浙江 2017 · 数学 q11

题解图(原卷截图 · 含答案与官方解析)

浙江 2017 · 数学 q11 原卷截图(含答案)

文字转写(题面 + 答案)

题面

11.(4分)我国古代数学家刘徽创立的“割圆术”可以估算圆周率π,理论上能把π的值计算到任意精度,祖冲之继承并发展了“割圆术”,将π的值精确到小数点后七位,其结果领先世界一千多年,“割圆术”的第一步是计算单位圆内接正六边形的面积S6S_{6},S6=S_{6} = .

答案

332\frac{3 \sqrt{3}}{2}

本题的知识树

3 概念 · 1 公式 · 1 题型 · 1 套路 · 1 易错点 · 最深 4 层。长链是构建期派生的,源文件里只有最小一步。

攻略(零基础 → 会做)

割圆术第一步:单位圆内接正六边形的面积 · 连半径切成六个正三角形,或补成大正三角形再挖三个角 · 最终答案:332\frac{3 \sqrt{3}}{2}

冷启动:题面那一大段话,真正的条件只有两个字

题面用了一整段讲刘徽、祖冲之和「割圆术」,但要算的东西藏在最后半句:

单位圆内接正六边形的面积 S6S_6

所有背景文字都不进计算。真正的条件只有两条:

  • 单位圆——半径 R=1R=1 的圆。(是半径 11,不是直径 11。)
  • 内接正六边形——六个顶点都在圆上、六条边一样长、六个内角一样大。

顺带说一句「割圆术」为什么要算这个:圆的面积不好直接算,刘徽的办法是拿内接正多边形去逼近它。 边数越多,多边形越贴近圆,面积越接近 πR2\pi R^2。S6S_6 是这条路上的第一站—— 所以这道题问的其实是「这条路的起点在哪儿」。

下面两条路都能走到答案,用的是两种相反的拆法:一种往里切,一种往外补。

上下两块图:①单位圆里内接一个正六边形,从圆心 O 向六个顶点连出六条虚线半径,把它分成六个全等的正三角形,每块边长 1、面积 √3/4,故 S₆=6×√3/4=3√3/2;②同一个正六边形被补成一个边长为 3 的大正三角形(虚线),角上多出三个边长为 1 的小正三角形,大三角形面积 9√3/4、每个小的 √3/4,故 S₆=9√3/4−3×√3/4=3√3/2,与①同一个数

解法一:割:从圆心切成六个正三角形

怎么想到的

正多边形最好的性质是有中心。把中心与每个顶点连起来,nn 条半径就把它切成 nn 块, 而且这 nn 块全等(旋转 360∘n\frac{360^\circ}{n} 就重合)。于是「算一个六边形」变成「算一个三角形再乘 66」。

一块长什么样

取相邻的两个顶点 AA、BB,连 OAOA、OBOB。这块 △AOB\triangle AOB 有两个已知量:

  • 两腰都是半径:OA=OB=1OA=OB=1;
  • 顶角是中心角:六个顶角绕着 OO 铺满一圈,所以每个都是
∠AOB=360∘6=60∘\angle AOB=\frac{360^\circ}{6}=60^\circ

两腰相等 + 顶角 60∘60^\circ,等腰三角形就升级成正三角形——因为两个底角各是 180∘−60∘2=60∘\frac{180^\circ-60^\circ}{2}=60^\circ, 三个角都是 60∘60^\circ。所以 AB=OA=OB=1AB=OA=OB=1:正六边形的边长恰好等于外接圆半径。 这一条值得单独记住,它在正六边形的题里反复出现。

算面积

一块的面积用「两边夹一角」:

S△AOB=12⋅OA⋅OB⋅sin⁡∠AOB=12⋅1⋅1⋅sin⁡60∘=34S_{\triangle AOB}=\frac12\cdot OA\cdot OB\cdot\sin\angle AOB=\frac12\cdot 1\cdot 1\cdot\sin 60^\circ=\frac{\sqrt3}{4}

六块合起来:

S6=6×34=332S_6=6\times\frac{\sqrt3}{4}=\frac{3\sqrt3}{2}

顺手把通式也写出来

这一段话里没有一处用到「66」这个具体的数,把它换成 nn 照样成立:

Sn=n⋅12R2sin⁡360∘n=n2R2sin⁡360∘nS_n=n\cdot\frac12R^2\sin\frac{360^\circ}{n}=\frac n2R^2\sin\frac{360^\circ}{n}

有了它,「割圆术」的后面几步是白送的(见文末)。

解法二:补:补成大正三角形再挖掉三个角

怎么想到的

第一条路是往里切。反过来想:这个正六边形像不像一个更大的图形被啃掉了几个角?

