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尺规作图真的不可以三等分角吗?

2021-05-14知识

【几何原本】 中的话说,就是「三等分一般角是立体问题,不是平面问题」。

本书对作图问题的复杂程度进行了两次分类:第一次是按产生所需交点需要直线的条数分类,将4条直线以内的问题称为「 平面问题 」,5~8条直线则为「 立体问题 」,9条以上直线为「 超立体问题 」。第二次是按表示所求长度所需可嵌套方程的最高次数分类(系数为以已知长度或任意有理数,「嵌套」指方程的根可作另一方程的系数,例如已知a、b求作x,且 t^2+at+b=0 ,x=a+t,则最高次数为二次),低于二次为「 平面问题 」,三至四次为「 立体问题 」,五次以上为「 超立体问题 」。

相比较而言,第一种分类比较抽象,不容易理解。所以后人在利用这些结论时,主意采用第二种分类方法,即由嵌套方程的最高次数判断。

平面问题 有一个重要的特点,即可以通过通常的(只在 平面内 使用无刻度直尺和圆规)尺规作图作出;反之,立体问题与超立体问题都不能尺规作图。证明方法需要用到群论,这里不作展开。平面问题的得数也存在一个特征:可以由已知数、有理数作四则运算或开 平方根(或2^n 次方根) 运算得到。例如,已知a、b、c,则 \frac{1+2\sqrt{ab}}{3} 、1+\sqrt{a+3\sqrt{b^3-c}} 等为平面问题;而 \frac{3+\sqrt[3]{2a}\cdot b}{4a}+c^2 则是立体问题,因为出现了立方根。

由「 立体问题 」定义易知,将平面问题得数的特征中增加「 开立方根(或 2^n\cdot3^m 次方根) 」的允许操作即立体问题。但 【几何原本】中对于「立体问题」的描述为:可以在立体空间中通过尺规作图得出。 根据三倍角的余弦公式,显然 三等分任意角是立体问题 。题主所用的方法中,将所作扇形 在空间中制成立体图形——圆椎 ,本质上就是 在空间中 利用尺规作图。根据本描述,利用这一类作图方法一定能作出立体问题,但本书的关注点不在此,未作展开。

本书中取而代之的是 截线法 ,即用立体可作图形在平面上的截线,在平面内作图,以解决立体操作的不方便性。因为圆锥是立体可作图形(就像题主利用的方法),它与平面的截线为圆锥曲线,故可以用圆锥曲线作出立体问题。需要注意的是,这里的圆锥曲线只能选取椭圆(不包括圆)、抛物线、双曲线(属于立体可作而平面不可作的图形),而不能选取平面可作的圆和双直线。相比较之下抛物线的方程较简单,故本书中以 抛物线 为例。

以下是开立方根的方法:首先在坐标系中作出抛物线 y=x^2 ,并取点(0,1)为A。过A点作水平线AB,且 AB=\frac{a}{2} 。以B点为圆心,以OB为半径作圆,交抛物线于O、C两点。过C点作水平线CD,交y轴于点D,则 CD=\sqrt[3]{a} 。

更一般地,如果求作x使 x^3=ax+b ,则令A点坐标为 (0,1+\frac{a}{2}) ,B点坐标为 (\frac{b}{2},1+\frac{a}{2}) ,其余不变。特别地,若已知角的余弦值为 cos\theta=a ,根据三倍角公式,则令 A(0,\frac{11}{8}) , B(\frac{a}{8},\frac{11}{8}) ,作出的CD长度即 cos\frac{\theta}{3} ,从而实现三等分角。

本描述实际上存在一个问题, 对「立体问题」的界线不明确 。因为正五边形可尺规作图,故利用题主的方法可以五等分任意角,从而五等分任意角是 立体问题 。但如果设 cos\theta=a , sin\theta=b ,其中θ可任意取值,则显然cos\frac{\theta}{5}=\frac{\sqrt[5]{a+bi}+\sqrt[5]{a-bi}}{2} 用到了五次方根,按照本书的描述其实属于 超立体问题 。从而产生矛盾的结论。