古希腊三大几何难题,数千年来一直吸引着无数的人们为之痴迷。

古希腊三大哲学流派时代背景(古希腊三大几何难题之通俗演义)(1)

这三大难题都要求仅用尺规作图完成,分别是:

1、 倍立方体:作一立方体的边,使该立方体的体积为给定立方体的两倍。

2、 化圆为方:作一正方形,使其与一给定的圆面积相等。

3、 三等分角:分一个给定的任意角为三个相等的部分。

经过2000多年的努力,人们终于认识到这3个难题是没有解的。然而直至今日,依然不断有人宣称自己破解了某个难题,甚至正规媒体也有报道。

古希腊三大哲学流派时代背景(古希腊三大几何难题之通俗演义)(2)

他们的逻辑是:你说不可能,可是我已经做到了,你若不相信,请指出我的错误,我甚至可以悬赏挑毛病。这种逻辑显然是不正确的,比如永动机已经被证明是不可能的,而某人宣称自己造出来了,别人没有必要帮他检查问题所在,他自己首先应该去证明能量守恒原理是错误的。

回到三大几何难题,要弄清楚为什么不可能,首先得明白尺规作图的本质。尺规作图能做什么呢?人们发现,任何尺规作图的步骤均可分解为以下五种方法:

1、通过两个已知点可作一直线。

2、已知圆心和半径可作一个圆。

3、若两已知直线相交,可求其交点。

4、若已知直线和一已知圆相交,可求其交点。

5、若两已知圆相交,可求其交点。

这5种方法,不严谨地、通俗一点讲,从解析几何的角度看,前面2种相当于在建立直线和圆的方程,后面3种相当于求直线与圆的各种组合的交点坐标。因此,尺规作图对应的任何几何问题,都可以通过解析几何转化为代数问题,所以,一直到笛卡尔建立解析几何体系后,人们才逐渐证明了三大几何难题是无解的。

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再具体一点,由于直线方程是一次的,圆的方程是二次的,所以联立方程求解得到的根,都是由有理数通过有限次加、减、乘、除和开方得到的。换言之,任何能够用有理数的有限次加减乘除和开方得到的实数,都可以用尺规作图做出来;同时,尺规作图也仅仅只能做这些事。这就意味着,凡是不能按照上述方法得到的实数,采用尺规作图是无解的。

顺便提一句,目前数学上已经证明了,只使用一只圆规,就可以做出任何尺规作图能够做出的点,但是需要更加复杂的步骤。并且,这只圆规的角度甚至可以是固定不可调整的。

现在我们可以来简单探讨三大几何难题为什么无解了。

1、 倍立方体:若立方体边长为1,其体积自然也是1,体积的2倍就是2,所以这个问题的本质,相当于已知一根长度为1的线段,如何用尺规作图作出长度为2开3次方的线段?1637年,笛卡尔提出了一个命题:非立方有理数的立方根不能简化为有限次的开平方,这意味着,倍立方体问题无法通过尺规作图解决。法国数学家Wantzel在1837年给出了倍立方体问题无解的严格证明。

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值得一提的是,二千多年来,经过许多数学家相继研究,人们发现只要不限于尺规作图,运用特殊曲线(如圆锥曲线、蚌线、蔓叶线等),或是运用其它作图工具,倍立方体问题是不难解决的。

2、 化圆为方:我们知道,若圆的半径为1,则其面积为π,对应正方形的边长为根号π,本质上相当于作出长度为π的线段。然而,能够用尺规作出的数都有对应的最小多项式。也就是说,能够用尺规作出的数,必须是某个有理系数多项式方程的根。1882年,林德曼等人证明了对于π来说,这样的多项式不存在。这就证明了,化圆为方问题采用尺规作图是无解的。数学家将这样的数称为超越数,而将有对应的多项式的数称为代数数。

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有趣的是,要证明一个数是超越数十分困难,目前,圆周率π和自然对数的底e都已被证明是超越数。同时,若放宽条件,这个问题可以通过特殊曲线来完成,例如西皮阿斯割圆曲线,阿基米德螺线等。

3、三等分角:根据三角函数公式,我们不难得出

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因此,若将α/3看作未知数,把cosα看作已知常数,这是一个三次方程,它的根不可能用二次根式来表达。所以,三等分角问题采用尺规作图同样是无解的。

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与倍立方体问题类似,如果我们放宽条件,例如允许使用带刻度的直尺,则可以将任意角三等分。

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古希腊三大几何难题,是数学史上璀璨的明珠,很难找到与这三个问题一样具有经久不衰魅力的例子了。尺规作图看似是一个纯几何问题,最终却是用代数的方法来解决的,这正是数形结合的一个完美典范。

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