把它的第 11、33、55 条边(隔一条取一条)分别向两端延长。因为正六边形的内角都是 120∘120^\circ, 延长线之间的夹角是 180∘−120∘=60∘180^\circ-120^\circ=60^\circ——三条延长线交出来的正是一个正三角形, 而正六边形就嵌在它中间,角上多出三个小三角形。

三个角有多大

角上每个小三角形,两条边分别是正六边形的一条边(长 11)与延长出去的那一段, 两个底角都是 180∘−120∘=60∘180^\circ-120^\circ=60^\circ,所以它也是边长为 11 的正三角形。

于是大正三角形的每条边 = 11(角上那段)+ 1+\,1(六边形的边)+ 1+\,1(另一边角上那段)=3=3。

算面积

边长为 aa 的正三角形面积是 34a2\dfrac{\sqrt3}{4}a^2(把「两边夹一角」的公式代 aa、aa、60∘60^\circ 就得到它)。所以

S大=34×32=934,S小=34×12=34S_{\text{大}}=\frac{\sqrt3}{4}\times 3^2=\frac{9\sqrt3}{4},\qquad S_{\text{小}}=\frac{\sqrt3}{4}\times 1^2=\frac{\sqrt3}{4} S6=S大−3S小=934−3×34=634=332S_6=S_{\text{大}}-3S_{\text{小}}=\frac{9\sqrt3}{4}-3\times\frac{\sqrt3}{4}=\frac{6\sqrt3}{4}=\frac{3\sqrt3}{2}

与解法一同一个数。 两条路各走一遍,本身就是一次免费的验算——两个结果对不上,必有一处算错。

这条路特别在哪

它从头到尾没用到那个圆:只要知道「正六边形的边长是 11」就够了。 反过来说,如果哪道题给的是边长而不是半径,这条路可以直接上,第一条路还要先把边长换回半径。

顺着「割圆术」往下走一步

有了通式 Sn=n2sin⁡360∘nS_n=\dfrac n2\sin\dfrac{360^\circ}{n}(R=1R=1),刘徽接下来做的就是不断把边数翻倍:

nnSnS_n小数
66332\dfrac{3\sqrt3}{2}2.5982.598
12126sin⁡30∘=36\sin30^\circ=33.0003.000
242412sin⁡15∘12\sin15^\circ3.1063.106
484824sin⁡7.5∘24\sin7.5^\circ3.1333.133
969648sin⁡3.75∘48\sin3.75^\circ3.1393.139

数列一路往上爬,且始终小于 π≈3.1416\pi\approx3.1416——内接多边形在圆里面,面积当然不会超过圆。 刘徽算到正 30723072 边形得到 3.14163.1416,祖冲之把这条路推到

3.1415926<π<3.14159273.1415926<\pi<3.1415927

领先世界一千多年。题面那段话不是装饰:S6S_6 就是这条路的第一级台阶。

避坑清单

  • 「单位圆」是半径 11。 读成直径 11,所有长度减半、面积变成四分之一(338\frac{3\sqrt3}{8}),全错。
  • 别把「内接」读成「外切」。 内接是顶点在圆上、六边形装在圆里,面积必定小于 π\pi; 外切是每条边与圆相切、圆装在六边形里,那时半径 11 是边心距,面积是 23≈3.462\sqrt3\approx3.46,反而大于 π\pi。 写完拿 π≈3.14\pi\approx3.14 对一次方向,这个坑当场就露出来。
  • 正六边形的边长等于半径,但正 nn 边形不是。 这条只在 n=6n=6(中心角 60∘60^\circ)时成立。 换成正五边形、正八边形,边长要用 2Rsin⁡180∘n2R\sin\dfrac{180^\circ}{n} 算,不能顺手照抄。
  • 切成六块后别忘了乘 66。 只算出 34\frac{\sqrt3}{4} 就填上去,是这道题最常见的失分方式; 同理,解法二里减的是三个角,不是一个。

本题涉及的教材页

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