Правильний шестикутник — Вікіпедія

Правильний шестикутник
Тип Правильний мгногокутник
Властивості Опуклий, рівносторонній, ізогональний (вершинно-транзитивний), ізотоксальний (реберно-транзитивний), конциклічний (вписаний в коло), тангенціальний (описаний навколо кола)
Елементи 6 ребер
6 вершин
Вершинна фігура Відрізок довжиною
Позначення
Символ Шлефлі {6} (повна симетрія)
t{3} (зрізаний трикутник)
Діаграма Коксетера-Динкіна

або (x6o)

Група симетрії D6, порядок 12 (Діедрична група)
Двоїстий Самодвоїстий

Правильний шестикутник (гексагон від грец. ἕξ, hex — шість та грец. γωνία, goníaкут) — шестикутник, у якого всі сторони і кути рівні.

Також, правильний шестикутникгеометрична фігура, правильний многокутник з шістьма сторонами.

Правильний шестикутник можна отримати , застосовуючи операцію зрізання вершини до рівностороннього трикутника. Такий шестикутник має символ Шлефлі t{3}.

Правильний шестикутник може виступати в якості граней для шестикутної призми та антипризми, для п'яти напівправильних многогранників Архімеда, а також для многогранників Голдберга[en] та многогранників Ватермана[en].

Правильний шестикутник має шість ліній дзеркальної симетрії, і обертову симетрію 6-го порядку (у 60°, 120°, 180°, 240° та 300°).

Оскільки сума внутрішніх кутів довільного опуклого шестикутника становить 720°, то кожен внутрішній кут правильного шестикутника дорівнює 120°.

Формули[ред. | ред. код]

Нехай ‒ сторона правильного шестикутника,
R ‒ радіус описаного кола,
r ‒ радіус вписаного кола.

Для правильного шестикутника справедливі наступні формули:

Сторона правильного шестикутника:

У правильному шестикутнику сторона дорівнює радіусу описаного навколо нього кола.

Радіус вписаного кола правильного шестикутника (дорівнює апотемі правильного шестикутника) ‒ дотикається до всіх його ребер:

Радіус описаного кола правильного шестикутника — проходить через всі його вершини:

Висота ‒ відстань між протилежними сторонами:

Із відношення радіусів описаного та вписаного кіл випливає, що відношення висоти до ширини правильного шестикутника дорівнює 1:1,1547005; тобто шестикутник із довгою діагоналлю 1 матиме відстань 0,8660254 між паралельними сторонами.

Площа правильного шестикутника:


де P — периметр правильного шестикутника:
p — півпериметр;
r = — радіус вписаного кола/ апотема.

Кути правильного шестикутника[ред. | ред. код]

Внутрішній кут правильного шестикутника при даній вершині називається кут між двома його сторонами, що сходяться в цій вершині.

Сума внутрішніх кутів дорівнює  радіан.

Зовнішній кут правильного шестикутника при цій вершині називається кут, суміжний внутрішньому куту многокутника при цій вершині.

радіан.

Сума зовнішніх кутів (по одному при кожній вершині) дорівнює  радіан.

Центральним кутом правильного шестикутника називається центральний кут його описаного кола, що спирається на його сторону. Величина центрального кута дорівнює:

радіан.

Діагоналі[ред. | ред. код]

Правильний шестикутник має діагоналей:

  • Шість діагоналей мають довжину

Коротка діагональ дорівнює висоті H шестикутника.

  • Три діагоналі мають довжину

Довга діагональ правильного шестикутника вдвічі довша за його сторону.

З однієї вершини правильного шестикутника можна провести три діагоналі; вони ділять шестикутник на чотири трикутних частини, а внутрішній кут шестикутника ділять на чотири рівних частини.

Кут між будь-якими сусідніми діагоналями, що виходять з однієї вершини (включно зі сторонами, що виходять з цієї вершини):

Діагоналі правильного шестикутника перетинаються в 13 точках і ділять внутрішню область шестикутника на 24 частини (послідовності OEISA006561 та OEISA007678).

Короткі діагоналі при перетині утворюють гексаграму. Довгі діагоналі перетинаються в одній точці — центрі правильного шестикутника.

Сума квадратів всіх сторін та всіх діагоналей правильного шестикутника, вписаного в коло радіуса R дорівнює 36R2 [1]:стор.73, наслідок.

