格點多邊形面積公式(Pick定理)的一個形象解釋(轉)


      Pick定理:如果一個簡單多邊形(以下稱為“多邊形”)的每個頂點都是直角坐標平面上的格點,則稱該多邊形為格點多邊形.若一個面積為S的格點多邊形,其邊界上有a個格點,內部有b個格點,則Sa/2+b1.

      強迫孩子們接受無法說出道理的東西,很容易打擊孩子們的求知欲望和學習興趣.我經過反復琢磨,找到一個非常淺顯的辦法,既能夠形象的解釋Pick定理的道理,又能讓看清Pick定理的本質.整個解釋只需用到一個很淺顯的預備知識:“多邊形外角和等於一個周角”.

      以下圖的格點多邊形ABCDE為例,其邊界上有a個格點,內部有b個格點.

      設想在平面的每個格點放一個鐵餅,滿足:

      (1)每個鐵餅都一樣大的圓(或者說是圓柱),圓心是格點;

      (2)每個鐵餅都恰好重1克;

      (3)每個鐵餅的半徑都做得盡量小——不僅鐵餅之間互相不重疊,而且還使得多邊形ABCDE內部的每個格點上所放的鐵餅,都完全落在該多邊形的內部;多邊形ABCDE外部的每個格點上所放的鐵餅,都完全落在該多邊形的外部.

格點多邊形面積公式(Pick定理)的一個形象解釋

      首先,考慮多邊形ABCDE的邊界以內的鐵的總重.

      這可以分如下兩類進行計算: 第一類:其內部格點上放的鐵餅.此類總重顯然是b克.第二類:其邊界格點上放的鐵餅落在邊界以內的鐵.假設每個邊界格點上放的鐵餅,恰有一半落在邊界以內,則總重為a/2克.但顯然在每個頂點處放的鐵餅,落在邊界以內的鐵實際不足一半,比一半還少該頂點的一個外角內所含的鐵,所有這種外角內所含的鐵恰好拼成一塊完整的鐵餅(因為多邊形外角和等於一個周角).所以后一類鐵的總重是a/2-1克.

      因而,多邊形ABCDE的邊界以內的鐵的總重是a/2+b1克.

      接下來,設想將平面上所有鐵餅全部熔化,打造成一張厚薄均勻的鐵板蓋在整個平面上.這可以看作是:將每個單位正方形的四個頂點處的每個90°的扇形鐵餅,熔化在這個正方形內部,故熔化后每個單位正方形內的鐵都是1克.進而,平面上任意圖形,其面積是多少,其內部就含多少克鐵.

      因而,熔化並重新打造后,多邊形ABCDE的邊界以內的鐵的總重是S克.

      最后,注意到這個熔化並重新打造的過程,可以看成是:每個格點處的鐵餅中的鐵,按(以該格點為中心)放射狀的方式重新適當改動位置而已.這樣的改動,不會使格點多邊形ABCDE外面的鐵跑到多邊形內部,也不會使內部的鐵跑到外部.

      即熔化並重新打造的前后,多邊形ABCDE的邊界以內的鐵的總重是不變的,所以Sa/2+b1.

 

參考:http://blog.sina.com.cn/s/blog_a1c409e30101efme.html


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