Полигон

Чтобы узнать о других значениях, см. Многоугольник (значения) .

Некоторые многоугольники разных типов: открытые (за исключением границы), только границы (исключая внутреннюю часть), закрытые (включая как границу, так и внутреннюю часть) и самопересекающиеся.

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

Отрезки замкнутой многоугольной цепи называются ее ребрами или сторонами . многоугольника Точки пересечения двух ребер являются вершинами или углами . — n -угольник это многоугольник с n сторонами; например, треугольник - это 3-угольник.

Простой многоугольник — это тот, который не пересекает сам себя. Точнее, единственными разрешенными пересечениями сегментов линий, составляющих многоугольник, являются общие конечные точки последовательных сегментов 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 сплошному многоугольнику.

Многоугольная цепочка может пересекать сама себя, образуя звездчатые многоугольники и другие самопересекающиеся многоугольники . Некоторые источники также считают замкнутые ломаные цепи в евклидовом пространстве разновидностью многоугольника ( косого многоугольника ), даже если цепь не лежит в одной плоскости.

Многоугольник — это двумерный пример более общего многогранника в любом количестве измерений. Существует еще много обобщений многоугольников, определенных для разных целей.

Этимология

Слово многоугольник происходит от греческого прилагательного πολύς ( polús ) «много», «много» и γωνία ( gonía ) «угол» или «угол». Было высказано предположение, что γόνυ ( gónu ) «колено» может быть источником слова gon .

Классификация

Некоторые разные типы многоугольников

Количество сторон

Многоугольники в первую очередь классифицируются по количеству сторон.

Выпуклость и пересечение

Многоугольники могут характеризоваться своей выпуклостью или типом невыпуклости:

• Выпуклый : любая линия, проведенная через многоугольник (и не касающаяся края или угла), пересекает его границу ровно дважды. Как следствие, все его внутренние углы меньше 180°. Эквивалентно, любой отрезок линии с конечными точками на границе проходит только через внутренние точки между его конечными точками. Это условие справедливо для многоугольников любой геометрии, а не только евклидовой.
• Невыпуклая: может быть найдена линия, которая пересекает свою границу более двух раз. Эквивалентно, существует отрезок линии между двумя граничными точками, выходящий за пределы многоугольника.
• Просто : граница многоугольника не пересекает сама себя. Все выпуклые многоугольники простые.
• Вогнутый : Невыпуклый и простой. Существует по крайней мере один внутренний угол больше 180°.
• В форме звезды : весь интерьер виден хотя бы с одной точки, не пересекая края. Многоугольник должен быть простым и может быть выпуклым или вогнутым. Все выпуклые многоугольники имеют звездообразную форму.
• Самопересекающийся : граница многоугольника пересекает сама себя. Термин «комплекс» иногда используется в отличие от термина «простой» , но такое использование может привести к путанице с идеей сложного многоугольника , который существует на комплексной плоскости Гильберта , состоящей из двух комплексных измерений.
• Звездчатый многоугольник : многоугольник, который регулярно самопересекается. Многоугольник не может быть одновременно звездой и звездообразным.

Равенство и симметрия

• Равноугольный : все угловые углы равны.
• Равносторонний : все ребра имеют одинаковую длину.
• Правильные : как равносторонние, так и равноугольные.
• Цикличность : все углы лежат на одной окружности , называемой описанной окружностью .
• Касательная : все стороны касаются вписанной окружности .
• Изогональный или вершинно-транзитивный : все углы лежат на одной орбите симметрии . Многоугольник также является циклическим и равноугольным.
• Изотоксальный или транзитивный по ребру : все стороны лежат на одной орбите симметрии . Многоугольник также бывает равносторонним и касательным.

Свойство регулярности можно определить другими способами: многоугольник является правильным тогда и только тогда, когда он одновременно изогональный и изотоксальный или, что то же самое, одновременно циклический и равносторонний. Невыпуклый правильный многоугольник называется правильным звездчатым многоугольником .

