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内接正多边形的圆滚动后未覆盖区域面积及2边形(直径)问题咨询

嘿,这个几何滚动问题挺有意思的,我来一步步给你拆解清楚~

正n内接多边形的情况

假设我们有个半径为R的圆,里面内接了一个正n边形,相邻两个顶点对应的圆心角是2π/n(也就是360/n度)。初始时,多边形的一个顶点刚好碰到直线,圆心到直线的距离就是正多边形的边心距——也就是Rcos(π/n)

当我们把圆沿着直线滚动,直到下一个顶点碰到直线时,圆刚好转了2π/n弧度(毕竟要让下一个顶点对准直线嘛),圆心沿着直线移动的距离就是多边形的边长2Rsin(π/n)

现在要找的是直线和滚动后边的位置之间,没被这条边扫过的区域面积。这个区域其实就是个“弓形”——你可以理解成圆心角为2π/n的扇形,减去扇形里的等腰三角形剩下的部分:

  • 扇形的面积是πR²/n(因为整个圆面积是πR²,占了1/n的比例)
  • 那个等腰三角形(连接圆心和两个相邻顶点)的面积是R²sin(π/n)cos(π/n),这是用三角形面积公式(1/2)ab sinθ推导来的,这里a=b=R,θ是圆心角2π/n,化简后就是这个结果。

所以最终未被经过的区域面积就是:

Area = πR²/n - R²sin(π/n)cos(π/n)

为啥是这个结果?因为滚动时,这条边扫过的区域是摆线围成的曲边区域,而直线和最终边之间,只有这个弓形区域是这条边从来没碰过的——毕竟边一直在绕着圆心转,不会钻进扇形减三角形的这块区域里。

2边形(圆的直径)的特殊情况

再说说题目里提到的2边形——其实就是圆的一条直径啦,两个顶点就是直径的两端。这时候n=2,代入上面的公式:

  • 圆心角变成了π(180度),边长就是直径2R
  • 代入公式后,sin(π/2)=1cos(π/2)=0,所以三角形那项直接变成0了,剩下的就是πR²/2

这个结果也很直观:当直径滚动半圈,让另一端点碰到直线时,直线和这条直径之间没被扫过的区域就是一个半圆的面积——毕竟直径滚动时扫过的是矩形加圆的区域,唯独这个半圆区域是直径从来没经过的。


内容的提问来源于stack exchange,提问作者Xiangyu Chen

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