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Secundaria

Polígonos regulares: ángulos, apotema y área

Un polígono regular no es simplemente una figura que «se ve equilibrada»: tiene todos sus lados iguales y todos sus ángulos interiores iguales. Al unir el centro con los vértices aparecen triángulos que nos permiten entender sus ángulos y su área. Trabajaremos con polígonos regulares convexos, sin lados que se crucen ni puntas hacia dentro.

1. Lado, radio y apotema no son la misma longitud

El lado l une dos vértices vecinos del contorno. El radio R va del centro a un vértice. La apotema a va perpendicularmente del centro a un lado y llega a su punto medio. Es la altura de un triángulo central, no su lado inclinado.

El centro divide el hexágono en seis triángulos iguales
OaR = 4Lado = 46 triángulos · ángulo central 60°
Hexágono regular convexo de lado cuatro. Los seis radios también miden cuatro y forman seis triángulos equiláteros. La apotema a cae perpendicular al punto medio de un lado y mide dos raíz de tres. La altura de cada triángulo central es la apotema, no el radio.

La regularidad exige dos cosas: lados iguales y ángulos iguales. Un rombo puede tener todos sus lados iguales sin que todos sus ángulos lo sean; por eso no todo rombo es regular. En el dibujo, el hexágono sí cumple ambas condiciones.

En un hexágono regular ocurre la particularidad R = l.

No extendemos esa igualdad a cualquier polígono regular: en un cuadrado, por ejemplo, el radio es media diagonal y no el lado.

Distinguir tres segmentos

En un polígono regular, un segmento une el centro con un vértice y otro cae perpendicular sobre el punto medio de un lado. Nómbralos.

  1. El que llega al vértice

    Es un radio R.

  2. El que llega al lado

    Es la apotema a.

  3. La pieza del contorno

    Es el lado l.

Resultado

Radio, apotema y lado son segmentos con extremos distintos.

Lo comprobamos

La apotema es menor que el radio en estos polígonos convexos.

Todos los lados no bastan

Un rombo tiene lados de 4 cm y ángulos 60°, 120°, 60°, 120°. ¿Es regular?

  1. Condición de lados

    Sí la cumple.

  2. Condición de ángulos

    No todos son iguales.

  3. Exigimos ambas

    Falla la regularidad.

Resultado

No es regular.

Lo comprobamos

Un cuadrado sí tiene cuatro lados y cuatro ángulos iguales.

2. Los triángulos del centro reparten una vuelta completa

Con n lados, el centro se une a n vértices y aparecen n triángulos iguales. Los ángulos en el centro suman 360°, por lo que cada uno mide 360°/n.

En un hexágono, 360°/6 = 60°; en un pentágono, 72°.

La suma de interiores de un polígono convexo de n lados es (n − 2) · 180°, porque puede dividirse desde un vértice en n − 2 triángulos. Como los interiores del regular son iguales, cada uno mide (n − 2) · 180°/n.

El ángulo exterior al continuar un lado mide 180° menos el interior: 360°/n. Coincide en medida con el central, aunque ocupa otro sitio del dibujo. La suma de los exteriores de una vuelta al contorno es 360°.

Octágono regular

Halla su ángulo central e interior.

  1. Central

    360°/8 = 45°.
  2. Interior

    (8 − 2) · 180°/8 = 135°.
  3. Exterior

    180° − 135° = 45°.
Resultado

Central 45°; interior 135°.

Lo comprobamos

Ocho centrales de 45° completan una vuelta.

Recuperar el número de lados

Un polígono regular convexo tiene ángulo exterior de 24°. ¿Cuántos lados tiene?

  1. Los exteriores suman una vuelta

    n · 24° = 360°.
  2. Despejamos

    n = 360/24 = 15.
Resultado

Tiene quince lados.

Lo comprobamos

El interior mide 156° y quince exteriores de 24° suman 360°.

3. El perímetro cuenta lados y las diagonales cuentan parejas no vecinas

El perímetro es la longitud de todo el contorno.

Como hay n lados de medida l, P = n · l.

La apotema no forma parte del contorno y no se añade al perímetro.

Una diagonal une vértices no consecutivos. Desde un vértice no podemos unirlo consigo mismo ni con sus dos vecinos para formar diagonales: quedan n − 3 posibilidades. Al repetirlo desde n vértices, cada diagonal se cuenta por sus dos extremos. El total es n(n − 3)/2.

Perímetro de siete lados iguales

Un heptágono regular tiene lado 3 cm. Halla P.

  1. Interpretamos el nombre

    Tiene siete lados.

  2. Sumamos siete veces tres

    P = 7 · 3 = 21 cm.
Resultado

Perímetro 21 cm.

Lo comprobamos

No necesitamos radio ni apotema para esta pregunta.

Diagonales de un pentágono

Cuenta sus diagonales.

  1. Desde cada vértice

    5 − 3 = 2 diagonales.
  2. Contamos todos los extremos

    5 · 2 = 10 incidencias.
  3. Quitamos la duplicación

    10/2 = 5 diagonales.
Resultado

Cinco diagonales.

