Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок / Математика / Другие методич. материалы / Исследовательская работа на тему "Полуправильные многогранники и многоугольники"

Исследовательская работа на тему "Полуправильные многогранники и многоугольники"


  • Математика

Поделитесь материалом с коллегами:

МАЛАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ШКОЛЬНИКОВ КРЫМА

«ИСКАТЕЛЬ»




Секция «Математическое моделирование»



Полуправильные

многогранники и многоугольники



Работу выполнил

____________________

учащийся ____ класса

________________


Научный руководитель










СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………3

І. ПОЛУПРАВИЛЬНЫЕ МНОГОГРАННИКИ…………………………………….4

I.1. Виды полуправильных многогранников……………………………………....4

II. ПОЛУПРАВИЛЬНЫЕ МНОГОУГОЛЬНИКИ……………………………........9

II.1. Определение полуправильных многоугольников…………………………….9

II.2. Свойства полуправильных равноугольных многоугольников ……….……9

II.3. Свойства полуправильных равносторонних многоугольников …………..17

II.4. Полуправильные многоугольники на правильных паркетах ……………...26

II.5. Построение полуправильных многоугольников……………………………28

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………..30

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…………………………….….31

Приложения………………………………………………………………..…….….32




















Введение


Правильные многогранники и правильные многоугольники хорошо изучены и описаны. Существует пять видов правильных многогранников и бесконечное число правильных многоугольников, известны их свойства, формулы объемов и площадей. Менее популярны полуправильные многогранники, и совсем мало информации о полуправильных многоугольниках. При этом всем известный футбольный мяч в своем классическом виде, а также некоторые кристаллы имеют форму полуправильных многогранников, а полуправильные многоугольники присутствуют в паркетах. Не являясь идеальными телами и фигурами, тем не менее, полуправильные многогранники и многоугольники обладают рядом интересных свойств, не все из которых доказаны. Присущая этим телам и фигурам двойственность повышает интерес к их изучению, делает его логически завершенным и полным.

Объект исследования: полуправильные многогранники и многоугольники.

Цель исследования: изучить свойства полуправильных многогранников и многоугольников.

Задачи исследования: 1) изучить литературу по данному вопросу; 2) систематизировать информацию о полуправильных многогранниках и полуправильных многоугольниках; 3) сформулировать и доказать дополнительные свойства полуправильных многоугольников.











I. ПОЛУПРАВИЛЬНЫЕ МНОГОГРАННИКИ


I.1. Виды полуправильных многогранников


Если в определении правильного многогранника допустить, чтобы гранями многогранника могли быть различные правильные многоугольники, то получим многогранники, которые называются полуправильными (равноугольно полуправильными). Полуправильным многогранником называется выпуклый многогранник, гранями которого являются правильные многоугольники (возможно, и с разным числом сторон) и все многогранные углы равны.

Как и в случае правильных многогранников, вместо второго условия (равенства многогранных углов) в определении полуправильного многогранника можно было бы сформулировать более слабое условие, а именно: в каждой вершине многогранника сходится одинаковое число ребер.

К полуправильным многогранникам относятся правильные n-угольные призмы, все ребра которых равны. Например, правильная пятиугольная призма на рисунке 1 имеет своими гранями два правильных пятиугольника - основания призмы, и пять квадратов, образующих боковую поверхность призмы. К полуправильным многогранникам относятся и так называемые антипризмы. На рисунке 2 изображена пятиугольная антипризма, полученная из пятиугольной призмы поворотом одного из оснований относительно другого на угол 36hello_html_11098920.png. Каждая вершина верхнего и нижнего оснований соединена с двумя ближайшими вершинами другого основания.


hello_html_1ce9c72.png


Кроме этих двух бесконечных серий полуправильных многогранников имеется еще 13 полуправильных многогранников, которые впервые открыл и описал Архимед - это тела Архимеда. Самые простые из них получаются из правильных многогранников операцией "усечения", состоящей в отсечении плоскостями углов многогранника. Если срезать углы тетраэдра плоскостями, каждая из которых отсекает третью часть его ребер, выходящих из одной вершины, то получим усеченный тетраэдр, имеющий восемь граней (рис. 3). Из них четыре - правильные шестиугольники и четыре - правильные треугольники. В каждой вершине этого многогранника сходятся три ребра. Если указанным образом срезать вершины октаэдра и икосаэдра, то получим соответственно усеченный октаэдр (рис. 4) и усеченный икосаэдр (рис. 5). Известно, что поверхность футбольного мяча изготавливают в форме поверхности усеченного икосаэдра. Из куба и додекаэдра также можно получить усеченный куб (рис. 6) и усеченный додекаэдр (рис. 7).