Разнообразный

• Прямолинейный : стороны многоугольника встречаются под прямым углом, т.е. все его внутренние углы составляют 90 или 270 градусов.
• Монотонный относительно данной прямой L : каждая прямая, ортогональная L, пересекает многоугольник не более двух раз.

Свойства и формулы

Разбиение n -угольника на n − 2 треугольника

евклидова геометрия Повсюду предполагается .

Углы

Любой многоугольник имеет столько же углов, сколько и сторон. Каждый угол имеет несколько углов. Двумя наиболее важными из них являются:

• Внутренний угол . Сумма внутренних углов простого n- угольника равна ( n − 2) × π радиан или ( n − 2) × 180 градусов . Это связано с тем, что любой простой n -угольник (имеющий n сторон) можно рассматривать как состоящий из ( n − 2) треугольников, сумма углов каждого из которых равна π радиан или 180 градусов. Мера любого внутреннего угла выпуклого правильного n -угольника равна $\left(1-{\tfrac {2}{n}}\right)\pi$ радианы или $180-{\tfrac {360}{n}}$ градусов. Внутренние углы правильных звездчатых многоугольников впервые были изучены Пуансо в той же статье, в которой он описывает четыре правильных звездчатых многогранника : для правильного ${\tfrac {p}{q}}$-угольник ( p -угольник с центральной плотностью q ), каждый внутренний угол равен ${\tfrac {\pi (p-2q)}{p}}$ радианы или ${\tfrac {180(p-2q)}{p}}$ градусов.
• Внешний угол . Внешний угол является дополнительным углом к ​​внутреннему углу. При обходе выпуклого n -угольника угол, «повернутый» в углу, является внешним или внешним углом. Обход всего многоугольника занимает один полный оборот , поэтому сумма внешних углов должна составлять 360°. Этот аргумент можно обобщить на простые вогнутые многоугольники, если из общего числа поворотов вычесть внешние углы, поворачивающиеся в противоположном направлении. В целом, при обходе n- угольника сумма внешних углов (общая величина вращения в вершинах) может быть любым целым числом, кратным d 360°, например 720° для пентаграммы и 0° для угловой «восьмерки». или антипараллелограмм , где d — плотность или число поворотов многоугольника.

Область

Координаты невыпуклого пятиугольника

В этом разделе вершинами рассматриваемого многоугольника считаются $(x_{0},y_{0}),(x_{1},y_{1}),\ldots ,(x_{n-1},y_{n-1})$ чтобы. обозначения ( x _n , y _n ) = ( x ₀ , y ₀ ) Для удобства в некоторых формулах также будут использоваться .

Простые многоугольники

Дополнительная информация: Формула шнурков.

Если многоугольник несамопересекающийся (то есть простой ), область со знаком

$A={\frac {1}{2}}\sum _{i=0}^{n-1}(x_{i}y_{i+1}-x_{i+1}y_{i})\quad {\text{where }}x_{n}=x_{0}{\text{ and }}y_{n}=y_{0},$

или, используя определители

$16A^{2}=\sum _{i=0}^{n-1}\sum _{j=0}^{n-1}{\begin{vmatrix}Q_{i,j}&Q_{i,j+1}\\Q_{i+1,j}&Q_{i+1,j+1}\end{vmatrix}},$

где $Q_{i,j}$ это квадрат расстояния между $(x_{i},y_{i})$ и $(x_{j},y_{j}).$

Подписанная область зависит от порядка вершин и ориентации плоскости . Обычно положительная ориентация определяется вращением (против часовой стрелки), которое сопоставляет положительную ось x с положительной осью y . Если вершины упорядочены против часовой стрелки (то есть в соответствии с положительной ориентацией), область со знаком положительна; в противном случае оно отрицательно. В любом случае формула площади верна по абсолютному значению . Это обычно называют формулой шнурка или формулой геодезиста .

