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【九九推荐】关于尺规作图

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古希腊人说的直尺,bai指的是没有刻度的直尺。他们在大量的画图经历中感觉到,似乎只用直尺、圆规这两种作图工具就能画出各种满足要求的几何图形,因而,古希腊人就规定,作图时只能有限次地使用直尺和圆规这两种工具来进行,并称之为尺规作图法。
漫长的作图实践
按尺规作图的要求,人们作出了大量符合给定条件的图形,即便一些较为复杂的作图问题,独具匠心地经过有限步骤也能作出来。到了大约公元前6世纪到4世纪之间,古希腊人遇到了令他们百思不得其解的三个作图问题。
三等分角问题:将任一个给定的角三等分。
立方倍积问题:求作一个正方体的棱长,使这个正方体的体积是已知正方体体积的二倍。
化圆为方问题:求作一个正方形,使它的面积和已知圆的面积相等。
这就是著名的古代几何作图三大难题,它们在《几何原本》问世之前就提出了,随着几何知识的传播,后来便广泛留传于世。
貌以简单其实难
从表面看来,这三个问题都很简单,它们的作图似乎该是可能的,因此,2000多年来从事几何三大难题的研究颇不乏人。也提出过各种各样的解决办法,例如阿基米德、帕普斯等人都发现过三等分角的好方法,解决立方倍积问题的勃洛特方法等等。可是,所有这些方法,不是不符合尺规作图法,便是近似解答,都不能算作问题的解决。 其间,数学家还把问题作种种转化,发现了许多与三大难题密切相关的一些问题,比如求等于圆周的线段、等分圆周、作圆内接正多边形等等。可是谁也想不出解决问题的办法。三大作图难题就这样绞尽了不少人的脑汁,无数人做了无数次的尝试,均无一人成功。后来有人悟及正面的结果既然无望,便转而从反面去怀疑这三个问题是不是根本就不能由尺规作出? 数学家开始考虑哪些图形是尺规作图法能作出来的,哪些不能?标准是什么?界限在哪里?可这依然是十分困难的问题。
高斯的发现
历史的车轮转到了17世纪。法国数学家笛卡尔创立解析几何,为判断尺规作图可能性提供了从代数上进行研究的手段,解决三大难题有了新的转机。 最先突破的是德国数学家高斯。他于1777年4月30日出生于不伦瑞克一个贫苦的家庭。他的祖父是农民,父亲是打短工的,母亲是泥瓦匠的女儿,都没受过学校教育。由于家境贫寒,冬天傍晚,为节约燃料和灯油,父亲总是吃过晚饭就要孩子睡觉。高斯爬上小阁楼偷偷点亮自制的芜菁小油灯,在微弱的灯光下读书。他幼年的聪慧博得一位公爵的喜爱,15岁时被公爵送进卡罗琳学院,1795年又来到哥庭根大学学习。由于高斯的勤奋,入学后第二年,他就按尺规作图法作出了正17边形。紧接着高斯又证明了一个尺规作图的重大定理:如果一个奇素数P是费尔马数,那么正P边形就可以用尺规作图法作出,否则不能作出。 由此可以断定,正3边、5边、17边形都能作出,而正7边、11边、13边形等都不能作出。
高斯一生不仅在数学方面做出了许多杰出的成绩,而且在物理学、天文学等方面也有重要贡献。他被人们赞誉为“数学王子”。高斯死后,按照他的遗愿,人们在他的墓碑上刻上一个正17边形,以纪念他少年时代杰出的数学发现。
最后的胜利
解析几何诞生之后,人们知道直线和圆,分别是一次方程和二次方程的轨迹。而求直线与直线、直线与圆、圆与圆的交点问题,从代数上看来不过是解一次方程或二次方程组的问题,最后的解是可以从方程的系数(已知量)经过有限次的加、减、乘、除和开平方求得。因此,一个几何量能否用直尺圆规作出的问题,等价于它能否由已知量经过加、减、乘、除、开方运算求得。这样一来,在解析几何和高斯等人已有经验的基础上,人们对尺规作图可能性问题,有了更深入的认识,从而得出结论:尺规作图法所能作出的线段或者点,只能是经过有限次加、减、乘、除及开平方(指正数开平方,并且取正值)所能作出的线段或者点。


