探討:僅憑一把無刻度的直尺和圓規就可做出你想要的任何東西

2020-12-09 電子通信和數學

歐幾裡得在它的巨著《幾何原本》中首次對許多幾何圖形的尺規作圖進行了詳細的討論和解答,它包括包括圓的各種性質作圖,各類三角形作圖,平行線,比例中項作圖,正多邊形(四邊形,五變形,六邊形)作圖,和立方體作圖,但它始終沒有解決:倍立方問題,化圓為方問題,三等分角問題,而這三個問題就是著名的「古希臘三大幾何問題」對這三個問題的探索自古希臘以來一直持續了2000多年才被數學家逐漸解決。

什麼是尺規作圖呢?顧名思義就是指用沒有任何刻度的直尺和圓規來作圖,首先我們來看最簡單的尺規作圖就是:兩點確定一條直線

然後根據直線上的點,可以做出任何半徑的圓,

我們根據這些相交點又可以做出想要的圓或者直線,

在這裡你認為這樣的討論沒有任何意義,初中生都知道,但你注意到了沒有,這些「無聊」的陳述包含了尺規作圖的基本思想,點 直線 面,任何複雜的圖形都離不開這三個要素。下面我來看

首先連接這兩個圓的相交點,我們得到第二條直線(紅色線),很明顯黃色的交點是第一條直線的中點,且又是第一條直線的垂直平分線

我們繼續,連接圓上三個紅色的點,我們又得到一個等邊三角形。

所以你只要畫幾條直線和幾個圓就可以得到你想要的任何好東西,這是相當的神奇

我們繼續往下走,根據兩條直線的交點再做一個圓,如下圖

連接圖中的四個紅色的交點,我們就得到了一個正方形

其實正六邊形也隱藏在其中,我們看下圖

就得到了常見的正六邊形

但是優美的「五角大樓」就不是那麼明顯了,這裡給出優美的作圖方法,首先畫一個任意半徑的圓

取半徑的中點(紅色的點)

以紅色的點為圓心,做下圖所示的小圓

連接上圖兩個紅色的的點,得到一條直線

我們以圖中紅色的點為圓心,紅綠點之間的距離為半徑做圓,

再以上圖中紅色的點為圓心,紅綠點之間的距離為半徑作圓

這時我們就得到了五個點,下圖紅色點所示,這正是正五邊形的五個點,我們連接這些點就得到正五邊形

這就是完美的"五角大樓「圖案,但我們是如何完成這些細節的呢,作圖規則很簡單就是:點,直線,圓。

作圖時你可以選擇兩種方式:第一種方式:選擇任意兩點並畫直線,這條直線和圓以及第一條直線形成新的交點,

第二種方式就是:選擇任意兩點,然後以其中一點為圓心,兩點之間為半徑畫一個圓,這個圓與直線或者圓形成新的交點

所以在作圖中,有時不需要直尺,僅憑一個圓規就可以做出那你想要的任何圖形,最後僅用直尺連接這些點來得到你所需圖形的外觀。

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