求一個等邊五邊形的畫法,如何計算出這個等邊五邊形的準確角度?是否能用普通的尺規將其畫出來?
01-05
兩個多月前,題主在賣場看到一款很別緻,有趣味感的傢具:
如圖:多邊形隨意組合角桌。題主在想,能否設計出一款組合範圍更廣、組合尺度(面積)更大、夠整潔的角桌。
那麼按照題主的構思,它需要滿足1、等邊五邊形(這樣能夠任意組合)2、其中一個角是直角。3、其中一個角是銳角,且和其餘三個鈍角中的一個互補。(例如:∠A和∠D互補;∠A+∠D=180°)構思大概是這樣的:請問,是否存在一個滿足上述三項條件的等邊五邊形?答主通過模擬計算。發現滿足上述三個條件,∠D的角度在103°~104°之間。請問,如果這個五邊形存在,該如何計算出∠D的角度。是否能用普通的規尺將其畫出來?(包括計算機繪圖軟體)邀請關注@Huang"s、@雷陽陽。
這個問題好玩!
首先確認一下這是個良定義的問題,即自由度不多不少:
五邊形的各個邊長均固定。由於C為直角,所以可以看成頂點B、C、D都固定了,剩下的部分是一個各邊長度固定的四邊形DEAB,由四邊形的不穩定性,它還有一個自由度。而「有一對內角互補」的條件恰好固定這個自由度,bingo!然後證明,互補的一對內角之間必須夾著一個頂點:- D、E不能互補,否則AE與DC將平行,頂點A處將變成凹的。同理A、B不能互補。
- A、E不能互補,否則DEAB將成為平行四邊形,BCD將成為正三角形,與C是直角矛盾。
- B、D不能互補,因為頂點A、E中總有一處會是凹的。證明過程略,本質原因是。
於是只剩下D、A或E、B可以互補,兩對角的地位是相同的,所以不妨設D、A互補。
如圖建立平面直角坐標系,設邊長為1,於是有。設,則。因為角D、A互補,所以。在三角形EAB中使用餘弦定理,,
代入各點坐標得,整理得。再考慮到,可以解得。於是角D的大小就是這是唯一解,題主的模擬還是挺準確的。是一個規矩數,所以用尺規作圖可以作出題主想要的圖形。不過,既然題主是要設計傢具,幾何上的尺規作圖並沒有意義。用計算機作圖的話,只要把各個點的坐標算到足夠精確就行了。上面已經給出了頂點E的坐標,頂點A的坐標就留給題主自己去算啦。Photoshop多邊形工具畫出來列印就行
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