hello_html_m5098128d.png


hello_html_m5098128d.png

Для того, чтобы получить еще один полуправильный многогранник, проведем в кубе отсекающие плоскости через середины ребер, выходящих из одной вершины. В результате получим полуправильный многогранник, который называется кубооктаэдром (рис. 8). Его гранями являются шесть квадратов, как у куба, и восемь правильных треугольников, как у октаэдра. Отсюда и его название - кубооктаэдр. Аналогично, если в додекаэдре отсекающие плоскости провести через середины ребер, выходящих из одной вершины, то получим многогранник, который называется икосододекаэдром (рис. 9). У него двадцать граней - правильные треугольники и двенадцать граней - правильные пятиугольники, т.е. все грани икосаэдра и додекаэдра.


hello_html_m512f74be.png


Заметим, что повторное применение операции усечения к полученным полуправильным многогранникам уже не дает полуправильных многогранников. Дело в том, что многогранные углы данных многогранников не являются правильными. Поэтому многоугольники, получающиеся в сечении этих углов, также не будут правильными. Например, если операцию усечения применить к кубооктаэдру, то в сечениях многогранных углов получим прямоугольники, но не квадраты. Тем не менее, существует полуправильный многогранник (рис. 10), похожий на усеченный кубооктаэдр, гранями которого являются правильные восьмиугольники, шестиугольники и квадраты. Этот многогранник называется усеченным кубооктаэдром, хотя он не получается из кубооктаэдра операцией усечения. Аналогично, если операцию усечения применить к икосододекаэдру, то в сечениях многогранных углов получим прямоугольники, но не квадраты. Тем не менее, существует полуправильный многогранник (рис. 11), похожий на усеченный икосододекаэдр, гранями которого являются правильные десятиугольники, шестиугольники и квадраты. Этот многогранник называется усеченным икосододекаэдром, хотя он не получается из икосододекаэдра операцией усечения.

Рассмотрены 9 из 13 описанных Архимедом полуправильных многогранников. Четыре оставшихся - многогранники более сложного типа. На рисунке 12 изображен ромбокубооктаэдр. Его поверхность состоит из граней куба и октаэдра, к которым добавлены еще 12 квадратов. На рисунке 13 изображен ромбоикосододекаэдр, поверхность которого состоит из граней икосаэдра, додекаэдра и еще 30 квадратов. На рисунках 14, а, б представлены соответственно так называемые плосконосый (иногда называют курносый) куб и плосконосый (курносый) додекаэдр, поверхности которых состоят из граней куба или додекаэдра, окруженных правильными треугольниками.


hello_html_28fb8b01.png

Как видим, каждая поверхность этих многогранников состоит из двух или трех типов граней: квадраты, треугольники, пятиугольники и треугольники, квадраты, пятиугольники и треугольники. Модели этих многогранников будут особенно привлекательны, если при их изготовлении грани каждого типа раскрасить в свой особый цвет.

Полуправильные многогранники называют также равноугольно полуправильными многогранниками, из-за того, что все их многогранные углы равны. Рассмотрим многогранники, двойственные к полуправильным многогранникам. Их центры граней являются вершинами полуправильных многогранников. Они образуют класс так называемых равногранно полуправильных многогранников. У этих многогранников равны все грани, которые, однако, не являются правильными многоугольниками, и равны все двугранные углы. На рисунках 15, а-в показаны многогранники, двойственные к усеченному тетраэдру, усеченному кубу и усеченному октаэдру.

hello_html_51278dad.png

На рисунках 15, г-н показаны многогранники, двойственные к остальным полуправильным многогранникам.

hello_html_1f7924a6.png

Рис. 15

Многогранник на рисунке 15, е называется ромбододекаэдром. Его гранями являются 12 ромбов. Форму этого многогранника имеет кристалл граната [4-5].


II. ПОЛУПРАВИЛЬНЫЕ МНОГОУГОЛЬНИКИ


II.1. Определение полуправильных многоугольников


По определению выпуклый многоугольник называется правильным, если он равноугольный и равносторонний. Однако существует интересный класс фигур, не обладающих этими двумя свойствами одновременно. Мы будем называть полуправильными следующие многоугольники:

а) равноугольные, у которых стороны равны через одну;

б) равносторонние, у которых углы равны через один.

Примером полуправильного многоугольника первого рода является прямоугольник, а второго — ромб. Из описания полуправильных многоугольников видно, что у каждого из них четное число вершин; обозначим

его через 2n [1, 25].


