化圓為方問題

化圓為方問題:求作一個正方形,使它的面積和已知圓的面積相等。

概述

化圓為方問題化圓為方問題

化圓為方問題(problem of quadratureof circle)是二千四百多年前古希人提出的三大幾何作圖問題之一,即求作一個正方形,使其面積等於已知圓的面積。其難度 在於作圖使用工具的限制。古希臘人要求幾何作圖只許使用直尺(沒有刻度,只能作直線的 尺)和圓規。最早研究這問題的是安納薩戈拉斯,他因「不敬神」的罪名被捕入獄,在獄中 潛心研究化圓為方問題,可惜他的結果失傳了。以後著名的研究者更有希波克拉底、安提豐皮亞斯等人。

研究

標尺作圖問題曾吸引許多人研究,但無一成功。化圓為方問題,實際上就是用直尺圓規作出線段π的問題。1882年法國數學家林 德曼(1852-1939)證明了π是超越數,同時證明了圓為方問題是標尺作圖不可能 的問題。因為十九世紀有人證明了若設任意給定長度單位,則標尺可作的線段長必為代數數 。而化圓為方問題相當於求作長為√π的線段,但√π並非代數數,故此標尺不可作。

記載

二千年間,儘管對化圓為方問題上的研究 沒有成功,但卻發現了一些特殊曲線。希臘安提豐(公元前430)為解決此問題而提出的 「窮竭法」,是近代極限論的雛形。大意是指先作圓內接正方形(或正6邊形),然後每次 將邊數加倍,得內接8、16、32、…邊形,他相信「最後」的正多邊形必與圓周重合, 這樣就可以化圓為方了。雖然結論是錯誤的,但卻提供了求圓面積的近似方法,成為阿基米德計算圓周率方法的先導,與中國劉徽的割圓術不謀而合,對窮竭法等科學方法的建立產生 直接影響。

條件

古代幾何中,有3個著名的幾何難題,其中之一是化圓為方問題,這個問題自提出後,經歷了許多人的手,在給定的條件下,沒有一個能令人信服地解決這個問題。

19世紀,在人們提示了數的本質後,才認識到問題的癥結這所在,原來的圓的面積為 (R為圓的半徑),其中 是一個超越數,它是不能精確測得的,假設化圓為方的話,其邊長為m,則問題就是要:這個問題由於 的緣故而受到了挫折,成為一個千古難題。

數學的研究,有一個根本的東西就是條件,化賀,圓為方問題不能解的條件,就是幾何中只允許使用圓規和無刻度的直尺,指望能通過有限次的作圖,把圓的面積化為等積的正方形,如果我們取消了這個限制,就是改換條件,這個問題不僅可以解決,而且解決的方法還不只一種。

巧妙辦法

15世紀著名畫家達.芬奇曾有一個很巧妙的辦法在不加圓規,直尺限制條件下實現了化圓為方.他的作法是:如圖
取半徑為R的直圓柱,其高取為R/2,將其沿側棱剪開,得一矩形,這個矩形的一邊長為R/2,另一邊長為 ,它的面積恰好為 ,這一步他實現了把圓化為矩形的目的.緊接著,再以R/2和 為基礎,作這兩條線的比例中項,以此為邊作正方形,其面積恰好為 ,這一步,他實現了把圓化為矩形的目的.緊接著,再以R/2和

為基礎,作這兩條線的比例中項,以此為邊作正方形,其面積恰好為:
用已知圓為底,圓半徑的1/2為高的圓柱,在平面上滾動一周,所得的矩形,其面積恰為圓的面積,所以所得矩形的面積=r/2.2πr=πr2 ,然後再將矩形化為等積的正方形即可。

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