Многокутники

Многокутники — це узагальнення всього, що ти вже знаєш про трикутники й чотирикутники. Замість окремих фактів для кожної фігури тут з'являються формули з параметром nn, які працюють одразу для всіх. На НМТ ця тема дає короткі, але «технічні» задачі: знайти суму кутів, кут правильного многокутника, кількість діагоналей або, навпаки, відновити кількість сторін за однією з цих величин.

Основні поняття

Многокутник — замкнена ламана без самоперетинів разом із обмеженою нею частиною площини. Його вершини, сторони й кути позначають за вершинами. Многокутник називають опуклим, якщо він лежить по один бік від кожної прямої, що містить його сторону (усі внутрішні кути менші за 180°180°); інакше — неопуклим.

nn-кутник має nn вершин, nn сторін і nn внутрішніх кутів.

Сума кутів

Будь-який опуклий nn-кутник діагоналями з однієї вершини розбивається на (n2)(n-2) трикутники, тому сума внутрішніх кутів:

S=(n2)180.S = (n-2)\cdot 180^\circ.

Чому саме (n2)(n-2)? З обраної вершини діагоналі можна провести до всіх вершин, окрім неї самої та двох сусідніх, тобто до (n3)(n-3) вершин. Ці (n3)(n-3) діагоналі ділять фігуру на (n2)(n-2) трикутники. Перевіримо на знайомих випадках: для трикутника (32)180°=180°(3-2)\cdot180° = 180°, для чотирикутника (42)180°=360°(4-2)\cdot180° = 360° — усе збігається з тим, що ми знаємо.

Сума зовнішніх кутів (по одному при кожній вершині) будь-якого опуклого многокутника стала:

Sзовн=360.S_{\text{зовн}} = 360^\circ.

Ця сталість спершу дивує: у трикутника й у стокутника сума зовнішніх кутів однакова. Наочне пояснення — обхід по периметру: пройшовши фігуру повністю, ти повертаєшся в початкову точку, дивлячись у той самий бік, тобто сумарно повернувся рівно на один повний оберт, 360°360°.

Приклад 1 — скільки сторін

Сума внутрішніх кутів опуклого многокутника дорівнює 1440°1440°. Скільки в нього сторін?

  1. Записуємо формулу: (n2)180°=1440°(n - 2) \cdot 180° = 1440°;
  2. ділимо обидві частини на 180°180°: n2=8n - 2 = 8;
  3. звідси n=10n = 10.

Відповідь: десятикутник.

Правильний многокутник

Правильний многокутник має всі сторони й усі кути рівні. Тоді один внутрішній кут:

α=(n2)180n.\alpha = \dfrac{(n-2)\cdot 180^\circ}{n}.

Наприклад, у правильного шестикутника α=41806=120\alpha = \dfrac{4\cdot180^\circ}{6} = 120^\circ.

Формула — просто сума кутів, поділена на їхню кількість; окремо її запам'ятовувати не треба. Часто швидше рахувати через зовнішній кут: він дорівнює 360°n\dfrac{360°}{n}, а внутрішній доповнює його до 180°180°. Для шестикутника: 360°6=60°\dfrac{360°}{6} = 60°, отже внутрішній 180°60°=120°180° - 60° = 120° — той самий результат за два кроки замість трьох.

Варто пам'ятати кути найпоширеніших правильних многокутників: трикутник — 60°60°, квадрат — 90°90°, п'ятикутник — 108°108°, шестикутник — 120°120°, восьмикутник — 135°135°.

Приклад 2 — кут правильного многокутника

Знайдемо внутрішній кут правильного дванадцятикутника.

  1. Зовнішній кут: 360°12=30°\dfrac{360°}{12} = 30°;
  2. внутрішній доповнює його до розгорнутого: 180°30°=150°180° - 30° = 150°.

Відповідь: 150°150°. Перевірка за основною формулою: (122)180°12=1800°12=150°\dfrac{(12-2)\cdot 180°}{12} = \dfrac{1800°}{12} = 150°. ✅

Діагоналі

Діагональ сполучає дві несусідні вершини. З кожної вершини виходить (n3)(n-3) діагоналей (не можна до себе й до двох сусідів), а всього:

D=n(n3)2.D = \dfrac{n(n-3)}{2}.

Ділимо на 22, бо кожну діагональ рахуємо двічі — з обох її кінців.

Перевірка формули на простих випадках: у трикутника 302=0\dfrac{3 \cdot 0}{2} = 0 діагоналей, у чотирикутника 412=2\dfrac{4 \cdot 1}{2} = 2, у п'ятикутника 522=5\dfrac{5 \cdot 2}{2} = 5. Усе сходиться з тим, що можна перерахувати на рисунку.

Приклад 3 — кількість сторін за діагоналями

Многокутник має 3535 діагоналей. Скільки в нього вершин?

  1. Складаємо рівняння: n(n3)2=35\dfrac{n(n-3)}{2} = 35;
  2. множимо на 22: n(n3)=70n(n-3) = 70, тобто n23n70=0n^2 - 3n - 70 = 0;
  3. за теоремою Вієта корені n1=10n_1 = 10, n2=7n_2 = -7;
  4. від'ємний корінь відкидаємо — кількість вершин додатна.

Відповідь: 1010 вершин.

Типові помилки

  • Забувають відняти двійку й рахують суму кутів як n180°n \cdot 180°. Швидка перевірка: для чотирикутника має вийти 360°360°, а не 720°720°.
  • Плутають суму кутів із кутом одного многокутника. Формула (n2)180°(n-2)\cdot180° дає суму; щоб отримати один кут правильного многокутника, її ще треба поділити на nn.
  • Забувають поділити кількість діагоналей навпіл. Кожна діагональ виходить із двох вершин, тому без ділення відповідь буде вдвічі більшою.
  • Застосовують формули до неопуклого многокутника. Формула суми зовнішніх кутів 360°360° і твердження «всі кути менші за 180°180°» стосуються лише опуклих фігур.
  • Не відкидають сторонній корінь. Рівняння на nn квадратне, і від'ємний або дробовий корінь геометричного змісту не має.

Перевір себе

Розібрані приклади

Так виглядають задачі цієї теми в тренажері. Тут вони розібрані повністю — у самому тренажері числа в умові щоразу нові, а розв’язання відкривається після вашої відповіді.

  1. Приклад 1. Сума кутів многокутника

    Знайдіть суму внутрішніх кутів 12 12-кутника (у градусах).

    Відповідь: 18001800

    Розв'язання: S=(122)180=10180=1800S = (12-2)\cdot 180^\circ = 10\cdot 180^\circ = 1800^\circ
  2. Приклад 2. Кут правильного многокутника

    Знайдіть внутрішній кут правильного 3 3-кутника (у градусах).

    Відповідь: 6060

    Розв'язання: α=(32)1803=1803=60\alpha = \dfrac{(3-2)\cdot 180^\circ}{3} = \dfrac{180^\circ}{3} = 60^\circ
  3. Приклад 3. Кількість діагоналей

    Скільки діагоналей має 6 6-кутник?

    Відповідь: 99

    Розв'язання: D=6(63)2=632=9D = \dfrac{6\cdot(6-3)}{2} = \dfrac{6\cdot 3}{2} = 9