II.2. Свойства полуправильных равноугольных многоугольников


1. Противоположные стороны равноугольного многоугольника параллельны.

Действительно, выполняя обход многоугольника, замечаем, что каждая сторона повернута относительно предыдущей на внешний угол, то есть на hello_html_m1e2a8d12.gif (рис. 2.1). Следовательно, сторона Аn+1An+2 повернута относительно стороны A1A2 на сумму n внешних углов, то есть на 180º.

2. Если соединить вершины полуправильного равноугольного многоугольника через одну (все нечетные или все четные вершины), то получится правильный многоугольник (рис. 2.1).

Доказательство: треугольники А1А2А3, А3А4А5, A5A6A7 , … равны по первому признаку, значит, А1А3 = А3А5 =… . С другой стороны, из равенства треугольников следует равенство их соответственных углов. Обозначим внутренний угол полуправильного 2n-угольника через α2n. Находим внутренние углы получившегося многоугольника: они равны

α2n-(β+γ)= α2n-(180º- α2n)= 2α2n-180º=2·180º· (1-hello_html_91ff6df.gif)-180º=180º· (1-hello_html_m5874b24a.gif),

как и должно быть у правильного n-угольника.


hello_html_mfdbe489.png

Рис. 2.1

hello_html_769c3ecc.png

Рис.2.2

3. Около полуправильного равноугольного многоугольника можно описать окружность.

Опишем окружность около правильного n-угольника А1А3А5… (рис. 2.2). Внутренний угол равноугольного 2n-угольника равен 180º (1-hello_html_91ff6df.gif). Легко подсчитать, что дуга А1А2А3 вдвое меньше градусной величины дуги А3А5А1, значит, точка А2 лежит на построенной окружности. Это относится и к другим вершинам: А4, A6, … .

4. Если число вершин полуправильного равноугольного многоугольника кратно 4, то большие диагонали пересекаются в одной точке и делятся ею пополам.

hello_html_337d102c.pngДля доказательства используем свойство 2: эти диагонали являются также диагоналями правильного многоугольника с четным числом сторон, поэтому они пересекаются в одной точке — центре описанной около многоугольника окружности - и делятся этой точкой пополам. Если же число вершин полуправильного равноугольного многоугольника не кратно 4, то нетрудно построить пример (рис. 2.3), когда большие диагонали пересекаются в нескольких точках.

5. Центр окружности, описанной около полуправильного равноугольного 4n-угольника, является его центром симметрии.

Из свойства 4 следует, что при центральной симметрии относительно центра окружности вершины

Рис 2.3 многоугольника переходят в вершины;

следовательно, стороны тоже переходят в стороны.

6. Прямая, проходящая через середины двух параллельных сторон полуправильного равноугольного многоугольника, является его осью симметрии.

По свойству параллельных хорд окружности эта прямая проходит через центр описанной окружности. Из равенства соответствующих хорд по обе стороны от прямой следует симметричность соответствующих вершин многоугольника относительно проведенной прямой (рис. 2.4).

hello_html_m3808bc89.png

Рис.2.4


7. Пусть полуправильный равноугольный многоугольник имеет 2n вершин, тогда центр описанной около него окружности является его центром симметрии порядка n.

Это означает, что при повороте вокруг центра окружности на угол, кратный , многоугольник совмещается сам с собой. Это следует из свойств 2 и 3.

8. Сумма расстояний от внутренней точки до сторон (или их продолжений) полуправильного равноугольного многоугольника постоянна.

Как известно, таким свойством обладает правильный многоугольник. Если соединить внутреннюю точку правильного многоугольника с вершинами, то сумма площадей полученных треугольников равна площади многоугольника. Обозначив сторону многоугольника через a, а расстояния до сторон через х0, x1, х2, х3, … получим

hello_html_10ea601e.gif, hello_html_m526417ec.gif

hello_html_432945b1.png

Рис. 2.5

Пусть в данном многоугольнике сторона А1А6 больше стороны А1А2. Построим на А1А6 правильный 2n-угольник (рис. 2.5). Тогда все стороны исходного многоугольника (кроме трех) соответственно параллельны сторонам правильного многоугольника, а три (А1А6 и смежные с ней) лежат на сторонах правильного многоугольника. Следовательно, расстояния от внутренней точки М до сторон правильного многоугольника таковы:

hello_html_f4d2cd.gifhello_html_70092cfa.gif

где b1, b2, b3 постоянны, а искомая сумма:

hello_html_m2c8086d3.gif

hello_html_m598d56cf.png

Рис.2.6


9. Если последовательно соединить середины сторон полуправильного равноугольного многоугольника, то получится полуправильный равносторонний многоугольник.