Властивості[ред. | ред. код]

  1. Правильний шестикутник є рівносторонній і рівнокутний одночасно. Він є вписаним і описаним одночасно.
  2. Центри вписаного та описаного кіл збігаються та лежать в центрі правильного шестикутника. Також в центрі правильного шестикутника знаходиться його центр мас.
  3. Площа кільця, утвореного вписаним та описаним колом залежить тільки від довжини сторони:
  4. Радіус описаного кола правильного шестикутника дорівнює його стороні. Інші відомі многогранники (політопи), які мають цю властивість, це Кубооктаедр (а також усі розширені[en] симплекси), тесеракт та 24-комірник. Завдяки цьому правильний шестикутник можна точно розкласти на 6 рівносторонніх трикутників.
  5. Правильний шестикутник може бути побудований за допомогою циркуля та лінійки без міток.
    Гексаграма
  6. У правильного шестикутника існує тільки одна зірчаста форма — гексаграма (шестикутна зірка, що утворена поєднанням двох правильних трикутників).
    Правильний шестикутник і правильний п'ятикутник є єдиними многокутниками з однією можливою зірчастою формою. Це також многокутник із найбільшою кількістю сторін, який не має простої зірки, тобто зірки, що не утворена поєднанням інших многокутників. Інші многокутники, що не мають простих зірок (і зірок взагалі) — це трикутник і квадрат. Це також єдиний правильний многокутник, який має лише складені (непрості) зірки.
    Замощення площини правильними шестикутниками
  7. Правильний шестикутник є одним із трьох правильних многокутників, якими можна замостити площину без проміжків та накладень; два інші — рівносторонній трикутник і квадрат. Шестикутний паркет має 3 шестикутники при вершині. Також використовується в інших однорідних та напівправильних паркетах.
  8. Правильний шестикутник є перестановковим многогранником[en] порядку 3.
  9. Правильний шестикутник, у якого відстань між протилежними сторонами дорівнює 1 є універсальним покриттям:
    Лема Пала: будь-яку множину діаметром 1 можна покрити правильним шестикутником, у якого відстань між протилежними сторонами дорівнює 1 (шестикутник з довжиною сторони )[2][3][4]:стор.30[5]:стор.138.
    Лему довів угорський математик Д. Пал[en] 1929 року.

Теорема Вівіані[ред. | ред. код]

Теорема Вівіані для правильного шестикутника

Нехай точка Р — довільна точка всередині правильного шестикутника. З неї на сторони опущені перпендикуляри.

 — апотема правильного шестикутника (перпендикуляр, опущений з його центра на будь-яку з його сторін).

Тоді виконується така рівність:

Названа іменем італійського математика Вінченцо Вівіані[6].[1]:стор.72, теорема 102

Точка на описаному колі[ред. | ред. код]

Навколо правильного шестикутника ABCDEF описано коло. Точка Р лежить на описаному колі між вершинами В і С. Тоді:

Нехай  — відстані від точки P на описаному колі правильного шестикутника до його вершин. Тоді:[7] :стор.342, теор.4.4

Сума квадратів відстаней від вершин правильного шестикутника до будь-якої точки на його описаному колі дорівнює 12R2[1]:стор.73, теорема d

Сума квадратів відстаней від середин сторін правильного шестикутника до будь-якої точки на його описаному колі дорівнює 12R232a2,[1]:стор.73, наслідок

де а — довжина сторони правильного шестикутника.

Точка в площині правильного шестикутника[ред. | ред. код]

Навколо правильного шестикутника описано коло радіусом R.

Точка Р знаходиться в площині шестикутника. ОР = L — відстань від точки Р до центра шестикутника (центра описаного кола). (i = 1, 2…5) — відстані від точки Р до вершин шестикутника.

Тоді виконуються наступні рівності:[7] :стор.344, теорема 4.9

Симетрія[ред. | ред. код]

Шість ліній дзеркальної симетрії правильного шестикутника з симетрією Dih6 або r12, порядок 12.

Правильний шестикутник має діедричну групу симетрії D6 (або Dih6), порядку 12.

Вона складається з 6 обертових симетрій (у 60°, 120°, 180°, 240° та 300°) і 6 осьових симетрій.

Правильний шестикутник має 6 ліній дзеркальної симетрії: 3 осі симетрії, що проходять через дві протилежні вершини, та 3 осі симетрії, що проходять через середини протилежних сторін. Є центр симетрії.

Діедричні симетрії поділяються в залежності від того, чи вони проходять через вершини (d для діагоналі) або ребра (p для перпендикулярів). Обертові симетрії позначені літерою g відповідно до їх порядку центрального обертання. Повна симетрія правильної форми — r12 і відсутність симетрії — a1.

Група симетрії D6 містить 16 підгруп. Це 8 підгруп включно з ізоморфізмами: власне D6 , 2 діедричні (D3, D2), 4 циклічні (Z6, Z3, Z2, Z1), та тривіальна (e).

Ці типи симетрії у правильному шестикутнику можна побачити у вигляді 9 різних симетрій. Джон Конвей позначав їх за допомогою літери і порядку групи.[8]

Повна симетрія правильної форми — r12 і відсутність симетрії — a1.

p6, ізогональний шестикутник, побудований з трьома відзеркаленнями, для неправильних форм може чергувати довгі та короткі ребра.

d6, ізотоксальний шестикутник, побудований з рівними довжинами ребер, але вершини чергуються з двома різними внутрішніми кутами (для неправильних форм).

