Правильний многокутник

Правильний многокутник
Правильний дванадцятикутник (приклад)
Тип	многокутник
Властивості	Опуклий, рівносторонній, ізогональний (вершинно-транзитивний), ізотоксальний (реберно-транзитивний), конциклічний (вписаний в коло)

Елементи	n ребер n вершин
Позначення
Символ Шлефлі	{n}
Діаграма Коксетера-Динкіна	або (x n o)
Група симетрії	D_n, порядок 2n (Діедральна група)
Двоїстий	Самодвоїстий

В евклідовій геометрії пра́вильний многоку́тник (багатоку́тник, n-ку́тник, поліго́н) — многокутник, у якого всі кути рівні і всі сторони рівні (мають однакову довжину).

Правильні многокутники можуть бути опуклими, зірчатими або просторовими.

Якщо n прямує до нескінченності, то правильний многокутник наближається за формою до кола, якщо зробити сталим значення периметру чи площі, або до апейрогона (пряма лінія), якщо зробити сталою довжину сторони.

Опуклий правильний многокутник

Всі опуклі правильні многокутники є простими многокутниками. Всі правильні n-кутники подібні між собою.

Центром правильного многокутника називають точку, рівновіддалену від усіх його вершин і всіх його сторін.

Відрізок (а також його довжина) перпендикуляра, проведеного з центру правильного многокутника до його сторони, називається апотемою правильного многокутника. Апотема дорівнює радіусу вписаного в даний многокутник кола.

Кути

Центральним кутом правильного n-кутника (кут α) називають кут, під яким сторону n-кутника видно з його центру.

\alpha ={\frac {360^{0}}{n}}

градусів

={\frac {2\pi }{n}}

радіан.

Сума центральних кутів: $\sum \alpha =360^{0}=2\pi$ рад.

Внутрішній кут правильного n-кутника — кут між сусідніми сторонами:

\beta ={\frac {180^{0}(n-2)}{n}}

градусів

={\frac {(n-2)\cdot \pi }{n}}

радіан.

Сума внутрішніх кутів: $\sum \beta =180^{0}(n-2)$ .

Зовнівнішній кут — кут, суміжний з внутрішнім кутом. $\gamma =180^{0}-\beta =\alpha$

\gamma ={\frac {360^{0}}{n}}

градусів

={\frac {2\pi }{n}}

радіан.

Сума зовнішніх кутів многокутника, взятих по одному біля кожної вершини, дорівнює 360⁰


Сторона правильного n-кутника
n	через радіус описаного кола R $a=2\cdot \sin \left({\frac {\pi }{n}}\right)\cdot R$		через радіус вписаного кола r $a=2\cdot \mathop {\mathrm {tg} } \left({\frac {\pi }{n}}\right)\cdot r$
3	${\sqrt {3}}\cdot R$	≈ 1.7320508∙R	$2{\sqrt {3}}\cdot r$	≈ 3.4641016∙r
4	${\sqrt {2}}\cdot R$	≈ 1.4142136∙R	$2\cdot r$	= 2∙r
5	${\sqrt {\frac {5-{\sqrt {5}}}{2}}}\cdot R$	≈ 1.1755705∙R	$2{\sqrt {5-2{\sqrt {5}}}}\cdot r$	≈ 1.4530851∙r
6	$R$	= 1∙R	${\frac {2{\sqrt {3}}}{3}}\cdot r$	≈ 1.1547005∙r
7		≈ 0.8677674∙R		≈ 0.9631492∙r
8	${\sqrt {2-{\sqrt {2}}}}\cdot R$	≈ 0.7653669∙R	$2({\sqrt {2}}-1)\cdot r$	≈ 0.8284271∙r
9		≈ 0.6840403∙R		≈ 0.7279405∙r
10	${\frac {{\sqrt {5}}-1}{2}}\cdot R$	≈ 0.6180339∙R	$2{\sqrt {\frac {5-2{\sqrt {5}}}{5}}}\cdot r$	≈ 0.6498393∙r
11		≈ 0.5634651∙R		≈ 0.5872529∙r
12	${\sqrt {2-{\sqrt {3}}}}\cdot R$	≈ 0.5176381∙R	$2(2-{\sqrt {3}})\cdot r$	≈ 0.5358984∙r

Формули

Нехай ‒ $a$ сторона правильного n-кутника,
R ‒ радіус описаного кола,
r ‒ радіус вписаного кола,
P ‒ периметр,
$a_{p}$ ‒ апотема правильного n-кутника.

