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数学公式

数学公式: 圆外切正多边形计算器
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  1. Polygon and circle area

    Polygon and circle area: 圆外切正多边形计算器

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

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结果

Circle area Sc (radius r = 1)
3.141593
长度单位的平方
边数 n 多边形边长 a 多边形面积 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

这个计算器能做什么

本工具用于计算外切于给定半径 \(r\) 的圆的正多边形的边长和面积。所谓"圆的外切多边形",是指多边形画在圆的外侧,每一条边都恰好与圆相切(只接触一个点)。因此,这个圆是多边形的内切圆,而 \(r\) 就是每个多边形的边心距(内切圆半径)——即从多边形中心到任意一条边中点的垂直距离。计算器会在你设定的边数范围内逐一生成结果表格,并将每个多边形的面积与圆面积进行对比。

外切于半径为 r 的圆的正六边形,每条边都与圆相切,边长为 a
外切于圆的正多边形:每条边都与圆相切,所以半径 r 就是边心距。

使用方法

输入圆的半径 \(r\)(可填任意正数,单位由你自行选定),然后设定最小边数(nMin,不少于 3)和最大边数(nMax)。计算器会为从 nMin 到 nMax 的每个整数 \(n\) 生成一行结果,列出对应的边长 \(a\) 和多边形面积 \(S_p\),并在表格上方显示圆的面积 \(S_c\)。表格最多显示 200 行。

公式详解

多边形的每条边对应的圆心角为 \(2\pi/n\)。从边与圆的切点处将这条边一分为二,可得到一个直角三角形:对边为 \(a/2\),邻边为 \(r\),于是 \(a/2 = r\cdot\tan(\pi/n)\),即 $$a = 2r\tan\!\left(\frac{\pi}{n}\right)$$ 整个多边形可分解为 \(n\) 个三角形,每个三角形以 \(a\) 为底、\(r\) 为高,因此 $$S_p = \tfrac{1}{2}\,n\,a\,r = n\,r^2\tan\!\left(\frac{\pi}{n}\right)$$ 内切圆的面积为 $$S_c = \pi r^2$$ 由于每个外切多边形都把圆包在内部,所以 \(S_p\) 始终大于 \(S_c\);随着 \(n\) 不断增大,\(S_p\) 会逐渐趋近于 \(S_c\)。

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外切多边形中心三角形楔形,标出边心距 r、半边长和圆心半角 pi/n
每条边对应一个圆心角,从而得到正切公式中所用的半角 pi/n。

实例演算

以 \(r = 1\)、正六边形(\(n = 6\))为例:$$a = 2\cdot\tan(\pi/6) = 2\cdot 0.57735 = 1.15470$$ $$S_p = 6\cdot 1\cdot 0.57735 = 3.46410$$ 圆的面积为 \(S_c = \pi \approx 3.14159\)——可见多边形面积确实大于圆面积。

常见问题

\(r\) 指的是边长还是边心距?这里的 \(r\) 是边心距(内切圆半径)。多边形包在圆的外侧,因此圆的半径正好等于到每条边的垂直距离。

为什么多边形面积比圆面积大?外切多边形总是把圆包含在内,所以面积更大;当边数越来越多时,两者会逐渐趋于一致。

使用什么单位?\(r\) 采用通用的长度单位。边长沿用相同单位,面积则为该单位的平方。计算过程中不做任何单位换算。

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