Кіріспе

Геометрияда көпбұрыш (/p//ɒ//l//ɪ//ɡ//ɒ//n/) – жабық көпбұрыш тізбегін құру үшін жалғанған сызық сегменттерінен тұратын жазық фигура. Жабық көпбұрыш тізбегінің сегменттері оның қабырғалары немесе жақтары деп аталады. Екі қабырғаның кездесетін нүктелері көпбұрыштың төбелері немесе бұрыштары болып табылады. N-бұрыш – n қабырғасы бар көпбұрыш; мысалы, үшбұрыш – 3-бұрыш. Жабық көпбұрыш – өзімен қиылыспайтын көпбұрыш. Нақтырақ айтқанда, көпбұрышты құрайтын сызық сегменттерінің арасындағы рұқсат етілген қиылыстар – көпбұрыш тізбегіндегі тікелей жалғасқан сегменттердің ортақ нүктелері ғана. Жабық көпбұрыш – жазықтықтағы қатты көпбұрыш деп аталатын аймақтың шекарасы. Қатты көпбұрыштың ішкі бөлігі оның денесі, сондай-ақ көпбұрыш аймағы немесе көпбұрыш ауданы деп те аталады. Егер тек жабық және қатты көпбұрыштар туралы сөз болса, көпбұрыш жабық немесе қатты көпбұрышқа ғана қатысты болуы мүмкін. Көпбұрыш тізбегі өзінен-өзі кесіп өтіп, жұлдыз тәрізді көпбұрыштар және басқа да өзімен қиылысатын көпбұрыштарды құруы мүмкін. Кейбір дереккөздер Эвклид кеңістігіндегі жабық көпбұрыш тізбектерін, тізбек бір жазықтықта жатпаса да, көпбұрыш түріне (қисайған көпбұрыш) жатқызады. Көпбұрыш – кез келген өлшемдегі политоптың екі өлшемді мысалы. Көпбұрыштардың әр түрлі мақсаттар үшін анықталатын көптеген жалпылама түрлері бар.

Этимология

Көпбұрыш сөзі грек тіліндегі πολύς (polús) "көп" және γωνία (gōnía) "бұрыш" немесе "қиылыс" деген сөздерден шыққан. Гон сөзінің γόνυ (gónu) "тізе" сөзінен пайда болған болуы мүмкін деген пікір бар.

Беттер саны

Көпбұрыштар көбінесе қабырғаларының саны бойынша жіктеледі.

Теңдік пен симметрия

Теңбұрышты: барлық бұрыштар тең. Теңқабырғалы: барлық қабырғалары бірдей ұзындықта. Тұрақты: теңқабырғалы және теңбұрышты. Циклдік: барлық төбелері бір шеңберде жатыр, ол сырттай шеңбер деп аталады. Тангенциалды: барлық қабырғалары іштей сызылған шеңберге жанама. Изогональды немесе төбелік транзитивті: барлық төбелері бір симметрия орбитасында жатыр. Бұл көпбұрыш сондай-ақ циклдік және теңбұрышты. Изотоксальды немесе қабырғалық транзитивті: барлық қабырғалары бір симметрия орбитасында жатыр. Бұл көпбұрыш сондай-ақ теңқабырғалы және тангенциалды. Тұрақтылық қасиетін басқаша да анықтауға болады: көпбұрыш егер және тек егер ол изогональды және изотоксальды болса, немесе эквивалентті түрде ол циклдік және теңқабырғалы болса ғана тұрақты болады. Дөңес емес тұрақты көпбұрыштар тұрақты жұлдызды көпбұрыштар деп аталады.

Әр түрлі

Тік сызықты: көпбұрыш қабырғалары тік бұрыштарда түйіседі, яғни оның барлық ішкі бұрыштары 90 немесе 270 градусқа тең. Белгілі бір L түзуіне қатысты монотонды: L түзуіне перпендикуляр әрбір түзу көпбұрышты екі реттен артық қиып өтпейді.

Қасиеттері мен формулалары

Евклид геометриясы тұтас бойына қолданылады.