Довжина сторони та периметр

Довжина сторони правильного n-кутника дорівнює:

a=2\cdot \sin \left({\frac {\pi }{n}}\right)\cdot R=2\cdot \mathop {\mathrm {tg} } \left({\frac {\pi }{n}}\right)\cdot r=2\cdot {\sqrt {R^{2}-r^{2}}}

Периметр ‒ сума всіх довжин сторін правильного n-кутника:

P=n\cdot a=2n\cdot \sin \left({\frac {\pi }{n}}\right)\cdot R=2n\cdot \mathop {\mathrm {tg} } \left({\frac {\pi }{n}}\right)\cdot r=2n\cdot {\sqrt {R^{2}-r^{2}}}

Периметри двох правильних n-кутників відносяться як їх відповідні лінійні елементи (сторони, радіуси вписаних чи описаних кіл).

{\frac {P_{1}}{P_{2}}}={\frac {a}{b}}={\frac {r_{1}}{r_{2}}}={\frac {R_{2}}{R_{2}}}

Вписане та описане коло

Навколо кожного правильного n-кутника можна описати коло, і в кожен правильний n-кутник можна вписати коло. Тобто правильний многокутник є біцентричним. Центри вписаного і опиваного кіл співпадають і знаходяться в центрі правильного n-кутника.

Радіус вписаного кола правильного n-кутника (дорівнює апофемі правильного n-кутника) ‒ дотичний до всіх його ребер:

r={\frac {1}{2}}\mathop {\mathrm {ctg} } \left({\frac {\pi }{n}}\right)\cdot a=\cos \left({\frac {\pi }{n}}\right)\cdot R={\sqrt {R^{2}-{\frac {a^{2}}{4}}}}

Радіус описаного кола правильного n-кутника ‒ проходить через всі його вершини:

R={\frac {1}{2\cdot \sin \left({\frac {\pi }{n}}\right)}}\cdot a=\sec \left({\frac {\pi }{n}}\right)\cdot r={\sqrt {r^{2}+{\frac {a^{2}}{4}}}}

Площа кільця, утвореного вписаним та описаним колом залежить тільки від довжини сторони: $S={\frac {\pi }{4}}\cdot a^{2}$

Площа

Площу правильного многокутника з числом сторін $n$ можна обчислити за формулами:

S={\frac {n}{4}}\mathop {\mathrm {ctg} } \left({\frac {\pi }{n}}\right)\cdot a^{2}

S={\frac {n}{2}}\sin \left({\frac {2\pi }{n}}\right)\cdot R^{2}

S=n\cdot \mathop {\mathrm {tg} } \left({\frac {\pi }{n}}\right)\cdot r^{2}

S={\frac {a\cdot n}{2}}{\sqrt {R^{2}-{\frac {a^{2}}{4}}}}={\frac {a\cdot n\cdot r}{2}}={\frac {1}{2}}P\cdot r=p\cdot a_{p}

де P , p ‒ периметр та півпериметр правильного n-кутника;

a_{p}

‒ апотема правильного n-кутника;
r, R — радіуси вписаного та описаного кіл/ апофема.

Правильний n-кутник можна розбит на n рівних рівнобічних трикутників з вершинами в центрі многокутника. У кожного із цих трикутників основа дорівнює стороні многокутника, а висота — його апотемі. Застосовуємо формулу площі трикутника: $S={\frac {1}{2}}bh,$

де S — площа, b — основа, h — висота. Отримуємо формулу для обчислення площі правильного многокутника :

$S={\frac {1}{2}}a\cdot a_{p}\cdot n={\frac {1}{2}}P\cdot a_{p}$

де a — сторона правильного n-кутника, $a_{p}$ — апофема, P — периметр.

Площі двох правильних n-кутників відносяться як квадрати їх відповідних лінійних елементів (сторін, радіусів вписаних чи описаних кіл, діагоналей).^[1]

{\frac {S_{1}}{S_{2}}}={\frac {a^{2}}{b^{2}}}={\frac {r_{1}^{2}}{r_{2}^{2}}}={\frac {R_{1}^{2}}{R_{2}^{2}}}

Формули для правильного многокутника з подвоєним числом сторін

Нехай навколо даного кола радіуса R описано правильний n-кутник зі стороною A_n , периметром P_n і площею S_n, і в це ж коло вписано правильний n-кутник зі стороною a_n , периметром p_n і площею s_n. Тоді^[2]^:87^[3]^:332:


