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正五边形有多少条对角线,五边形多少度(井盖的设计也大有文章)

百科 2026-02-14 09:11:17 投稿 阅读:827次

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  • 1、正五边形有多少条对角线:五边形多少度
  • 2、用数学思维观察生活,井盖的设计也大有文章

1、正五边形有多少条对角线:五边形多少度

  五边形内角和为540°,五边形在平面几何学上指所有由五条边围衬成及有五只角的多边形。完美五边形和正五边形都是五边形的一种特殊类型。正五边形,是正多边形的一种,有将正五边形的对角线连起来,可以造成一个五角星。组成的图形里可以找到一些和黄金分割φ=(√5-1)/2有关的长度。

  正五边形五边相等,五个内角相等,都是108°正五边形的五条对角线都相等正五边形是轴对称图形,共有5条对称轴。正五边形的每个外角和每个中心角都是72°。正五边形不是中心对称图形。正五边形有一个外接圆和一个内切圆。正五边形是旋转对称图形,旋转中心就是正五边形的中心。

2、用数学思维观察生活,井盖的设计也大有文章

翻一翻数学问题集,选一两个问题研究研究,已经成为我每天必不可少的功课。

今天的问题是:井盖为什么是圆形的?

答案毫无疑问,是为了防止井盖掉落到井里!

我们日常生活中随处可见的一些物体,它们之所以采用了现在的形状,并不是偶然的。就如同井盖必须是圆的。我认为,这是因为“在任何角度上宽度(直径)都为定值的图形只有圆形”。

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井盖只有是圆形才不会掉下去?

“井盖为何是圆形的”这个问题,有些读者可能之前就有所耳闻。这道题曾经出现在微软公司的招聘笔试题目中,一度成为人们热议的话题。在回答这个问题时,如果暂时抛开圆形井盖“易于滚动运输”“方便加工”等物理因素,那么答案就是开篇日记中提到的——圆形井盖不容易掉到井里。

真的是这样吗?其他形状的井盖就可能掉下去吗?

我们先来用正方形试一下。如图69 所示,很遗憾,正方形的井盖会掉下去。

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对于这样的事情,大多数人可能都会不假思索地点头认同,但鲜有人去质疑、深究。不过,现在希望大家能认真思考一下这个问题:“井盖可以制作成圆形以外的形状吗?”

如何,有新的发现吗?估计会很难吧。因为人一旦将“井盖只要是圆形的就可以”的观念植入脑海,就很难将其根除,思维也很难摆脱其影响。

下面,就让我们一步一步分析,找出真相。

首先,还是以正方形为例,先思考为什么正方形的井盖会轻易掉下去。理由很简单,正方形井盖的话,井口也是正方形,如果把正方形井盖斜过来,就会导致井盖的边长小于井口正方形的对角线。这就是几何中正方形的性质:“正方形的对角线的长度,大于其边长。”正方形对角线的长度,大约是其边长的根号2倍,即1.414 213 56…倍。

那么,如果把井盖做成长方形呢?

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如图70 所示,即使换成长方形,结果也是一样的。长方形对角线的长度,仍然大于其任意边长。不管换成什么形状的长方形,都是这种情况。

下面,我们来试试等边三角形的情况(图71)。

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等边三角形中,长度最长的就是边长,所以情况和四边形不同。但是,以正三角形的任意顶点向对边作垂线(三角形的高),垂线的长度都小于正三角形的边长。这就意味着三角形的井盖也会掉下去。

我们考察了四边形和三角形的情况,不过还是不能完全解答井盖形状的问题,但是我们已经在逐渐接近真相了。下面,我们来考察正五边形的情况。

如图72 所示,通过计算可知,正五边形的对角线等于其边长的1.618 033 …倍,高等于其边长的1.538 841…倍。

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正五边形的情况虽然比正三角略微复杂,但正五边形的高同样小于其对角线,也就意味着正五边形的井盖同样会掉到井里去。用同样的思路考察正七边形、正九边形……会发现这些图形的高都小于对角线。

勒洛多边形

如果井盖使用正奇数边形的话,应该如何改进呢?现在问题的关键就在于,图形的高小于对角线,会导致井盖在某个角度掉下去

我们先来看一下正三角形的情况。将圆规的针尖放置在正三角形的一个顶点上,画出连接另外两个顶点的扇形。这样所得到的图形的高就等于其对角线(正三角形的情况下,对角线其实就相当于其边长),都等于这个扇形的半径。依次对三个顶点进行上述作图,就可以得到图73 这种“胖乎乎”的三角形,这种三角形被称为“勒洛三角形”。这种三角形虽然不是圆,但却具有圆的某种性质,即无论在任何角度上,图形的宽度都是相等的(图74)。这种性质在数学中叫作“等宽性”或“定宽性”。既然图形的宽度恒定,那么就可以用来制作井盖了。

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同样,正五边形、正七边形也可以变形为“圆乎乎”的图形,即勒洛五边形、勒洛七边形(图75)

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勒洛多边形在现实生活中已经有许多实际应用。不知大家是否见过英国流通的20 便士、50 便士硬币,这两种硬币的形状实际上是勒洛七边形(图76)。

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仔细看的话,是可以发现这些硬币的微妙弧度的。英国政府没有采用单纯的正七边形的设计,而是颇费心思地使用了有弧度的勒洛七边形。从这小小的细节上,也能让人感受到昔日英国的荣光。

现在,总算搞清楚了井盖形状的问题。不过,问题的解答中也延伸出了另一个疑问:如果可以使图形的边具有弧度,那是否可以使角也具有弧度呢?

当然,这个也是可以实现的。以勒洛三角形为例,以该三角形的曲边上某一点为圆心,画一个任意半径的圆。然后,使这个圆沿着曲边运动一圈,得出的与此圆相切的曲边三角形(图77)就是我们的目标图形。同时,这也是一条等宽曲线。

其他的勒洛多边形,也可以采用同样的方式调整。

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此外,除了上文中提到的“等宽性”以外,勒洛多边形还具备其他一些非常特殊的性质。例如,勒洛三角形的周长,计算如下:

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而这个公式,和直径等于其宽度的圆的周长公式是一致的,如下:

圆周长=直径(宽)× π

不只是勒洛三角形,勒洛五边形、勒洛七边形……不管是几边形,有几个角,结果也是同样的。这是因为这些图形的周长都可以用下面的公式计算:

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最后还要说明一下的是,勒洛多边形也可以变化为立体的多面体,且其曲面也具备“等宽性”。以正四面体为例,类似用圆规画勒洛三角形的弧边一样,可以在正四面体的各个平面上制作出等宽的曲面(图78)。这种多面体类似我们常见的栗子,是不是很可爱?可见,具备等宽性的曲面,也不只是球面。

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本文节选自《数学思考法:解析直觉与谎言》

正五边形有多少条对角线,五边形多少度(井盖的设计也大有文章)

本书为讲解“数学思考法”的通俗科普读物,书中通过用数学思维解析实际生活案例、公众认知中的错误直觉、数学经典名题等方式,由浅入深地传授了分析数据信息价值、辨别谎言、拆解转化复杂问题、抓住事物本质的思考之法,同时讲解了相关的数学知识与理论,可以有效提高理性思维、判断与解决问题能力,对于理解数学、培养数学兴趣亦有有益启示。

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