几何三大问题为尺规作图不能问题的证明..doc

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几何三大问题为尺规作图不能问题的证明.

几何三大问题为尺规作图不能问题的证明   1.立方倍积问题   假设已知立方体的棱长为c,所求立方体的棱长为x.按给定的条件,应有 x3=2a3.   令a=1,则上述方程取更简单的形式 x3-2=0.    不能用尺规作出,这就证明了立方倍积问题是尺规作图不能问题.   2.三等分任意角问题   对于已知的锐角∠O=θ,设OP、OS是它的三等分角线.   以O为圆心,单位长为半径画弧,交∠O的两边于点A、B,交三等分角线OS于点C.过点C作CD⊥OA,交OA于点D.这样,OS能否用尺规来作出,就等价于点C能否用尺规作出,也就是点D能否用尺规来作出.   令OD=x,则有     4x3-3x-cosθ=0.   如果能证明上述三次方程的根一般不能仅用尺规作出,则点D不可得,于是射线OS也就不能作出.欲证明此事,可选一特例考察之.    8x3-6x-1=0.   以2x=y代入此方程,可得较简单的形式 y3-3y-1=0.       4x3-3x=0.   解之,得    注意,当cosθ取值为无理数时,如θ=30°、45°等,则我们所用的定理2就不再适用了.   3.化圆为方问题   假设已知圆的半径为r,求作的正方形的边长为x(图7).按条件,应有 x2=πr2.      不可作.但π是超越数,自然不是有理系数的代数方程的根,更不是从1出发通过有限次加、减、乘、除及正实数开平方所能表示,即π不能仅用尺规作图来完成,所以化圆为方问题属尺规作图不能问题.          ∵7θ=2π, ∴3θ=2π-4θ, ∴ cos3θ=cos(2π-4θ)=cos4θ.    8cos4θ-4cos3θ-8cos2θ+3cosθ+1=      分解因式,得 (x-2)(x3+x2-2x-1)=0.      由试验,知±1均不能满足这方程,可见上述三次方程无有理根.于是,运用本书第14页的定理2,可知上述三次方程的任何实根均不能用尺规作图来完成,因而正七边形属于尺规作图不能问题.   的作图,而θ=40°角属于尺规作图不能问题(否则,利用作角平分线的办法,可作出20°角,将导致三等分60°角成为可能).所以正九边形也属尺规作图不能问题. 由正七边形和正九边形是尺规作图不能问题,可直接推得边数为2n×7和2n×9(n为正整数)的正多边形也是尺规作图不能问题. 对于尺规作图不能问题,通常还有两种间接判断方法: 1°有的作图问题,经过分析后发现可以归结为已知的作图不能问题,则可断定该问题也属尺规作图不能问题.例如正九边形属尺规作图不能问题的上述证明所采用的方法就是. 2°有时,对问题的一般情形进行讨论既繁且难,而取其特例考察,则简易得多.因此欲决定某题属作图不能问题时,不妨相机证明它的特例不能作图,特例既经证实,一般情形的不能作图便不言而喻了(但特例可行则不等于这问题可作).例如解决三等分角问题时所采用的方法即是.

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