1 尺規(guī)作圖

初學(xué)幾何，最令同學(xué)們感興趣的就是尺規(guī)作圖。尺規(guī)作圖是指用無刻度的直尺和圓規(guī)作圖。

尺規(guī)作圖有五項(xiàng)“公法”：

• （1）根據(jù)兩個已經(jīng)確定的點(diǎn)作出經(jīng)過這兩個點(diǎn)的直線。

• （2）以一個已經(jīng)確定的點(diǎn)為圓心，以兩個已經(jīng)確定的點(diǎn)之間的距離為半徑作圓。

• （3）確定兩個已經(jīng)作出的相交直線的交點(diǎn)。

• （4）確定已經(jīng)作出的相交的圓和直線的交點(diǎn)。

• （5）確定已經(jīng)作出的相交的兩個圓的交點(diǎn)。

2 古希臘三大作圖問題

古希臘人研究尺規(guī)作圖，提出了三個著名的尺規(guī)作圖作圖問題：

• 倍立方體：給定立方體的一邊，求作另一立方體（的邊），使后者體積是前者體積的兩倍。

• 三等分角：三等分任意一個角。

• 化圓為方：作一正方形使其與給定的圓面積相等。

問題的提出是自然的，因?yàn)檫@些是古希臘人在解決了一些作圖題之后的引伸：

• 以正方形對角線為一邊的正方形有兩倍于前者的面積，便理所當(dāng)然地提出相應(yīng)的倍立方體問題；

• 可以作角平分線，即可以二等分任意角，自然地就想繼續(xù)搞三等分；

• 化圓為方是古希臘人在求作一定形狀的圖形使之與給定圖形等面積這類問題中的一個典型問題。

古希臘三大作圖問題既引人入勝，又十分困難。問題的妙處在于它們從形式上看起來十分簡單，但實(shí)際上有著非常深刻的內(nèi)涵。在探索這三個問題的過程中就隱含了近代代數(shù)學(xué)的思想，直到19世紀(jì)，這三個作圖題的不可能性才被證實(shí)，這時相距問題的第一次提出已經(jīng)過去了2000多年。

那么，為什么古希臘三大作圖問題只用直尺和圓規(guī)來求解是不可能的呢？今天大小吳就和大家聊聊這其中的玄機(jī)。

3 基本幾何作圖

首先我們要明確一點(diǎn)：討論尺規(guī)作圖問題其實(shí)就是在討論代數(shù)問題，因?yàn)橛贸咭?guī)作圖畫出幾何圖形的過程從某種意義上來說就是作出了某些數(shù)量。

為什么這么說呢？舉一個很簡單的例子，如果給定一單位長度的線段，我們用尺規(guī)作圖能做些什么呢？

用尺規(guī)作圖作與已知角相等的角也是可以辦到的，原理是全等三角形：

具體做法是：在直線上標(biāo)出，過任意作第二條直線，在這直線上標(biāo)出線段，再作.

如法炮制，我們可以畫出，這里是任意一個正整數(shù)。

由于有理數(shù)總能寫成的形式，所以根據(jù)剛剛的討論可知，所有的（正）有理數(shù)也都是可作的。

并且，如下圖所示，有理數(shù)的加、減、乘、除也都可以用尺規(guī)作圖實(shí)現(xiàn)。

這真是一件非常神奇的事！從已知的單位線段出發(fā)，連續(xù)應(yīng)用這些簡單作圖（即重復(fù)地應(yīng)用加、減、乘、除），我們能作出任意一個有理數(shù)——以這種方式得到的所有量構(gòu)成了一個叫做數(shù)域的集合，使得這集合中若干個數(shù)經(jīng)過任意的有理運(yùn)算后仍然是這個集合中的一個數(shù)（回憶一下中學(xué)時反復(fù)操練的有理數(shù)混合運(yùn)算題，不管題目有多復(fù)雜，最后的答案仍然是一個有理數(shù)）。

4 可作圖的數(shù)

因此，有理數(shù)對于有理運(yùn)算是“封閉”的，即任意兩個有理數(shù)的和、差、積、商（除數(shù)不為0）——仍然是一個有理數(shù)。如果一個數(shù)集關(guān)于這四種有理運(yùn)算封閉，則稱其為一個數(shù)域。

討論完這些，我們再介紹一種全新的作圖方法——求平方根，它使得我們沖破了“有理數(shù)域”的束縛。如果給定一個線段，則可以按照如圖的方法作出半圓和垂線段。

即

這就是說，我們可以利用尺規(guī)作出新的無理數(shù)，例如，然后再通過“有理”作圖，作出所有形如

的數(shù)，這里的都是有理數(shù)，比如可以作出.

