问题

如何证明圆上若干点构成的多边形最大面积在正多边形时取到?

回答
这篇文章旨在深入探讨一个几何学中的有趣问题:在给定周长的情况下,圆上若干点构成的多边形,什么时候面积最大?我们将一步步揭示,这个“最佳”多边形就是那个正多边形。

问题的设定

我们想象一下,在一个圆的圆周上,选取了 $n$ 个点。这些点按照顺序连接起来,就构成了一个 $n$ 边形,而且这个多边形是内接于这个圆的。我们的任务是证明,当这 $n$ 个点均匀分布时,即它们构成的多边形是正 $n$ 边形时,这个多边形的面积是最大的。

理解面积的构成

一个内接于圆的多边形,我们可以将其视为由圆心和多边形的顶点组成的若干个三角形的组合。假设圆的半径为 $R$。对于内接于圆的任意一个多边形,我们可以将其分解为以圆心为顶点,以多边形相邻顶点为底边的若干个三角形。

考虑多边形的一条边,连接圆上相邻的两个顶点 $A$ 和 $B$。以圆心 $O$ 为顶点,与 $A$ 和 $B$ 构成的三角形 $OAB$ 的面积是 $frac{1}{2} R cdot R sin( heta)$,其中 $ heta$ 是圆心角 $angle AOB$。这个公式我们都知道,是三角形面积的经典公式。

多边形的总面积就是所有这些三角形面积之和。如果我们将多边形分解成 $n$ 个三角形,每个三角形的底边都是圆上的弦,顶点都是圆心,那么总面积就是:

$S = sum_{i=1}^{n} frac{1}{2} R^2 sin( heta_i)$

其中 $ heta_i$ 是圆心角 $angle A_i O A_{i+1}$(这里 $A_{n+1} = A_1$),并且所有这些圆心角的和必须是 $2pi$(一个完整的圆周角):

$sum_{i=1}^{n} heta_i = 2pi$

我们的目标是最大化这个面积 $S$。

核心的数学工具:三角函数与不等式

要最大化 $S = sum_{i=1}^{n} frac{1}{2} R^2 sin( heta_i)$,实际上就是最大化 $sum_{i=1}^{n} sin( heta_i)$,因为 $frac{1}{2} R^2$ 是一个常数。而我们需要在 $sum_{i=1}^{n} heta_i = 2pi$ 的约束条件下进行。

这里,我们可以引入一个重要的数学概念——Jensen 不等式。Jensen 不等式是关于凸函数(或凹函数)的。我们来看一下 $sin(x)$ 函数在 $[0, pi]$ 区间上的性质。对于一个圆,我们构成的多边形的每个圆心角 $ heta_i$ 都在 $[0, 2pi]$ 区间内。然而,如果某个 $ heta_i$ 大于 $pi$,那么对应的弦 $A_i A_{i+1}$ 就会与圆心相连的另一条半径形成一个劣弧,而多边形通常是取优弧来连接的。但更关键的是,如果 $ heta_i > pi$,那么 $sin( heta_i)$ 会是负的,这显然会减小总面积。因此,我们只考虑 $ heta_i in [0, pi]$ 的情况。

在区间 $[0, pi]$ 上,函数 $f(x) = sin(x)$ 是一个凹函数。凹函数的定义是:对于区间内的任意两个点 $x_1, x_2$,以及任意实数 $lambda in [0, 1]$,都有 $f(lambda x_1 + (1lambda) x_2) ge lambda f(x_1) + (1lambda) f(x_2)$。

Jensen 不等式对于凹函数的形式是:
对于凹函数 $f$ 和任意的 $x_1, x_2, dots, x_n$ 以及非负实数 $lambda_1, lambda_2, dots, lambda_n$ 使得 $sum_{i=1}^n lambda_i = 1$,我们有:
$f(sum_{i=1}^n lambda_i x_i) ge sum_{i=1}^n lambda_i f(x_i)$

在我们的问题中,我们可以将所有 $ heta_i$ 除以 $n$,得到平均值 $ar{ heta} = frac{1}{n} sum_{i=1}^{n} heta_i = frac{2pi}{n}$。然后,我们可以令 $lambda_i = frac{1}{n}$。这样,Jensen 不等式就变成了:

$sin(frac{1}{n} sum_{i=1}^n heta_i) ge frac{1}{n} sum_{i=1}^n sin( heta_i)$

代入我们的约束条件 $sum_{i=1}^n heta_i = 2pi$,得到:

$sin(frac{2pi}{n}) ge frac{1}{n} sum_{i=1}^n sin( heta_i)$

我们将不等式两边同乘以 $n$:

$n sin(frac{2pi}{n}) ge sum_{i=1}^n sin( heta_i)$

这告诉我们,当所有 $ heta_i$ 相等时,即 $ heta_1 = heta_2 = dots = heta_n = frac{2pi}{n}$ 时,$sum_{i=1}^n sin( heta_i)$ 的值会达到最大,等于 $n sin(frac{2pi}{n})$。

何时等号成立?