Для вписаного (в це ж коло) 2n-кутника з подвоєною кількістю сторін:	Для описаного (навколо цього ж кола) 2n-кутника з подвоєною кількістю сторін:	У коло радіуса R вписано правильний 2n-кутник зі стороною $a_{2n}$ і площею $s_{2n}$ .
Сторона: $a_{2n}=R\cdot {\sqrt {2-2\cdot {\sqrt {1-\left({\frac {a_{n}}{2\cdot R}}\right)^{2}}}}}$ $a_{2n}={\sqrt {2R^{2}-R\cdot {\sqrt {4R^{2}-a_{n}^{2}}}}}={\sqrt {\frac {a_{n}\cdot A_{2n}}{2}}}$	Сторона: $A_{2n}={\frac {2R\cdot A_{n}}{2R+{\sqrt {4R^{2}+A_{n}^{2}}}}}={\frac {a_{n}\cdot A_{n}}{a_{n}+A_{n}}}$	Сторона правильного n-кутника, вписаного в це ж коло: $a_{n}=a_{2n}\cdot {\sqrt {4-\left({\frac {a_{2n}}{R}}\right)^{2}}}$
Периметр: $p_{2n}={\sqrt {p_{n}\cdot P_{2n}}}$ , $p_{2n}>p_{n}$	Периметр: $P_{2n}={\frac {2p_{n}\cdot P_{n}}{p_{n}+P_{n}}}$ , $P_{n}>P_{2n}$
Площа: $s_{2n}={\frac {n\cdot R^{2}}{\sqrt {2}}}\cdot {\sqrt {1-{\sqrt {1-\left({\frac {2s_{n}}{n\cdot R^{2}}}\right)^{2}}}}}$	Площа: $S_{2n}={\frac {2s_{2n}\cdot S_{n}}{s_{2n}+S_{n}}}$	Площа правильного n-кутника: $s_{n}=s_{2n}\cdot {\sqrt {1-\left({\frac {s_{2n}}{n\cdot R^{2}}}\right)^{2}}}$

Нехай навколо даного кола радіуса R описано правильний n-кутник зі стороною A_n , і в це ж коло вписано правильний n-кутник зі стороною a_n. Тоді:

$a_{n}={\frac {2R\cdot A_{n}}{\sqrt {4R^{2}+A_{n}^{2}}}}$

$A_{n}={\frac {2R\cdot a_{n}}{\sqrt {4R^{2}-a_{n}^{2}}}}$

Діагоналі

Діагоналлю многокутника називають відрізок, що з'єднує дві несусідні вершини многокутника. Діагоналі, що виходять з однієї вершини опуклого n–кутника, ділять його на n — 2 трикутники.

Кількість діагоналей правильного n–кутника: ${\frac {n\cdot (n-3)}{2}}$

Кут між будь-якими сусідніми діагоналями, що виходять із однієї вершини (включно зі сторонами, що виходять із цієї вершини): $\varphi ={\frac {\pi }{n}}$

При парному n, ${\frac {n}{2}}$ діагоналей правильного многокутника, що мають найбільшу довжину, перетинаються в одній точці — в центрі правильного многокутника;

При непарному n, $n$ діагоналей, що мають найбільшу довжину, при перетині, утворюють всередині n–кутника такий же n–кутник меншого розміру.

Довжини діагоналей правильного n–кутника можна обчислити за формулою:

d_{k}={\frac {\sin \left({\frac {(k+1)\cdot \pi }{n}}\right)}{\sin \left({\frac {\pi }{n}}\right)}}\cdot a

, при

k=1,2,3,...,n-3;(k\in \mathbb {N} )

Вивід формули

Кути n-кутника:

Внутрішній кут:

\beta ={\frac {(n-2)\cdot \pi }{n}}=\pi -{\frac {2\pi }{n}}

Кут

\delta =\beta -\varphi ={\frac {(n-2)\cdot \pi }{n}}-{\frac {\pi }{n}}=\pi -{\frac {2\pi }{n}}-{\frac {\pi }{n}}=\pi -{\frac {3\pi }{n}}

Кут

\epsilon =\beta -\left(\pi -\delta -\varphi \right)=\pi -{\frac {2\pi }{n}}-\pi +\pi -{\frac {3\pi }{n}}+{\frac {\pi }{n}}=\pi -{\frac {4\pi }{n}}

, і т.д.

Діагональ $d_{1}$ знаходимо, застосовуючи теорему синусів:

{\frac {a}{\sin(\varphi )}}={\frac {d_{1}}{\sin(\beta )}}\Longrightarrow d_{1}={\frac {\sin \left(\pi -{\frac {2\pi }{n}}\right)}{\sin \left({\frac {\pi }{n}}\right)}}\cdot a={\frac {\sin \left({\frac {2\pi }{n}}\right)}{\sin \left({\frac {\pi }{n}}\right)}}\cdot a

Аналогічно, діагональ $d_{2}$ :

{\frac {a}{\sin(\varphi )}}={\frac {d_{2}}{\sin(\delta )}}\Longrightarrow d_{2}={\frac {\sin \left(\pi -{\frac {3\pi }{n}}\right)}{\sin \left({\frac {\pi }{n}}\right)}}\cdot a={\frac {\sin \left({\frac {3\pi }{n}}\right)}{\sin \left({\frac {\pi }{n}}\right)}}\cdot a

...