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

${\begin{aligned}A={\frac {1}{2}}(a_{1}[a_{2}\sin(\theta _{1})+a_{3}\sin(\theta _{1}+\theta _{2})+\cdots +a_{n-1}\sin(\theta _{1}+\theta _{2}+\cdots +\theta _{n-2})]\\{}+a_{2}[a_{3}\sin(\theta _{2})+a_{4}\sin(\theta _{2}+\theta _{3})+\cdots +a_{n-1}\sin(\theta _{2}+\cdots +\theta _{n-2})]\\{}+\cdots +a_{n-2}[a_{n-1}\sin(\theta _{n-2})]).\end{aligned}}$

Формула была описана Лопшицем в 1963 году.

Если многоугольник можно нарисовать на сетке с равными интервалами, так что все его вершины являются точками сетки, теорема Пика дает простую формулу для площади многоугольника, основанную на количестве внутренних и граничных точек сетки: первое число плюс половина второго. число, минус 1.

В каждом многоугольнике с периметром p и площадью A изопериметрическое неравенство $p^{2}>4\pi A$ держит.

утверждает, что для любых двух простых многоугольников одинаковой площади Теорема Бояи–Гервина первый можно разрезать на многоугольные части, которые можно снова собрать, чтобы сформировать второй многоугольник.

Длины сторон многоугольника, как правило, не определяют его площадь. Однако если многоугольник простой и циклический, то стороны определяют площадь. Из всех n -угольников с заданными длинами сторон циклический имеет наибольшую площадь. Из всех n -угольников с данным периметром правильный (и, следовательно, циклический) имеет наибольшую площадь.

Правильные многоугольники

Многие специализированные формулы применимы к площадям правильных многоугольников .

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

$A={\tfrac {1}{2}}\cdot p\cdot r.$

Этот радиус также называют апофемой и часто обозначается как .

Площадь правильного n -угольника через радиус R описанной вокруг него окружности можно выразить тригонометрически как:

$A=R^{2}\cdot {\frac {n}{2}}\cdot \sin {\frac {2\pi }{n}}=R^{2}\cdot n\cdot \sin {\frac {\pi }{n}}\cdot \cos {\frac {\pi }{n}}$

Площадь правильного n- угольника, вписанного в круг единичного радиуса, со стороной s и внутренним углом. $\alpha ,$ также можно выразить тригонометрически как:

$A={\frac {ns^{2}}{4}}\cot {\frac {\pi }{n}}={\frac {ns^{2}}{4}}\cot {\frac {\alpha }{n-2}}=n\cdot \sin {\frac {\alpha }{n-2}}\cdot \cos {\frac {\alpha }{n-2}}.$

Самопересекающийся

Площадь самопересекающегося многоугольника можно определить двумя разными способами, что дает разные ответы:

• Используя формулы для простых многоугольников, мы допускаем, что площадь отдельных областей внутри многоугольника может быть умножена на коэффициент, который мы называем плотностью региона . Например, центральный выпуклый пятиугольник в центре пентаграммы имеет плотность 2. Две треугольные области перекрестного четырехугольника (как на рисунке 8) имеют плотности с противоположными знаками, и сложение их площадей может дать общую площадь, равную нулю. на всю фигуру.
• Рассматривая замкнутые области как наборы точек, мы можем найти площадь замкнутого набора точек. Это соответствует площади плоскости, покрытой многоугольником, или площади одного или нескольких простых многоугольников, имеющих тот же контур, что и самопересекающийся. В случае перекрестного четырехугольника он рассматривается как два простых треугольника.

