Багатокутник без самоперетинів називається решітчатим, якщо всі його вершини знаходяться в точках с цілочисловими координатами в декартовій системі координат. Точка координатної площини називається цілочисловою якщо обидві її координати цілі числа.

Теорема Піка (1899). Знаходження площі решітчатого многокутника

S = В + Г / 2 - 1, де В — кількість цілочислових точок всередині багатокутника, Г — кількість цілочислових точок на межі багатокутника.

В = 7, Г = 8, S = В + Г/2 - 1 = 10

Доведення проводитися в кілька етапів: від найпростішіх фігур до довільніх багатокутників:

Одиничний квадрат. Справді, для нього S = 1, В = 0, Г = 4, формула вірна.

Прямокутник зі сторонами, паралельними осям координат. Нехай a і b довжини сторін прямокутника. Тоді: S = ab, В = (a-1)(b-1), Г = 2(a + b). Підстановка показує, що формула Піка вірна.

Прямокутний трикутник з катетами, які паралельні осям координат. Будь-який такий трикутник можна отримати відсіканням деякого прямокутника його діагоналлю. Позначивши через з число цілочислових точок, що лежать на діагоналі, можна показати, що формула Піка виконується для такого трикутника, незалежно від значення с.

Будь-який трикутник. Такий трикутник може бути перетворений в прямокутник приклеюванням до його сторін прямокутних трикутників з катетами, паралельними осям координат (треба не більше 3 таких трикутників). Звідси отримуємо коректність формули Піка для будь-якого трикутника.

Довільний багатокутник. Для доведення розіб'ємо його на трикутники з вершинами в цілочіслових точках. Для одного трикутника формула Піка доведена. Можна довести, що при додаванні до багатокутника трикутника формула Піка зберігає свою коректність. Звідси по індукції слідує, що вона вірна для будь-якого багатокутника.

Формула Піка, за допомогою якої можна знаходити площу фігури побудованої на аркуші в клітинку (трикутник, квадрат, трапеція, прямокутник, багатокутник) не є секретом. Багатьом цей матеріал буде дуже корисний.

В задачах, є ціла група завдань, в яких дано багатокутник побудований на аркуші в клітинку і стоїть питання про знаходження площі. Масштаб клітини це один квадратний сантиметр.

ФОРМУЛА ПІКА

Площу шуканої фігури можна знайти за формулою:

S=^M/₂+N-1

М – кількість вузлів на межі трикутника (на сторонах і вершинах), N – кількість вузлів всередині трикутника

Під «вузлами» мається на увазі перетин ліній.

Знайдемо площу трикутника:

1 клітинка = 1 см, M = 15 (позначені червоним), N = 34 (позначені синім)

 S=15/2+34-1=40,5см²

ЗАДАЧА Знайдемо площу паралелограма:

M = 18 (позначені червоним), N = 20 (позначені синім)

S=18/2+20-1=28см²

ЗАДАЧА Знайдемо площу трапеції:

M = 24 (позначені червоним) N = 25 (позначені синім)

S=24/2+25-1=36см²

ЗАДАЧА Знайдемо площу багатокутника:

M = 14 (позначені червоним), N = 43 (позначені синім)

S=14/2+43-1=49см²

Зрозуміло, що знаходити площу трапеції, паралелограма, трикутника простіше і швидше за відповідними формулами площ цих фігур. Але знайте, що можна це робити і таким чином. А ось коли дано багатокутник, у якого п'ять і більше кутів ця формула працює добре.

Тепер погляньте на наступні фігури:

Це типові фігури, в завданнях стоїть питання про знаходження їх площі. За допомогою формули Піка такі завдання вирішуються моментально. Наприклад, знайдемо площу фігури:

ЗАДАЧА

M = 11 (позначені червоним), N = 5 (позначені синім)

S=11/2+5-1=9,5см²

Відповідь: 9,5

ЗАДАЧА

Багатокутник (не обов'язково опуклий) на площині заданий координатами своїх вершин. Потрібно підрахувати кількість точок з цілочисельними координатами, які лежать всередині нього (але не на його межі).

Розв'зок
Для вирішення цього завдання розглянемо допоміжну задачу: відрізок заданий координатами своїх кінців, які є цілими числами. Необхідно порахувати кількість цілочисельних точок, які лежать на відрізку. Зрозуміло, що якщо відрізок вертикальний або горизонтальний, то необхідно відняти координати кінців і додати одиницю. Інтерес представляє випадок, коли відрізок не є вертикальним або горизонтальним. Виявляється в цьому випадку необхідно добудувати відрізок до прямокутного трикутника і відповіддю буде число рівне найбільшому спільному дільнику довжин катетів цього трикутника плюс одиниця.


Для будь-якого багатокутника з цілочисельними координатами вершин справедлива формула Піка: S = n + m/2 — 1, де S – площа багатокутника, n – кількість цілих точок, що лежть строго всередині багатокутника, m – кількість цілих точок, що лежть на межі багатокутника. Оскільки площу багатокутника ми знаємо як обчислювати, то S відомо. Так само ми можемо обчислити кількість цілих точок,які лежать на кордоні багатокутника, тому у формулі Піка залишається лише одна невідома величина, яку ми можемо знайти.
Розглянемо приклад:

S = 16 + 4 + 4,5 + 6 + 1 + 2 = 33,5
m = 15
n = 33,5 – 7,5 +1 = 27 — точок лежить строго всередині багатокутника
Ось так от вирішується ця задача!