Lo comprobamos

Cada segmento aparece una vez desde cada uno de sus dos extremos.

4. Medio triángulo central conecta lado, apotema y radio

Al trazar la apotema dividimos el triángulo isósceles central en dos triángulos rectángulos iguales. Sus catetos son a y l/2; su hipotenusa es R. El ángulo en el centro pasa de 360°/n a 180°/n. En el dibujo del hexágono: medio lado dos, radio cuatro y ángulo 30°.

La apotema divide el triángulo central en dos rectángulos
OMAl / 2 = 2a = 2√3R = 430°a² + (l/2)² = R²
Mitad de un triángulo central del hexágono regular de lado cuatro. El medio lado mide dos, el radio cuatro y la apotema dos raíz de tres. El ángulo en O es treinta grados, la mitad de sesenta. El radio es la hipotenusa y la apotema y el medio lado son catetos.
Pitágoras da a² + (l/2)² = R².

Por tanto, si conocemos R y l, hallamos a con la raíz positiva. Para hallar a con solo n y l usamos la tangente del medio ángulo: en un triángulo rectángulo, tan θ es cateto opuesto dividido entre cateto adyacente.

Aquí tan(180°/n) = (l/2)/a.
Despejando, a = l/[2 tan(180°/n)].

Si aún no has estudiado tangente, puedes trabajar los ejemplos con apotema dada y volver a esta relación después de trigonometría. La calculadora debe usar grados cuando escribimos 180°/n.

Apotema por Pitágoras

Hexágono regular de lado 8 cm. Como R = l, halla su apotema exacta.

  1. Medio lado

    8/2 = 4 cm.
  2. Aplicamos Pitágoras

    a² = 8² − 4² = 64 − 16 = 48.
  3. Raíz positiva

    a = √48 = 4√3 cm.
Resultado

Apotema 4√3 cm.

Lo comprobamos

La apotema es menor que el radio ocho.

El medio ángulo del pentágono

En un pentágono regular de lado 4 cm, escribe la cuenta para hallar a con tangente.

  1. Central completo

    360°/5 = 72°.
  2. Medio ángulo

    72°/2 = 36°.
  3. Relación de catetos

    tan 36° = 2/a, así que a = 2/tan 36°.
Resultado

a ≈ 2,753 cm.

Lo comprobamos

No usamos 72° en la mitad rectángula: ese era el ángulo completo.

5. La fórmula de área suma los triángulos centrales

Cada triángulo central tiene base l y altura a. Su área es l · a/2. Hay n iguales y cubren el polígono sin solaparse, así que A = n · l · a/2.

Como n · l = P, queda A = P · a/2.

Ahora cada factor tiene sentido: P reúne las bases de los triángulos; a es su altura común; dividir entre dos corresponde al área triangular. No se divide entre n otra vez: n ya contó cuántos triángulos hemos sumado.

Área aproximada con datos medidos

Un pentágono regular tiene lado 4 cm y apotema aproximada 2,75 cm. Halla A aproximadamente.

  1. Perímetro

    5 · 4 = 20 cm.
  2. Perímetro por apotema

    20 · 2,75 = 55 cm².
  3. Dividimos entre dos

    A ≈ 27,5 cm².
Resultado

Área aproximada 27,5 cm².

Lo comprobamos

Cinco triángulos de área aproximada 4 · 2,75/2 = 5,5 suman 27,5.

Área exacta del hexágono del dibujo

El lado mide cuatro y la apotema 2√3. Halla A.

  1. Perímetro

    6 · 4 = 24.
  2. Usamos la altura de cada triángulo

    A = 24 · 2√3/2.
  3. Simplificamos

    A = 24√3.
Resultado

Área 24√3 unidades cuadradas.

Lo comprobamos

Seis triángulos equiláteros de área 4√3 dan el mismo resultado.

6. Las otras fórmulas salen de sustituir los datos disponibles

Si solo conocemos n y l, sustituimos a = l/[2 tan(180°/n)] en A = n l a/2.
Resulta A = n l²/[4 tan(180°/n)].

No es otra área: es la misma regla escrita con los datos que conocemos.

Si conocemos n y a, del medio triángulo sale l = 2a tan(180°/n), y A = n a² tan(180°/n).

En un cuadrado, a = l/2; su área P a/2 = 4l(l/2)/2 = l² recupera la regla conocida.

En el hexágono regular, los seis triángulos son equiláteros y a = √3 l/2.

Así A = (3√3/2)l².

Antes de usar una forma abreviada conviene reconocer de qué triángulo procede.

Comprobar con un cuadrado

Cuadrado de lado 10 cm. Usa perímetro y apotema para obtener A.

  1. Perímetro y apotema

    P = 40 cm y a = 5 cm.
  2. Fórmula triangular

    A = 40 · 5/2 = 100 cm².
  3. Regla del cuadrado

    10² = 100 cm².
Resultado

Las dos cuentas dan 100 cm².

Lo comprobamos

La fórmula general coincide con el caso conocido.

Solo el lado de un hexágono

Hexágono regular de lado 2 cm. Halla su área exacta.