Jensen 不等式中,当 $f$ 是严格凹函数时,等号成立的条件是所有 $x_i$ 都相等。
我们已经知道,在区间 $[0, pi]$ 上,$f(x) = sin(x)$ 是严格凹的。因此,等号成立的条件是 $ heta_1 = heta_2 = dots = heta_n$。
由于 $sum_{i=1}^n heta_i = 2pi$,所以每个 $ heta_i$ 都必须等于 $frac{2pi}{n}$。

几何解释

当所有圆心角 $ heta_i$ 都相等时,意味着相邻的两个顶点之间的弧长是相等的。由此连接这些顶点的弦的长度也必然相等。一个所有边都相等的内接于圆的多边形,就是正多边形。

总结证明过程

1. 将多边形面积分解为三角形面积之和: 设圆半径为 $R$,多边形顶点为 $A_1, A_2, dots, A_n$,圆心为 $O$。多边形面积 $S = sum_{i=1}^{n} ext{Area}( riangle OA_i A_{i+1})$。
2. 三角形面积公式: $ ext{Area}( riangle OA_i A_{i+1}) = frac{1}{2} R^2 sin( heta_i)$,其中 $ heta_i = angle A_i O A_{i+1}$。
3. 总面积公式: $S = sum_{i=1}^{n} frac{1}{2} R^2 sin( heta_i)$,且约束条件为 $sum_{i=1}^{n} heta_i = 2pi$。
4. 最大化目标: 最大化 $S$ 等价于最大化 $sum_{i=1}^{n} sin( heta_i)$。
5. 应用 Jensen 不等式: 函数 $f(x) = sin(x)$ 在 $[0, pi]$ 区间上是凹函数。我们关注 $ heta_i in [0, pi]$。
根据 Jensen 不等式,$f(frac{sum heta_i}{n}) ge frac{sum f( heta_i)}{n}$,即 $sin(frac{2pi}{n}) ge frac{1}{n} sum sin( heta_i)$。
6. 得到不等式: $n sin(frac{2pi}{n}) ge sum_{i=1}^{n} sin( heta_i)$。
7. 等号成立条件: 由于 $sin(x)$ 在 $[0, pi]$ 上是严格凹的,等号成立当且仅当 $ heta_1 = heta_2 = dots = heta_n$。
8. 得出结论: 由约束条件 $sum heta_i = 2pi$,可得 $ heta_i = frac{2pi}{n}$。此时,多边形的所有顶点将等距离分布在圆周上,构成了正 $n$ 边形。在这个状态下,多边形的面积取到最大值。

思考与延伸

这个证明非常依赖于 Jensen 不等式及其在三角函数上的应用。它优雅地展示了“均匀性”在优化问题中的重要性。这个结论在几何学中有许多实际的应用,比如在给定周长的情况下,圆是最能围成最大面积的形状;而对于多边形,正多边形在周长固定时面积最大。

这个证明也暗含着一个直观的理解:如果我们有一个面积不大的多边形,可以通过微调顶点的位置来增加面积。比如,如果某个圆心角 $ heta_i$ 和它旁边的 $ heta_j$ 相差较大,我们可以尝试“平均”它们,将 $ heta_i$ 稍微减小一点,将 $ heta_j$ 稍微增大一点,使得它们更接近平均值 $frac{2pi}{n}$。根据凹函数的性质,这种“平均化”的过程总会倾向于增大总面积(或至少不减小),直到所有角度相等为止。

希望这个详尽的解释能帮助你理解为什么圆上若干点构成的最大面积多边形会是正多边形。

网友意见

user avatar

单位圆上的凸 边形取得面积最大值时,圆心 必位于它的内部。

证明是很容易的。设 就是这凸 边形,圆心 位于它的外部,则 这 个顺时针排列的顶点必定位于单位圆的同一个半圆弧上。这时,显然有 考虑这三角形 假使我们调整 位置使它变为 这 是弦 中点与圆心 连线与圆的不在前述半圆弧上的那个交点,这时, 保持不变,但 显然变大了,于是总的 也将随之变大。这说明,如果圆心 位于凸 边形的外部,我们总可以调整顶点的位置、让圆心 变到形内以使凸 边形面积增大,于是结论得证。