Действительно, по свойству 2 все малые диагонали полуправильного равноугольного многоугольника равны между собой. Стороны полученного многоугольника (рис. 2.6) вдвое меньше этих диагоналей, так как являются средними линиями треугольников А1А2А3, А2А3А4, A3A4A5, … Используя свойство 7, можно установить, что углы этого многоугольника равны через один.

10. Точки пересечения малых диагоналей полуправильного равноугольного многоугольника образуют полуправильный равносторонний многоугольник.

Это свойство следует из свойств 6 и 7. При отражении относительно прямой l (рис. 2.4) исходный многоугольник переходит в себя, следовательно, треугольник А3С3С2 совмещается с треугольником А4С3С4, откуда С2С33С4; аналогичные равенства справедливы и для остальных сторон. Равенство углов через один у многоугольника С1С2С3С4… легко выводится из свойства 7 или из

теоремы о том, что угол между двумя хордами равен полусумме соответствующих дуг.


11. Сумма квадратов расстояний от любой точки описанной окружности до вершин полуправильного равноугольного 2n-угольника равна 4nR2.

Докажем свойство 11 для четных n. При этом достаточно заметить, что А1Аn+1, A2An+2, A3An+3, … - диаметры описанной окружности; потому для любой точки М этой окружности hello_html_6e9b9e35.gif.

В общем случае: пусть М – точка описанной окружности, О – центр окружности (рис. 2.7), тогда

hello_html_m6bae8dfb.png

Рис.2.7


hello_html_1cd47d8c.gif

так как hello_html_6fdf6eb1.gif



12. Площадь полуправильного равноугольного 2n-угольника со сторонами А1А2 = a, A2A3 = b равна

hello_html_1611fa23.gif

(См. рис.2.1) Эта площадь равна сумме площадей правильного n-угольника и n треугольников, равных A1A2A3. Мы уже нашли, что А1А2А3=180º - hello_html_m1e2a8d12.gif

(при доказательстве свойства 1); теперь

hello_html_14ca931b.gif

Площадь правильного n-угольника А1А3А5…А2n-1 равна

hello_html_m3bfb0277.gif

По теореме косинусов для треугольника A1A2A3

hello_html_m1018e122.gif

и окончательно


Например, площадь полуправильного равноугольного шестиугольника равна hello_html_m105d356.gif, а восьмиугольника - hello_html_m2d1f428.gif[1, 25-28].


13. Радиус окружности, описанной около полуправильного равноугольного

2n-угольника со сторонами a и b и углом α равен hello_html_47ead9f8.gif

Для доказательства воспользуемся тем, что окружность, описанная около полуправильного равноугольного многоугольника, является также описанной около правильного многоугольника, образованного соединением вершин данного многоугольника через одну (свойство 2) (рис.2.2). Выразим по теореме косинусов сторону правильного многоугольника:

hello_html_m447177b.gif

Воспользуемся формулой радиуса окружности, описанной около правильного

n-угольника

hello_html_3b436aa1.gif, тогда hello_html_47ead9f8.gif




II.3. Свойства полуправильных равносторонних многоугольников


1. Если число вершин полуправильного равностороннего многоугольника кратно 4, то его противоположные стороны параллельны [1,28].

Выполняя обход многоугольника, замечаем, что каждая сторона повернута относительно предыдущей на внешний угол (рис.2.8). Внутренние углы многоугольника по определению равны через один, значит, и внешние углы равны через один. Пусть внешние углы равны α и β, всего внешних углов 4n, тогда 2 + 2 = 360º. Следовательно, поротивоположные стороны полуправильного равностороннего многоугольника повернуты относительно друг друга на сумму + = 180º.

hello_html_m86ec8e3.png

Рис.2.8

2. Если соединить вершины полуправильного равностороннего многоугольника через одну, то получится правильный многоугольник (рис.2.9) [1,28].

