WikiDer > Пентагон - Википедия

Pentagon - Wikipedia
Пентагон
Равносторонний пятиугольник. SVG
Равносторонний пятиугольник, то есть пятиугольник, все пять сторон которого имеют одинаковую длину.
Края и вершины5
Внутренний угол (градусы)108 ° (при равноугловом, включая обычный)

В геометрия, а пятиугольник (от Греческий πέντε пенте и γωνία гония, смысл пять и угол[1]) любое пятистороннее многоугольник или 5-угольник. Сумма внутренние углы в просто пятиугольник равен 540 °.

Пентагон может быть простым или самопересекающийся. Самопересекающийся правильный пятиугольник (или же звезда пятиугольник) называется пентаграмма.

Правильные пятиугольники

Правильный пятиугольник
Правильный многоугольник 5 annotated.svg
Правильный пятиугольник
ТипПравильный многоугольник
Края и вершины5
Символ Шлефли{5}
Диаграмма КокстераCDel node 1.pngCDel 5.pngCDel node.png
Группа симметрииДвугранный (D5), порядок 2 × 5
Внутренний угол (градусы)108°
Двойной многоугольникСебя
ХарактеристикиВыпуклый, циклический, равносторонний, изогональный, изотоксальный
Сторона (), радиус описанной окружности (), радиус вписанной окружности (), высота (), ширина / диагональ ()

А обычный пятиугольник имеет Символ Шлефли {5} и внутренние углы равны 108 °.

А обычный пятиугольник имеет пять строк отражательная симметрия, и вращательная симметрия порядка 5 (через 72 °, 144 °, 216 ° и 288 °). В диагонали из выпуклый правильный пятиугольник в Золотое сечение по бокам. Его высота (расстояние от одной стороны до противоположной вершины) и ширина (расстояние между двумя наиболее удаленными друг от друга точками, равное длине диагонали) задаются выражением

куда р это радиус описанный круг.

Площадь правильного выпуклого пятиугольника с длиной стороны т дан кем-то

А пентаграмма или пятиугольник - это обычный звезда пятиугольник. Его Символ Шлефли составляет {5/2}. Его стороны образуют диагонали правильного выпуклого пятиугольника - в таком расположении стороны двух пятиугольников находятся в Золотое сечение.

Когда правильный пятиугольник ограниченный по кругу с радиусом р, длина его края т дается выражением

и его площадь

так как площадь описанной окружности равна правильный пятиугольник заполняет приблизительно 0,7568 описанной окружности.

Вывод формулы площади

Площадь любого правильного многоугольника равна:

куда п периметр многоугольника, а р это inradius (эквивалентно апофема). Подставляя значения регулярного пятиугольника на п и р дает формулу

с длиной стороны т.

Inradius

Как и любой правильный выпуклый многоугольник, правильный выпуклый пятиугольник имеет вписанный круг. В апофема, который является радиусом р вписанной окружности, правильного пятиугольника связана с длиной стороны т к

Хорды ​​от описанной окружности к вершинам

Как и любой правильный выпуклый многоугольник, правильный выпуклый пятиугольник имеет описанный круг. Для правильного пятиугольника с последовательными вершинами A, B, C, D, E, если P - любая точка на описанной окружности между точками B и C, то PA + PD = PB + PC + PE.

Точка в плоскости

Для произвольной точки на плоскости правильного пятиугольника с описанным радиусом , расстояние до центра тяжести правильного пятиугольника и его пяти вершин равно и соответственно имеем [2]

Если - расстояния от вершин правильного пятиугольника до любой точки его описанной окружности, то [2]

Построение правильного пятиугольника

Правильный пятиугольник можно построить с компас и линейка, поскольку 5 - это Ферма Прайм. Известно множество методов построения правильного пятиугольника. Некоторые обсуждаются ниже.

Метод Ричмонда

Ричмонд пятиугольник 1.PNG
Ричмонд Пентагон 2.PNG

Один из способов построения правильного пятиугольника в данном круге описан Ричмондом.[3] и далее обсуждается в работе Кромвеля. Многогранники.[4]

На верхней панели показана конструкция, использованная в методе Ричмонда для создания стороны вписанного пятиугольника. Окружность, определяющая пятиугольник, имеет единичный радиус. Его центр расположен в точке C и середина M отмечен на полпути по радиусу. Эта точка присоединяется к периферии вертикально над центром в точке D. Угол CMD делится пополам, а биссектриса пересекает вертикальную ось в точке Q. Горизонтальная линия через Q пересекает круг в точке п, и аккорд PD - искомая сторона вписанного пятиугольника.

