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用Python做数学案例(39)——北师大八上不等式引例:周长一定时,围成的正多边形边长与面积的关系

  • 2026-09-08 12:17:36
用Python做数学案例(39)——北师大八上不等式引例:周长一定时,围成的正多边形边长与面积的关系

一、问题情境

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探究背景

以“长为L的绳子围正方形和圆,比较面积大小”为问题情境,延伸探究周长固定的正多边形,边数与面积的变化关系,借助Excel、Python工具实现计算、绘图与规律可视化,纠正“边数越大面积越小”的错误认知,得出周长固定,正多边形边数越多,面积越大,趋近于圆的面积的核心结论。

教材再现

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相关公式

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探究目标

(1)掌握周长固定的正多边形面积计算公式;

(2)学会用Excel、Python进行数据计算、散点图绘制;

(3)通过图像直观发现:周长固定,正多边形边数越多,面积越大,无限趋近于圆。

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探究准备

(1)工具:Excel(自带公式、图表功能)、Python(基础编程,matplotlib绘图);

(2)预设周长:学生可自主输入固定值( L )(如100cm、200cm);

(3)边数范围:( n=3,4,5,...,100 )。

二、EXCEL方案

步骤1:输入基础数据

1、在A列设置边数n:A2输入3,A3输入4,下拉填充至A100,得到3~100的整数;

2、在B1单元格输入固定周长L(如100),可随意修改;

3、C列命名:正n边形面积S。

步骤2:输入面积计算公式

在C2单元格输入Excel公式(弧度制计算):=$B$1^2/(4*A2*TAN(PI()/A2))

下拉填充至C100,自动计算所有边数对应的面积。

步骤3:绘制散点图/折线图

1、选中A1:C100数据区域;

2、插入散点图:横轴为边数n,纵轴为面积S;

3、图表优化:添加标题《周长固定时正多边形边数与面积的关系》,标注圆的面积作为参考线。

步骤4:观察规律

1、边数从3开始,面积随边数增加快速增大;

2、边数越大,面积增长越平缓,无限趋近于一个固定值(圆的面积);

3、对比正方形、圆的面积,验证圆的面积最大。

三、Python方案

步骤1:编写代码

核心功能:输入周长L→自动计算n=3~100的正多边形面积→绘制散点图→标注圆的面积。

import mathimport matplotlib.pyplot as plt# 1. 输入固定周长L(可修改)L = float(input("请输入绳子的长度L:"))# 2. 定义边数范围:3到100n_list = range(3, 101)s_list = []# 3. 循环计算每个正n边形的面积for n in n_list:    # 正n边形面积公式    s = L ** 2 / (4 * n * math.tan(math.pi / n))    s_list.append(s)# 4. 计算圆的面积(参考值)s_circle = L ** 2 / (4 * math.pi)# 5. 绘制散点图plt.figure(figsize=(10, 6))plt.scatter(n_list, s_list, color='blue', s=20, label='area_of_regular_n-gon')plt.axhline(y=s_circle, color='red', linestyle='--', label=f'area of the circle={s_circle:.2f}')plt.xlabel('the number of sides of a regular n-gonn', fontsize=12)plt.ylabel('area:S', fontsize=12)plt.title(f'when perimeter={L},The relationship between the number of sides and the area of a regular polygon', fontsize=14)plt.legend()plt.grid(True)plt.show()

步骤2:运行代码

1、输入绳子长度L(如100);

2、程序自动生成横轴:边数3-100,纵轴:对应面积的散点图;

3、红色虚线为圆的面积,直观看到多边形面积无限趋近于虚线。

步骤3:数据分析与总结

1、对比三角形、正方形、五边形面积,验证边数越多面积越大;

2、 边数超过50后,面积几乎不再变化,与圆的面积几乎重合;

3、修正错误认知:周长固定,正多边形边数越多,面积越大,圆是边数无限多的正多边形,面积最大。

四、探究问题链+结论

问题链

1、周长L固定,正三角形、正方形、正五边形谁的面积更大?

2、边数从3增加到10,面积变化速度快吗?边数从50增加到100呢?

3、图像中面积最终趋近于哪个值?和圆的面积有什么关系?

4、结合探究结果,解释“相同周长,圆的面积最大”的数学原理。

结论

1、周长固定时,正多边形的边数越多,面积越大;

2、正多边形边数无限增大时,面积无限趋近于同周长圆的面积;

3、平面图形中,周长相等时,圆的面积最大。

—END—

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