正十七边形尺规作图与详解

1、实用标准文档解读“数学王子”高斯正十七边形的作法一、高斯的传奇故事高斯(Carl Friedrich Gauss 1777.4.301855.2.23),德国数学家、物理学家、天文学家。 有一天，年幼的高斯在一旁看著作水泥工厂工头的父亲计算工人们的周薪。父亲算了好一会儿，终于将结果算出来了。可是万万没想到，他身边传来幼嫩的童音说：“爸爸，你算错了，总数应该是”父亲感到很惊异，赶忙再算一遍，结果证实高斯的答案是对的。这时的高斯只有3岁！高斯上小学了，教他们数学的老师布特勒(Buttner)是一个态度恶劣的人，他讲课时从不考虑学生的接受能力，有时还用鞭子惩罚学生。有一天，布德勒让全班学生计算1+2

2、+3+4+5+98+99+100 =?的总和，并且威胁说：“谁算不出来，就不准回家吃饭！”布德勒说完，就坐在一旁独自看起小说来，因为他认为，做这样一道题目是需要些时间的。小朋友们开始计算：“1 + 2 =3, 3+3 =6, 6+4 =10 ,”数越来越大，计算越来越困难。但是不久，高斯就拿着写着解答的小石板走到布德勒的身边。高斯说：“老师，我做完了，你看对不对？ “做完了？这么快就做完了？肯定是胡乱做的！”布德勒连头都没抬，挥挥手说：“错了，错了！回去再算！”高斯站着不走，把小石板往前伸了伸说：“我这个答案是对的。”布德勒抬头一看，大吃一惊。小石板上写着5050 , 一点也没有错！高斯的算法

3、是1 + 2 +3 + +98 +99 + 100100 +99 + 98 + +3+ 2+1101 +101 +101 + 101 +101 +101 =101 X100 =10100神童高朝10100 +2=5050高斯并不知道，他用的这种方法，其实就是古代数学家经过长期努力才找出来的求等差数列和的方法，那时他才八岁！1796年的一天，德国哥廷根大学。高斯吃完晚饭，开始做导师给他单独布置的三道数学题。前两道题他不费吹灰之力就做了出来了。 第三道题写在另一张小纸条上：要求只用圆规和没有刻度的直尺，作出一个正十七边形。这道题把他难住了一一所学过的数学知识竟然对解出这道题没有任何帮助。时间一分一

4、秒的过去了，第三道题竟毫无进展。他绞尽脑汁，尝试着用一些超常规的思路去寻求答案。当窗口露出曙光时，他终于解决了这道 难题。当他把作业交给导师时， 感到很惭愧。他对导师说：“您给我布置的第三道题， 我竟然做了整整一个通宵， ”导师看完作业后，激动地对他说：“你知不知道？你解开了一桩有两千多年历史的数学悬案！阿基米得没有解决，牛顿也没有解决，你竟然一个晚上就解出来了。你是一个真正的天才！”原来，导师也一直想解开这道难题。那天，他是因为拿错了，才将写有这道题目的纸条交给了学生。在这件事情发生后，高斯曾回忆说：“如果有人告诉我，那是一道千古难题，我可能永远也没有信心将它解出来。”1796年3月30日，

5、当高斯差一个月满十九岁时，在期刊上发表关于正十七边形作图的问题。他显然以此为自豪，还要求以后将正十七边形刻在他的墓碑上。然而高斯的纪念碑上并没有刻上十七边形，而刻着一颗十七角星，原来是负责刻纪念碑的雕刻家认为：“正十七边形和圆太像了，刻出来之后，每个人都会误以为是一个圆。”1877年布雷默尔奉汉诺威王之命为高斯做一个纪念奖章。上面刻着：“汉诺威王乔治 V.献给数学王子高斯(Georgius V. rex Hannoverage Mathematicorum principi): 自那之后，高斯就以"数学王子"着称于世。二、高斯正十七边形尺规作图的思路(这里是纯三角法)作正十