  1. Elegimos el caso justificado

    A = (3√3/2)l².
  2. Elevamos el lado completo

    l² = 4 cm².
  3. Multiplicamos

    A = 6√3 cm².
Resultado

Área 6√3 cm².

Lo comprobamos

Es la cuarta parte del área del hexágono de lado cuatro, porque se redujeron todas las longitudes a la mitad.

7. Una medida aproximada produce un área aproximada

Si el lado o la apotema se dan redondeados, el resultado hereda esa aproximación. No escribimos una igualdad exacta para una cifra que procede de una medición redondeada. Conservamos radicales o valores completos de calculadora hasta el final cuando sea posible.

Las longitudes deben compartir unidad antes de multiplicarse. Al ampliar un polígono por k, lado, radio, apotema y perímetro cambian por k; el área, por k². La cantidad de lados y sus ángulos permanecen iguales.

Cambiar unidades antes del área

Un cuadrado tiene perímetro 0,8 m y apotema 10 cm. Halla su área en cm².

  1. Unificamos

    0,8 m = 80 cm.
  2. Calculamos

    A = 80 · 10/2 = 400 cm².
Resultado

Área 400 cm².

Lo comprobamos

El lado es veinte centímetros, y 20² confirma la cuenta.

Escalar perímetro y área

Un polígono regular tiene P = 18 cm y A = 12 cm². Se triplican todas sus longitudes. Halla las nuevas medidas.

  1. Perímetro

    18 · 3 = 54 cm.
  2. Área

    12 · 3² = 108 cm².
Resultado

Perímetro 54 cm; área 108 cm².

Lo comprobamos

Lado y apotema aportan cada uno un factor tres al producto de área.

8. Antes de calcular, revisamos si los datos determinan un polígono posible

Saber solo que una figura es un hexágono regular no fija su tamaño: hay hexágonos semejantes de todos los tamaños. Hace falta una longitud o un área para obtener medidas numéricas. Para aplicar A = P a/2 debemos conocer o poder deducir P y a.

Si hay datos de más, comprobamos que sean compatibles.

En el triángulo rectángulo central debe cumplirse R > a > 0 y R² = a² + (l/2)².

Un radio menor que la apotema no describe un polígono regular convexo posible. No cambiamos una medida para forzar que la raíz salga.

Un nombre no fija el área

Se pide el área de un octágono regular, sin ninguna longitud. ¿Hay respuesta numérica única?

  1. Podemos cambiar su escala

    Uno de lado uno y otro de lado dos son ambos octágonos regulares.

  2. Sus áreas son distintas

    La segunda es cuatro veces la primera.

Resultado

No; falta un dato de tamaño.

Lo comprobamos

El número de lados determina ángulos y forma semejante, no un área numérica.

Detectar datos incompatibles

Se da un polígono regular convexo con radio 4 cm y apotema 5 cm. ¿Puede existir?

  1. Leemos el triángulo central

    El radio es su hipotenusa.

  2. Comparamos

    Cuatro no puede ser menor que el cateto cinco.

Resultado

No; esos datos son incompatibles.

Lo comprobamos

La cuenta R² − a² daría un medio lado al cuadrado negativo.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Área con apotema

Un pentágono regular tiene lado 6 cm y apotema 4,13 cm aproximada. Halla área aproximada.

  1. Leemos regularidad y aproximación

    Pentágono: cinco lados iguales de 6 cm; apotema 4,13 cm aproximada.

  2. Perímetro

    5 · 6 = 30 cm.
  3. Una base común de cálculo

    Cada triángulo central tiene área aproximada 6 · 4,13/2 = 12,39 cm².

  4. Sumamos cinco triángulos

    5 · 12,39 = 61,95 cm² aproximadamente.
  5. Comprobamos la fórmula compacta

    P a/2 = 30 · 4,13/2 = 61,95.

    Sigue siendo aproximado por el dato de apotema.

Resultado

61,95 cm² aproximadamente.

Lo comprobamos

Cada uno de los cinco triángulos tiene área 12,39 cm².

EJEMPLO RESUELTO 2

Hexágono exacto

Halla el área de un hexágono regular de lado 4.

  1. Dividimos el hexágono

    Seis triángulos equiláteros de lado cuatro.

  2. Hallamos su altura

    Medio lado dos y radio cuatro: a² = 16 − 4 = 12; a = 2√3.
  3. Área de un triángulo

    4 · 2√3/2 = 4√3.
  4. Sumamos los seis

    A = 6 · 4√3 = 24√3.
  5. Comprobamos con perímetro

    P = 24; P a/2 = 24 · 2√3/2 = 24√3.
Resultado

24√3.

Lo comprobamos

Seis triángulos de área 4√3 suman 24√3.

Los símbolos que hemos usado

n
Número de lados y vértices, entero al menos 3.
s
Longitud común de cada lado.
P=ns
Perímetro: suma de las longitudes de todos los lados.
R
Radio de la circunferencia que pasa por todos los vértices.
a
Apotema: distancia perpendicular del centro a un lado.
θ=360°/n
Ángulo central entre dos radios a vértices consecutivos.
A
Área de la región interior del polígono.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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