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第8章 矩规作图

因有爱才之心,张同心中才会这样呐喊。

最后一道题,根本不可能解答出来!

五年前他就见过这道题,虽然他没有一直研究,却也在当初沉迷过一段时间。

正是,上有所好,下必效焉。

当初张同刚刚入学,先生就出了这么一道算是给弟子们平时玩的题目。

那时候同窗三十多人,都觉得自己是天之骄子,又都希望得到先生的青睐,哪一个没有在这道题上浪费几个月的时间?

那可都是那一年稷下学宫九数科的人才啊!

即便那样,直到现在,这道题也没有答案。

张同猜不出先生的目的。

或许是妙手偶为之?或许是希望遇到天才?可总归这道题是出出来了。

而这道题,根本不可能再这么短的时间内答出来。

这正是张同暗骂陈旭疯了的原因。

因为同学九数,他太明白九数的魅力了,一旦沉浸其中,根本觉察不到时间的流逝。

然而考试,却是有时间限制的!如果铜铃声响起,那就要封上姓名收走试卷的。

两道题虽难,却也只占了总分数的两成,还有更多的简单题目,那才是分数的关键点。

爱才之心下,张同真的想提醒一下陈旭,这道题不要去做了,先去做前面的。

可他也知道自己是监考,不能这样做,心中不由一沉,叹了口气,心道:“陈旭啊陈旭……可惜了。”

带着这种惋惜,张同背着手,离开了陈旭的位置,朝别处走去。

然而,他根本不知道,陈旭见过这道题,而且好奇地研究过。

陈旭知道这道经典题目在数学史上的地位,那不仅仅是一个天才的传说,更是涉及到更深广的问题——诸如群论、拓展和高次方程是否有通用解等诸多问题。

引入虚数和复数概念后,等分圆用三角函数和代数表达,都可以写成X的N次方-1=0的问题。

换言之,尺规作图问题,都可以建立一个相应的代数方程,这个解就是要求的量。而这个量,必须是给定量的域的某个二次扩张域。

这又涉及到,除了2的次方数之外,哪些数的正多边形可以用尺规做出?哪些不能?能的为什么能?不能的为什么不能?

如果正十七边形可以画出来,那么也就说明X的十七次方-1=0可以用根式求解,而17这个数又是个特殊的数,17=16+1。

也就是说,17=2的2的2次方加1,而且是个素数,也就是前世所谓的费马数。

如果费马素数的正多边形都可以用尺规做出,是不是内在有什么必然?是不是说,高次方程想要根式解的必要条件,和2的方幂有什么关联?

不过那是这个时代九数的顶尖人才要考虑的问题。

前世这道题的内在本质,在那个时代,折磨着伽罗瓦、拉格朗日、高斯……

陈旭既不会,也没有能力涉及到本质问题。

他要做的,只是答出这道题。

这道题的关键,在于将几何化为代数问题。

尺规作图之下,任何加减乘除和开方的数字,都可以画出。

看似最复杂的开方,用尺规也不过是个简单的问题。

假设画一条长为根号A的线段,只需要一个直径为(1+A)的圆,在距离1的直径上,做垂直于直径的线连接到圆周,这条线段的长度就是根号A,这是简单的相似三角形的射影定理。

如果愿意画,再加上纸张足够大,哪怕是一万个根号下的某数都可以画出来,只要是平方根就行。

至于加减乘除,那就更为简单。

所以,这道题化几何为代数后,其实就是求这个正十七边形分成的十七个角的正弦值或者余弦值,是否能够用加减乘除和开平方根的方式表达出来。

因为这道题太过有名,不学数学的人看了后可以惊叹数学王子的天才,学过数学的人知道这道题背后的沉重和包含的意义,故而陈旭前世曾经仔细看过这道题。

读书什么时候都不晚,读书也不知道什么时候就用得上,陈旭暗自庆幸,于是按照前世看过的步骤,将这道几何体化为代数。

利用三角函数的简单定理,正弦余弦的关系,将复杂的式子简化之后,再用代数的定理,得到了一个表达式。

这个表达式最终化简求和后,得出了一个多次根号的数字,但正如之前所说,根号再多,只要是开平方,哪怕一万层二次根号,都可以用尺规做出来。

所以到这里,证明已经完毕,既然这个角的余弦值,是一个加减乘除和根号的组合,并没有出现开三次方之类的符号,所以可知正十七边形是可以用尺规做出的。

在证明了可以用尺规做出后,陈旭又按图索骥,将自己曾经惊叹不已的画法做出。

画法并不复杂,一张纸足够。

思路就是用三角函数和积化和差公式,将最终的余弦值,也化为一个二次方程的求根公式,也就是经典的-b加减根号下b方-4ac的式子。

一共需要化简五步,也就是需要作出四条线段,前一条线段的长度作为下一条线段长度的求根公式中的定值。

因为加减乘除和平方根,都可以用尺规做出,所以这个问题也就简化成了以原本圆的半径为定值1,画出新圆后再以新的圆的半径作为信的定值1,继续画下一个二次方求根公式下的新圆。

在预先知道答案的前提下,画法反倒是比论证简单。

陈旭拿出直尺和圆规,很快完成了这道题目,然后翻看起试卷的前面,终于松了口气。

前面的题目,简单得多,很符合现在的水平,大部分都是些应用题或者简单的平面几何,这是和九数最开始的用处相承的。

就像是翻越了高山,再去看门前的小丘,便觉渺小。

前面的题目,陈旭真可以用行云流水来形容自己的感觉,畅快无比,运笔如飞。

留意到陈旭的监考张同,发现陈旭提起尺规做了几笔后就翻过了卷子,心下暗暗点头,甚至不由地松了口气。

能够借着这个机会鱼跃龙门的贫民子弟,他是有怜悯之心的。

再加上刚才的压轴题解答,更让张同颇为赞赏,他可不希望陈旭走入误区,最终因为死磕最后一道题目误了前程。

“知道放弃,总是好的。舍得舍得,有舍才有得。”

心下如此想着,心想陈旭既然放弃了最后一题,那么这一次十有七八是要考上的。

九数学得好的,物理和力学分析都不会太差,这一点毋庸置疑。

张同心想,说不定以后稷下学宫里,要常见了。

暗自下了定论,又转悠到了陈旭的身后,扫了一眼,看着最后一道题上简单到有些简洁的做法,心下暗笑。

他以为尺规做正十七边形必然需要几十步甚至上百步,既然如此简洁,显然没有做出。

可当他扫过前面的代数论证后,张同差点忍不住叫出声来。

“他……他居然做出来了?”

“不可能!这不可能!”

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