当我们第一次接触几何时,数学老师教我们如何用尺子画画。
也许你听说过古希腊三个著名的几何问题,它们是:倍立方,画圆为方,三等分任意角。
2000多年后,人类知道不能用尺子画画。
今天我们就来简单了解一下尺子画法的原理。相信看完之后就能明白为什么三大几何问题不是问题了。
首先我们用尺子来画,这样很容易把一条线段等分,甚至对所有正整数都开根号。
例如,做一个11的直角三角形,然后连接对角线,得到根数2:
继续以对角线为一边,做一个另一边为1的直角三角形,连接新的对角线,就可以依次得到所有正整数的处方。
那我们的问题来了!
对于任意长度的线段,比如长度a,我们可以做一个长度为“根a”的线段吗?
答案是肯定的,但是对于一条直线,我们必须指定单位长度,否则根一条长度未知的直线是没有意义的(你能想到为什么吗?)。
下图是用尺子画“根a”的方法。
这就是尺规作图的极限——对任意已知长度的线段,开2次根号。
但是,你永远不能用尺子画出并得到三个药方的大概数字,比如;
然后我们就可以回答开题了。
1、倍立方的本质,是作3次根号2;
2、画圆为方的本质,是作圆周率;
3、三等分任意角的本质,是三倍角公式下的一元三次不定方程,作其解。
我们知道圆周率是一个超越数,所以用尺子画是不可能得到的;但是一元三次方程的解会得到二次的根数以上,所以不可能用尺子把所有的角都画成三等分。
19世纪初,法国数学家伽罗瓦首先证明了将立方体加倍画圆不是问题;1882年,林德曼等人证明圆周率的超越性,否定了把圆画成正方形的问题。
此外,中国现代数学起步较晚,很多人在不了解数学前沿的情况下走了弯路。
比如上个世纪,在当时的《北京晨报》中,宣布了一个中国人用了14年的时间解决了角三等分问题,在国内外引起了轰动,但很快人们就发现他的证明是错误的。
甚至在70年代,中国科学院每年都会收到一篮子关于角度三等分的文稿,最后不得不在权威杂志《数学通报》上发布公告,说不可能画出三等分角度的尺子。这个命题在200多年前就被伽罗瓦证明了。
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