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立方倍积问题

更新时间:作者:小小条

这是一个古老的故事。

立方倍积问题

公元前400多年,希腊的雅典发生了瘟疫,人们为了消除瘟疫,便向伟大的太阳神求助。

太阳神说,必须将立方体的祭坛加大一倍,疾病就不会再流行。


一位设计师按照神谕,将祭坛的每边增加一倍,放进太阳神庙。

太阳神却勃然大怒,瘟疫更加严重了。因为每边增加一倍,祭坛的体积是原来的八倍,而不是两倍。


那么问题来了,如何才能使立方体祭坛的体积增加一倍呢?

当时最伟大的数学就是几何学,几何学作图使用的工具只有两个:圆规和直尺。

希腊人为什么执着于直尺和圆规呢?

因为圆规和直尺是基本的作图工具,而初等几何的图形也都是由直线和圆弧组成,似乎都可以用直尺和圆规做出来。

其次,希腊的数学,重视思维训练,而对思维训练就要尽可能减少工具,直尺和圆规就是少得不能再少的工具了。


然而,这样一个简单的问题,难倒了所有的希腊数学家。。。包括后来两千年的数学家。

现在我们知道,立方体倍增的问题,只用直尺和圆规是无法完成的。

(尺规作图画的苹果,不是我画的,我抄的)


令人诧异的是,不能完成的证明居然是用代数实现的。

以下证明,仅供欣赏。

我们知道,所谓立方体体积加倍,设原立方体的边长为1,则新立方体的边长为

于是问题转化成:如何作一条长度为

的线段?

以下证明开始:

首先我们知道,使用直尺和圆规,可以做出任意的整数单位长的线段,如长度为3,5,8这样的线段。

于是我们建立一个集合A,将所有正整数放进去。

A={1,2,3,⋯}

然后我们考虑,使用直尺和圆规还可以做多长的线段?我们可以将长度为1的线段任意等分。例如我们可以平分线段,三等分线段,四等分线段……

于是,所有有理数长度的线段也可以做。(具体做法数学佬不想说,保密)

这样,我们能实现的长度集合A又扩大了,现在

有理数集合中的任何长度,我都可以画出来。


比如我要画一条3.5长的线段。

我们可以先画一条长为3的线段

再将长为1的线段二等分

将两条线段接起来即可。

我们还能够做出什么长度的线段呢?嗯,

是可以的,因为我们只要做一个边长为1的正方形,其对角线长就是

同理,我们可以做出任何

长度的线段。

例如


现在,我们又可以将集合A再一次扩大。


对于集合A中的任何一个长度线段,我们都可以通过尺规作图作出来。

做法不赘述。

还有其他数能通过尺规作图作出来吗?没有了。

现在,我们得到了尺规作图能作出的所有线段长度集合。

因为

所以尺规作图不可能解决立方倍增问题。

(在严谨的数学家看来,这个不属于也是需要证明的,不过,我不是严谨的数学家,于是我就不证明了。哈哈)


那么,立方倍增问题就真的无解了吗?

也不是,我们有两个途径,一个是物理学的,一个是数学的。


先说物理学怎么解决这个问题的。

特别简单。因为

≈1.2599,那么我们就按照1.26长来建造祭坛即可。

因为任何建造都不可能精确到无穷位,它终究是要近似的。

甚至,连原来的祭坛边长也是不可能测量准确的,也只是一个近似值。

既然如此,用1.26来建造祭坛已经非常准确了。

其余部分,物理学上叫误差。

哈哈,哈哈,哈哈。


再说数学怎么解决这个问题的。

数学解决问题的办法是,使用除了直尺和圆规以外的工具。

(已经证明:直尺和圆规不能胜任,那么我们就拿多一些工具嘛)

突破尺规,办法就非常非常多了。我最喜欢下面这个办法。


我相信聪明的读者一眼就能看出来。

至于怎么做抛物线,虽然不能用尺规,但通过机械的办法就可以很精确做到。

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