Чтобы определить длину этой стороны, два прямоугольных треугольника DCM и QCM изображены под кружком. С помощью Теорема Пифагора и двух сторон, гипотенуза большего треугольника находится как . Сторона час меньшего треугольника находится с помощью формула полуугла:

где косинус и синус ϕ известны из большего треугольника. Результат:

Когда эта сторона известна, внимание обращается на нижнюю диаграмму, чтобы найти сторону s правильного пятиугольника. Во-первых, сторона а правого треугольника находится снова с помощью теоремы Пифагора:

потом s находится с помощью теоремы Пифагора и левого треугольника как:

Сторона s следовательно является:

хорошо зарекомендовавший себя результат.[5] Следовательно, такая конструкция пятиугольника верна.

Карлайл круги

Метод с использованием кругов Карлайла

Круг Карлайла был изобретен как геометрический метод для поиска корней квадратное уровненеие.[6] Эта методика приводит к процедуре построения правильного пятиугольника. Шаги следующие:[7]

  1. Нарисовать круг в который вписать пятиугольник и отметить центральную точку О.
  2. Проведите горизонтальную линию через центр круга. Отметьте левое пересечение с кругом точкой B.
  3. Проведите вертикальную линию через центр. Отметьте одно пересечение с кругом как точку А.
  4. Постройте точку M как середина О и B.
  5. Нарисуйте круг с центром в M через точку А. Отметьте его пересечение с горизонтальной линией (внутри исходного круга) как точку W и его пересечение вне круга как точка V.
  6. Нарисуйте круг радиуса OA и центр W. Он пересекает исходный круг в двух вершинах пятиугольника.
  7. Нарисуйте круг радиуса OA и центр V. Он пересекает исходный круг в двух вершинах пятиугольника.
  8. Пятая вершина - это крайнее правое пересечение горизонтальной линии с исходной окружностью.

Шаги 6–8 эквивалентны следующей версии, показанной на анимации:

6а. Постройте точку F как середину точек O и W.
7а. Постройте вертикальную линию через F. Она пересекает исходную окружность в двух вершинах пятиугольника. Третья вершина - это крайнее правое пересечение горизонтальной линии с исходной окружностью.
8а. Постройте две другие вершины, используя циркуль и длину вершины, найденную на шаге 7a.

Использование тригонометрии и теоремы Пифагора

Использование тригонометрии и теоремы Пифагора для построения правильного пятиугольника.
Конструкция
  1. Прежде всего отметим, что правильный пятиугольник можно разделить на 10 равных треугольников, как показано на рисунке. Наблюдение. Кроме того, cos 36 ° = .
  2. В Шаг 1, мы используем четыре единицы (показаны синим) и прямой угол, чтобы построить отрезок длиной 1+5, в частности, путем создания 1-2-5 прямоугольный треугольник, а затем продолжая гипотенузу 5 на длину 1. Затем мы делим этот сегмент пополам, а затем снова делим пополам, чтобы получить отрезок длины (показан красным.)
  3. В Шаг 2, построим две концентрические окружности с центром в О с радиусами 1 и длиной . Затем мы помещаем п произвольно на меньшем круге, как показано. Построение линии перпендикулярно OP проходя через п, мы строим первую сторону пятиугольника, используя точки, созданные на пересечении касательной и единичной окружности. Копирование этой длины четыре раза по внешнему краю единичных кругов дает нам правильный пятиугольник.

† Доказательство того, что cos 36 ° =

(с использованием формула сложения углов для косинуса)
(с помощью формулы двойного и половинного угла)
Позволять ты = cos 36 °. Прежде всего отметим, что 0 < ты <1 (что поможет нам упростить работу). Сейчас же,

Это быстро следует из знания, что удвоение синуса 18 градусов является обратным золотым сечением, которое мы знаем геометрически из треугольника с углами 72,72,36 градусов. Из тригонометрии мы знаем, что косинус дважды 18 градусов равен 1 минус два квадрата синуса 18 градусов, и это сводится к желаемому результату с помощью простой квадратичной арифметики.

