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正六邊形是完美的平面圖形——平面密鋪問題引發(fā)的思考

2022-09-10 12:17 作者:Cc之緣  | 我要投稿

結論如標題所示:正六邊形是完美的平面圖形

事情的起因

我無意中的一個靈感:我看到正六邊形,我覺得很有意思,我想到了蜜蜂蜂巢,是個典型的正六邊形密鋪。索性我就想從密鋪的方式入手,來看看正六邊形為何會被密封選作筑巢圖形,為什么不是選正方形或者正三角?

正六邊形的蜂巢

思考過程

①方案設計

控制變量是最重要的一步,我要如何才能做到除了形狀以外的變量都一致呢,這里我選用了單位圓限制的思路。

想法是我面對的是一個平面面積問題,那么最好控制的方法就是在單位圓里面放一個最大的正多邊形。

在半徑為1的單位圓內(nèi),放一個盡可能大的正多邊形,即所有角的端點都在圓上

好,接下來就是對圖形的密鋪了,要怎樣去定義密鋪呢?

我給出的解釋是:以單位圓內(nèi)的正多邊形為中心,周圍密鋪的圖形要讓單位圓內(nèi)正多邊形的所有端點和邊都不能與外界接觸。以下圖為例

如圖,端點BHJ都與外界有有接觸,不能算我定義的密鋪

如圖,端點BHJ都與外界沒有有接觸,能算我定義的密鋪

完成密鋪之后,我會從兩個維度來考慮這個正多邊形對密鋪的適度:

完成密鋪需要的此正多邊形的個數(shù)

密鋪后空白面積的大小

②開始實驗

正三邊形:密鋪個數(shù)為13個,空白面積為0

正三邊形密鋪

正四邊形:密鋪個數(shù)為9個,空白面積為0

正四邊形密鋪

正五邊形:密鋪個數(shù)為16,空白面積為5%5Cast%20(2%5Csin%20%5Cfrac%7B4%5Cpi%20%7D%7B5%7D%20%20-2%5Csin%20%5Cfrac%7B4%5Cpi%20%7D%7B5%7D%5Cast%20%5Csin%20%5Cfrac%7B2%5Cpi%20%7D%7B5%7D)%5Capprox%205*0.812299240582266%5Capprox%204.06

正五邊形密鋪

正六邊形:密鋪個數(shù)為7個,空白面積為0

正六邊形密鋪

正七邊形:密鋪個數(shù)為21個,空白面積為17.92

2.267133365921643+15.654112388883767

正七邊形對稱型密鋪

正七邊形:密鋪個數(shù)為15個,空白面積為9.93

2.267133365921643+7.663694541856486


正七邊形不對稱型密鋪

正八邊形:密鋪個數(shù)為9個,空白面積為2.34

4%5Cast%20(2-%5Csqrt%7B2%7D%20)%5Capprox%202.3431457504

正八邊形密鋪

正九邊形:密鋪個數(shù)為17個,空白面12.13

4.816531531624669+2*1.960264283333409+3.39154762454108

正九邊形對稱型密鋪

正九邊形:密鋪個數(shù)為12個,空白面積為5.60

左1.960264283334+右上1.6776351421619+右下1.9602642833334

正九邊形不對稱密鋪

正九邊形:密鋪個數(shù)為16個,空白面積為9.1

上2+左2+右1.7+下3.4

正九邊形不對稱密鋪

正十邊形:密鋪個數(shù)為13個,空白面積為5.64

2*2.820413399444538

正十邊形密鋪

③階段性總結,思考

如果正多邊形保持這樣的邊數(shù)增長趨勢,那么最后會變成什么樣子呢?

對,會變成原來那個限制其的單位圓,那么接下來我們看看圓的密鋪:

正n邊形:密鋪個數(shù)為9個,空白面積為4*(4-π)%5Capprox%203.43

%5Clim_%7Bn%5Cto%2B%E2%88%9E%7D,n%5Cin%20N

正n邊形密鋪1

正n邊形:密鋪個數(shù)為7個,空白面積為6%5Cast%20(%5Csqrt%7B3%7D-%5Cfrac%7B%5Cpi%20%7D%7B2%7D%EF%BC%89%20%5Capprox%200.97

%5Clim_%7Bn%5Cto%2B%E2%88%9E%7D,n%5Cin%20N


正n邊形密鋪2

顯然,密鋪2是更好的密鋪方式,因此對于圓我們選用密鋪2

④觀察,思考

隨著正多邊形變數(shù)的增加,我們可以將會看見如上圖正n邊形密鋪2所示,然后我們回顧一下從正三變形到正十邊形的密鋪過程,我們會有一個發(fā)現(xiàn):

正六邊形密鋪與正n邊形密鋪

竟能...如此相像!

⑤思考,總結

正六邊形在平面密鋪問題上,是最契合圓的正多邊形,無論是從密鋪個數(shù)還是空間利用率上,正六邊形都是完美的圖形。因此得出結論:

正六邊形是完美的平面圖形

其實若仔細觀察蜂巢,這個結論不難得出,真正的蜂巢并不是完完全全的正六邊形,有點介于正六邊形和圓之間,這是因為蜂巢的邊也占了一定的面積,邊厚度太大了。

真實的蜂巢形狀

正六邊形在設計領域的貢獻:

拋開數(shù)學層面上的東西,我們仔細想想,生活中正六邊形對于一些設計,美學上的作用也不小

接下來我會用許多實圖配合講解,當然這只是我想到的看到的

設計上,正六邊形強調(diào)一個科技感

注意看刀刃
后衣領處
假面騎士Amazon變身器
假面騎士Build

在游戲方面,六邊形經(jīng)常作為類戰(zhàn)旗的一種基本行動單位

游戲名:俠之道
游戲名:文明6

由此可見,并不是只有數(shù)學,生活中也處處是六邊形,只要你細心觀察,相信你也可以發(fā)現(xiàn)

今天是中秋節(jié),祝大家中秋節(jié)快樂!

同時今天也是教師節(jié),我寫此文的目的之一,也是想將其獻給我的老師。她是一位高中數(shù)學老師,在我人生中比較關鍵的轉(zhuǎn)折點處,給予了我很大的幫助,我很感激她。希望這篇跟數(shù)學有關的小作文能獲得她的認可~大家要是也有自己想感恩的老師,趕快行動起來吧!

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