Regulær mangekant

En regulær mangekant er et polygon (n-polygon) hvor alle vinkelene er like og alle sidene i ytterkant har samme lengde. 

Konstruksjon av en regulær n-kant med passer og linjal vil si å plassere hjørnene på en sirkel og med lik avstand fra hverandre. Det betyr at man må kunne konstruere vinkelen theta (θ) lik

\(\theta= \displaystyle\frac{360^o}{n}\)

Euklid kjente til konstruksjon av n-kanter hvor n=3,4,5,6,8,10,12,15, og 16.

Konstruksjonen av en regulær 12-kant vil si å kunne konstruere vinkler på 30o (12∙30o=360o). En regulær trekant kan lages fra denne ved å trekke en linje mellom hvert fjerde hjørne. Siden hvert tall i tallrekken er enten et primtall eller kan uttrykkes som et produkt av primtall kan konstruksjonsproblemet utvides til å gjelde:

For hvilke primtall p er det mulig å konstruere en p-kant med passer og linjal ?

Gauss

Gauss fant at det var mulig å konstruere en 17-kant. For å vise dette måtte han ta i bruk kompleksplanet og komplekse røtter.

Vi starter med ligningen:

\(x^n - 1 =0\)

som har løsningene liggende på en enhetssirkel. Løsningene (røttene) er:

\(\cos \displaystyle\left(k \frac{2 \pi}{n}\right)+ i \sin \left(k \frac{2 \pi}{n}\right)\;\;\;\;\;\; k= 0, 1, 2, 3, \dots, n-1\)

Siden vi har en enhetssirkel er radius=1, så vil cos(x) og sin(x) bli liggende på en sirkel fordi: 

\(\cos ^2 (x) + \sin^2 (x)= 1\)

Regulær 5-kant (pentagon)

Vi kan se på en regulær femkant omskrevet av en enhetssirkel. Pentagonet har fem hjørner og fem sidekanter. 

Vi har femtegradsligningen

\(x^5 - 1 =0\)

Fra røtter i høyere grads orden ligninger er veien nå kort over til Galois-grupper, Abel-grupper, og symmetri. Røttene x1-x5 i femtegradsligningen over danner en gruppe:

\(E_5= \{x_1, x_2, x_3, x_4, x_5 \}\)

Røttene xk

\(x_k= \cos \displaystyle\left(k \frac{2 \pi}{n}\right)+ i \sin \left(k \frac{2 \pi}{n}\right)\;\;\;\;\;\; k= 0, 1, 2, 3, \dots, n-1\)

er generator og primitive n-te røtter av 1, og vi ser at roten x5=1  blir et identitetselement.

Mangekant 5

 

Vinkelen for en reguler femkant i radianer blir:

\(\frac{2\pi}{5}= 72 \;rad\)

Vinkelen i grader (o) blir:

\(\theta \cdot\frac{180}{\pi}= 0 , 72 , 144, 216\; \text{og } 288\; ^o\)

Regulær 4-kant

Fjerdegradsligningen for en firkant med fire hjørner og fire sidekanter. 

\(x^4 - 1 =0\)

gir en firkant hvor speiling omkring henholdsvis x- og y-aksen og rotasjon omkring origo gir fire symmetrier. Røttene blir:

\(x_ {1-4}= \pm \displaystyle\frac{\sqrt{2}}{2} \pm i \frac{\sqrt{2}}{2}\)

Mangekant 4

 

Vinklene for en firkant blir 0,  90,  180 og  270o

Regulær 8-kant 

En regulær åttekant, oktogon eller oktagon, har åtte hjørner og åtte sidekanter. 

\(x^8 - 1 =0\)

Mangekant 8

12-kant (dodekagon)

Tolvkanten har tolv hjørner og tolv sidekanter. 

\(x^{12} - 1 =0\)

Mangekant 12

Her er ikke enhetssirkelen ikke tegnet inn, og vi ser at den regulære mangekanten begynner å nærme seg en sirkel. Re(z) er reell akse og Im(z) er imaginær akse. En sirkel kan omskrives og innskrives av en mangekant, og dettte prinsippet anvendte Arkimedes for å lage et estimat av pi

17-kant

\(x^{17} - 1 =0\)

Mangekant 17

Vinklene for en 17-kant blir 0.00000  21.17647  42.35294  63.52941  84.70588 105.88235 127.05882

 [8] 148.23529 169.41176 190.58824 211.76471 232.94118 254.11765 275.29412

[15] 296.47059 317.64706 og 338.82353 o

Det maksimale antall krystallstrukturer er også 17. 

Det viser seg at det er mulig å konstruere en p-kant hvor p er et primtall hvis og bare hvis:

\(p= 2^m + 1\)

hvor m er et naturlig tall. Hvis m inneholder et oddetall som faktor så vil ikke p være et primtall. For 17-kanten: 24 + 1

Vi ser også tilknytning til Fermat-primtallene pF som er av typen:

\(p_F= {2^2} ^n + 1\;\;\;\;\;\;\; n=0, 1, 2, 3, \dots\)

og disse tallene øker meget raskt i verdi med økende n. De fem første av dem: 

3    5    17   257  65537     4294967297

Tilbake til hovedside

Publisert 28. jan. 2020 16:43 - Sist endret 29. jan. 2020 09:33