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角的三等分

这简直是“化圆为方”(德语中引申为“不可能办到的事”)!你可能听过这句话,而且还可能知道它的出处。那可以追溯至古希腊时代,当时古希腊人尝试将一个圆转化成一个面积相等的正方形,但没有成功。直到19世纪,德国数学家费迪南德·冯·林德曼证明了“化圆为方”的这一做法是不可能实现的。在这里,提示一下,这一做法无法实现的主要原因是圆周率(Pi)。

将一个角三等分的问题不像“化圆为方”那样为大众所熟知。用圆规和直尺将一条线段三等分几乎没什么困难,但要把一个角三等分,该怎么做呢?

古希腊人也尝试了将角三等分,但也没有成功。大约两千年之后,才有一个数学家公布了他的证明,即皮埃尔·劳伦特·万策尔(Pierre Laurent Wantzel,1814—1884年)指出用尺规作图法无法实现把一个角三等分。

因此,如果你想将一块比萨公平地切成三份,除了用量角器量出角的大小并除以三,然后标出切割线之外,别无他法。

但是,有一个简单的技巧可以将不可能的事(一个角的三等分)成功地实现,你只需在纸上画出那个要平分的角,然后把它巧妙地折叠起来。

在上图中我们可以看到角 PBC ,它的边由线段 PB BC 构成, B 是我们要三等分的角的顶点。

A B C D 分别标记了这张纸的四个顶点。我们首先在纸的中间位置画一条水平线 EF 。然后,在线段 EF BC 的正中间——纸的下边缘位置——画第二条线段 GH ,该直线要与纸张的边缘线平行。

现在我们准备折纸:折起纸上的B角,将其在线段 GH 上来回移动,直到点 E 落在线段 BP 上, BP 即是我们要三等分角的上边。当点 B E 落在指定的线段上时,我们将卷起的角折叠压紧,如下图所示。接下来,我们标出点B与线段 GH 接触的位置,并将此点命名为 B ',然后用同样的方法标出 E '。

纸的折叠线与线段 GH 相交于点 I 。如此一来,我们的任务就完成了:线段 BB '和 BI 即是角 PBC 的三等分线(参见下图)。

精确地三等分

人们大概很难相信用如此简单的一个折叠技巧,竟然可以解决数学家用圆规和直尺无法解决的问题。

但是我们真的精确三等分这个角了吗?这并不难证明。由于我们是沿着 A ' I 折叠的,所以出现了许多直角。线段 EE '和 BB '垂直于折叠边缘。折边的起点在点 A '、点 B 和点 B '之间构成了一个等腰三角形。折痕平分了这个等腰三角形的顶角,从而得到两个相等的角,我们将它们称为角 α

其实,角 CBB '也与角 α 相等,因为只要观察一下刚才提到的那个等腰三角形的左半部分的内角和,我们就可以得出角 B ' BA =90°- α 。出于对称性的原因,角 BB ' G 与角 IBB '相等。现在我们需要证明的是,角 IBE '——在这里,我们称其为 α '——也与 α 一样大。

由于折叠具有镜面对称的效果,所以线段 BI 的延长线 BD 垂直于 E ' B '。如果两侧的线段 BE '和线段 BB '长度相同,则三角形 BB ' E '是一个等腰三角形,并且垂线将自动成为角平分线,这就意味着 α = α '。

事实上, BE '与 BB '的长度完全相等。因为四个点 E E '、 B B '构成了一个梯形,其对称轴正是折叠线。因此,两条对角线 BE '和 EB '的长度相等。同时, EB '与 BB '的长度也相等,因为 GH 刚好位于 EF BC 的正中间。综上可知,三角形 BB ' E '是一个等腰三角形。由此,我们便证明了线段 BI BB '的确将给定角等分成了三个角。

我仍然对折纸技巧感到惊讶。用折纸可以轻而易举地解决一个无法用尺规作图解决的问题,这难道还不疯狂吗?

我还发现了其他一些令人惊奇的事:像五边形纸结这样很容易操作的事情,如果从数学的角度去思考则非常曲折。因为证明用纸带打结的方法确实可以构成一个正五边形,并不像证明角的三等分那么容易。

不管你是否能明白这个复杂的证明过程,但是只要你掌握了这些几何技能,就再也不用为复活节或切比萨头疼了。

习题

习题6*

如果矩形的一组边长延长了50%,你需要把另一组边长缩短百分之多少,才能使矩形的面积保持不变?

习题7**

n 角形的每个内角是多少度?

习题8**

如果时钟的指针指示时间是16∶20,那么此时时针与分针之间的夹角是多少度?

习题9***

如下图所示,以正方形的每条边为基点,向外各画一个等腰三角形,而且每个三角形的面积都与正方形的面积相同。那么在最后形成的四角星里,两个相对角点之间的距离是多少?

习题10****

给定一个63°的角(参见下图),请你只使用圆规和直尺将该角三等分,在平分的过程中不可以折叠纸张。 TAvvh7BGwJdvfKVFrxydsgJHAkM1lR2jJn6Yq0M1voVEPOyxBZgpmPl8CWlczkvb

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