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化圆为方的低阶版——“化多为方“

2023-01-27 11:41 作者:げいしも_芸  | 我要投稿

众所周知,由于π是一个超越数,即不是任意一个有限项有理系数多项式方程的解,也就无法得到%5Csqrt%5Cpi,进而否定了尺规作图化圆为方的的可能性

注:π是

%5Csum_%7Bn%3D0%7D%5E%7B%5Cinfty%7D(-1)%5En%5Cfrac%7Bx%5E%7B2n%2B1%7D%7D%7B(2n%2B1)!%7D%3D0

的解,但由于这是个拥有无限项的多项式,故不能证明π是代数数

但,虽然化圆为方无法做到,我们却能做到化圆为方的低阶版——“化多为方”,即对于任意一个多边形(不论是凸多边形或凹多边形),我们都能将其用尺规作图转化为面积与之一致的正方形


首先,对于任一多边形,显然可以将其划分为若干个三角形


其次,对于其中一个ΔABC,作出与AB平行的中位线B'A',过C作B'A'的垂线交B'A'与点H,将ΔABC分解为梯形AB'A'B;ΔB'HC和ΔA'HC,而由于B'A'是ΔABC的中位线,我们可以重新拼接这三部分成与原三角形面积一致的长方形(如图)

然后,令现长方形的长宽分别为a,b,则其面积为ab,要作出对应的正方形,即作出长度为%5Csqrt%7Bab%7D的线段,其作法如下图所示:

其中曲线是以AB为直径的圆,CD⊥AB

容易知道:

ΔACD∽ΔCBH

既有:

%5Cfrac%20ah%3D%5Cfrac%20hb

交差相乘得到:

h%5E2%3Dab

即:

h%3D%5Csqrt%7Bab%7D


截至目前,我们已经将原多边形转化为了若干个边长为h_1,h_2,...,h_n的正方形,接下来就需要将这若干正方形合并为一个大正方形,这步所需要的操作只是反复使用勾股定理,即通过构造直角三角形,将正方形两两合并,最终得到与原多边形面积相同的正方形


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