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數學公式

數學公式: 正多邊形外切圓計算器
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  1. Polygon and circle area

    Polygon and circle area: 正多邊形外切圓計算器

    Polygon area Sp built from n triangles of base a and height r, and the inscribed circle area Sc.

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結果

Circle area Sc (radius r = 1)
3.141593
長度單位平方
邊數 n 多邊形邊長 a 多邊形面積 Sp
3 3.464102 5.196152
4 2 4
5 1.453085 3.632713
6 1.154701 3.464102
7 0.963149 3.371022
8 0.828427 3.313708
9 0.72794 3.275732
10 0.649839 3.249197
11 0.587253 3.229891
12 0.535898 3.21539

這個計算器的用途

此工具用來計算外切於圓的正多邊形邊長與面積,圓的半徑為 \(r\)。所謂「外切於圓」,是指正多邊形畫在圓的外圍,使每一條邊都恰好與圓相切(接觸於一點)。因此這個圓被內切於多邊形之中,而 \(r\) 正是每個多邊形的邊心距(apothem,內切圓半徑)——也就是從多邊形中心到任一邊中點的垂直距離。計算器會針對一段邊數範圍內的每個 \(n\) 各產生一列資料,並將每個多邊形的面積與圓面積相互比較。

外切於半徑為 r 的圓的正六邊形,每條邊都與圓相切,邊長為 a
外切於圓的正多邊形:每條邊都與圓相切,所以半徑 \(r\) 就是邊心距。

使用方法

先輸入圓的半徑 \(r\)(可填任意正數,單位由你自行選定的長度單位決定),接著設定最少邊數(nMin,至少為 3)與最多邊數(nMax)。計算器會從 nMin 到 nMax 之間的每個整數 \(n\) 各列出一行,顯示邊長 \(a\) 與多邊形面積 \(S_p\),並在表格上方標示圓面積 \(S_c\)。表格最多顯示 200 列。

公式說明

多邊形的每一條邊所對應的圓心角為 \(2\pi/n\)。從切點處將一條邊切開,可得到一個直角三角形,其對邊為 \(a/2\)、鄰邊為 \(r\),因此 \(a/2 = r\cdot\tan(\pi/n)\),整理得 $$a = 2r\tan\!\left(\frac{\pi}{n}\right)$$ 整個多邊形可分解為 \(n\) 個三角形,每個三角形以 \(a\) 為底、\(r\) 為高,所以 $$S_p = \tfrac{1}{2}\,n\,a\,r = n\,r^2\tan\!\left(\frac{\pi}{n}\right)$$ 內切圓的面積為 $$S_c = \pi r^2$$ 由於每個外切多邊形都把圓包在裡面,\(S_p\) 必定大於 \(S_c\);當 \(n\) 越大,\(S_p\) 就越接近 \(S_c\)。

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外切多邊形中心三角形楔形,標出邊心距 r、半邊長和圓心半角 pi/n
每條邊對應一個圓心角,從而得到正切公式中所用的半角 pi/n。

實例演算

以 \(r = 1\)、正六邊形(\(n = 6\))為例:$$a = 2\cdot\tan(\pi/6) = 2\cdot 0.57735 = 1.15470$$ $$S_p = 6\cdot 1\cdot 0.57735 = 3.46410$$ 圓面積為 \(S_c = \pi \approx 3.14159\)——可見多邊形面積確實大於圓面積。

常見問題

\(r\) 是邊長還是邊心距?在此 \(r\) 為邊心距(內切圓半徑)。多邊形包在圓的外圍,所以圓半徑等於到每一邊的垂直距離。

為什麼多邊形面積比圓面積大?外切多邊形一定把圓整個包覆在內,因此面積較大;隨著邊數增加,兩者會逐漸趨近一致。

使用什麼單位?\(r\) 為通用的長度單位。邊長使用相同單位,面積則為該單位的平方。本工具不會進行任何單位換算。

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