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生锈圆规

王朝百科·作者佚名  2010-03-01
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生锈的圆规

从15世纪到17世纪,许多数学家(包括三次方程求根公式的发现者塔塔里亚与卡丹,四次方程求根公式的发现者费拉里)研究过直尺和开口固定的圆规作正多边形的方法。直到1673年,丹麦人摩尔证明:用直尺和开口固定的圆规可以完成一切尺规作图。塔塔里亚(N·Tartaglia,1499~1557,意大利)在已知边长的情况下用生锈的圆规作出了正三角形。

1797年意大利数学家马斯罗尼发现:只用一个圆规就可作出一切尺规作图(丹麦的摩尔1697年就知道了,但传播的范围较窄)

法国数学家彭色列(J·V·Poncelet)在1822年进一步证明:预先在纸上画一个圆(要有圆心),只用一把直尺就可完成一切尺规作图。1833年德国数学家斯坦纳(Jacob Steiner 1796~1863,生于瑞士,后居德国)的一本书里给这件事以更漂亮的证明。

只用一把直尺,这个也太高级了!基本上尺规作图到这地步也就山穷水尽了,所以150年过去了,这一领域基本没人说话。

意料之外的事发生了,在斯坦纳1833年小书之后,沉寂了150年的尺规作图舞台上演出了精彩的一幕。这一幕的主角是中国人,揭幕人就是著名的美国的几何学家年逾七旬的老教授佩多(Pedoe)。佩多教授感觉生锈的圆规应该不会像人们所想得那么简单,他精心选择了两个问题在加拿大的一个数学杂志上征解(我手头没有史资,无法查证,但我猜想这个加拿大杂志很可能就是我们在其他版块提到的《Crux》)

佩多教授提出的第一个问题(1979年提出):已知两点A、B,只用一把生锈的圆规(只能画半径为一的圆),能否作出点C,使得△ABC是正三角形?(由于没有直尺,A、B两点间也没有线段相连)

佩多教授提出的第二个问题(1982年提出):已知两点A、B,只用一把生锈的圆规(只能画半径为一的圆),能否作出线段AB的中点M?(由于没有直尺,A、B两点间也没有线段相连)

对于佩多的第一个问题,由于生锈的圆规只能画半径为1的圆,当AB≤2时,佩多和他的学生找出了解决办法,但对于AB>2时,从问题提出,三年过去了仍然找不出作图的方法。正当数学家们猜测这也大概是一个“不可能”的作图问题时,三位中国数学工作者:单墫、张景中、杨路(当时三人都在中国科技大学任教)在1983年用几种不同的方法加以肯定解决:能作出!

佩多教授得知中国同行解决了他的第一个问题之后,非常高兴,在一篇短文中他说这是他最愉快的数学经验之一。他还说很希望能看到第二个问题的解答,无论是能与否。

关于佩多的第二个问题的解决也是数坛佳话之一:只上过高中的22岁的自学青年侯晓荣花了一年时间研究这个问题,在1985年解决了这个被不少数学家称为无从下手的难题,他用代数的方法证明:用只可以作半径为1的圆的生锈的圆规可以完成一切普通的尺规作图。侯晓荣的这一结果远远超出了佩多教授的期望,使许多数学家感到惊讶。

根据侯晓荣的这一证明,张景中、杨路给出了一个较为简单的作图方法。

张景中院士在回忆这段历史时指出:一个数学难题的解决,并不靠一两手绝招;巧妙而曲折的步骤的产生,靠的是步步为营的缜密安排,先把难题分解为几部分,再各个击破!……,这是一块硬骨头,……,确实是经过几个不眠之夜,顽强探索的结果。完成这么一个难以下手的作图设计,眼光既要看到全局,作出战略阶段的划分,又要细致地分析每个细节,实现战术任务。这一仗打下来,在尺规作图这一古老课题的研究记录上,写下了中国人的一页!

 
 
 
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