1楼2021-01-30 11:33回复
    平面几何中的三大难题的由来
    化圆为方问题
    古希腊的时候,有一位学者,叫做安拉克萨哥拉,有一次,他提出:太阳是一个巨大的火球。这在现在看来,是符合客观事实的。然而在古希腊,大家都相信神话中的说法,即太阳是神灵阿波罗的化身。安拉哥萨哥拉被判定为诉读神灵,被判定死刑,投进了狱中。在等待执行的日子里,安拉克萨哥拉仍然思考着善于宇宙和万物的问题,自然其中也包括数学问题。一天晚上,他看到圆圆的月亮,透过正方形的铁窗照进牢房,他心中一动,想:如果已知一个圆的面积,那么怎样做出一个方来,才能使它的面积恰好等于这个圆的面积呢?
    这个问题看似简单,然而却难住了安拉克萨哥拉。因为,在古希腊,对作图工具进行了限制,那就是:作图时只准许使用直尺和圆规。安拉克萨哥拉在狱中苦苦思考这个问题,完全忘记了自已是一个待处决的犯人。后来,由于好朋友,当时杰出的政治家伯利克里的营救,安拉克萨哥拉获释出狱。然而这个问题,他自已没有能够解决,整个古希腊的数学家也没能解决决,成为历史上有名的三大几何难题之一。
    三等分角问题
    只准用直尺与圆规,能不能将一个任意角3等分呢?
    这个题目看上去也很容易,似乎与两等分角问题差不多。所以,在2000多年前,当古希腊见到这个题目时,有不少人甚至不假思索就拿起了直尺与圆规……
    一天过去了,一年过去了,人们磨秃了无数支笔,始终也画不出符合题意的图形来!
    这个题目吸引了许多数学家。公元前3世纪,古希腊最伟大的数学家阿基米德,也曾拿起直尺与圆规,用这个题目测试过自已的智力。阿基米德失败了。古希腊数学家全失败了。2000多年来,这个问题激动了一代又一代的数学家,成为一个举世闻名的数学难题。笛卡儿、牛顿等许许多多最优秀的数学家,也都曾拿直尺圆规,用这个难题测试过自已的智力……无数的人全都失败。2000多年里,从初学几何的少年到天才的数学大师,谁也不能只用直尺和圆规将一个任意角三等分!
    一次接一次的失败,使得后来的人们变得审慎起来。渐渐地,人们心中生发一个巨大的问号:三等分一个任意角,是不是一定能用直尺与圆规作出来呢?如果这个题根本无法由尺规作出,硬要用尺规去尝试,岂不是白费气力?
    以后,数学家们开始了新的探索。因为,谁要是能从理论上予以证明:三等分任意角是无法由尺规作出的,那么,谁也就不能解决了这个著名的数学难题。
    1837年,数学家们终于赢得了胜利。法国数学家闻脱兹尔宣布:只准用直尺与圆规,想三等分一个任意角是根本不可能的!这样,他率先走出了这座惑了无数人的数学谜宫,了结了这桩长达2000多年的数学悬案。
    立方倍积问题
    古希腊有一座名叫第罗斯的岛。 相传有一年,平静的爱琴海的第罗斯岛上,降临了一场大瘟疫,几天时间内,岛上的许多人就被瘟疫夺取了生命,惨不忍睹,幸存的人吓得战战兢兢,毫无办法,纷纷躲进圣庙,期求神灵保佑自己和家人。人们的祈求和哀嚎声并没有感动上苍,相反,瘟疫仍在蔓延,死去的人越来越多。他们不知什么事情触怒了神灵。心城的人们日夜匍匐神庙的祭坛前,请求神灵的宽容和饶恕。悲惨的现实使人们的心灵受到了极大的创伤,泪珠和汗滴交织在一起,使神坛前面一片湿润。许多人在神坛前就到下了。据说,神终于被感化了,并叫巫师传达了旨意:“第罗斯人要想活命,必须将圣庙中的祭坛加大一倍,并且不能改变祭坛的形状。”活着的人好象得到了救命的灵丹妙药,马上就量好祭坛(长方体)的长、宽、高,连夜请工匠把长宽高加大一倍的新祭坛造好了,送进了圣庙。人们好象完成了一项光荣的使命,等待神的宽恕,然而,时间一天天过去了,瘟疫更加疯狂肆虐,人们的思想再次陷入极度的痛苦之中。在神坛前,人们说道:“尊敬的神啊,你饶恕我们第罗斯人吧,我们已经按照你的旨意办了,将神坛加大了一倍......”。后来,巫师再次传达了神的旨意,巫师冷冷地说:“你们没有满足神的要求,你们没有将祭坛加大一倍,而是加大7倍,神灵将继续严惩你们......”?聪明的人们终于明白了其中的道理,他们的确将祭坛加大为原来的8倍。但,在原来的基础上如何将祭坛加大一倍呢?第罗斯人经过长时间的思考,无法解决,只好派人到首都雅典去请教当时最著名的学者伯拉图。
    伯拉图经过长时间的思考,也无法解决,他搪塞说:“由于第罗斯人不敬几何学,神灵非常不满,才降临了这场灾难。”


    2楼2021-01-30 14:47
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