Доказательство: равнобедренные А1А2А3 = ∆ А3А4А5 = ∆A5A6A7 =... (по двум сторонам и углу между ними), значит, А1А3 = А3А5 =… . С другой стороны, из равенства треугольников следует равенство их соответственных углов. Пусть углы при основаниях равнобедренных треугольников равны γ. Обозначим внутренние углы полуправильного 2n-угольника через α2n и β2n. Находим внутренние углы получившегося многоугольника: они равны

α2n-(γ + γ)= α2n-(180º- β2n)= α2n + β2n -180º=2·180º· (1-hello_html_91ff6df.gif)-180º=180º· (1-hello_html_m5874b24a.gif),

как и должно быть у правильного n-угольника.

hello_html_m5d1ce857.pngРис.2.9

3. Большие диагонали полуправильного равностороннего многоугольника пересекаются в одной точке и делятся ею пополам [1, 29].

Большие диагонали полуправильного равностороннего многоугольника являются также диагоналями правильного многоугольника, образованного соединением вершин через одну. Диагонали правильного многоугольника пересекаются в одной точке, следовательно, и диагонали полуправильного равностороннего многоугольника пересекаются в одной точке и делятся ею пополам (рис.2.10).

4. В полуправильный равносторонний многоугольник можно вписать окружность [1,28].

Центр вписанной окружности равноудален от сторон многоугольника, то есть является точкой пересечения биссектрис. Значит, для доказательства этого свойства достаточно показать, что биссектрисы многоугольника пересекаются в одной точке. Большие диагонали полуправильного равностороннего многоугольника являются также диагоналями правильного многоугольника, образованного соединением вершин через одну. Диагонали правильного многоугольника пересекаются в одной точке и являются биссектрисами его углов, из этого следует, что эти диагонали также будут являтся биссектрисами углов полуправильного равностороннего многоугольника.

hello_html_m5c25fe71.pngРис. 2.10.

5. Центр окружности, вписанной в полуправильный равносторонний 4n-угольник, является его центром симметрии.

Из свойства 3 следует, что при центральной симметрии относительно центра окружности вершины многоугольника переходят в вершины; следовательно, стороны тоже переходят в стороны.

6. Большие диагонали полуправильного равностороннего многоугольника являются его осями симметрии[1, 29].

Большая диагональ является осью симметрии правильного многоугольника; треугольники, дополняющие правильный многоугольник до полуправильного, равны (рис. 2.10). Значит, полуправильный многоугольник является симметричной фигурой.

7. Пусть полуправильный равносторонний многоугольник имеет 2n вершин, тогда центр вписанной в него окружности является его центром симметрии порядка n

[1, 29].

Это означает, что при повороте вокруг центра окружности на угол, кратный hello_html_8a334d8.gif , многоугольник совмещается сам с собой. Это следует из свойств 2, 4 и 5.

8. Сумма расстояний от внутренней точки до сторон полуправильного равностороннего многоугольника постоянна (рис. 2.11) [1, 29].

hello_html_m35790d9a.pngРис.2.11

Если соединить внутреннюю точку полуправильного равностороннего многоугольника с вершинами, то сумма площадей полученных треугольников равна площади многоугольника. Обозначив сторону многоугольника через a, а расстояния до сторон через х0, x1, х2, х3, … получим:

hello_html_10ea601e.gif, hello_html_m526417ec.gif

9. Если последовательно соединить середины сторон полуправильного равностороннего многоугольника, то получится полуправильный равноугольный многоугольник (рис.2.12) [1, 29].

hello_html_17191542.png

Рис.2.12

Рассмотрим полуправильный равносторонний многоугольник А1А2А3А4А5… с серединами сторон М1, М2, М3, М4, М5. Соединим последовательно середины сторон. Отсеченные треугольники являются равнобедренными и равными через один по двум сторонам и углу между ними. Из равенства треугольников следует, что стороны образованного многоугольника равны через одну. Пусть углы при основаниях равнобедренных треугольников с четными вершинами равны α, а с нечетными – β. Тогда М1М2М3 = 180º - (α + β) = М2М3М4 = … . Значит, данный многоугольник является полуправильным равноугольным.

10. Точки пересечения малых диагоналей полуправильного равностороннего многоугольника являются вершинами полуправильного равноугольного многоугольника [1, 29].

Рассмотрим полуправильный равносторонний многоугольник А1А2А3А4А5, в котором проведены малые диагонали А1А3 , А2А4 , и т. д., пересекающиеся в точках В1, В2, В3 и т. д. (рис.2.13). Образовались несколько серий равных треугольников:

А1А2А3 = ∆ А3А4А5 = ∆A5A6A7 =... (по двум сторонам и углу между ними);

А2А3А4 = ∆ А4А5А6 = ∆A6A7A8 =... (по двум сторонам и углу между ними);

из этого следует, что А1В1А2 = ∆ А3В2А2 = ∆A3В3A4 =... (по стороне и двум прилежащим углам);

далее В1А2В2 = ∆ В3А4В4 = ∆В5A6В6 =... (по двум сторонам и углу между ними), и, следовательно, В1В2 = В3В4 = В5В6 =...;

также ∆В2А3В3 = ∆ В4А5В5 = ∆В6A7В7 =... (по двум сторонам и углу между ними), и, следовательно, В2В3 = В4В5 = В6В7 =... .