更進(jìn)一步地，可以利用乘法和除法作出形如

以及

的數(shù)，這些數(shù)總可以寫成的形式，因?yàn)?span>都是有理數(shù)（特別地，不可能為0，因?yàn)槿羲扔?，則，這和是無理數(shù)矛盾）。

上面的討論表明，所有形如的數(shù)仍然形成一個數(shù)域，這個域比有理數(shù)域大，但它顯然又比全體實(shí)數(shù)構(gòu)成的數(shù)域小，我們稱有理數(shù)域?yàn)?span>，形如的數(shù)構(gòu)成的數(shù)域?yàn)?span>，這個做法叫做擴(kuò)域。

求它的平方根，注意到，這個數(shù)仍然是可作圖的

用便可以得到所有形如

的數(shù)，注意，現(xiàn)在這里的可以是中任意一個數(shù)！即是形如的。

5 規(guī)矩?cái)?shù)都是代數(shù)數(shù)

由于規(guī)矩?cái)?shù)都是通過有限次開平方根和有理運(yùn)算得到的，因此中的數(shù)一般都是有理系數(shù)次方程的根，比如考慮中的數(shù)

就有

即

即

這是一個有理系數(shù)的四次方程。

所以，規(guī)矩?cái)?shù)必然滿足整系數(shù)方程

這就說明規(guī)矩?cái)?shù)都是代數(shù)數(shù)，又由于代數(shù)數(shù)還包含形如的復(fù)數(shù)，比如的復(fù)根

我們可以進(jìn)一步得到如下的包含關(guān)系。

6 為什么古希臘三大作圖問題不可解？

有了上面的知識基礎(chǔ)，我們便可以理解為什么古希臘三大作圖問題是不可解的了。

首先考慮倍立方體問題，如果給定立方體的邊長是單位長度1，那么現(xiàn)在就是要作出體積是2的立方體，也就是要求出立方體的邊長，使得

顯然，這個數(shù)是，這個無理數(shù)不是規(guī)矩?cái)?shù)，因?yàn)樗皇峭ㄟ^有限次開平方根得到的。因此，倍立方體不可尺規(guī)作圖。

再來看三等分角問題，先假定在單位圓中作出角，那么這個問題等價的代數(shù)問題就是如何由已知一個角的余弦值，求未知量的問題。應(yīng)用三倍角公式，可得

即

這個方程最高次數(shù)是3，它的根在一般情況下不是規(guī)矩?cái)?shù)，但是也有一些特殊情況，比如說，若，則，則原式可因式分解得到

解得

說明我們可以尺規(guī)作圖三等分一個平角，只要作出長的線段即可。但是當(dāng)時，原方程化為

這個三次方程的根不是一個規(guī)矩?cái)?shù)，故尺規(guī)三等分角是不可作的，因此，三等分任意角無法通過尺規(guī)作圖完成。

最后來看化圓為方問題，取半徑為單位長度的圓，其面積是，要使正方形面積和圓一樣，那么這個問題就等價于作出長為的線段，這也是不可能的，因?yàn)?span>首先就是一個超越數(shù)，因此不可能用尺規(guī)作圖作出。

我們可以對上圖的分類補(bǔ)充如下。

7 天才伽羅瓦

在數(shù)學(xué)史上有一位超級天才——法國數(shù)學(xué)家伽羅瓦。他15歲開始系統(tǒng)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)，18歲便提出現(xiàn)代數(shù)學(xué)中的分支學(xué)科——群論。伽羅瓦用群論徹底解決了根式求解代數(shù)方程的問題，而且由此發(fā)展了一整套關(guān)于群和域的理論，人們稱之為伽羅瓦理論。他解決了古希臘三大尺規(guī)作圖問題的兩個問題：“三等分任意角”和“倍立方體”。

從1831年5月后，伽羅瓦兩度因法國大革命而參與政治活動后入獄。據(jù)說1832年3月他在獄中結(jié)識一個醫(yī)生的女兒并陷入狂戀，因?yàn)檫@段感情，他陷入一場決斗，自知必死的伽羅瓦在決斗前夜將他的所有數(shù)學(xué)成果狂筆疾書紀(jì)錄下來，并時不時在一旁寫下“我沒有時間……”，第二天他果然在決斗中身亡，死時年僅21歲。

參考文獻(xiàn)：[1]（美）R·柯朗，H·羅賓. 什么是數(shù)學(xué)——對思想和方法的基本研究[M].復(fù)旦大學(xué)出版社，2012.[2]（美）M.克萊因.古今數(shù)學(xué)思想（第一冊）[M].張理京，張錦炎譯.上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1979.