Многоугольник
Многоуго́льник — геометрическая фигура, обычно определяемая как часть плоскости, ограниченная замкнутой ломаной. Если граничная ломаная не имеет точек самопересечения, многоугольник называется простым[1]. Например, треугольники и квадраты — простые многоугольники, а пентаграмма — нет.
![](../I/Assorted_polygons.svg.png.webp)
Вершины ломаной называются вершинами многоугольника, а её звенья — сторонами многоугольника. Число сторон многоугольника совпадает с числом его вершин[2].
![](../I/Regular_tridecagon.svg.png.webp)
Варианты определений
Существуют три различных варианта определения многоугольника; последнее определение является наиболее распространённым[1].
- Плоская замкнутая ломаная — наиболее общий случай;
- Плоская замкнутая ломаная без самопересечений, любые два соседних звена которой не лежат на одной прямой;
- Часть плоскости, ограниченная замкнутой ломаной без самопересечений — плоский многоугольник; в этом случае сама ломаная называется контуром многоугольника.
Существуют также несколько вариантов обобщения данного определения, допускающие бесконечное число звеньев ломаных, несколько несвязных граничных ломаных, ломаные в пространстве, произвольные отрезки непрерывных кривых вместо отрезков прямых и др.[1]
Связанные определения
- Вершины многоугольника называются соседними, если они являются концами одной из его сторон.
- Стороны многоугольника называются смежными, если они прилегают к одной вершине.
- Общая длина всех сторон многоугольника называется его периметром.
- Диагоналями называются отрезки, соединяющие несоседние вершины многоугольника.
- Углом (или внутренним углом) плоского многоугольника при данной вершине называется угол между двумя сторонами, сходящимися в этой вершине. Угол может превосходить в том случае, если многоугольник невыпуклый. Число углов простого многоугольника совпадает с числом его сторон или вершин.
- Внешним углом выпуклого многоугольника при данной вершине называется угол, смежный внутреннему углу многоугольника при этой вершине. В случае невыпуклого многоугольника внешний угол — разность между и внутренним углом, он может принимать значения от до .
- Перпендикуляр, опущенный из центра вписанной окружности правильного многоугольника на одну из сторон, называется апофемой.
Виды многоугольников и их свойства
- Многоугольник с тремя вершинами называется треугольником, с четырьмя — четырёхугольником, с пятью — пятиугольником и так далее. Многоугольник с вершинами называется -угольником.
![](../I/%D0%9C%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE%D1%83%D0%B3%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B8%D0%BA%252C_%D0%B2%D0%BF%D0%B8%D1%81%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B2_%D0%BE%D0%BA%D1%80%D1%83%D0%B6%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C.png.webp)
![](../I/%D0%9C%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE%D1%83%D0%B3%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B8%D0%BA%252C_%D0%BE%D0%BF%D0%B8%D1%81%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BE%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%BE_%D0%BE%D0%BA%D1%80%D1%83%D0%B6%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8.png.webp)
- Выпуклый многоугольник — это многоугольник, который лежит по одну сторону от любой прямой, содержащей его сторону (то есть продолжения сторон многоугольника не пересекают других его сторон). Существуют и другие эквивалентные определения выпуклого многоугольника. Выпуклый многоугольник всегда простой, то есть не имеет точек самопересечения.
- Выпуклый многоугольник называется правильным, если у него равны все стороны и все углы, например равносторонний треугольник, квадрат и правильный пятиугольник. Символ Шлефли правильного -угольника равен .
- Многоугольник, у которого равны все стороны и все углы, но который имеет самопересечения, называется правильным звёздчатым многоугольником, например, пентаграмма и октаграмма.
- Многоугольник называется вписанным в окружность, если все его вершины лежат на одной окружности. Сама окружность при этом называется описанной, а её центр лежит на пересечении серединных перпендикуляров к сторонам многоугольника. Любой треугольник является вписанным в некоторую окружность.
- Многоугольник называется описанным около окружности, если все его стороны касаются некоторой окружности. Сама окружность при этом называется вписанной, а её центр лежит на пересечении биссектрис углов многоугольника. Любой треугольник является описанным около некоторой окружности.
- Выпуклый четырёхугольник называется внеописанным около окружности, если продолжения всех его сторон (но не сами стороны) касаются некоторой окружности.[3] Окружность при этом называется вневписанной. Вневписанная окружность существует также и у произвольного треугольника.
Общие свойства
Теорема о сумме углов многоугольника
Сумма внутренних углов простого плоского -угольника равна[4] . Сумма внешних углов не зависит от числа сторон и всегда равна
Число диагоналей
- Число диагоналей всякого -угольника равно .
Площадь
Пусть — последовательность координат соседних друг другу вершин -угольника без самопересечений . Тогда его площадь вычисляется по формуле Гаусса:
- , где .
Если даны длины сторон многоугольника и азимутальные углы сторон, то площадь многоугольника может быть найдена по формуле Саррона [5].
Площадь правильного -угольника вычисляется по одной из формул[6]:
- половина произведения периметра -угольника на апофему:
- .
где — длина стороны многоугольника, — радиус описанной окружности, — радиус вписанной окружности.
Квадрируемость фигур
С помощью множества многоугольников определяется квадрируемость и площадь произвольной фигуры на плоскости. Фигура называется квадрируемой, если для любого существует пара многоугольников и , таких, что и , где обозначает площадь .
Вариации и обобщения
- Многогранник — обобщение многоугольника в размерности три, замкнутая поверхность, составленная из многоугольников, или тело, ей ограниченное.
Примечания
- Многоугольник // Математическая энциклопедия (в 5 томах). — М.: Советская Энциклопедия, 1982. — Т. 3. — С. 749—752.
- Элементарная математика, 1976, с. 383—384.
- Картаслов.ру
- Элементарная математика, 1976, с. 499.
- Хренов Л. С. Вычисление площадей многоугольников по способу Саррона // Математическое просвещение. 1936. Выпуск 6. С. 12—15
- Элементарная математика, 1976, с. 503—504.
Литература
- Зайцев В. В., Рыжков В. В., Сканави М. И. Элементарная математика. Повторительный курс. — Издание третье, стереотипное. — М.: Наука, 1976. — 591 с.