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第27章 尺规作图拾趣

希腊是奥林匹克运动的发源地。奥运会上的每一个竞赛项目,对运动器械都有明确的规定,不然的话,就不易显示出谁“更快、更高、更强”。一些古希腊人认为,几何作图也应像体育竞赛一样,对作图工作作一番明确的规定,不然的话,就不易显示出谁的逻辑思维能力更强。

应该怎样限制几何作图工具呢?他们认为,几何图形都是由直线和圆组成的,有了直尺和圆规,就能作出这两样图形,不需要再添加其他的工具。于是规定在几何作图时,只准许使用圆规和没有刻度的直尺,并且规定只准许使用有限次。

由于有了这样一个规定,一些普普通通的几何作图题,顷刻间身价百倍,万众瞩目,有不少题目甚至让西方数学家苦苦思索了2000多年。

尺规作图特有的魅力,使无数的人沉湎其中,乐而忘返。连拿破仑这样一位威震欧洲的风云人物,在转战南北的余暇,也常常沉醉于尺规作图的乐趣中。有一次,他还编了一道尺规作图题,向全法国数学家挑战呢。

拿破仑出的题目是:“只准许使用圆规,将一个已知圆心的圆周4等分。”

由于圆心O是已知的,求出这个题目的答案并不难。

我们可以在圆周上任意选一点A,用圆规量出OA的长度,然后以A点为圆心画弧,得到B点;再以B点为圆心画弧,得到C点;再以C点为圆心画弧,得到D点。这时,用圆规量出AC的长度,再分别以A点和D点为圆心画两条弧,得到交点M。接下来,只要用圆规量出OM的长度,逐一在圆周上划分,就可以把圆周4等分了。

如果再增添一把直尺,将这些4等分点连接起来,就可以得到一个正4边形。由此不难看出,等分圆周与作正多边形实际上是一回事。

只使用直尺和圆规,怎样作出一个正5边形和正6边形呢?

这两个题目都很容易解答,有兴趣的读者不妨试一试。

不过,只使用直尺和圆规,要作出正7边形可就不那么容易了。别看由6到7,仅仅只增加了一条边,却一跃成为古代几何的四大名题之一。尺规作图题就是这样变化莫测。

这个看上去非常简单的题目,曾经使许多著名数学家都束手无策。后来,大数学家阿基米德发现了前人之所以全都失败了的原因:正7边形是不能由尺规作出的。阿基米德从理论上严格证明了这一结论。

那么,采用尺规作图法,究竟有哪些正多边形作得出来,有哪些作不出来呢?

有人猜测:如果正多边形的边数是大于5的质数,这种正多边形就一定作不出来。

17是一个比5大的质数,按上面这种说法,正17边形是一定作不出来的。在过去的2000年里,确实有许多数学家试图作出正17边形,但无一不遭受失败。岂料在1796年,18岁的大学生高斯居然用尺规作出了一个正17边形,顿时震动了整个欧洲数学界。

这件事也深深震动了高斯,使他充分意识到自己的数学能力,从此决心献身于数学研究,后来终于成为一代数学大师。

高斯还发明了一个判别法则,指出什么样的正多边形能由尺规作出,什么样的正多边形则不能,圆满地解决了正多边形的可能性问题。高斯的判别法则表明,能够由尺规作出的正多边形是很少的,例如,在边数是100以内的正多边形中,能够由尺规作出的只有24种。

有趣的是,正7边形的边数虽少,却不能由尺规作出;而正257边形,边数多得叫人实际上很难画出这样的图形,却一定可由尺规作出。1832边形,边数多得叫人实际上很难画出这样的图形,却一定可由尺规作出。1832年,数学家黎克洛根据高斯指出的原则,解决了正257边形的作图问题。他的作图步骤极其繁琐,写满了80页纸,创造了一项“世界纪录”。

不久,德国人赫尔梅斯又刷新了这个纪录。他费了10年功夫,解决了正65537边形的作图问题。这是世界上最繁琐的尺规作图题。据说,赫尔梅斯手稿可以装满整整一手提箱呢!