометрию». Гл. 7 в Mathematical Plums (редактор Р. Хонсбергер). Вашингтон, округ Колумбия: Математическая ассоциация Америки, 1979: 147.
  12. ^ Площадь правильного многоугольника – вывод из Math Open Reference.
  13. ^ Правильный многоугольник с бесконечным числом сторон — это окружность: .
  14. ^ Де Вильерс, Майкл (январь 2015 г.). «Уничтожение геометрического «монстра»: нахождение площади пересеченного четырехугольника» (PDF) . Изучение и преподавание математики . 2015 (18): 23–28.
  15. Коксетер (3-е изд. 1973 г.)
  16. ^ Гюнтер Циглер (1995). «Лекции о многогранниках». Springer Graduate Texts in Mathematics , ISBN 978-0-387-94365-7 . стр. 4. 
  17. ^ abcd Mathworld
  18. ^ Грюнбаум, Б.; «Ваши многогранники такие же, как мои многогранники», Дискретная и вычислительная геометрия: сборник Гудмена-Поллака , под ред. Аронова и др., Springer (2003), стр. 464.
  19. ^ Хасс, Джоэл; Морган, Фрэнк (1996). «Геодезические сети на 2-сфере». Труды Американского математического общества . 124 (12): 3843–3850. doi : 10.1090/S0002-9939-96-03492-2 . JSTOR  2161556. MR  1343696.
  20. ^ Коксетер, HSM; Правильные многогранники , Dover Edition (1973), стр. 4.
  21. ^ abcdefghijklmnopqrstu vwxy Саломон, Дэвид (2011). Руководство по компьютерной графике. Springer Science & Business Media. С. 88–90. ISBN 978-0-85729-886-7.
  22. ^ abc Бенджамин, Эллиот; Снайдер, К. Математические труды Кембриджского философского общества 156.3 (май 2014 г.): 409–424.; https://dx.doi.org/10.1017/S0305004113000753
  23. ^ ab Артур Барагар (2002) Построения с использованием циркуля и линейки с двумя зазубринами, The American Mathematical Monthly, 109:2, 151–164, doi :10.1080/00029890.2002.11919848
  24. ^ abcdef Новые элементы математики: алгебра и геометрия Чарльза Сандерса Пирса (1976), стр.298
  25. ^ ab "Именование многоугольников и многогранников". Спросите доктора Математики . Математический форум – Университет Дрекселя . Получено 3 мая 2015 г.
  26. ^ Сепкоски, Дэвид (2005). «Номинализм и конструктивизм в математической философии семнадцатого века». Historia Mathematica . 32 : 33–59. doi : 10.1016/j.hm.2003.09.002 .
  27. Готфрид Мартин (1955), Метафизика и теория науки Канта , Manchester University Press, стр. 22.
  28. Дэвид Юм, Философские труды Дэвида Юма , том 1, Black and Tait, 1826, стр. 101.
  29. ^ Гибилиско, Стэн (2003). Геометрия демистифицирована (Online-Ausg. Ed.). Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-141650-4.
  30. ^ Дарлинг, Дэвид Дж., Универсальная книга математики: от Абракадабры до парадоксов Зенона , John Wiley & Sons, 2004. стр. 249. ISBN 0-471-27047-4
  31. ^ Дугопольски, Марк, Колледж алгебры и тригонометрии , 2-е изд., Addison-Wesley, 1999. стр. 505. ISBN 0-201-34712-1
  32. Маккормик, Джон Фрэнсис, Схоластическая метафизика , Издательство университета Лойолы, 1928, стр. 18.
  33. ^ Меррилл, Джон Кэлхун и Оделл, С. Джек, Философия и журналистика , Longman, 1983, стр. 47, ISBN 0-582-28157-1
  34. ^ Хосперс, Джон, Введение в философский анализ , 4-е изд., Routledge, 1997, стр. 56, ISBN 0-415-15792-7
  35. ^ Мандик, Пит, Ключевые термины в философии разума , Continuum International Publishing Group, 2010, стр. 26, ISBN 1-84706-349-7
  36. ^ Кенни, Энтони, Расцвет современной философии , Oxford University Press, 2006, стр. 124, ISBN 0-19-875277-6
  37. Балмс, Джеймс, «Фундаментальная философия», т. II , Sadlier and Co., Бостон, 1856, стр. 27.
  38. ^ Поттер, Винсент Г., О понимании понимания: философия знания , 2-е изд., Fordham University Press, 1993, стр. 86, ISBN 0-8232-1486-9
  39. ^ Рассел, Бертран, История западной философии , переиздание, Routledge, 2004, стр. 202, ISBN 0-415-32505-6
  40. ^ Хит, сэр Томас Литтл (1981). История греческой математики, том 1. Courier Dover Publications. стр. 162. ISBN 978-0-486-24073-2.Перепечатка оригинальной публикации 1921 года с исправленными опечатками. Хит использует латинизированное написание имени художника по вазам «Aristophonus».
  41. ^ Кратер с ослеплением Полифема и морским сражением Архивировано 2013-11-12 в Wayback Machine , Залы Кастеллани, Капитолийский музей, доступ 2013-11-11. Две пентаграммы видны около центра изображения,
  42. ^ Коксетер, HSM; Регулярные многогранники , 3-е изд., Дувр (PBK), 1973, стр. 114
  43. ^ Шепард, GC; "Правильные комплексные многогранники", Труды Лондонского Математического Общества, Серия 3, Том 2, 1952, стр. 82–97
  44. ^ "спецификация вершин OpenGL".
  45. ^ "Direct3D-рендеринг на основе вершин и треугольников". 6 января 2021 г.
  46. ^ Ширра, Стефан (2008). «Насколько надежны практические стратегии «точка в многоугольнике»?». В Гальперин, Дэн; Мельхорн, Курт (ред.). Алгоритмы — ESA 2008: 16-й ежегодный европейский симпозиум, Карлсруэ, Германия, 15–17 сентября 2008 г., Труды . Конспект лекций по информатике. Том 5193. Springer. стр. 744–755. doi :10.1007/978-3-540-87744-8_62. ISBN 978-3-540-87743-1.

Внешние ссылки