Остання діагональ $d_{n-3}$ :

d_{n-3}={\frac {\sin \left(\pi -{\frac {(n-2)\pi }{n}}\right)}{\sin \left({\frac {\pi }{n}}\right)}}\cdot a={\frac {\sin \left({\frac {(n-2)\pi }{n}}\right)}{\sin \left({\frac {\pi }{n}}\right)}}\cdot a={\frac {\sin \left({\frac {2\pi }{n}}\right)}{\sin \left({\frac {\pi }{n}}\right)}}\cdot a

Узагальнюючи знайдені значення, отримаємо:

d_{k}={\frac {\sin \left({\frac {(k+1)\cdot \pi }{n}}\right)}{\sin \left({\frac {\pi }{n}}\right)}}\cdot a

, при

k=1,2,3,...,n-3

; (k\in\mathbb{N})

Всі діагоналі правильного n-кутника при перетині ділять його на 1, 4, 11, 24, 50, 80, 154, 220, 375, 444… частин (відповідно для n = 3, 4, 5, …) A007678.

Кількість точок перетину діагоналей усередині правильного многокутника: 0, 1, 5, 13, 35, 49, 126, 161, 330, 301,… (відповідно для n = 3, 4, 5, …) A006561.

Найбільша кількість діагоналей правильного $n$ $n$ -кутника, що перетинаються в одній точці, яка не є його вершиною або центром, дорівнює:
- 2, якщо n непарне;
- 3, якщо n парне, але не ділиться на 6;
- 5, якщо n ділиться на 6, але не ділиться на 30;
- 7, якщо n ділиться на 30

Для цих значень існує три виключення: ця кількість = 0 в трикутнику, 2 в шестикутнику та 4 в дванадцятикутнику.^[4].

Нехай існує наступна функція $\delta _{m}(n)={\begin{cases}1,&{\text{якщо }}n{\text{ ділиться на}}m\\0,&{\text{якщо }}n{\text{ не ділиться на }}m\end{cases}}$ . Тоді:

Кількість точок перетину діагоналей правильного n-кутника дорівнює^[4]

{\begin{array}{l}C_{n}^{4}+{\frac {-5n^{3}+45n^{2}-70n+24}{24}}\cdot \delta _{2}(n)-{\frac {3n}{2}}\cdot \delta _{4}(n)+{\frac {-45n^{2}+262n}{6}}\cdot \delta _{6}(n)+42n\cdot \delta _{12}(n)+60n\cdot \delta _{18}(n)+35n\cdot \delta _{24}(n)-\\-38n\cdot \delta _{30}(n)-82n\cdot \delta _{42}(n)-330n\cdot \delta _{60}(n)-144n\cdot \delta _{84}(n)-96n\cdot \delta _{90}(n)-144n\cdot \delta _{120}(n)-96n\cdot \delta _{210}(n)\end{array}}

Де

C_{n}^{4}

— число сполук із

n

по

4

.

Кількість частин, на які діагоналі при перетині ділять правильный n-кутник дорівнює:^[4]

{\begin{array}{l}{\frac {n^{4}-6n^{3}+23n^{2}-42n+24}{24}}+{\frac {-5n^{3}+42n^{2}-40n-48}{48}}\cdot \delta _{2}(n)-{\frac {3n}{4}}\cdot \delta _{4}(n)+{\frac {-53n^{2}+310n}{12}}\cdot \delta _{6}(n)+{\frac {49n}{2}}\cdot \delta _{12}(n)+32n\cdot \delta _{18}(n)+\\+19n\cdot \delta _{24}(n)-36n\cdot \delta _{30}(n)-50n\cdot \delta _{42}(n)-190n\cdot \delta _{60}(n)-78n\cdot \delta _{84}(n)-48n\cdot \delta _{90}(n)-78n\cdot \delta _{120}(n)-48n\cdot \delta _{210}(n)\end{array}}

Для правильного n-кутника, вписаного в коло одиничного радіуса, добуток відстаней від даної вершини до всіх інших вершин (включно із суміжними вершинами та вершинами, з'єднані діагоналями) дорівнює n.[1]

Сума квадратів всіх сторін та всіх діагоналей правильного n-кутника, вписаного в коло радіуса R дорівнює n²R²^[5]^{:73, наслідок}

Координати вершин

Нехай $x_{0}$ та $y_{0}$ — координати центра, а $R$ — радіус описаного навколо правильного многокутника кола, ${\phi }_{0}$ — кутова координата першої вершини, тоді декартові координати вершин правильного многокутника визначаються формулами

x_{i}=x_{0}+R\cos \left({\phi }_{0}+{\frac {2\pi i}{n}}\right)

,

y_{i}=y_{0}+R\sin \left({\phi }_{0}+{\frac {2\pi i}{n}}\right)

,

де $i=0,\dots ,n-1$ .