Ці дві форми є двоїстими одна до одної та мають половинний порядок симетрії правильного шестикутника.

Форми i4 являють собою правильні шестикутники, сплющені або витягнуті вздовж одного напрямку симетрії.

Його можна розглядати як подовжений ромб, тоді як d2 і p2 можна розглядати як горизонтально та вертикально подовжені дельтоїди. g2 шестикутники, протилежні сторони яких паралельні, також називають шестикутними паралелогонами.

Кожна підгрупа симетрії допускає один або більше ступенів вільності для неправильних форм. Лише підгрупа g6 не має ступенів вільності, але її можна розглядати як орієнтований граф. Шестикутники з симетрією g2, i4, та r12, як паралелогони можуть замостити евклідову площину шляхом копіювання. Інші форми шестикутника замощують площину в різних орієнтаціях.

Побудова[ред. | ред. код]

Правильний шестикутник можна побудувати за допомогою циркуля і лінійки, оскільки число є добутком двійки на просте число Ферма, що згідно з теоремою Гаусса — Ванцеля є достатньою умовою для можливості його побудови за допомогою циркуля і лінійки.

Побудова правильного шестикутника з даним радіусом описаного кола[ред. | ред. код]

Кроки побудови правильного шестикутника
  • Будуємо коло вибраного радіуса та проводимо його діаметр.
  • З протилежних кінців цього діаметра описуємо дуги циркулем, розхил якого рівний радіусу кола.
  • Точки перетину цих дуг з колом, а також два кінці діаметра кола є вершинами правильного шестикутника.

Побудова правильного шестикутника за даною стороною[ред. | ред. код]

Дано відрізок АВ, що дорівнює стороні правильного шестикутника.

З кінців відрізка радіусом, рівним АВ проводимо дві дуги до їх перетину в точці М.

Із точки М цим же радіусом проводимо коло.

Починаючи з точки В радіусом АВ відмічаємо на цьому колі ще чотири вершини шуканого шестикутника.

Приблизна побудова "по клітинках"[ред. | ред. код]

Приблизна побудова правильного шестикутника та дванадцятикутника

Наближення до правильного шестикутника, яке часто є достатнім для практичних цілей, отримують, якщо шестикутник побудовано з приблизно рівносторонніх трикутників, які мають співвідношення висоти до основи 7:8 (7 одиниць довжини в висоту та 8 одиниць довжини основи). Кути цього трикутника майже дорівнюють 60о.

Це наближення застосовується, коли допускається похибка трохи менше 1%. Наприклад, при розмітці клумб, міських площ, ігрових полів та ін.

Точки Pi (x|y) пронумеровані нижче відповідно до цифр годинника, центр (0|0):

  • Координати вершин шестикутника в горизонтальному положенні:
    P1 (4|7), P3 (8|0), P5 (4|−7), P7 (−4|−7), P9 (−8|0), P11 (−4|7)
  • Координати вершин шестикутника в вертикальному положенні:
    P2 (7|4), P4 (7|−4), P6 (0|−8), P8 (−7|−4), P10 (−7|4), P12 (0|8)

Краще наближення можна отримати, замінивши числа 4, 7 і 8 у наведених вище координатах на 15, 26 і 30 відповідно. Інші можливі трійки: (56, 97, 112) або (209, 362, 418).

Фізичні методи[ред. | ред. код]

Правильний шестикутник можна скласти методами оригамі, використовуючи дві смуги паперу однакової ширини.[5]:стор.192

Оригамі правильного шестикутника з двох смуг паперу однакової ширини

Розбиття[ред. | ред. код]

Проекція 6-куба Розбиття на 3 ромби Розбиття на 12 ромбів

Гарольд Коксетер стверджує, що кожен зоногон (2m-кутник, протилежні сторони якого паралельні й мають однакову довжину) можна розрізати на

паралелограмів.[9]

Зокрема, це справедливо для будь-якого правильного многокутника з парною кількістю сторін, у цьому випадку всі паралелограми є ромбами.

Це розбиття правильного шестикутника базується на многокутнику Петрі[en] проекції куба, з 3 із 6 квадратних граней.

Пов'язані многокутники[ред. | ред. код]

Правильний шестикутник має символ Шлефлі {6}. Правильний шестикутник є частиною правильного шестикутного паркету {6,3} з трьома шестикутними гранями навколо кожної вершини.

Правильний шестикутник також можна утворити, застосувавши операцію зрізання вершини до рівностороннього трикутника. Такий шестикутник має символ Шлефлі t{3}. Оскільки ця форма має два типи (кольорів) сторін, то її симетрія лише D3.