Углы образованного многоугольника являются вертикальными соответствующим углам в равных треугольниках, т. е. равны. Получаем, что у образованного многоугольника углы равны, и стороны равны через одну, значит он является полуправильным равноугольным многоугольником.

hello_html_7efeed42.pngРис. 2.13

11. Сумма квадратов расстояний от любой точки вписанной окружности до точек касания полуправильного равностороннего 4n-угольника равна 4nr2.

Рассмотрим полуправильный равносторонний многоугольник А1А2А3А4А5… , в который вписана окружность с центром L1, Точки касания обозначим N1, N2, N3 и т. д. (рис.2.14).

Заметим, что N1Nn+1, N2Nn+2, N3Nn+3, … - диаметры вписанной окружности; потому для любой точки М этой окружности:

hello_html_4af87f18.gif.

hello_html_m12126a61.png

Рис. 2.14


12. [1, 29] Площадь полуправильного равностороннего 2n-угольника со стороной а и одним из углов β равна

hello_html_363d3711.gif.

hello_html_m1f3c550f.png










Рис. 2.15

Эта площадь равна сумме площадей правильного n-угольника и n треугольников, равных ∆MAB, которые являются равнобедренными (рис.2.15):

hello_html_1643ebb9.gif

Площадь правильного многоугольника, который образовался при соединении вершин полуправильного многогоугольника через одну, равна

hello_html_m67d42320.gif

По теореме косинусов для треугольника ∆MAB:

hello_html_30286dee.gif

и окончательно

hello_html_me5b12ae.gif


13. Радиус окружности, вписанной в полуправильный равносторонний

2n-угольник со стороной а и углами α и β, равен

hello_html_2ab34b9b.gif


hello_html_m5bcc4cdd.png

Рис.2.16

Доказательство: достроим полуправильный 2n-угольник до правильного n-угольника (рис.2.16). Рассмотрим треугольник A2A3В2 . Один из углов этого треугольника, смежный с углом α, равен (180º - α), второй, смежный с углом β, равен (180º - β), третий угол - (α + β - 180º). По теореме синусов выразим стороны треугольника:

A2В2 = hello_html_me2a60d3.gif, A3В2 = hello_html_9be2a68.gif

Сторона образованного правильного многоугольника равна сумме трех частей:

В1В2 = В1A1 + А1A2 + A2В2 = В2A3 + А1A2 + A2В2 =hello_html_267b8d5c.gif

Подставляя полученное выражение для стороны в формулу для вычисления радиуса окружности, вписанной в правильный многоугольник, имеем:

hello_html_m36b45648.gif, hello_html_2ab34b9b.gif

II.4. Полуправильные многоугольники на правильных паркетах


[2-3] Известно, что если правильный многоугольник можно расположить на целочисленной решетке так, чтобы вершины многоугольника лежали в узлах решетки, то это квадрат. Интереснее дело обстоит с полуправильными (равноугольными и равносторонними) многоугольниками. Во второй половине двадцатого века Д. Боллом было показано, что равноугольный многоугольник с вершинами в целых точках обязан быть четырехугольником или восьмиугольником. Что касается равносторонних многоугольников на решетке hello_html_m1550e81c.gif, то можно предъявить такие многоугольники с любым заданным четным числом сторон.

Множество узлов целочисленной решетки на плоскости можно рассматривать так же, как множество узлов квадратного паркета. Этот паркет является одним из одиннадцати правильных паркетов, то есть замощений плоскости правильными многоугольниками без пробелов и наложений, при которых любые два многоугольника либо не пересекаются, либо пересекаются по вершине или ребру и для которых все узлы замощения эквивалентны.

Если равноугольный многоугольник лежит на каком-либо из паркетов, то количество его сторон может быть равным 3, 4, 6, 8, 12, 16 или 24. Равносторонний же многоугольник с любым заданным числом сторон можно предъявить для каждого из паркетов, кроме квадратного и усеченного квадратного, для которых дополнительно необходимо потребовать выполнения условия четности числа сторон.

