星形计算器是什么?
星形多边形(比如我们最熟悉的五角星、犹太教的六角星等)由 n 个外尖点和 n 个内顶点组成:外尖点都落在半径为 R 的大圆上,内顶点则落在半径为 r 的小圆上。只需输入三个数值,本计算器就能算出星形所围成的面积、每条边的长度,以及整个星形的周长。
使用方法
填入角数 n(不小于 3)、外接半径 R(圆心到尖点的距离)和内接半径 r(圆心到两尖点之间凹谷的距离)。计算器会立即给出以平方单位表示的面积、单条斜边的长度,以及周长(星形共有 \(2n\) 条边)。
公式详解
整个星形可以切分成 \(2n\) 个完全相同的三角形,每个三角形对应的半角为 \(\frac{\pi}{n}\),两条边分别为 \(R\) 和 \(r\)。每个三角形的面积是 \(\frac{1}{2}\cdot R\cdot r\cdot\sin\!\left(\frac{\pi}{n}\right)\),乘以 \(2n\) 个,就得到简洁的结果:
$$A = n \cdot r \cdot R \cdot \sin\!\left(\frac{\pi}{n}\right)$$
连接半径为 \(R\) 的外尖点与相邻半径为 \(r\) 的内顶点(两者相差角度 \(\frac{\pi}{n}\))的边长为 $$e = \sqrt{\left(R - r\cos\tfrac{\pi}{n}\right)^{2} + \left(r\sin\tfrac{\pi}{n}\right)^{2}}$$ 周长则为 \(2n\cdot e\)。
示例演算
以一个经典的五角星为例,取 \(R = 10\)、\(r = 5\):$$A = 5 \cdot 5 \cdot 10 \cdot \sin(36°) = 250 \cdot 0.587785 \approx 146.95$$ 平方单位。边长为 $$\sqrt{(10 - 5\cdot\cos 36°)^{2} + (5\cdot\sin 36°)^{2}} = \sqrt{(10 - 4.0451)^{2} + (2.9389)^{2}} \approx \sqrt{35.46 + 8.64} \approx 6.6408$$ 因此周长为 \(10 \cdot 6.6408 \approx 66.41\)。
常见问题
是否支持任意角数? 支持——只要输入 \(n \geq 3\) 即可。当 \(n = 3\) 时,得到的就是一个三角星。
如果 R 和 r 相等会怎样? 此时图形会变成一个正 \(2n\) 边形(不再有凹进去的谷),但面积公式依然成立。
使用什么单位? 任意单位都可以,只要前后一致即可。例如 \(R\) 和 \(r\) 用厘米,那么面积就是平方厘米,周长就是厘米。