单位圆上的凸 边形取得面积最大值时,必是正 边形。

基于 的结论,将的各个顶点分别与形内的 相连,并设
于是有 注意到 在 上是凹函数,于是依 不等式,成立 当且仅当 时成立等式。由此即证。

类似的话题

  • 回答
    这篇文章旨在深入探讨一个几何学中的有趣问题:在给定周长的情况下,圆上若干点构成的多边形,什么时候面积最大?我们将一步步揭示,这个“最佳”多边形就是那个正多边形。问题的设定我们想象一下,在一个圆的圆周上,选取了 $n$ 个点。这些点按照顺序连接起来,就构成了一个 $n$ 边形,而且这个多边形是内接于这.............
  • 回答
    好的,咱们来聊聊托马斯·阿奎那那几个著名的“证明”上帝存在的论证,以及怎么从逻辑上拆解它们。这可不是件容易的事,毕竟阿奎那的论证经过了几个世纪的沉淀和检验,但咱们可以一层层地剥开来,看看里头有没有可以商榷的地方。首先得明白,阿奎那的这五个证明(通常称为“五路论证”,Five Ways)都是基于我们对.............
  • 回答
    好的,我们来详细证明圆上有理点的稠密性。什么是圆上有理点?首先,我们需要明确一些概念: 圆: 在二维平面上,圆是指所有到某个固定点(圆心)距离相等的点的集合。一个标准的圆的方程是 $(xa)^2 + (yb)^2 = r^2$,其中 $(a, b)$ 是圆心,$r$ 是半径。 有理点: 如果.............
  • 回答
    好的,我们来聊聊这个关于幂级数在收敛圆边缘收敛性的话题。这确实是一个相当深刻的数学概念。假设我们有一个幂级数:$$ f(z) = sum_{n=0}^{infty} a_n z^n $$其中 $a_n$ 是复系数,$z$ 是复变量。我们知道,这样的幂级数有一个“收敛半径” $R$。在 $|z| < .............
  • 回答
    这确实是一个非常有趣且深刻的问题,涉及到集合论和拓扑学的一些核心概念。想要证明R²上存在不可数集,并且该集合至少在一点附近局部不可数,我们需要构建一个例子,并展示其性质。首先,让我们明确几个关键概念: 不可数集 (Uncountable Set): 指的是基数(元素个数)大于自然数集合的无穷集合.............
  • 回答
    好的,我们来一步一步地梳理一下这个问题的证明过程。这个问题涉及到几何、代数以及优化等多个方面,理解起来需要耐心。问题陈述:设单位圆周上有 $n$ 个点 $P_1, P_2, dots, P_n$。我们将这些点的位置用它们到圆周上某个固定参考点(比如 $(1,0)$)的夹角 $ heta_1, he.............
  • 回答
    要证明一个集合族(或称集合的集合)的上界,我们需要理解几个核心概念。简单来说,证明一个集合族拥有上界,就是要找到一个“足够大”的集合,能够包含这个集合族中的每一个集合。这个“足够大”的集合,就是我们所说的上界。让我们把这个问题拆解开来,一步一步地说明。 首先,我们需要明确几个基本概念:1. 集合 .............
  • 回答
    单位球面可定向性证明——一次详尽的探讨在微分几何的领域,可定向性是一个至关重要的概念,它深刻地揭示了空间的内在结构。对于光滑的单位球面,证明其可定向性是一个既经典又富有启发性的问题。这篇文章将试图以一种清晰且深入的方式,一步步地勾勒出证明的脉络,并尽可能避免那种略显机械、缺乏温度的论述风格。让我们从.............
  • 回答
    要证明阿列夫零上阿列夫零等势于二上阿列夫零,这本质上是在讨论集合的基数(cardinality)问题。简单来说,我们是要证明自然数集合 ($mathbb{N}$) 的笛卡尔积 ($mathbb{N} imes mathbb{N}$) 和实数集合 ($mathbb{R}$) 的基数是相同的。在集合论.............
  • 回答
    您提出的问题涉及到函数导数之间的关系,特别是关于上确界的不等式。您想证明的是:$$ (sup_{x in I} |f'(x)|)^2 le 2 sup_{x in I} |f(x)| cdot sup_{x in I} |f''(x)| $$其中 $I$ 是函数 $f$ 定义域上的一个区间,并且假设.............
  • 回答