Бұрыштар

Кез келген көпбұрыштың қабырғаларымен бірдей бұрыштары болады. Әр бұрыштың бірнеше бұрышы бар. Ең маңызды екісі: Ішкі бұрыш – Қарапайым n-бұрыштың ішкі бұрыштарының қосындысы (n − 2) × π радиан немесе (n − 2) × 180 градусқа тең. Себебі кез келген қарапайым n-бұрыш (n қабырғасы бар) (n − 2) үшбұрыштан тұрады деп есептеуге болады, олардың әрқайсысының бұрыштарының қосындысы π радиан немесе 180 градусқа тең. Дөңес тұрақты n-бұрыштың кез келген ішкі бұрышының шамасы π радиан немесе 180 градусқа тең. Тұрақты жұлдызды көпбұрыштардың ішкі бұрыштарын Poinsot алғаш рет төрт тұрақты жұлдызды көпжақтарды сипаттаған мақаласында зерттеді: тұрақты p-бұрыш үшін (орталық тығыздығы q бар) әрбір ішкі бұрыш π радиан немесе 180 градусқа тең. Сыртқы бұрыш – Сыртқы бұрыш – ішкі бұрышқа толықтыратын бұрыш. Дөңес n-бұрыш бойымен жүргенде, бұрышта "бұрылған" бұрыш – сыртқы бұрыш. Көпбұрышты толық айналдырғанда бір толық айналыс жасалады, сондықтан сыртқы бұрыштардың қосындысы 360° болуы керек. Бұл аргументті қарама-қарсы бағытта бұрылатын сыртқы бұрыштарды жалпы бұрылыстан алып тастағанда, қисайған қарапайым көпбұрыштарға да қолдануға болады. Жалпы n-бұрыш бойымен жүргенде, сыртқы бұрыштардың қосындысы (бұрыштардағы жалпы айналу мөлшері) 360° кез келген бүтін санның d есесіне тең болуы мүмкін, мысалы, пентаграмма үшін 720° және бұрыштық "сегіз" немесе антипараллелограмм үшін 0°, мұнда d – көпбұрыштың тығыздығы немесе айналу саны.

Аумағы

Бұл бөлімде қарастырылып отырған көпбұрыштың төбелері ретімен алынады. Кейбір формулаларда қолайлы болу үшін 1=(xn, yn) = (x0, y0) белгілеуі де қолданылады.

Жалпылау

Көпбұрыш идеясы әр түрлі жолдармен жалпыланды. Ең маңыздыларының кейбірі: Сфералық көпбұрыш – сфера бетіндегі үлкен шеңберлердің (жақтарының) және шыңдардың доғаларынан тұратын контур. Бұл, жазық жазықтықта мүмкін емес, тек екі жағы мен екі бұрышы бар көпбұрышқа (дигонға) мүмкіндік береді. Сфералық көпбұрыштар картографияда (карта жасауда) және Уайтхоффтың біркелкі полиэдрлерді құрастыруында маңызды рөл атқарады. Скивтік көпбұрыш жазық жазықтықта жатпайды, бірақ үш (немесе одан да көп) өлшемде зигзаг тәрізді болады. Тәртіпті политоптардың Петри көпбұрыштары осыған жақсы белгілі мысалдар. Апирогон – бұрыштар мен қабырғалардың шексіз тізбегі, ол жабық емес, бірақ екі бағытта да шексізке дейін созылатындықтан соңы жоқ. Скив апирогон – жазық жазықтықта жатпайтын қабырғалар мен бұрыштардың шексіз тізбегі. Тесігі бар көпбұрыш – бір сыртқы шекарасы және бір немесе бірнеше ішкі шекаралары (тесіктері) бар, бір-бірімен байланысқан немесе көп байланысқан жазық көпбұрыш. Кешенді көпбұрыш – екі нақты және екі жорамал өлшемдері бар кешенді жазықтықтағы қарапайым көпбұрышқа ұқсас конфигурация. Абстрактілі көпбұрыш – әр түрлі элементтерді (жақтары, шыңдары және т.б.) және олардың байланыстарын көрсететін алгебралық ішінара реттелген жиын. Нақты геометриялық көпбұрыш – байланысты абстрактілі көпбұрыштың іске асырылуы болып саналады. Карталауға байланысты, мұнда сипатталған барлық жалпыламалар іске асырылуы мүмкін. Полиэдр – екі өлшемдегі көпбұрышқа ұқсас, жазық көпбұрыштық жақтарымен шектелген үш өлшемді дене. Төрт немесе одан да жоғары өлшемдегі сәйкес келетін пішіндер политоптар деп аталады. (Басқа конвенцияларда полиэдр және политоп сөздері кез келген өлшемде қолданылады, екеуінің арасындағы айырмашылық политоптың міндетті түрде шектелуі болып табылады.)

