225. Правильные многоугольники.

Многоугольник называется правильным, если равны все его стороны и все углы. Среди треугольников правильным будет равносторонний треугольник и только он. Квадрат (и только квадрат) является правильным четырехугольником. Покажем, что существуют правильные многоугольники с любым числом сторон , где . Для этого приведем два способа построения таких многоугольников.

Способ 1. Возьмем произвольную окружность и разделим ее на равных частей. Такое построение далеко не при всяком осуществимо циркулем и линейкой, но мы будем здесь считать, что такое построение сделано. Примем точки деления в их последовательном положении на окружности за вершины -угольника, вписанного в эту окружность. Докажем, что построенный -угольник — правильный. Действительно, стороны нашего многоугольника (рис. 312) суть хорды, стягиваемые равными дугами, и потому они равны между собой.

Рис. 312.

Рис. 313.

Все углы опираются на равные дуги и потому также равны. Итак, многоугольник правильный.

Способ 2. Снова разделим окружность на равных частей и проведем в точках деления касательные к окружности; ограничим каждую из касательных точками ее пересечения с касательными, проведенными в соседних точках деления. Получим правильный многоугольник, описанный около окружности (рис. 313). В самом деле, углы его все равны, так как каждый из них, как угол между касательными, измеряется полуразностью дуг, из которых меньшая всегда равна части окружности, а большая — полной окружности минус часть. Равенство сторон видно хотя бы из равенства треугольников, образованных парами полукасательных и хордами (например, треугольники и т. д.). Все они равнобедренные, имеют равные углы при вершинах и равные основания.

Два правильных -угольника с одинаковым числом сторон подобны.

Действительно, стороны их заведомо находятся в постоянной отношении, равном отношению любой пары сторон. Кроме того, по теореме о сумме углов -угольника всякий правильный -угольник имеет одни и те же углы, равные 1. Условия признака п. 224 выполнены, и -угольники подобны.

Итак, для всякого правильные -угольники подобны. Отсюда непосредственно получаем ряд следствий:

1. Два правильных -угольника с равными сторонами равны.

2. Вокруг всякого правильного -угольника можно описать окружность.

Доказательство. Возьмем какой-либо правильный многоугольник с тем же числом сторон, что данный, построенный по первому способу, т. е. вписанный в окружность. Преобразуем его подобно так, чтобы он стал равен данному. Тогда окружность, описанная вокруг него, подобно преобразуется в окружность, описанную вокруг многоугольника, равного данному.

3. В каждый правильный многоугольник можно вписать окружность.

Доказательство аналогично. Полезно, однако, провести рассуждения и несколько иначе. Мы уже знаем, что вокруг данного многоугольника можно описать окружность. Возьмем ее центр. Стороны многоугольника служат ее хордами; будучи равны между собой, они должны одинаково отстоять от центра. Поэтому окружность с тем же центром и радиусом, равным расстоянию от центра до сторон многоугольника, будет касаться всех сторон многоугольника, т. е. будет вписанной окружностью.

Рис. 314.

Итак, вписанная и описанная окружности правильного многоугольника имеют общий центр. Он называется центром данного правильного многоугольника. Радиус описанной окружности называется радиусом многоугольника, радиус вписанной окружности его апофемой. Ясно, что апофема всегда меньше радиуса.