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【數(shù)學(xué)百草園】有趣的多邊形的密鋪

 okxso 2023-05-15 發(fā)布于河北
  • 密鋪

    密鋪,即平面圖形的鑲嵌,用形狀、大小完全相同的幾種或幾十種平面圖形進(jìn)行拼接,彼此之間不留空隙、不重疊地鋪成一片,這就是平面圖形的密鋪,又稱做平面圖形的鑲嵌。

正多邊形的密鋪

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正六邊形可以密鋪,因?yàn)樗拿總€(gè)內(nèi)角都是120°,在每個(gè)拼接點(diǎn)處恰好能容納3個(gè)內(nèi)角;正五邊形不可以密鋪,因?yàn)樗拿總€(gè)內(nèi)角都是108度,而360°不是108的整數(shù)倍,在每個(gè)拼接點(diǎn)處的內(nèi)角不能保證沒空隙或重疊現(xiàn)象;除正三角形、正四邊形和正六邊形外,其它正多邊形都不可以密鋪平面。

我們都知道,鋪地時(shí)要把地面鋪滿,地磚與瓷磚之間就能留有空隙。如果用的地磚是正方形,它的每個(gè)角都是直角,那么4個(gè)正方形拼在一起,在公共頂點(diǎn)處的4個(gè)角,正好拼成一個(gè)360度的周角。六邊形的每個(gè)角都是120度, 3個(gè)正六邊形拼在一起時(shí),在公共頂點(diǎn)上的3個(gè)角度數(shù)的和正好也是360度。除了正方形、長方形以外,正三角形也能把地面密鋪。因?yàn)檎切蔚拿總€(gè)內(nèi)角都是60度,6個(gè)正三角形拼在一起時(shí),在公共頂點(diǎn)處的6個(gè)角的度數(shù)和正好是360度。

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正因?yàn)檎叫巍⒄呅纹春弦院?,在公共頂點(diǎn)上幾個(gè)角度數(shù)的和正好是360度,這就保證了能把地面密鋪,而且還比較美觀。

因?yàn)橹挥姓切巍⒄叫?、正六邊形的?nèi)角的整數(shù)倍為360°,因此正多邊形中僅此三者可以密鋪。

圓形不能密鋪,但正三角形和等腰梯形、直角梯形能密鋪

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可單獨(dú)密鋪的圖形

1、任意三角形、任意凸四邊形都可以密鋪。

2、正三角形、正四邊形、正六邊形可以單獨(dú)用于平移密鋪。

3、三對對應(yīng)邊平行的六邊形可以單獨(dú)密鋪。

4、僅發(fā)現(xiàn)十五類五邊形能密鋪。

五邊形密鋪

如圖,這是五邊形密鋪的結(jié)構(gòu)圖,近期發(fā)現(xiàn)了新的可密鋪五邊形,即第十六種可密鋪五邊形。

Image能密鋪的15種五邊形

周期性密鋪與非周期性密鋪

周期性密鋪

我們先從三角形(非退化)說起,
  1.任何三角形都可以密鋪整個(gè)平面。
  證明:我們把2個(gè)三角形拼成一個(gè)平行四邊形,然后將平行四邊形上下疊放,從而密鋪整個(gè)平面。
  2.任何凸四邊形(包括正方形,矩形)都可以密鋪整個(gè)平面。
  證明:
  我們稍微思考一下,剛才三角形的方法只能推廣到平行四邊形。注意到四邊形內(nèi)角和為360,所以我們可以先把四個(gè)四邊形對應(yīng)不同的角拼在一起,使其拼滿一個(gè)360度。

Image例圖


  如上圖,不同顏色的角被集中到中央,接下來就是用四邊形按照同樣的不同四角補(bǔ)成360度的方式將周圍補(bǔ)全

3.正五邊形

密鋪條證明:首先,假設(shè)能夠密鋪平面,考慮任何一個(gè)正五邊形,以下情況不會出現(xiàn):

否則在如圖邊與頂點(diǎn)交匯處的一部分,不能放入另一個(gè)正五邊形鋪滿。

所以如果能鋪滿,應(yīng)該是邊對邊,點(diǎn)對點(diǎn),但是我們來思考一下某一個(gè)頂點(diǎn),

?號處依假設(shè)還能放入若干個(gè)正五邊形密鋪,和2類似,應(yīng)該也是圍成360度角,但?處角度為

360-108-108=144度,鋪一個(gè)還有余,兩個(gè)就放不下,導(dǎo)出了矛盾。

4.正六邊形

證明:顯然。

5.正n邊形中,只有正三角形,正方形,正6邊形能密鋪平面,其余正n邊形不能做到。

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