数数格点算出面积

逍遥学能  2014-06-10 10:00

  一张方格纸上,上面画着纵横两组平行线,相邻平行线之间的距离都相等,这样两组平行线的交点,就是所谓格点。

  如果取一个格点做原点O,如图1,取通过这个格点的横向和纵向两直线分别做横坐标轴OX和纵坐标轴OY,并取原来方格边长做单位长,建立一个坐标系。这时前面所说的格点,显然就是纵横两坐标都是整数的那些点。如图1中的O、P、Q、M、N都是格点。由于这个缘故,我们又叫格点为整点。

  一个多边形的顶点如果全是格点,这多边形就叫做格点多边形。有趣的是,这种格点多边形的面积计算起来很方便,只要数一下图形边线上的点的数目及图内的点的数目,就可用公式算出。

  设格点多边形的面积为S,多边形内部有N个格点,多边形边线上有 L个格点。为了寻求公式,我们从简单的图形(如图2,图3,图4)考虑起,并列成一表,探求它们之间的关系。

      图1                        

    

图2                          图3

          

图4

   

图形 S N L S-N L/2
OABC 1 0 4 1 2
OPQR 4 1 8 3 4
OQB 1/2 0 3 1/2 3/2
OPC 1 0 4 1 2
OLMR 8 3 12 5 6
EFG 9/2 1 9 7/2 9/2
HIJKXY 10 7 8 3 4

  看过上表的前四行,我们可能感到很失望,S,N,L之间看不出有什么联系来,不过,我们在前面已经看到,当S很大时,S和N的差(相对地说)是很少的。因此,我们在表上添了一列,包含S-N,这行数字是随着L而增大的。如果用2去除L,列到最后一刻,我们立刻得到下面的有趣的关系:

                        S-N=-1,

即                       s=n+=-1。

  这个公式是皮克(Pick)在1899年给出的,被称为“皮克定理”,这是一个实用而有趣的定理。我们这里并不想对皮克定理给予严格的证明,同学们可以通过不同的格点多边形验证它的正确性。

  不过,通常我们需要计算的图形,往往并不是格点多边形。因此,首先需要通过割补的办法,化为面积相近的格点多边形,然后再用皮克公式进行计算。

  同学们,当你亲自算出一些图形的实际面积时,你一定会为科学的胜利而感到无限的欣慰。


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