Тарих

Көпбұрыштар ежелден белгілі. Ежелгі гректер тұрақты көпбұрыштарды білген, ал пентаграмма – конвекс емес тұрақты көпбұрыш (жұлдызды көпбұрыш) б.з.д. 7 ғасырында Эристофан жасаған кратерде (Каэреде табылған, қазір Римдегі Капитолий мұражайында сақталады) кездеседі. Конвекс емес көпбұрыштарды алғаш рет жүйелі түрде зерттеуді 14 ғасырда Томас Брэдвардин жүргізген. 1952 жылы Джеффри Колин Шепард көпбұрыштар идеясын күрделі жазықтыққа кеңейтіп, әр нақты өлшемге қиял өлшемді қосып, күрделі көпбұрыштарды жасады.

Табиғатта

Көпбұрыштар тау жыныстары құрамында, көбінесе кристаллдардың жалпақ жақтары ретінде кездеседі, онда қабырғалары арасындағы бұрыштар кристалл қандай минералдан жасалғандығына байланысты болады. Лава салқындағанда тығыз орналасқан базальт бағаналарының аймақтары пайда болуы мүмкін, мұндай құрылымды Солтүстік Ирландиядағы "Ғұмырлық жол" немесе Калифорниядағы "Шайтанның тірегі" сияқты жерлерде көруге болады. Биологияда бал араларының жасаған балауыз ұясының беті алтыбұрыштардан тұрады, сондай-ақ әрбір ұяшаның қабырғалары мен түбі де көпбұрыштар болып табылады.

Компьютерлік графика

Компьютерлік графикада көпбұрыш – модельдеу және рендерингте қолданылатын бастауыш элемент. Олар деректер базасында анықталады, онда нүктелер массиві (геометриялық түйіндердің координаттары, сондай-ақ көпбұрышқа тән басқа да атрибуттар, мысалы, түс, көлеңкелеу және текстура), байланыс туралы ақпарат және материалдар болады. Кез келген бет көпбұрышты тор деп аталатын кескін түрінде модельделеді. Егер шаршы тордың әр қатарында n + 1 түйін болса, онда торда n² шаршы немесе 2n² үшбұрыш болады, себебі бір шаршыда екі үшбұрыш бар. Әрбір үшбұрышта (n + 1)² / 2(n²) түйін болады. n үлкен болғанда, бұл шамасы бір жартысына жуықтап келеді. Яғни, шаршы тордың ішіндегі әрбір түйін төрт қабырғамен (сызықтармен) байланысады. Бейнелеу жүйесі дерекқордан көрініс жасау үшін қажетті көпбұрыштарды шақырып алады. Бұл белсенді жадқа және соңында дисплей жүйесіне (экран, теледидар мониторлары және т.б.) жіберіледі, осылайша көрініс тамашалануға мүмкін болады. Осы процесте бейнелеу жүйесі өңделген деректерді дисплей жүйесіне беруге дайын, дұрыс перспективадағы көпбұрыштарды жасайды. Көпбұрыштар екі өлшемді болғанымен, жүйелік компьютер арқылы олар визуалды көрініске дұрыс үш өлшемді бағдарда орналастырылады. Компьютерлік графикада және есептеу геометриясында, берілген сызық сегменттерінің тізбегімен сипатталған қарапайым көпбұрыш ішінде белгілі бір түйін орналасқан-орналаспағанын анықтау жиі қажет болады. Бұл түйіннің көпбұрыш ішіндегі тесті деп аталады.