怎么证明n边形的内角和为 n(n边形内角和证明的四种方法)

怎么证明n边形的内角和为 n(n边形内角和证明的四种方法)

首页维修大全综合更新时间:2025-11-30 09:54:55

怎么证明n边形的内角和为 n

首先重新叙述一下题主的问题,对于边长为1的正n边形X,任意的两个边长为x,x<1,的正n边形A,B都不可能覆盖X。

先说结论,这个命题是对的,这样的覆盖也确实是不存在的



以下反设A,B覆盖了X.
对于边数讨论,如果n为奇数,即n=2k+1时,这个证明是容易的.
称X的两个顶点P,Q为

最远点对

,如果P,Q的距离恰好是X中任意两点的最大距离.
举个例子.在正三角形中,任意两个顶点都是最远点对,而在正2k+1边形中,每个顶点和相对的边的两个顶点都成为最远点对.事实上,在这2k+1个顶点中,总共能形成2k+1个最远点对.
那么,既然A和B覆盖了X,必然也覆盖了X的2k+1个顶点,根据抽屉原理,不妨设A包含了X的至少k+1个顶点。
Claim:

在这k+1个顶点中,一定有两个顶点是最远点对


如果claim成立,那么导出矛盾的是容易的,因为这两个点的距离是X中的任意两点的最大距离,那么必然大于A中任意两点的距离,但是这两个点都位于A中,就构成了一个矛盾.

claim的证明并不复杂。以n=7为例作一下说明。此时,A至少包含了X的4个顶点。
X及X的7个顶点如下图
反设A不包含最远点对。不妨设,那么和都是最远点对,根据反设,都不在A中。除去外,A还至少包含了3个顶点,而这3个顶点分布于中。下面用抽屉原理,由于都是最远点对,因此必然有一对完整地包含在A中,矛盾。因此claim成立。


n=2k的情况就比较复杂了。现在还没想到一个像上面那么直白的证法。只考虑顶点肯定是不够的,还要考虑边的说。类似上面的证明,可以知道,对于正2k边形,A和B一定刚好各覆盖了X的k个顶点,不妨假设X的各个顶点都位于A和B的内部(否则可以将A和B略微放大一点点)。
现在来看X的对边。
Claim:

对于X的每一组对边,有且仅有以下两种情况之一发生:


(a)一组对边中的一条完全包含在A中,另一条完全不落在A中。


(b)一组对边中的两条边都有一部分包含在A中,并且这两部分都是线段,长度之和小于X的边长1.


并且对于X的所有对边组,(a)不会总成立

.
举个例子。比如正方形。
绿色边就是(a)情形,蓝色边就是(b)情形。
还是类似上面,如果claim成立的话,那么每一组对边在A中的长度和小于等于1,并且"等于"当且仅当(a)成立,而(a)不会总成立,因此X的所有边在A中的长度和严格小于X的所有边的长度的一半。对B也是一样的。这样就构成了一个矛盾。

下面证明claim.
首先,(a)不会总成立是显然的,否则的话,A就会包含了X的k条边,因此至少包含了k+1个顶点,这是矛盾的。其次,不会发生一组对边都完全不在A中的情况,因为这样就有一组相对顶点完全不在A中,这是矛盾的。
下面假设A包含了X的一组对边的两条边的部分,由凸性,这两部分都是线段。记X的相对顶点距离是,相对边距离是,A的相对顶点距离是,相对边距离是.那么必有.
因此这一组对边的两条边的部分在A中的样子应该如下图
图有点抽象了,上下分别是正多边形A的相对顶点和邻近的对边,和分别是正多边形X的对边被A所截得到的那一部分。图中,,,.

下面要证明,.


也就是要证明这样一个引理:

在正多边形A中,若一对平行线段全部落在A中,并且距离满足,则这一对平行线段长度之和小于A的边长x.

将向下平移到处,并且将沿着边平移相同的距离,这样得到下图容易证明,此时,因此只需证明.过向引垂线,垂足是,因此.也就是说,和一个定圆相切.记此圆为.由,可知与,都相交.过分别向作切线,记切点分别为.(每个点能向作两条切线,但是一条已经做出来了,就是.)稍微画个图,但是因为点太密集了,没法把图画的很明白,大家脑补一下就好……注意到和都是直角,考虑两个直角三角形和,她们的斜边是一样长的,但是由于与相交,因此点略微靠上一些,也就是.因此.同理,.而在中,.又由切线长定理,.因此.也就是.引理证毕.从而claim成立,从而原命题成立。以上。

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