6、七边形的关键是作出 cos ,为此要建立求解cos 的方程。1717设正17边形中心角为a ,则17 0c =2冗，即16 0c =2 % a故 sin16 a = sin a ,而sin16 民= 2sin8 a cos8 a= 4sin4 a cos4 a cos8 a=8 sin2 a cos2 a cos4 a cos8 a=16 sin a cos a cos2 a cos4 a COS8 a因sin a汽，两边除以sin a ,有16cos a cos2 a C0s4 a C0s8 a = 1由积化和差公式，得4(cos a +cos3 a)(cos4 a +cos12 oc)=

7、1展开，得4(cos a cos4 a +cos a C0s12 a +cos3 a C0s4 a +cos3 a C0s12 a) = 1再由积化和差公式，得2(cos3 a +cos5 a)+ (cos11 +cos13 oc)+(cos a +cos7 a) + (cos9 a+cos15 a)=注意至U cos11 a =cos6 a , C0s13 a =C0s4 a , C0s9 a =C0s8 a , C0s15 a =C0s2 a ,2(cos a +cos2 a +cos3 a +cos4 a +cos5 a +cos6 a +cos7 a +cos8 a) = 1设 a =

8、 2(cos a+ cos2 a+cos4 a+ cos8 Ot),b=2(cos3 a+ cos5 a+cos6 a+ cos7 a),则 a + b = 1又 ab = 2(cos oc +cos2 a +cos4 a +cos8 * 2(cos3 a +cos5 oc +cos6 oc +cos7 2= 4cos Ot(cos3 oc +cos5 oc +cos6 oc -Pcos7 Ot)+4cos2 Ot(cos3 oc +cos5 oc +cos6 oc+ cos7 oc)+ 4cos4 Ot(cos3 oc +cos5 a +cos6 a +C0S7 a)+4cos8 a(cos

9、3 a +C0S5 a + cos6 a +cos7 a)再展开之后共16项，对这16项的每一项应用积化和差公式，可得：ab=2 (cos2 a +cos4 Ot)+(cos4 a +cos6 Ot)+(cos5 a +cos7 Ot)+(cos6 a +cos8 a) 十 (cos a +cos5 Ot) + (cos3 a +C0S7 a) + (C0S4 a +C0S8 a)+ (C0S5 a +C0S9 a) + (COS a +COS7 a) + (COS a+COS9oc)+(COS2 a+COS10a) +(COS3 a+COS11oc)+(COS5 a +COS11a) 十 (

10、COS3 a +COS13 a) + (COS2 a +COS14 a)+ (COS a +COS15 a)注意到J COS9 a =COS8 a , COS10 a =COS7 a , COS11 a =COS6 a , COS13 a =COS4 a ,COS14 a =COS3 a , COS15 a =COS2 a ,有ab =2 X4(cos a +cos2 a +COS3 a +COS4 a +COS5 a +COS6 a +COS7 a +COS8 oc)= 一cos -) + cos 1717-)1722因为 COS a +COS2 a +COS8 a =(COSb17=2co

11、s - cos 3cos 一 = 2cos 一 (cos17171717又 0 < < < 1732所以cos > 1 172即 cos a +cos2 a +cos8 a > 0又因为 cos4 a =cos > 017所以 a= cos a +cos2 a +cos4 a +cos8 a > 0又 ab = -4< 0所以有a > 0 , b< 0可解得文案大全1 a=.171 J72再设 c = 2(cos 民-Hcos4 a), d=2(cos2 民 +cos8 a),贝1J c+d =acd = 2(cos oc+ cos4

12、 a) 2(cos2 a+ cos8 讣=4 (cos Otcos2 oc -kcos Otcos8 oc +cos4 Otcos2 oc +cos4 Otcos8 oc)=2 (cos oc -Pcos3 Ot)+(cos7 oc +cos9 oc)+ (cos2 oc +cos6 Ot) + (cos4 oc +cos12 oc)注意至U cos9 oc =cos8 oc , cos12 oc =cos5 oc ,有cd =2(cos oc +cos3 Ot)+(cos7 oc +cos8 a) + (cos2 a +cos6 Ot) + (cos4 a +cos5 a)=2( cos a

