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?

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sin	heta + cos	heta > 1, forall , 	heta in (0, pi/2)

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D(0,0), C(1,0), B(1,1)

angle D = eta,則E(coseta, sineta)

因為角D、A互補,所以angle A = pi - eta

在三角形EAB中使用餘弦定理,BE^2 = AE^2 + AB^2 - 2AEcdot ABcosangle A

代入各點坐標得(1-coseta)^2 + (1-sineta)^2 = 2 + 2 coseta

整理得4coseta + 2sineta = 1

再考慮到sin^2 eta + cos^2 eta = 1,可以解得cos eta = frac{2-sqrt{19}}{10}

於是角D的大小就是arccos frac{2-sqrt{19}}{10} approx 103.64 ^circ

這是唯一解,題主的模擬還是挺準確的。frac{2-sqrt{19}}{10}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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