Зрізаний шестикутник, t{6}, є дванадцятикутником, в якого чергуються два типи (кольорів) сторін.

Альтернований[en] шестикутник, h{6}, є правильним трикутником {3}.

Правильний шестикутник має зірчасту форму, гексаграму.

Правильний шестикутник можна розбити на шість рівносторонніх трикутників, з вершинами в центрі шестикутника. Цей візерунок повторюється в межах правильного трикутного паркету.

Правильний шестикутник можна розширити до правильного дванадцятикутника, додавши навколо нього квадрати та рівносторонні трикутники, що чергуються. Цей візерунок повторюється в ромботришестикутному паркеті[en].

Правильний шестикутник

{6}

Зрізаний правильний трикутник

t{3} = {6}

Гіперзрізаний трикутник Зірчаста форма

Гексаграма 2{3}

Зрізаний правильний шестикутник

t{6} = {12}

Альтернований правильний шестикутник

h{6} = {3}

Розширення правильного {6} в {12}

Правильний шестикутник в многогранниках[ред. | ред. код]

Серед правильних многогранників Платона не існує таких, що мають шестикутні грані. Однак правильний шестикутник можна отримати як переріз правильних многогранників площиною, або при їх ортогональних проєкціях.

Площина, що перетинає правильний многогранник по шестикутному перерізу, проходить через центр многогранника та середини його протилежних паралельних ребер, та розділяє його на дві рівні частини. Площина шестикутного перерізу в кубі та додекаедрі перпендикулярна до їх діагоналі.[10][11][12]:стор.836

Многогранники Архімеда: зрізаний тетраедр, зрізаний октаедр, зрізаний ікосаедр, зрізаний кубооктаедр та зрізаний ікосододекаедр, мають в складі своїх граней правильний шестикутник. Ці шестикутники можна вважати зрізаними трикутниками, а тому многогранники мають діаграми Кокстера у вигляді та .

Існують інші многогранники даних симетрій з деформованими (розтягнутими або сплощеними) шестикутниками, зокрема многогранник Голдберга[en] G(2,0):

Існує 9 многогранників Джонсона, гранями яких є правильний шестикутник:

Призматоїди з шестикутними гранями:

Паркети з правильними шестикутниками

Правильний шестикутник у природі, техніці та культурі[ред. | ред. код]

Див. також[ред. | ред. код]

Примітки[ред. | ред. код]

  1. а б в г Johnson, Roger A. (2007 (orig. 1929)). Advanced Euclidean Geometry (PDF) (англ.) . Dover Publ. с. 319:стор.72-73.
  2. Peter, Brass (2005), A lower bound for lebesgue`s universal cover problem (PDF), International Journal of computational Geometry & Applications
  3. Gábor Fejes, Tóth; Kuperberg, Włodzimierz (2022), Four classic problems (PDF), Birkhäuser
  4. Хадвигер, Гуго; Дебруннер, Ганс (H. Hadwiger, H. Debrunner). (1965), Комбинаторная геометрия плоскости. (Kombinatorische geometrie in der ebene) (ru Переклад з німецької) , «Наука»: Главная редакция физико-математической литературы
  5. а б Wells, David (1991), The Penguin dictionary of curious and interesting geometry (англ.) , London: Penguin, с. 287:191-192
  6. Abboud, Elias (2010). On Viviani’s Theorem and its Extensions. College Mathematics Journal. 43 (3): 16. arXiv:0903.0753v3.
  7. а б Meskhishvili, Mamuka (2020). Cyclic Averages of Regular Polygons and Platonic Solids. Communications in Mathematics and Applications. 11: 335—355. arXiv:2010.12340. doi:10.26713/cma.v11i3.1420.
  8. John H. Conway, Heidi Burgiel, Chaim Goodman-Strauss, (2008) The Symmetries of Things, ISBN 978-1-56881-220-5 (Chapter 20, Generalized Schaefli symbols, Types of symmetry of a polygon pp. 275—278)
  9. Coxeter, Mathematical recreations and Essays, Thirteenth edition, p.141
  10. ,Steinhaus, H. Mathematical Snapshots, 3rd ed. New York: Dover, 1999. p. 170 ISBN 978-0486409146
  11. Cundy, H. and Rollett, A. "Hexagonal Section of a Cube." §3.15.1 in Mathematical Models, 3rd ed. Stradbroke, England: Tarquin Pub., p. 157, 1989. ISBN 978-0906212202
  12. Weisstein, Eric W. (1998), CRC Concise Encyclopedia of Mathematics (англ.) , CRC Press LLC, с. 1969, ISBN 0-8493-9640-9
  13. Nathaniel B. Smith, «The idea of the French Hexagon», dans French historical studies, vol. 6, no 2, 1969, p. 139–155 (ISSN 0016-1071).

Посилання[ред. | ред. код]