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格点多边形的面积——皮克定理的近似证明

作者:文章来源:五星体育直播发布日期:2020-12-22 02:20:31

四年级皮克定理:顶点都在格点上的多边形,如下图红色顶点,

其面积为:绿点数+紫红点数÷2-1

即:内部点数+边线点数÷2-1

本图中,内部点39个,边线点14个,

面积为:39+14÷2-1=45

皮克定理的常规证明方法略繁琐,倒是有近似的方法,更直观一些。

以格点为圆心做圆,类比质量、或者热量等等,题目中为面积,一个圆的面积为1。

在多边形内的绿色格点,面积在多边形内。求多边形面积时,内部点数直接计入。

紫色格点在边线,但不在顶点上,其面积有一半在多边形内。求多边形面积时,边线点数需除以2。

红色格点在顶点上,暂时将圆面积的一半计入多边形,以下图三角形为例:

我们将3个顶点的3个半圆计入多边形,

而事实上,只有上图中绿色的扇形是多边形的,

绿色扇形=3个半圆-红色扇形,

而凸多边形的外角和为360°,参见《凸多边形外角和的证明》

即所有红色扇形合起来,正好是1个圆;

可得:绿色扇形=3个半圆-1个圆

回到前一幅图,顶点上的红色格点,可以等同于紫色的边线格点,其面积有一半在多边形内,只是需要额外减1。

总结:

内部点:直接计入

边线点:点数除以2后,再减1。

多边形面积=内部点数+边线点数÷2-1

补充说明:

外角和为360°是指凸多边形,而格点多边形也适用凹多边形。如最开始的图形,其凹角处红色顶点,如下图:

绿色扇形为正常计入的“边线点数÷2”;

蓝色扇形=两个青色扇形

而青色扇形计入两个凸角的红色顶点后,

凹多边形已经转化为正常的凸多边形。

计算方法还是:多边形面积=内部点数+边线点数÷2-1

对于三角形格点网络,如下图:

需要在正方形格点的基础上,再乘以2,即,

多边形面积=(内部点数+边线点数÷2-1)x2。

对正方形网络,如下图,将灰色网络向左下移动,新的格点网络以青色表示。正好每个方格一个格点

而三角形网络不同,如下图,

注意其中黄色点填充的区域,其中并没有格点。

每个格点对应了2个三角,

其中一个三角内包含一个格点,

另一个三角内不包含格点。

即:多边形面积=(内部点数+边线点数÷2-1)x2。

可以这样理解,对于正方形网络,如下图:

每个方格有一个重心,4个顶点,而4个顶点重合为1个格点,上图中,格点网络拆分之后,中央为4个灰色顶点。

也就是说,一个重心,对应一个格点。

反过来,一个格点,对应一个重心

三角形网络如下图:

每个三角形有一个重心,3个顶点,而6个顶点重合为1个格点。

也就是说,一个重心,对应半个格点。

即,一个格点,对应两个重心

正方形网络:多边形面积=内部点数+边线点数÷2-1。

则:

三角形网络:多边形面积=(内部点数+边线点数÷2-1)x2。

标签: 皮克 面积

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