центроид

Используя то же соглашение о координатах вершин, что и в предыдущем разделе, координаты центроида сплошного простого многоугольника будут следующими:

$C_{x}={\frac {1}{6A}}\sum _{i=0}^{n-1}(x_{i}+x_{i+1})(x_{i}y_{i+1}-x_{i+1}y_{i}),$

$C_{y}={\frac {1}{6A}}\sum _{i=0}^{n-1}(y_{i}+y_{i+1})(x_{i}y_{i+1}-x_{i+1}y_{i}).$

В этих формулах знаковое значение площади $A$ необходимо использовать.

Для треугольников ( n = 3 ) центроиды вершин и объемной формы одинаковы, но, вообще говоря, это неверно для n > 3 . Центр тяжести множества вершин многоугольника с n вершинами имеет координаты

$c_{x}={\frac {1}{n}}\sum _{i=0}^{n-1}x_{i},$

$c_{y}={\frac {1}{n}}\sum _{i=0}^{n-1}y_{i}.$

Обобщения

Идея многоугольника обобщалась по-разному. Некоторые из наиболее важных включают в себя:

• Сферический многоугольник — это схема дуг больших кругов (сторон) и вершин на поверхности сферы. Это позволяет создать двуугольник , многоугольник, имеющий только две стороны и два угла, что невозможно в плоской плоскости. Сферические многоугольники играют важную роль в картографии (составлении карт) и в построении Витхоффом однородных многогранников .
• не Перекошенный многоугольник лежит в плоской плоскости, а зигзагообразен в трех (или более) измерениях. Хорошо известными примерами являются многоугольники Петри правильных многогранников.
• Апейрогон — это бесконечная последовательность сторон и углов, которая не замкнута, но не имеет концов, поскольку бесконечно простирается в обе стороны.
• Косой апейрогон — это бесконечная последовательность сторон и углов, не лежащих в одной плоскости.
• Многоугольник с отверстиями — это плоскосвязный или многосвязный плоский многоугольник с одной внешней границей и одной или несколькими внутренними границами (дырками).
• Комплексный многоугольник — это конфигурация, аналогичная обычному многоугольнику, который существует в комплексной плоскости двух действительных и двух мнимых измерений.
• Абстрактный многоугольник — это алгебраический частично упорядоченный набор, представляющий различные элементы (стороны, вершины и т. д.) и их связность. Говорят, что реальный геометрический многоугольник является реализацией соответствующего абстрактного многоугольника. В зависимости от отображения могут быть реализованы все описанные здесь обобщения.
• Многогранник . — это трехмерное тело, ограниченное плоскими многоугольными гранями, аналогичное многоугольнику в двух измерениях Соответствующие фигуры в четырех и более измерениях называются многогранниками . (В других соглашениях слова «многогранник» и «многогранник» используются в любом измерении, с той разницей, что многогранник обязательно ограничен. )

Мы

Слово «многоугольник» 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 (а иногда и классифицируются) в соответствии с числом сторон, сочетая греческого происхождения числовой префикс с суффиксом -gon , например пятиугольник , додекагон . являются треугольник Исключением , четырехугольник и девятиугольник .

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

Исключения существуют для подсчета сторон, которые легко выражаются в словесной форме (например, 20 и 30) или используются нематематиками. Некоторые специальные полигоны также имеют свои имена; например, правильный звезды пятиугольник также известен как пентаграмма .