13、 +cos2 a +cos3 a +cos4 a +cos5 a +cos6 a +cos7 a +cos8 a)=-1因为 0 < a < 2 a < 4 a < 8 a < 兀所以 cos a > cos2 a , cos4 a > cos8 a两式相力口得 cos a +cos4 a> cos2 a +cos8 a或 2(cos a +cos4 a)> 2(cos2 a +cos8 a)又 cd =-1 < 0所以有可解得c= ad=a、a2 42类似地，设 e=2(cos3 oc +cos5 oc), f = 2(cos6 a

14、 +cos7 a)则 e+f = bef = 2(cos3 民 +cos5 * 2(cos6 民 +cos7 *=4(cos3 Otcos6 oc -Pcos3 Otcos7 oc +cos5 Otcos6 oc +cos5 Otcos7 a)=2 (cos3 a+cos9 a) + (cos4 a +cos10 a)+ (cos a+cos11 a) + (cos2 a +cos12 刈注意到J cos9 a =cos8 a , COS10 a =COS7 a , COSlI a =COS6 a , COS12 a =COS5 a , 有ef = 2(cos3 a +COS8 Ot) + (

15、cos4 a +COS7 oc) + (COS a +COS6 Ot) + (cos2 a +COS5 oc)=2( COS a +COS2 a +COS3 a +COS4 a +COS5 a +COS6 a +COS7 a +COS8 oc)=-1因为 0 < 3 oc < 5 oc < 6 oc < 7 oc < 兀所以有 COS3 a > COS6 a , COS5 a > COS7 a两式相加得 COS3 a +COS5 oc> COS6 a +COS7 a2(cos3 a +COS5 oc)> 2(cos6 a +COS7 oc)

16、即 e > f ,又 ef = -1 < 0所以有e > 0 , f < 0可解得b . b2 4b b2 4e=,【f=2'2由 C= 2(COS a +COS4 oc),得 COS a +COS4 a =1,即 COS 2y + COS 8y = -ce = 2(cos3 a +COS5 oc),应用积化和差公式， 得 COS 0CCOS4 a =-,即 COS COS 41717因为0<17<2,所以cos 2 >cos >017所以2cos =17c c2 4e4，8cos1717c . c2 4e4于是，我们得到一系列的等式:a

17、 _1 J17 b _1、172，2，c=a a2 42b . b2 4e二22cos =17cc2 4e4有了这些等式，只要依次作出a、b、c、e,便可作出2cos 。17步骤一:给一圆 O ,作两垂直的半径OA、OB ,作 C 点使 OC = 1/4OB ,作 D 点使/ OCD = 1/4 ZOCA ,作AO延长线上 E点使得/ DCE = 45度。步骤二：作AE中点 M ,并以 M为圆心作一圆过 A点，此圆交 OB于F点，再以D为圆心，作一圆过F点，此圆交直线 OA于G4和G6两点。步骤三：过G4作OA垂直线交圆 。于P4 ,过G6作OA垂直线交圆 。于P6 ,则以圆O为基准圆， A为

18、正十七边形之第一顶点P4为第四顶点， P6为第六顶点。连接P4P6 ,以1/2弧P4P6为半径，在圆上不断截取，即可在此圆上截出正十七边形的所有顶点。历史最早的十七边形画法创造人为追迎高斯(17771855 年)，德国数学家、物理学家和天文学家。在童年时代就表现出非凡的数学天才。三岁学会算术，八岁因发现等差数列求和公式而深得老师和同学的钦佩。1799年以代数基本定理的四个漂亮证明获得博士学位。高斯的数学成就遍及各个领域，其中许多都有着划时代的意义。同时，高斯在天文学、大地测量学和磁学的研究中也都有杰出的贡献。1801年，高斯证明：如果 k是质数的费马数，那么就可以用直尺和圆规将圆周k等分。高斯本人就是根据这个定理作出了正十七边形，解决了两千年来悬而未决的难题。道理当时，如果高斯的老师告诉了高斯这是道2000多年没人解答出来的题目，高斯就不会画出这个正十七边形。这说明了你不怕困难，困难就会被攻克，当你惧怕困难，你就不会胜利。正十七边形的证明方法正十七边形的 尺规作图 存在之证明