Длина стороны указана

Правильный пятиугольник по Золотое сечение, разделение отрезка на внешнее деление

Пентагон при заданной длине стороны
  1. Нарисуйте сегмент AB длина которого равна заданной стороне пятиугольника.
  2. Расширить сегмент BA с точки А около трех четвертей сегмента BA.
  3. Нарисуйте дугу круга, центральную точку B, с радиусом AB.
  4. Нарисуйте дугу круга, центральную точку А, с радиусом AB; возникает перекресток F.
  5. Постройте перпендикуляр к отрезку AB через точку F; возникает перекресток грамм.
  6. Проведите линию, параллельную отрезку FG с точки А к дуге окружности вокруг точки А; возникает перекресток ЧАС.
  7. Нарисуйте дугу круга, центральную точку грамм с радиусом GH к продолжению сегмента AB; возникает перекресток J.
  8. Нарисуйте дугу круга, центральную точку B с радиусом Минет к перпендикуляру в точке грамм; возникает перекресток D на перпендикуляре, а пересечение E с дугой окружности, созданной вокруг точки А.
  9. Нарисуйте дугу круга, центральную точку D, с радиусом BA пока эта дуга окружности не пересечет другую дугу окружности вокруг точки B; возникает перекресток C.
  10. Соедините точки BCDEA. Получается пятиугольник.
Золотое сечение

Метод Евклида

Метод Евклида для пятиугольника в заданной окружности с использованием золотой треугольник, анимация 1 мин 39 с

Правильный пятиугольник - это конструктивный используя компас и линейка, либо вписав один в заданный круг, либо построив его на заданном крае. Этот процесс описал Евклид в его Элементы около 300 г. до н. э.[8][9]

Просто с помощью транспортира (не классическая конструкция)

Ниже приводится прямой метод с использованием степеней:

  1. Нарисуйте круг и выберите точку пятиугольника (например, верхний центр)
  2. Выберите точку А на круге, который будет одной вершиной пятиугольника. Проведите линию через О и А.
  3. Проведите через него направляющую линию и центр круга.
  4. Нарисуйте линии под углом 54 ° (от направляющей), пересекающие точку пятиугольника.
  5. Там, где они пересекают круг, нарисуйте линии под углом 18 ° (от параллели к направляющей).
  6. Присоединяйтесь к тому месту, где они пересекают круг

После образования правильного выпуклого пятиугольника, если соединить несмежные углы (нарисовать диагонали пятиугольника), то получится пентаграмма, с меньшим правильным пятиугольником в центре. Или, если расширить стороны, пока не встретятся несмежные стороны, получится пентаграмма большего размера. Точность этого метода зависит от точности транспортира, используемого для измерения углов.

Физические методы

Узел сверху бумажной полосы
  • Правильный пятиугольник можно создать из полоски бумаги, связав узел сверху в полоску и аккуратно расправив узел, потянув за концы полоски бумаги. Загибая один из концов над пятиугольником, можно увидеть пентаграмма при подсветке.
  • Постройте регулярный шестиугольник на плотной бумаге или картоне. Сделайте складку по трем диаметрам между противоположными вершинами. Вырежьте от одной вершины к центру, чтобы получился равносторонний треугольный лоскут. Закрепите эту заслонку под своим соседом, чтобы пятиугольная пирамида. Основание пирамиды - правильный пятиугольник.

Симметрия

Симметрии правильного пятиугольника. Вершины окрашены в соответствии с их положением симметрии. Синие зеркальные линии проводятся через вершины и ребра. В центре даны приказы гирации.

В правильный пятиугольник имеет Dih5 симметрия, порядок 10. Поскольку 5 - простое число есть одна подгруппа с диэдральной симметрией: Dih1, и 2 циклическая группа симметрии: Z5, а Z1.

Эти 4 симметрии можно увидеть в 4 различных симметриях на пятиугольнике. Джон Конвей маркирует их буквой и групповым порядком.[10] Полная симметрия правильной формы r10 и симметрия не помечена а1. Диэдральные симметрии разделяются в зависимости от того, проходят ли они через вершины (d для диагонали) или краев (п для перпендикуляров), и я когда линии отражения проходят через ребра и вершины. Циклические симметрии в среднем столбце помечены как грамм для их приказов центрального вращения.

Симметрия каждой подгруппы допускает одну или несколько степеней свободы для неправильных форм. Только g5 подгруппа не имеет степеней свободы, но может рассматриваться как направленные края.

Равносторонние пятиугольники

Равносторонний пятиугольник, состоящий из четырех равных кругов, расположенных в виде цепочки.

Равносторонний пятиугольник - это многоугольник с пятью сторонами равной длины. Однако его пять внутренних углов могут принимать ряд наборов значений, что позволяет ему образовывать семейство пятиугольников. Напротив, правильный пятиугольник уникален. вплоть до подобие, потому что оно равностороннее и равноугольное (его пять углов равны).