Симетрія

Групою симетрії правильного n-кутника є діедральна група D_n (порядку 2n): D₂, D₃, D₄, … Вона складається з n обертових симетрій і n осьових симетрій.

Якщо n парне, тоді існує n/2 осей симетрій, що проходять через дві протилежні вершини, а інша половина через середини протилежних сторін.

Якщо n непарне, то всі осі проходять через вершину та середину протилежної сторони.

Так чи інакше, існує n осей симетрії і 2n елементів у групі симетрій. Відбиття відносно однієї з осей симетрії із наступним відбиттям відносно іншої осі рівноцінно обертанню на подвоєний кут між осями.

Властивості

Всі бісектриси кутів між сторонами рівні і проходять через центр правильного многокутника.
Всі серединні перпендикуляри проходять через центр правильного многокутника. Щоб знайти центр правильного n-кутника, достатньо знайти точку перетину двох серединних перпендикулярів, проведених до сусідніх сторін.
Центр мас правильного n-кутника лежить у його геометричному центрі
Правильний n-кутник можна побудувати за допомогою циркуля й лінійки тоді і тільки тоді, коли $n=2^{k}\cdot p_{1}\cdot \ldots \cdot p_{m}$ $n=2^{k}\cdot p_{1}\cdot \ldots \cdot p_{m}$ , де — різні прості числа Ферма.
- Зокрема, правильний n-кутник є таким, що будується, якщо n = 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 16, 17, 20, 24, 30, 32, 34, 40, 48, 51, 60, 64, 68, 80, 85, 96, 102, 120, … послідовність A003401
Правильними n-кутниками можна замостити площину без проміжків та накладень тільки при n = 3, 4 та 6 , тобто тільки правильними трикутниками, квадратами та правильними шестикутниками.

Теорема Вівіані для правильного n-кутника

У своєму виданні п'ятої книги «Конічні перетини» Аполлонія^[6] Вівіані надає таку теорему:

У правильному опуклому n-кутнику сума відстаней від будь-якої точки всередині многокутника до його сторін (або їх продовжень) постійна і не залежить від розташування точки.

Зокрема, якщо $h_{i}$ ‒ відстані від деякої точки Р, що лежить всередині правильного n-кутника, до його сторін,

$a_{p}$ ‒ апотема цього n-кутника, то виконується рівність^[7]^[5]^:72

$\textstyle \sum _{i=1}^{n}\displaystyle h_{i}=a_{p}\cdot n$

Сума довжин перпендикулярів, опущених з вершин правильного n-кутника на будь-яку пряму, дотичну до описаного кола, дорівнює радіусу описаного кола, помноженому на n:^[5]^:73

$\textstyle \sum _{i=1}^{n}\displaystyle \ell _{i}=n\cdot R$

Сума квадратів відстаней від вершин правильного n-кутника до будь-якої точки на описаному колі дорівнює,^[5]^:73

$\textstyle \sum _{i=1}^{n}\displaystyle d_{i}^{2}=2n\cdot R^{2}$

де R — радіус описаного кола.

Сума квадратів відстаней від середин сторін правильного n-кутника до будь-якої точки описаного кола дорівнює^[5]^:73

$\textstyle \sum _{i=1}^{n}\displaystyle m_{i}^{2}=2n\cdot R^{2}-{\frac {1}{4}}n\cdot a^{2}$

де $a$ — довжина сторони правильного n-кутника

Якщо $d_{i}$ — відстані від вершин правильного $n$ -кутника до будь-якої точки на описаному колі, то:^[8]

3\left(\sum _{i=1}^{n}d_{i}^{2}\right)^{2}=2n\sum _{i=1}^{n}d_{i}^{4}

.

Точка в площині правильного n-кутника

Нехай $d_{i}$ — відстані від довільної точки площини до вершин правильного n-кутника, а R — радіус описаного кола. Тоді виконується рівність:^[9]

{\frac {1}{n}}\sum _{i=1}^{n}d_{i}^{4}+3R^{4}=\left({\frac {1}{n}}\sum _{i=1}^{n}d_{i}^{2}+R^{2}\right)^{2}.

