正多邊形的滾動與旋輪線下方的面積 (matrix67.com)

想像一個圓盤在地面上滾動一週,那麼圓周上一點所形成的軌跡就叫做旋輪線(或者擺線)。旋輪線下方的面積是多少,這是一個非常有趣的問題。據說, Galileo 曾經用一種非常流氓的方法,推測出了旋輪線下方的面積。他在金屬板上切出一塊圓片,再在金屬板邊緣剪下這個圓形所對應的旋輪線,把它們拿到秤上一稱,發現後者的重量正好是前者的三倍。於是,他推測,半徑爲 r 的滾輪所產生的旋輪線,其下方的面積就是 3πr2

    

    不過,今天我第一次知道,這個結論對於正多邊形是同樣成立的。


    考慮一個正三角形在平地上滾動一週,則原來的頂點 A1 將會先後轉到 A2 和 A3 的位置。容易看出, A1 、 A2 、 A3 的連線與地面構成的面積正好是正三角形的三倍。

      

    類似地,讓正方形在平地上滾動一週,則原來的頂點 A1 將會先後轉到 A2 、 A3 和 A4 ,這四個點的連線下方的面積也正好是這個正方形的三倍。

      

    另外兩個比較簡單的情形則是正六邊形和正八邊形,大家也可以自行驗證一下。看來,這裏面一定有一個深刻的原因,能夠解釋爲何結論對於任意正 n 邊形都成立。

      

      

    讓我們先來看另一個看似無關,但仍然非常神奇的結論:假設正多邊形的外接圓半徑爲 r ,從外接圓上任意一點出發,依次與該多邊形的 n 個頂點相連,則這 n 條連線的長度的平方和等於 2n · r2 。我們來證明這個結論。

    把正多邊形的中心放在平面直角座標系的原點處,把外接圓上的那個點記作 (u, v) ,再假設多邊形 n 個頂點的位置分別是 (a1, b1), (a2, b2), …, (an, bn) ,則這 n 條連線的平方和爲

         Σ((u - ai)2 + (v - bi)2)
      = Σ(u - ai)2 + Σ(v - bi)2
      = n · u2 - 2u · Σai + Σai2 + n · v2 - 2v · Σbi + Σbi2
      = n · (u2 + v2) - 2u · Σai - 2v · Σbi + Σ(ai2 + bi2)

    顯然, u2 + v2 以及所有的 ai2 + bi2 都等於 r2 ,因此上面的式子也就等於了 2n · r2 - 2u · Σai - 2v · Σbi 。接下來,我們只需要說明 Σai 和 Σbi 都爲 0 即可。其實這是顯然的:因爲正多邊形 n 個頂點的重心在中心 (0, 0) 處,說明這 n 個頂點的所有橫座標之和就是 0 ,所有縱座標之和也爲 0 。

    特別地,把外接圓上的那個點取成正多邊形的頂點,於是我們得到,從正 n 邊形的某個頂點出發,連接其他 n - 1 個頂點,如果把這 n - 1 條連線分別記作 d1, d2, …, dn-1 ,則有:

       d12 + d22 + … + dn-12 = 2n · r2

    我們利用這個結論來說明,連接正多邊形滾動一週後某個頂點依次所達的位置,所得折線段下方的面積恰爲該正多邊形的三倍。

      

    現在,假設正多邊形的外接圓半徑爲 r ,把這個正多邊形的面積記作 A 。如圖,折線段下方的面積可以被分成 n - 2 個藍色三角形和 n - 1 個紅色三角形(圖中所示的是 n = 9 的情況)。這 n - 2 個藍色三角形恰好能拼成一個原多邊形,它們的面積和爲 A 。下面,我們來看一下剩下的 n - 1 個紅色三角形都是怎麼形成的。正多邊形一共轉動了 n - 1 次,每一次都是繞着一個新的頂點在轉動,這 n - 1 個紅色三角形就是在這 n - 1 次轉動中產生的。容易看出,每個紅色三角形都是等腰三角形,它們的腰長分別爲 d1, d2, …, dn-1。同時,由於 n 次轉動後正多邊形將回到原來的方向,因此每一次正多邊形都轉過了 (360/n)° 。因此,每個紅色等腰三角形的頂角也都是 (360/n)° 。於是你會發現,第 i 個紅色三角形的形狀與正多邊形的其中 1/n 塊完全一樣,只不過有一個 di : r 的相似比!注意到面積比是相似比的平方,於是所有紅色三角形的面積之和爲:

         (A/n) · d12 / r2 + (A/n) · d22 / r2 + … + (A/n) · dn-12 / r2
      = (A/n) · (d12 + d22 + … + dn-12) / r2
      = (A/n) · 2n · r2 / r2
      = 2A

    因此,折線下方的面積是 3A ,即原正多邊形面積的三倍。當 n 趨於無窮的時候,我們便又回到了 Galileo 所發現的那個結論。

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