Циклические пятиугольники

А циклический пятиугольник - это тот, у которого окружность, называемая описанной окружностью, проходит через все пять вершин. Правильный пятиугольник - это пример циклического пятиугольника. Площадь циклического пятиугольника, правильного или неправильного, может быть выражена как одна четвертая квадратного корня одного из корней септическое уравнение коэффициенты которого являются функциями сторон пятиугольника.[11][12][13]

Существуют циклические пятиугольники с рациональными сторонами и рациональной площадью; они называются Пентагоны Роббинса. В пятиугольнике Роббинса либо все диагонали рациональны, либо все иррациональны, и предполагается, что все диагонали должны быть рациональными.[14]

Общие выпуклые пятиугольники

Для всех выпуклых пятиугольников сумма квадратов диагоналей меньше, чем в 3 раза больше суммы квадратов сторон.[15]:стр.75, № 1854

Графики

K5 полный график часто рисуется как правильный пятиугольник со всеми 10 соединенными ребрами. Этот график также представляет собой орфографическая проекция 5 вершин и 10 ребер 5-элементный. В выпрямленный 5-элементный, с вершинами на серединах краев 5-ячейки проецируется внутрь пятиугольника.

4-симплексный t0.svg
5-элементный (4D)
4-симплексный t1.svg
Выпрямленный 5-элементный (4D)

Примеры пятиугольников

Растения

Животные

Минералы

Искусственный

Пентагоны в плитке

В самая известная упаковка правильных пятиугольников одинакового размера на плоскости есть двойная решетка структура, которая покрывает 92,131% плоскости.

Правильный пятиугольник не может появляться ни в одной мозаике из правильных многоугольников. Во-первых, доказать, что пятиугольник не может образовывать обычная черепица (тот, в котором все грани совпадают, что требует, чтобы все многоугольники были пятиугольниками), обратите внимание, что 360° / 108° = 3​13 (где 108 ° - внутренний угол), который не является целым числом; следовательно, не существует целого числа пятиугольников, разделяющих одну вершину и не оставляющих промежутков между ними. Сложнее доказать, что пятиугольник не может входить в состав любой мозаики от края до края, образованной правильными многоугольниками:

Максимально известный плотность упаковки правильного пятиугольника составляет примерно 0,921, что достигается двойная решетка Показанная упаковка. В препринте, выпущенном в 2016 году, Томас Хейлз и Wöden Kusner объявили доказательство того, что двойная решетчатая упаковка правильного пятиугольника (которую они называют упаковкой «пятиугольного ледяного луча» и которую они прослеживают до работы китайских ремесленников в 1900 году) имеет оптимальную плотность среди всех упаковок обычного пятиугольника. пятиугольники в плоскости.[16] По состоянию на 2020 год, их доказательства еще не реферированы и не опубликованы.

Не существует комбинаций правильных многоугольников с 4 или более, пересекающимися в вершине, содержащими пятиугольник. Для комбинаций с 3, если 3 многоугольника пересекаются в вершине и один имеет нечетное число сторон, другие 2 должны быть конгруэнтными. Причина этого в том, что многоугольники, соприкасающиеся с краями пятиугольника, должны чередоваться вокруг пятиугольника, что невозможно из-за нечетного количества сторон пятиугольника. Для пятиугольника получается многоугольник, все углы которого равны (360 − 108) / 2 = 126°. Чтобы найти количество сторон у этого многоугольника, результат: 360 / (180 − 126) = 6​23, что не является целым числом. Следовательно, пятиугольник не может появиться ни в одной мозаике из правильных многоугольников.

Есть 15 классов пятиугольников, которые могут моноэдрально выложить плоскость. Ни один из пятиугольников не обладает какой-либо симметрией в целом, хотя у некоторых есть особые случаи с зеркальной симметрией.

15 одноугольных пятиугольных плиток
12345
Прототип p5-type1.pngПрототип p5-type2.pngПрототип p5-type3.pngPrototile p5-type4.pngPrototile p5-type5.png
678910
Прототип p5-type6.pngПрототип p5-type7.pngПрототип p5-type8.pngПрототип p5-type9.pngPrototile p5-type10.png
1112131415
Prototile p5-type11.pngПрототип p5-type12.pngPrototile p5-type13.pngПрототип p5-type14.pngPrototile p5-type15.png

Пентагоны в многогранниках

ячасТчасТdОяD5d
Dodecahedron.jpgPyritohedron.pngTetartoid.pngPentagonicositetrahedronccw.jpgПентагональный гексеконтаэдрccw.jpgПентагональный усеченный трапецоэдр.png
ДодекаэдрПиритоэдрТетартоидПятиугольный икоситетраэдрПятиугольный шестиугольникУсеченный трапецоэдр

