周長及邊數一定時,如何證明正多邊形面積最大?

時間 2021-06-02 22:36:14

1樓:朱偉

寫乙個不算純數學的證明,應用了物理,具體來說就是熱力學第二定律的變體,自由能最小原理。

第一步先證明共圓。

1.對於周長C=a+b+…+z(不一定是26邊形)的多邊形,固定其每個邊的邊長,邊與邊用轉動副連線,沿垂直紙面方向拉伸此多邊形,使其形成多邊柱形水桶,往水桶裡倒體積為V的水。

在平衡狀態,為了保持最小的能量,水的重心(在水面高度的一半處,因為是柱形多邊形)應該盡量低,即水面盡量低,則由V=Sh知,水面面積取最大值。

2.對桶進行受力分析,取俯檢視,每邊受到的水的壓力F=p×a(邊長),正比於邊長,可以認為等於邊長,垂直邊長指向外側,作用點在各邊中點。對每邊列平衡方程(包括合力和合力矩),以頂點為轉動點,力矩平衡F/2×a=f×a,知f=F/2,同理可得另一邊也為F/2。

同時水平方向兩力平衡。

由於頂點處兩邊合力為作用力與反作用力,所以相等,可以得到乙個相似圖形,進而推出各邊垂直平分線相交於一點,即共圓。

2.共圓多邊形邊長相等時面積最大。

設A,B,…,Z為邊a,b,…,z所對圓周角,則

a/sin(A)=b/sin(B)=,…,=z/sin(Z)=2R

(R為圓半徑,ΣA=π,0

得:周長C=2R(sin(A)+sin(B)+…+sin(Z)) ①

面積S=1/2R^2(sin(2A)+sin(2B)+…+sin(2Z))

=R^2sin(A)cos(A)+R^2sin(B)cos(B)+…+R^2sin(Z)cos(Z)

=Rsin(A)Rcos(A)+Rsin(B)Rcos(B)+…+Rsin(Z)Rcos(Z) ②

利用切比雪夫不等式得:

②≤R(sin(A)+sin(B)+…+sin(Z)) *R(cos(A)+cos(B)+…+cos(Z))/n.

(n為邊數,當且僅當A=B=…=Z時取等號,亦即a=b=…=z)。

最大面積S=C/2*Rcos(π/n)=C*a/4 cot(π/n).

2樓:Natsukashii

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