Паркетом называется любое покрытие плоскости правильными многоугольниками без пробелов и наложений, при котором любые два многоугольника имеют либо общую сторону, либо общую вершину, либо не пересекаются вовсе. Правильные многоугольники, составляющие паркет, мы будем называть базисными плитками паркета, а их вершины — узлами паркета.

Для каждого узла определим его тип как порядок, в котором базисные плитки паркета встречаются при обходе данного узла против часовой стрелки. Так, например, в квадратном паркете в каждом узле сходятся четыре квадрата, что означает, что тип узла этого паркета есть 4, 4, 4, 4 или (4)4.

Будем говорить, что паркет правильный, если его можно наложить самого на себя так, чтобы любая заданная вершина совместилась с другой произвольной заданной вершиной. Очевидно, что все вершины правильного паркета имеют одинаковый тип. Он называется типом правильного паркета.

Существует ровно 11 различных типов правильных паркетов. Три из них составлены из базисных плиток одного типа: (4)4; (6)3 и (3)6. Еще шесть включают в себя по два типа разных базисных плиток: 4, 8, 8; 3, 12, 12; 3, 6, 3, 6; (4) 3, 6; (3)3, (2)4; (2)3, 4, 3, 4. Наконец, последние два правильных паркета состоят из базисных плиток трех различных типов: 3, 4, 6, 4 и 4, 6, 12.

Будем говорить, что многоугольник F лежит на паркете T, если каждая вершина многоугольника F является узлом паркета T.

Какие полуправильные многоугольники могут быть расположены на каждом из правильных паркетов?

На паркетах (4)4 и 4, 8, 8 равносторонний многоугольник может лежать тогда и только тогда, когда количество его сторон четно. На каждом из остальных паркетов можно расположить равносторонний многоугольник с произвольным числом сторон.

На каждом из паркетов можно расположить равноугольный n-угольник тогда и только тогда, когда n принимает одно из значений, указанных в нижеследующей таблице:


(6)3

(3)6

3, 6, 3, 6

3, 12, 12

(2)3, 4, 3, 4

3, 4, 6, 4

Число n

4, 8

4, 8, 16

3, 4, 6, 8

3, 4, 6, 12

3, 4, 6, 8, 12, 24


hello_html_25697d02.png


II.5. Построение полуправильных многоугольников


Способы построения полуправильных равноугольных многоугольников [1, 26]:

а) Строим правильный n-угольник А1А3А5 А2n-1, описываем около него окружность. Затем находим (с помощью циркуля) на окружности точки А2, А4, А6,…, А2n, удаленные на одно и то же расстояние от соответствующих вершин n-угольника: А1А2 = А3А4 =… (рис.2.17)

б) Строим треугольник А1А2А3 по двум произвольным сторонам и известному углу между ними, описываем около этого треугольника окружность. Затем с помощью циркуля последовательно находим остальные вершины.

в) Строим правильный многоугольник и отсекаем от него равные равнобедренные треугольники с вершинами в вершинах многоугольника (рис. 2.18).


hello_html_769c3ecc.pnghello_html_203ef27b.png


Рис. 2.17 Рис. 2.18


Способ построения полуправильного равностороннего многоугольника:

строим правильный многоугольник и на его сторонах как на основаниях строим равные равнобедренные треугольники (рис. 2.19)

hello_html_m5d1ce857.png

Рис. 2.19




Заключение

В процессе поиска и сбора информации по теме работы было выявлено, что полуправильные многогранники – тела Архимеда – изучены и описаны достаточно полно. Полуправильные многоугольники, а именно, равноугольные со сторонами, равными через одну, и равносторонние с углами, равными через один, недостаточно описаны, информация о них найдена лишь в некоторых небольших статьях. В работе сформулированы и доказаны известные и дополнительные свойства полуправильных многоугольников, выведены формул радиусов вписанных и описанных окружностей.

Между равноугольными и равносторонними многоугольниками существует взаимосвязь, которую видно уже на примере ромба и прямоугольника. Так, если соединить середины сторон ромба, то получим прямоугольник, и наоборот. Около прямоугольника можно описать окружность, а в ромб – вписать. И тот, и другой имеют оси симметрии, центр симметрии и т. д. В работе эти и другие свойства обобщаются на случай произвольного n. Двойственность равноугольных и равносторонних полуправильных многоугольников видна в их свойствах: если последовательно соединить середины сторон полуправильного равностороннего многоугольника, то получится полуправильный равноугольный многоугольник и наоборот; точки пересечения малых диагоналей полуправильного равностороннего многоугольника являются вершинами полуправильного равноугольного многоугольника и наоборот и т. д.