Існують формули для більших показників степеня відстаней $d_{i}$ . Якщо:

S_{n}^{(2m)}={\frac {1}{n}}\sum _{i=1}^{n}d_{i}^{2m}

,

то:^[8]

S_{n}^{(2m)}=\left(S_{n}^{(2)}\right)^{m}+\sum _{k=1}^{\left\lfloor {\frac {m}{2}}\right\rfloor }{\binom {m}{2k}}{\binom {2k}{k}}R^{2k}\left(S_{n}^{(2)}-R^{2}\right)^{k}\left(S_{n}^{(2)}\right)^{m-2k}

,

а також

S_{n}^{(2m)}=\left(S_{n}^{(2)}\right)^{m}+\sum _{k=1}^{\left\lfloor {\frac {m}{2}}\right\rfloor }{\frac {1}{2^{k}}}{\binom {m}{2k}}{\binom {2k}{k}}\left(S_{n}^{(4)}-\left(S_{n}^{(2)}\right)^{2}\right)^{k}\left(S_{n}^{(2)}\right)^{m-2k}

,

де $m$ — додатне ціле число менше ніж $n$ .

Якщо $L$ — відстань від довільної точки на площині до центра правильного n-кутника з радіусом описаного кола $R$ , то:^[8]

\sum _{i=1}^{n}d_{i}^{2m}=n\left(\left(R^{2}+L^{2}\right)^{m}+\sum _{k=1}^{\left\lfloor {\frac {m}{2}}\right\rfloor }{\binom {m}{2k}}{\binom {2k}{k}}R^{2k}L^{2k}\left(R^{2}+L^{2}\right)^{m-2k}\right)

,

де $m$ = 1, 2, …, $n-1$ .

Застосування

Правильними многокутниками за визначенням є грані правильних многогранників.

Давньогрецькі математики (Антіфон, Брісон(інші мови), Архімед та ін.) використовували правильні многокутники для обчислення числа $\pi$ . Вони обчислювали площі вписаних в коло і описаних навколо нього многокутників, поступово збільшуючи число їх сторін і отримуючи таким чином оцінку площі кола.^[10]

Історія

Побудова правильного многокутника (n-кутника) за допомогою циркуля та лінійки залишалась проблемою для математиків до XIX століття. Така побудова ідентична розділенню кола на n рівних частин, оскільки з'єднавши між собою точки, що ділять коло на рівні частини, можна отримати шуканий многокутник.

Евклід у своїх «Началах» описав побудову правильних многокутників у Книзі IV і вирішив задачу для n = 3, 4, 5, 6, 15. Він визначив певний критерій можливості побудувати многокутник, хоча цей критерій і не було описано в «Началах». Давньогрецькі математики вміли будувати многокутник з 2^m сторонами (при цілому m > 1), маючи вже побудований многокутник із кількістю сторін 2^{m — 1}: поділом дуги на дві частини. Таким чином із двох півкіл можна побудувати квадрат, потім правильний восьмикутник, правильний шістнадцятикутник і так далі. Окрім цього, в тій же книзі Евклід вказав і другий критерій: якщо відомо, як будувати многокутники з r та s сторонами, де r та s — взаємно прості числа, то можна побудувати і многокутник із r × s сторонами. Синтезуючи ці два способи, можна дійти висновку, що стародавні математики вміли будувати правильні многокутники з $2^{m}\cdot {p_{1}}^{k_{1}}\cdot {p_{2}}^{k_{2}}$ сторонами, де m — ціле невід'ємне число, ${p_{1}},{p_{2}}$ — числа 3 та 5, а ${k_{1}},{k_{2}}$ приймають значення 0 або 1.

Середньовічна математика майже ніяк не просунулась у цьому питанні. Лише 1796 року Карлу Фрідріху Гаусу вдалося довести, що коли кількість сторін правильного многокутника дорівнює простому числу Ферма, до яких, крім 3 та 5, належать 17, 257 и 65537, то його можна побудувати за допомогою циркуля та лінійки. Якщо брати взагалі, із цього випливає, що правильний многокутник можливо побудувати, якщо кількість його сторін дорівнює $2^{k_{0}}{p_{1}}^{k_{1}}{p_{2}}^{k_{2}}\cdots {p_{s}}^{k_{s}}$ , де ${k_{0}}$ — ціле невід'ємне число, ${k_{1}},{k_{2}}\cdots {k_{s}}$ набувають значення 0 або 1, а $\mathrm {p_{j}}$ — прості числа Ферма.

Гаус підозрював, що ця умова є не тільки достатньою, але й необхідною, але вперше це довів П'єр Лоран Ванцель 1836 року.

Крапку в справі побудови правильних многокутників поставила побудова правильних 17-, 257- та 65537-кутників. Першу винайшов Йоханес Ерхінгер 1825 року, другу — Фрідріх Юліус Рішело 1832 року, третю — Іоган Густав Гермес 1894 року.

Відтоді проблема вважається повністю вирішеною.

Розбиття

Гарольд Коксетер стверджує, що кожен зоногон (2m-кутник, протилежні сторони якого паралельні й мають однакову довжину) можна розрізати на

${\binom {m}{2}}={\frac {m\cdot (m-1)}{2}}$ паралелограмів. Ці мозаїки містяться як підмножини вершин, ребер і граней в ортогональних проекціях m-кубів^[11].

Зокрема, це справедливо для будь-якого правильного многокутника з парною кількістю сторін, у цьому випадку всі паралелограми є ромбами.

Послідовність A006245 містить кількість ромбів у розбитті правильного 2m-кутника.

Приклади розбиття на ромби правильних 2m-кутників
2m	6	8	10	12	14	16	18	20	24	30	40	50
Зображення
Ромби	3	6	10	15	21	28	36	45	66	105	190	300

Див. також

Примітки

↑ Істер О.С., 2017, с. 203.
↑ Harris, John W.; Stöcker, Horst (23 липня 1998). Handbook of Mathematics and Computational Science (англ.). Springer Science & Business Media. ISBN 978-0-387-94746-4.
↑ Zwillinger, Daniel (2003). CRC Standard Mathematical Tables (PDF) (англ.) (вид. 31th ed.). Boca Raton, FL: CRC Press LLC. с. 840: стор. 332.
↑ ^а ^б ^в Bjorn Poonen and Michael Rubinstein. "The number of intersection points made by thediagonals of a regular polygon" (англ) . doi:10.48550/arXiv.math/9508209.
↑ ^а ^б ^в ^г ^д Johnson, Roger A. (2007 (orig. 1929)). Advanced Euclidean Geometry (PDF) (англ.) . Dover Publ. с. 319:стор.72-73.
↑ Apolonio de Pérgamo; Vincenzo, Viviani (1659). De maximis et minimis geometrica… (італ.) . Appendice. с. 146.
↑ Chen, Zhibo; Liang, Tian (2006). The converse of Viviani's theorem. The College Mathematics Journal. 37 (5): 390—391. doi:10.2307/27646392. JSTOR 27646392.
↑ ^а ^б ^в Meskhishvili, Mamuka Meskhishvili, Mamuka (2020). Cyclic Averages of Regular Polygons and Platonic Solids. Communications in Mathematics and Applications. 11: 335—355.
↑ Park, Poo-Sung (2016). "Regular polytope distances" (PDF). Forum Geometricorum. 16: 227—232. Архів оригіналу (PDF) за 10 жовтня 2016. Процитовано 26 липня 2023.
↑ Жуков А. В. Про число $\pi$ . — М.: МЦНМО, 2002. ISBN 5-94057-030-5.
↑ Coxeter, Mathematical recreations and Essays, Thirteenth edition, стор.141

Література

Мерзляк А.Г., Полонський В.Б., Якір М.С. Геометрія: підруч. для 9 кл. загальноосвіт. навч. закладів. — Харків : Гімназія, 1966. — С. 240 : стор. 51-61. — ISBN 978-966-474-295-2.
Істер О.С. Геометрія: 9 клас. — Київ : Генеза, 2017. — С. 243 : стор. 203. — ISBN 978-966-11-0844-7.

Посилання

Regular Polygons and Other Two Dimensional Shapes
Weisstein, Eric W. RegularPolygon. From MathWorld

Портал «Математика»

[FOOTNOTEІстер_О.С.2017203-1] Істер О.С., 2017, с. 203.

[J.W.Harris-2] Harris, John W.; Stöcker, Horst (23 липня 1998). Handbook of Mathematics and Computational Science (англ.). Springer Science & Business Media. ISBN 978-0-387-94746-4.

[Daniel_Zwillinger-3] Zwillinger, Daniel (2003). CRC Standard Mathematical Tables (PDF) (англ.) (вид. 31th ed.). Boca Raton, FL: CRC Press LLC. с. 840: стор. 332.

[Bjorn_Poonen-4] а ^б ^в Bjorn Poonen and Michael Rubinstein. "The number of intersection points made by thediagonals of a regular polygon" (англ) . doi:10.48550/arXiv.math/9508209.

[Johnson,_Roger_A.-5] а ^б ^в ^г ^д Johnson, Roger A. (2007 (orig. 1929)). Advanced Euclidean Geometry (PDF) (англ.) . Dover Publ. с. 319:стор.72-73.

[Apolonio_de_Pérgamo-6] Apolonio de Pérgamo; Vincenzo, Viviani (1659). De maximis et minimis geometrica… (італ.) . Appendice. с. 146.

[Chen-7] Chen, Zhibo; Liang, Tian (2006). The converse of Viviani's theorem. The College Mathematics Journal. 37 (5): 390—391. doi:10.2307/27646392. JSTOR 27646392.

[Mamuka-8] а ^б ^в Meskhishvili, Mamuka Meskhishvili, Mamuka (2020). Cyclic Averages of Regular Polygons and Platonic Solids. Communications in Mathematics and Applications. 11: 335—355.

[9] Park, Poo-Sung (2016). "Regular polytope distances" (PDF). Forum Geometricorum. 16: 227—232. Архів оригіналу (PDF) за 10 жовтня 2016. Процитовано 26 липня 2023.

[10] Жуков А. В. Про число $\pi$ . — М.: МЦНМО, 2002. ISBN 5-94057-030-5.

[11] Coxeter, Mathematical recreations and Essays, Thirteenth edition, стор.141

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

п о р Многокутники
Правильні Список^[en]
1—10 сторін	Однокутник (моногон)^[en] Двокутник (дигон) Трикутник (тригон) Чотирикутник (квадрагон) П'ятикутник (пентагон) Шестикутник (гексагон) Семикутник (гептагон) Восьмикутник (октагон) Дев'ятикутник (нонагон, еннеагон) Десятикутник (декагон)
11—20 сторін	Одинадцятикутник (гендекагон) Дванадцятикутник (додекагон) Тринадцятикутник (тридекагон) Чотирнадцятикутник (тетрадекагон) П'ятнадцятикутник (пентадекагон) Шістнадцятикутник (гексадекагон)^[en] Сімнадцятикутник (гептадекагон) Вісімнадцятикутник (октадекагон)^[en] Дев'ятнадцятикутник (еннеадекагон) Двадцятикутник (ікосагон)^[en]
21—100 сторін	Двадцятичотирикутник (ікоситетрагон)^[en] Двадцятип'ятикутник (ікосипентагон)^[en] Тридцятикутник (тріаконтагон)^[en]
Інші	257-кутник Тисячокутник (хіліагон) Десятитисячокутник (міріагон)^[en] 65537-кутник Мільйонокутник (мегагон)^[en] Нескінченнокутник (апейрогон)
Зірчасті многокутники (5—12 сторін)	Пентаграма Гексаграма Гептаграма^[en] Октаграма Еннеаграма^[en] Декаграма Гендекаграма^[en] Додекаграма^[en]
Типи	Біцентричний Вписаний Зоногон Ізогональний Ізотоксальний Описаний Опуклий Паралелогон Правильний Простий Просторовий Рівнодіагональний Рівнокутний Рівносторонній Увігнутий

Основні опуклі правильні й однорідні політопи в розмірностях 2-10
Родина	A_n	B_n	I₂(p) / D_n	E₆ / E₇ / E₈ / F₄ / G₂	H_n
Правильний многокутник	Правильний трикутник	Квадрат	p-кутник	Правильний шестикутник	Правильний п'ятикутник
Однорідний многогранник	Правильний тетраедр	Правильний октаедр • Куб	Півкуб		Правильний додекаедр • Правильний ікосаедр
Однорідний 4-політоп	П'ятикомірник	16-комірник • Тесеракт	Півтесеракт	24-комірник	120-комірник • 600-комірник
Однорідний 5-політоп	Правильний 5-симплекс	5-ортоплекс • 5-гіперкуб	5-півгіперкуб
Однорідний 6-політоп	Правильний 6-симплекс	6-ортоплекс • 6-гіперкуб	6-півгіперкуб	1₂₂ • 2₂₁
Однорідний 7-політоп	Правильний 7-симплекс	7-ортоплекс • 7-гіперкуб	7-півгіперкуб	1₃₂ • 2₃₁ • 3₂₁
Однорідний 8-політоп	Правильний 8-симплекс	8-ортоплекс • 8-гіперкуб	8-півгіперкуб	1₄₂ • 2₄₁ • 4₂₁
Однорідний 9-політоп	Правильний 9-симплекс	9-ортоплекс • 9-гіперкуб	9-півгіперкуб
Однорідний 10-політоп	Правильний 10-симплекс	10-ортоплекс • 10-гіперкуб	10-півгіперкуб
Однорідний n-політоп	Правильный n-симплекс	n-ортоплекс • n-гіперкуб	n-півгіперкуб	1_k2 • 2_k1 • k₂₁	n-п'ятикутний многогранник
Topics: Родини політопів • Правильні політопи • Список правильних політопів і з'єднань