    征服 Sobolev 空间上的这一挑战:一步一步的证明在数学分析的浩瀚星河中,Sobolev 空间以其强大的工具性在偏微分方程、几何分析以及许多其他领域扮演着至关重要的角色。它们允许我们超越光滑函数,拥抱具有一定形式“正则性”的更广阔函数类。在这些空间上,我们经常会遇到一些精妙而深刻的不等式,这些不.............
  • 回答
    好的,我们来详细证明这个重要结论:对于任意给定的正数 $epsilon > 0$,在矩阵空间 $M$ 上存在一个矩阵范数 $||cdot||$,使得对于所有矩阵 $A in M$,都有 $||A|| le ho(A) + epsilon$,其中 $ ho(A)$ 是矩阵 $A$ 的谱半径。这个结论.............
  • 回答
    要证明一个无理数的整数倍数的小数部分在 (0, 1) 上均匀分布,我们需要借助一个叫做依稀收敛定理(Weyl's Criterion) 的强大工具。这个定理非常漂亮,它提供了一种量化和证明“均匀分布”的方法。首先,我们来明确一下我们要证明什么。我们有一个无理数 $alpha$。我们要考虑的是 $al.............
  • 回答
    要证明在闭区间 $[a, b]$ 上(其中 $ba > 1$)存在整数,我们可以借助一些基本的数学原理,特别是与整数的性质相关的内容。我将尽量详细地阐述,并用自然流畅的语言来表达,力求避免生硬的AI痕迹。首先,我们来明确一下我们已知什么。我们有一个闭区间 $[a, b]$,这意味着区间包含了它的端点.............
  • 回答
    要证明全体 $n$ 维正交矩阵组成的集合是全体 $n$ 维矩阵集合上的紧集,我们需要理解几个关键概念:什么是紧集,什么是正交矩阵,以及它们在矩阵空间中的具体表现。首先,我们处理的是全体 $n$ 维矩阵集合。在数学上,我们可以将每个 $n imes n$ 的矩阵看作是 $mathbb{R}^{n^2.............
  • 回答
    要详细地推导《气体动力学》(童秉纲版)中的那个热力学等式,我们需要先明确题目所指的具体是哪个等式。由于您没有提供具体的题目内容,我将假设您指的是在气体动力学中非常基础且常用的一个重要热力学关系式,并且尝试以一种清晰、循序渐进的方式来解释它,力求避免生硬的AI痕迹,让整个过程听起来更像是老师在讲解。假.............
  • 回答
    好的,我们来深入探讨一下这个问题。你提出的问题非常有意思,它连接了函数在一点的导数极限和函数在一点的差值与导数的关系,以及一个关键的结论:导数本身也趋于一个常数。问题重述与核心要点梳理我们已知以下信息:1. $f(x)$ 在 R 上连续可微: 这意味着 $f(x)$ 的导函数 $f'(x)$ 存在.............
  • 回答
    手机鸿蒙是否真的套壳安卓,这问题触动了不少人的神经,也成了各大论坛、评论区热烈讨论的焦点。要证明自己的立场,大家无外乎从几个大方面入手:看源码、比系统、究其根本。 一、 直接上手,源码为证:这绝对是最硬核、也是最直接的证明方式。 “我看了鸿蒙的开源代码,而且我也深入研究过Android的开源代码.............
  • 回答
    哎呀,这事儿想想就够让人心惊肉跳的。如果在机场安检时,突然发现你的包里被塞了毒品,这简直就是晴天霹雳。不过,在这种极端糟糕的情况下,别慌,冷静下来是第一要务。下面我给你捋一捋,在这种情况下,你该如何最大程度地为自己辩护,证明自己的清白。首先,最关键的一点:保持冷静,配合调查。一听到“毒品”,安检人员.............
  • 回答
    好的,我们来详细地证明这个命题:已知一平面封闭图形内有一点P,图形上任意一点点A的切线垂直PA,如何证明该图形是中心对称图形?核心思想:要证明一个图形是中心对称图形,我们需要证明存在一个对称中心,使得图形上任意一点都可以通过这个中心找到一个对称点,并且这两个点关于对称中心对称。在这个问题中,点P是关.............

本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息,本站不存储任何数据与内容,任何内容与数据均与本站无关,如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度google,bing,sogou

© 2025 tinynews.org All Rights Reserved. 百科问答小站 版权所有