Двойственны и полуправильные многогранники (равноугольные и равногранные). Двойственность повышает интерес к изучению полуправильных тел и фигур, делает его логически завершенным и полным.







Список использованной литературы

1. Лоповок Л. Полуправильные многоугольники //Квант. - 1971г. - №3 - стр. 25-29

2. Нурлигареев Х. Полуправильные многоугольники на правильных паркетах//

Ярославский педагогический вестник. - 2011. - №3. - Том III (Естественные науки)

3. Вавилов В.В., Устинов А.В. Многоугольники на решетках. - М.: МЦНМО, 2006.

4. http://www.geometry2006.narod.ru/Lecture/SemRegPol/SemRegPol.htm

5. http://ru.wikipedia.org/

























Приложения


1.Формулы площадей поверхностей и объемов полуправильных многогранников


Название полу

правильного многогранника

Формула площади поверхности,

S

Формула объема,

V

Кубооктаэдр

hello_html_4147d8e6.gif

hello_html_m7cf24e3a.gif

Икосододекаэдр

hello_html_m379032b6.gif

hello_html_m235b96e7.gif

Усеченный

тетраэдр

hello_html_m62608007.gif

hello_html_5afff473.gif

Усечённый

куб

hello_html_m69a9f6b.gif

hello_html_m44c5820f.gif

Усечённый

октаэдр

hello_html_72d3f08f.gif

hello_html_m595fb0f5.gif

Усечённый

додекаэдр

hello_html_576f6f6f.gif

hello_html_m3f2062d7.gif

Усечённый

икосаэдр

hello_html_m66ad23a4.gif

hello_html_m68ac1ab3.gif

Ромбокубо

октаэдр

hello_html_m10472ebb.gif

hello_html_23edec13.gif

Ромбоусечён

ный кубоктаэдр

hello_html_2a5b1762.gif

hello_html_3f2ec4b5.gif

Ромбоикосо

додекаэдр

hello_html_2c9dd5d4.gif

hello_html_m791061e2.gif

Ромбоусечён

ный икосододекаэдр

hello_html_m2042a508.gif

hello_html_m4b99dbeb.gif

Курносый

куб

hello_html_m756f9ef1.gif

hello_html_m6a11e63c.gif

Курносый

додекаэдр

hello_html_m36c26c4a.gif

hello_html_m38103a8a.gif



2. Число граней, вершин и ребер полуправильных многогранников


8 треугольников
6 квадратов

12

24

Икосододекаэдр

20 треугольников
12 пятиугольников

30

60

Усечённый тетраэдр

4 треугольника
4 шестиугольника

12

18

Усечённый октаэдр

6 квадратов
8 шестиугольников

24

36

Усечённый куб

8 треугольников
6 восьмиугольников

24

36

Усечённый икосаэдр

12 пятиугольников
20 шестиугольников

60

90

Усечённый додекаэдр

20 треугольников
12 десятиугольников

60

90

Ромбокубоктаэдр

8 треугольников
18 квадратов

24

48

Ромбоикосододекаэдр

12 квадратов
8 шестиугольников
6 восьмиугольников

48

72

Ромбоусечённый икосододекаэдр

30 квадратов
20 шестиугольников
12 десятиугольников

120

180

Усечённый икосаэдр

12 пятиугольников
20 шестиугольников

60

90

Курносый куб

32 треугольника
6 квадратов

24

60

Курносый додекаэдр

80 треугольников
12 пятиугольников

60

150






3. Образцы паркета с использованием в орнаменте полуправильных многоугольников

hello_html_500cf5bf.jpghello_html_m14b8d572.jpg

Ромбы

hello_html_m589c9188.jpg

Прямоугольники и квадраты

hello_html_m398dd7e7.jpg

Полуправильные восьмиугольники и квадраты

hello_html_m79ad2cbc.jpg

Полуправильные восьмиугольники и квадраты


Мозаика Пенроуза


hello_html_1f4014d3.pnghello_html_m2877c03d.jpg

Мозаика Пенроуза, плитки Пенроуза — непериодическое разбиение плоскости, апериодические регулярные структуры, замощение плоскости ромбами двух типов — с углами 72° и 108° («толстые ромбы») и 36° и 144° («тонкие ромбы»), такими (подчиняются пропорции «золотого сечения»), что любые два соседних (то есть имеющих общую сторону) ромба не образуют вместе параллелограмм.


Автор
Дата добавления 16.10.2016
Раздел Математика
Подраздел Другие методич. материалы
Просмотров395
Номер материала ДБ-266118
Получить свидетельство о публикации


Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх