Понятие многоугольника
Определение 1
Многоугольником называется геометрическая фигура в плоскости, которая состоит из попарно соединенных между собой отрезков, соседние из которых не лежат на одной прямой.
При этом отрезки называются сторонами многоугольника , а их концы - вершинами многоугольника .
Определение 2
$n$-угольником называется многоугольник, у которого $n$ вершин.
Виды многоугольников
Определение 3
Если многоугольник всегда будет лежать по одну сторону от любой прямой, проходящей через его стороны, то многоугольник называется выпуклым (рис. 1).
Рисунок 1. Выпуклый многоугольник
Определение 4
Если многоугольник лежит по разные стороны хотя бы одной прямой, проходящей через его стороны, то многоугольник называется невыпуклым (рис. 2).
Рисунок 2. Невыпуклый многоугольник
Сумма углов многоугольника
Введем теорему о сумме углов -угольника.
Теорема 1
Сумма углов выпуклого -угольника определяется следующим образом
\[(n-2)\cdot {180}^0\]
Доказательство.
Пусть нам дан выпуклый многоугольник $A_1A_2A_3A_4A_5\dots A_n$. Соединим его вершину $A_1$ со всеми другими вершинами данного многоугольника (рис. 3).
Рисунок 3.
При таком соединении мы получим $n-2$ треугольника. Просуммировав их углы мы получим сумму углов данного -угольника. Так как сумма углов треугольника равняется ${180}^0,$ получим, что сумма углов выпуклого -угольника определяется по формуле
\[(n-2)\cdot {180}^0\]
Теорема доказана.
Понятие четырехугольника
Используя определение $2$, легко ввести определение четырехугольника.
Определение 5
Четырехугольником называется многоугольник, у которого $4$ вершины (рис. 4).
Рисунок 4. Четырехугольник
Для четырехугольника аналогично определены понятия выпуклого четырехугольника и невыпуклого четырехугольника. Классическими примерами выпуклых четырехугольников являются квадрат, прямоугольник, трапеция, ромб, параллелограмм (рис. 5).
Рисунок 5. Выпуклые четырехугольники
Теорема 2
Сумма углов выпуклого четырехугольника равняется ${360}^0$
Доказательство.
По теореме $1$, мы знаем, что сумма углов выпуклого -угольника определяется по формуле
\[(n-2)\cdot {180}^0\]
Следовательно, сумма углов выпуклого четырехугольника равняется
\[\left(4-2\right)\cdot {180}^0={360}^0\]
Теорема доказана.
В 8 классе на уроках геометрии в школе ученики впервые знакомятся с понятием выпуклого многоугольника. Очень скоро они узнают, что эта фигура обладает очень интересным свойством. Какой бы сложной она ни была, сумма всех внутренних и внешних углов выпуклого многоугольника принимает строго определенное значение. В данной статье репетитор по математике и физике рассказывает о том, чему равна сумма углов выпуклого многоугольника.
Сумма внутренних углов выпуклого многоугольника
Как доказать эту формулу?
Прежде чем перейти к доказательству этого утверждения, вспомним, какой многоугольник называется выпуклым. Выпуклым называется такой многоугольник, который целиком находится по одну сторону от прямой, содержащей любую его сторону. Например такой, который изображен на этом рисунке:
Если же многоугольник не удовлетворяет указанному условию, то он называется невыпуклым. Например, такой:
Сумма внутренних углов выпуклого многоугольника равна , где — количество сторон многоугольника.
Доказательство этого факта основано на хорошо известной всем школьникам теореме о сумме углов в треугольнике. Уверен, что и вам эта теорема знакома. Сумма внутренних углов треугольника равна .
Идея состоит в том, чтобы разбить выпуклый многоугольник на несколько треугольников. Сделать это можно разными способами. В зависимости от того, какой способ мы выберем, доказательства будут немного отличаться.
1. Разобьём выпуклый многоугольник на треугольники всеми возможными диагоналями, проведёнными из какой-нибудь вершины. Легко понять, что тогда наш n-угольник разобьётся на треугольника:
Причём сумма всех углов всех получившихся треугольников равна сумме углов нашего n-угольника. Ведь каждый угол в получившихся треугольниках является частичной какого-то угла в нашем выпуклом многоугольнике. То есть искомая сумма равна .
2. Можно также выбрать точку внутри выпуклого многоугольника и соединить её со всеми вершинами. Тогда наш n-угольник разобьется на треугольников:
Причём сумма углов нашего многоугольника в этом случае будет равна сумме всех углов всех этих треугольников за вычетом центрального угла, который равен . То есть искомая сумма опять же равна .
Сумма внешних углов выпуклого многоугольника
Зададимся теперь вопросом: «Чему равна сумма внешних углов выпуклого многоугольника?» Ответить на этот вопрос можно следующим образом. Каждый внешний угол является смежным с соответствующим внутренним. Поэтому он равен :
Тогда сумма всех внешних углов равна . То есть она равна .
То есть получается весьма забавный результат. Если отложить последовательно друг за другом все внешние углы любого выпуклого n-угольника, то в результате заполнится ровно вся плоскости.
Этот интересный факт можно проиллюстрировать следующим образом. Давайте пропорциональном уменьшать все стороны какого-нибудь выпуклого многоугольника до тех пор, пока он не сольётся в точку. После того, как это произойдёт, все внешние углы окажутся отложенными один от другого и заполнят таким образом всю плоскость.
Интересный факт, не правда ли? И таких фактов в геометрии очень много. Так что учите геометрию, дорогие школьники!
Материал о том, чему равна сумма углов выпуклого многоугольника, подготовил , Сергей Валерьевич
Определение выпуклости многоугольника.
