五角星是大家很熟悉的一种图形。由于它对称、美观,因而常被用来组成各种图案。这里向大家介绍一种正五角星的精确绘制方法,具体步骤如下:
(1)作一个圆,设它的圆心为0。
(2)作圆0的两条互相垂直的直径AZ,XY。
(3)取OY的中点M。
(4)以M为圆心,MA为半径,作圆弧和半径OX交于N。
(5)以A为圆心,AN为半径,在圆O上连续截取等弧,使弦
AB=BC=CD=DE=AN,
(6)连接AD,AC,EB,EC,BD。五角星就画成了。
上述画五角星的方法是精确的。这可以作如下证明:
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设圆O半径为R,DZ=ZC=a10为圆内接正十边形的一边,则DC=a5是圆内接正五边形的一边。由初中数学课本已经知道
${a_{10}} = \frac{1}{2}\left( {\sqrt 5 - 1} \right)R$,
这样,利用勾股定理就可求得等腰三角形的面积
${S_{\vartriangle ODZ}} = \frac{1}{8}\sqrt {10 - 2\sqrt 5 } {R^2}$。
又${S_{\vartriangle ODZ}} = \frac{1}{2}DH \cdot OZ$,
$DH{\text{ = }}2{S_{\vartriangle ODZ}} \div R = \frac{1}{4}\sqrt {10 - 2\sqrt 5 } R$,
所以${a_5} = 2DH = \frac{1}{2}\sqrt {10 - 2\sqrt 5 } R$。
而由上述五角星的作法知
AN2=AO2+ON2=AO2+(AM-OM)2,
$\eqalign{ & N = \sqrt {{R^2} + {{\left( {\frac{{\sqrt 5 }}{2}R - \frac{1}{2}R} \right)}^2}} \cr & = \frac{1}{2}\sqrt {10 - 2\sqrt 5 } R \cr} $。
即AN=a5。
圆内接正多边形并不都能用尺规精确作图。除正五边形外,正三角形,正十五边形,以及由它们直接得出的那些边数为2n,2n×3,2n×5,2n×l5(n是正整数)的正多边形的几何作图在2000多年前的欧几里得时代就已经知道了。但在以后的近2000年间,人们一直没有发现新的可以使用圆规和直尺作图的正多边形。一直到18世纪末,高斯取得了突破,首先作出了正十七边形。高斯还断言:一个正n边形,当且仅当n=2mP1·P1…Pv时,才可用圆规和直尺作图。这里…,分别是形为${2^{{2^k}}} + 1$的不同质数,而m是任意的正整数或0。这一断言的充分和必要性分别为高斯本人和另一个数学家所证明。