Смотрите также

Встроенные заметки и ссылки

  1. ^ "пятиугольник, прил. и сущ." OED Online. Oxford University Press, июнь 2014 г. Интернет. 17 августа 2014 г.
  2. ^ а б Месхишвили, Мамука (2020). «Средние циклические правильные многоугольники и платоновы тела». Коммуникации в математике и приложениях. 11: 335–355.
  3. ^ Герберт Ричмонд (1893). «Пентагон».
  4. ^ Питер Р. Кромвель. Многогранники. п. 63. ISBN 0-521-66405-5.
  5. ^ Этот результат согласуется с Герберт Эдвин Хоукс; Уильям Артур Луби; Фрэнк Чарльз Тутон (1920). «Упражнение 175». Плоская геометрия. Ginn & Co. стр.302.
  6. ^ Эрик В. Вайсштейн (2003). CRC краткая энциклопедия математики (2-е изд.). CRC Press. п. 329. ISBN 1-58488-347-2.
  7. ^ ДеТемпл, Дуэйн В. (февраль 1991 г.). «Круги Карлейля и лемуанская простота многоугольных построений» (PDF). Американский математический ежемесячник. 98 (2): 97–108. Дои:10.2307/2323939. Архивировано из оригинал (PDF) 21 декабря 2015 г.
  8. ^ Джордж Эдвард Мартин (1998). Геометрические конструкции. Springer. п. 6. ISBN 0-387-98276-0.
  9. ^ Элементы геометрии Евклида, книга 4, предложение 11 (PDF). Перевод Ричарда Фицпатрика. 2008. с. 119. ISBN 978-0-6151-7984-1.
  10. ^ Джон Х. Конвей, Хайди Берджел, Хаим Гудман-Штраус, (2008) Симметрии вещей, ISBN 978-1-56881-220-5 (Глава 20, Обобщенные символы Шафли, Типы симметрии многоугольника, стр. 275-278)
  11. ^ Вайсштейн, Эрик У. «Циклический Пентагон». Материал из MathWorld - веб-ресурса Wolfram. [1]
  12. ^ Роббинс, Д. П. (1994). «Области многоугольников, вписанные в круг». Дискретная и вычислительная геометрия. 12: 223–236. Дои:10.1007 / bf02574377.
  13. ^ Роббинс, Д. П. (1995). «Области многоугольников, вписанные в круг». Американский математический ежемесячник. 102: 523–530. Дои:10.2307/2974766.
  14. ^ *Buchholz, Ralph H .; Макдугалл, Джеймс А. (2008), «Циклические многоугольники с рациональными сторонами и площадью», Журнал теории чисел, 128 (1): 17–48, Дои:10.1016 / j.jnt.2007.05.005, МИСТЕР 2382768, заархивировано из оригинал на 2018-11-12, получено 2012-03-29.
  15. ^ Неравенства, предложенные в «Crux Mathematicorum, [2].
  16. ^ Хейлз, Томас; Куснер, Воден (сентябрь 2016 г.), Упаковки правильных пятиугольников в самолет, arXiv:1602.07220

внешняя ссылка

СемьяАпBпя2(п) / DпE6 / E7 / E8 / F4 / грамм2ЧАСп
Правильный многоугольникТреугольникКвадратп-угольникШестиугольникПентагон
Равномерный многогранникТетраэдрОктаэдрКубДемикубДодекаэдрИкосаэдр
Равномерный 4-многогранник5-элементный16 ячеекТессерактDemitesseract24-элементный120 ячеек600 ячеек
Равномерный 5-многогранник5-симплекс5-ортоплекс5-куб5-полукуб
Равномерный 6-многогранник6-симплекс6-ортоплекс6-куб6-полукуб122221
Равномерный 7-многогранник7-симплекс7-ортоплекс7-куб7-полукруглый132231321
Равномерный 8-многогранник8-симплекс8-ортоплекс8-куб8-полукруглый142241421
Равномерный 9-многогранник9-симплекс9-ортоплекс9-куб9-полукруглый
Равномерный 10-многогранник10-симплекс10-ортоплекс10-куб10-полукуб
Униформа п-многогранникп-симплексп-ортоплексп-кубп-полукуб1k22k1k21п-пятиугольный многогранник
Темы: Семейства многогранниковПравильный многогранникСписок правильных многогранников и соединений