Алгоритм Кируса–Бэка предполагает наличие выпуклого многоугольника, используемого в качестве окна.
Однако на практике весьма часто возникает задача отсечения многоугольником, а информация о том, является он выпуклым или нет изначально не задается. В таком случае, прежде чем начать процедуру отсечения необходимо определить какой задан многоугольник – выпуклый или нет.
Дадим некотрые определения выпуклости многоугольника
Выпуклым считается многоугольник, для которого выполняется одно из ниже перечисленных условий:
1)в выпуклом многоугольнике все вершины располагаются по одну сторону от линии, несущей любое ребро (по внутреннюю сторону относительно данного ребра);
2)все внутренние углы многоугольника меньше 180 о;
3)все диагонали, связывающие вершины многоугольника, лежат внутри этого многоугольника;
4)все углы многоугольника обходятся в одном направлении (Рис. 3.3‑1).
Для выработки аналитического представление последнего критерия выпуклости, используем векторное произведение.
Векторное произведение W двух векторов a и b (Рис. 3.3‑2 а) определяется как:
A x ,a y ,a z и b x ,b y ,b z являются проекциями на оси координат X ,Y ,Z , соответственно, векторов – сомножителей a и b ,
- i , j , k – единичные векторы по координатным осям X , Y , Z .
 |
Рис. 3.3 ‑ 1
Рис. 3.3 ‑ 2
Если рассматривать двумерное представление многоугольника как представление его в координатной плоскости XY трехмерной системе координат X ,Y ,Z (Рис. 3.3‑2 b ), то выражение для формирования векторного произведения векторов U и V , где векторы U и V являются соседними ребрами, образующими угол многоугольника, можно записать в виде определитель:
Вектор векторного произведения перпендикулярен плоскости, в которой находятся вектора-сомножители. Направление вектора произведения определяется по правилу буравчика или по правилу винта с правой нарезкой.
Для случая, представленного на Рис. 3.3‑2 b ), вектор W , соответствующий векторному произведению векторов V , U , будет иметь ту же направленность, что и направленность координатной оси Z .
Учитывая то, что проекции на ось Z векторов –сомножителей в этом случае равны нулю, векторное произведение можно представить в виде:
(3.3-1)
Единичный вектор k всегда положительный, следовательно, знак вектора w векторного произведения будет определяться только знаком определителя D в выше приведенном выражении. Отметим, что на основании свойства векторного произведения, при перестановке местами векторов-сомножителей U и V знак вектора w будет меняться на противоположный.
Отсюда следует, что, если в качестве векторов V и U рассматривать два соседних ребра многоугольника, то порядок перечисления векторов в векторном произведении можно поставить в соответствие c обходом рассматриваемого угла многоугольника или ребер, образующих этот угол. Это позволяет использовать в качестве критерия определения выпуклости многоугольника правило:
если для всех пар ребер многоугольника выполняется условие:
 |
Если знаки векторных произведений для отдельных углов не совпадают, то многоугольник не выпуклый.
Так как ребра многоугольник задаются в виде координат их концевых точек, то для определения знака векторного произведения удобнее использовать определитель.
Понятие многоугольника
Определение 1
Многоугольником называется геометрическая фигура в плоскости, которая состоит из попарно соединенных между собой отрезков, соседние из которых не лежат на одной прямой.
При этом отрезки называются сторонами многоугольника , а их концы - вершинами многоугольника .
Определение 2
$n$-угольником называется многоугольник, у которого $n$ вершин.
Виды многоугольников
Определение 3
Если многоугольник всегда будет лежать по одну сторону от любой прямой, проходящей через его стороны, то многоугольник называется выпуклым (рис. 1).
Рисунок 1. Выпуклый многоугольник
Определение 4
Если многоугольник лежит по разные стороны хотя бы одной прямой, проходящей через его стороны, то многоугольник называется невыпуклым (рис. 2).
Рисунок 2. Невыпуклый многоугольник
Сумма углов многоугольника
Введем теорему о сумме углов -угольника.
Теорема 1
Сумма углов выпуклого -угольника определяется следующим образом
\[(n-2)\cdot {180}^0\]
Доказательство.
Пусть нам дан выпуклый многоугольник $A_1A_2A_3A_4A_5\dots A_n$. Соединим его вершину $A_1$ со всеми другими вершинами данного многоугольника (рис. 3).
Рисунок 3.
При таком соединении мы получим $n-2$ треугольника. Просуммировав их углы мы получим сумму углов данного -угольника. Так как сумма углов треугольника равняется ${180}^0,$ получим, что сумма углов выпуклого -угольника определяется по формуле
\[(n-2)\cdot {180}^0\]
Теорема доказана.
Понятие четырехугольника
Используя определение $2$, легко ввести определение четырехугольника.
Определение 5
Четырехугольником называется многоугольник, у которого $4$ вершины (рис. 4).
Рисунок 4. Четырехугольник
Для четырехугольника аналогично определены понятия выпуклого четырехугольника и невыпуклого четырехугольника. Классическими примерами выпуклых четырехугольников являются квадрат, прямоугольник, трапеция, ромб, параллелограмм (рис. 5).
Рисунок 5. Выпуклые четырехугольники
Теорема 2
Сумма углов выпуклого четырехугольника равняется ${360}^0$
Доказательство.
По теореме $1$, мы знаем, что сумма углов выпуклого -угольника определяется по формуле
\[(n-2)\cdot {180}^0\]
Следовательно, сумма углов выпуклого четырехугольника равняется
\[\left(4-2\right)\cdot {180}^0={360}^0\]
Теорема доказана.