Имена полигонов и другие свойства

Имя	Стороны	Характеристики
моногон	1	Обычно не признается многоугольником, хотя некоторые дисциплины, такие как теория графов, иногда используют этот термин.
достаточно	2	Обычно не считается многоугольником на евклидовой плоскости, хотя может существовать как сферический многоугольник .
треугольник (или тригон)	3	Простейший многоугольник, который может существовать в евклидовой плоскости. Можно заложить плиткой самолет.
четырехугольник (или четырехугольник)	4	Простейший многоугольник, который может пересекать сам себя; простейший многоугольник, который может быть вогнутым; простейший многоугольник, который может быть нециклическим. Можно заложить плиткой самолет.
пятиугольник	5	Простейший многоугольник, который может существовать как обычная звезда. Звездный пятиугольник известен как пентаграмма или пентакль.
шестиугольник	6	Можно заложить плиткой самолет.
семиугольник (или семиугольник)	7	Простейший многоугольник, правильную форму которого невозможно построить с помощью циркуля и линейки . Однако его можно построить с помощью конструкции neusis .
восьмиугольник	8
нонагон (или эннеагон)	9	«Нонагон» смешивает латынь [ novem = 9] с греческим; «эннеагон» — чисто греческое слово.
десятиугольник	10
шестнадцатеричный (или ундекагон)	11	Простейший многоугольник, правильную форму которого невозможно построить с помощью циркуля, линейки и трисектора угла . Однако его можно построить с помощью неусиса.
додекагон (или двенадцатиугольник)	12
тридекагон (или трискайдекагон)	13
тетрадекагон (или тетракаидекагон)	14
пятиугольник (или пентакаидекагон)	15
шестиугольник (или шестиугольник)	16
гептадекагон (или гептакаидекагон)	17	Сборный многоугольник
октадекагон (или октакаидекагон)	18
эннеадекагон (или эннеакаидекагон)	19
икосагон	20
икоситригон (или икосикаитригон)	23	Простейший многоугольник, правильную форму которого невозможно построить с помощью neusis .
икоситетрагон (или икосикаитетрагон)	24
икосипентагон (или икосикаипентагон)	25	Простейший многоугольник, такой, что неизвестно, можно ли построить правильную форму с помощью неусиса или нет.
триаконтагон	30
тетраконтагон (или тессаракантагон)	40
пятиугольник (или пятиугольник)	50
шестиугольник (или шестиугольник)	60
гептаконтагон (или гебдомеконтагон)	70
октаконтагон (или огдоэконтагон)	80
эннеаконтагон (или эненеконтагон)	90
шестиугольник (или гекатонтагон)	100
257-гон	257	Сборный многоугольник
хилиагон	1000	Философы, включая Рене Декарта , Иммануил Кант , Дэвид Хьюм , в дискуссиях использовали хилиагон в качестве примера.
мириагон	10,000	Используется в качестве примера в некоторых философских дискуссиях, например, в « Размышлениях Декарта о первой философии».
65537-гон	65,537	Сборный многоугольник
мегагон	1,000,000	Как и в случае с хилиагоном Рене Декарта, многоугольник с миллионом сторон использовался как иллюстрация четко определенной концепции, которую невозможно визуализировать. Мегагон также используется как иллюстрация схождения правильных многоугольников к кругу.
апейрогон	∞	Вырожденный многоугольник с бесконечным числом сторон.

Чтобы построить имя многоугольника с числом ребер более 20 и менее 100, объедините префиксы следующим образом. Термин «кай» применяется к 13-угольникам и выше, использовался Кеплером и защищался Джоном Х. Конвеем для ясности составных чисел префиксов при наименовании квазиправильных многогранников . хотя не все источники его используют.

Десятки		и	Единицы		последний суффикс
		-когда-	1	-мясо-	-гон
20	icosi- (icosa- когда один)		2	-Из-
30	триаконта- (или триконта-)		3	-три-
40	тетраконта- (или тессараконта-)		4	-тетра-
50	пентаконта- (или пентеконта-)		5	-пента-
60	гексаконта- (или гексеконта-)		6	-гекса-
70	гептаконта- (или гебдомеконта-)		7	-гепта-
80	октаконта- (или огдоэконта-)		8	-окта-
90	эннеаконта- (или эненеконта-)		9	-эннеа-

История

Историческое изображение многоугольников (1699 г.)

Многоугольники известны с давних времен. Правильные многоугольники были известны древним грекам с пентаграммой , невыпуклым правильным многоугольником ( звездным многоугольником , появившимся еще в VII веке до нашей эры на кратере Аристофана ) , найденном в Цере и ныне находящемся в Капитолийском музее .

Первое известное систематическое исследование невыпуклых многоугольников вообще было проведено Томасом Брэдуордином в 14 веке.

В 1952 году Джеффри Колин Шепард обобщил идею многоугольников на комплексную плоскость, где каждое реальное измерение сопровождается воображаемым , для создания сложных многоугольников .

На природе

в Дорога гигантов Северной Ирландии.

Многоугольники появляются 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 возникать, когда при охлаждении лавы образуются области плотно упакованных базальтовых колонн , которые можно увидеть на Дороге Гигантов в Северной Ирландии или на Столбе Дьявола в Калифорнии .

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

Компьютерная графика

Основная статья: Полигон (компьютерная графика)

В компьютерной графике многоугольник — это примитив, используемый при моделировании и рендеринге. Они определены в базе данных, содержащей массивы вершин (координаты геометрических вершин , а также другие атрибуты многоугольника, такие как цвет, затенение и текстура), информацию о связности и материалах .

Любая поверхность моделируется как мозаика, называемая полигональной сеткой . Если квадратная сетка имеет n + 1 имеется n точку (вершину) на каждой стороне, то в сетке квадратных квадратов или 2 n прямоугольных треугольника, поскольку в квадрате два треугольника. Существует ( n + 1) ² / 2( п ² ) вершин на треугольник. Если n велико, оно приближается к половине. Или каждая вершина внутри квадратной сетки соединяет четыре ребра (линии).

Система визуализации вызывает из базы данных структуру полигонов, необходимую для создания сцены. Это передается в активную память и, наконец, в систему отображения (экран, ТВ-мониторы и т. д.), чтобы можно было просмотреть сцену. Во время этого процесса система визуализации визуализирует полигоны в правильной перспективе, готовые к передаче обработанных данных в систему отображения. Хотя полигоны двумерны, с помощью системного компьютера они помещаются в визуальную сцену в правильной трехмерной ориентации.

В компьютерной графике и вычислительной геометрии часто необходимо определить, является ли данная точка $P=(x_{0},y_{0})$ лежит внутри простого многоугольника, заданного последовательностью отрезков прямой. Это называется точкой в ​​полигональном тесте.

См. также

• Булевы операции над многоугольниками
• Полный график
• Сборный многоугольник
• Циклический многоугольник
• Геометрическая форма
• Просмотры
• Список полигонов
• Полиформ
• Полигональный суп
• Триангуляция многоугольника
• Прецизионный многоугольник
• Спиролатеральный
• Синтетическая геометрия
• Укладка плитки
• Плитка-головоломка

Ссылки

Библиография

• Коксетер, HSM ; Правильные многогранники , Метуэн и Ко, 1948 г. (3-е издание, Дувр, 1973 г.).
• Кромвель, П.; Многогранники , CUP хбк (1997), пбк. (1999).
• Грюнбаум, Б.; Ваши многогранники такие же, как мои многогранники? Дискретный и вычислительный. geom: Фестиваль Гудмана-Полака , изд. Аронов и др. Спрингер (2003), стр. 461–488. ( pdf )

Внешние ссылки

• Вайсштейн, Эрик В. «Многоугольник» . Математический мир .
• Что такое многогранники? , с греческими цифровыми префиксами
• Многоугольники, типы многоугольников и свойства многоугольников с интерактивной анимацией.
• Как рисовать на экранах монохромные ортогональные многоугольники , Герберт Гларнер
• comp.graphics.algorithms Часто задаваемые вопросы , решения математических задач по расчету 2D и 3D полигонов
• Сравнение различных алгоритмов для полигональных логических операций , сравнение возможностей, скорости и числовой устойчивости.
• Сумма внутренних углов многоугольников: общая формула . Предоставляет интерактивное исследование Java, которое расширяет формулу суммы внутренних углов для простых замкнутых многоугольников, включив в нее скрещенные (сложные) многоугольники.