眾所周知,高斯發現了正17邊形的尺規作圖方法。那麼正n邊形不能尺規作圖的有哪些?
這個問題問得有問題!應該這樣問:正n邊形能尺規做圖的有哪些。
高斯獨立做出了尺規做圖17等分圓周,也徹底解決了尺規做圖等分圓周的問題。
高斯的結論與「費馬素數有關」。
費馬素數與費馬數有關。形如Fk=2^(2^k)+1的數(k=0,1,2,3,...)被稱為費馬數(其中的2^(2^k)讀作:2的2的k次方次方)。當費馬數是素數的時候,就被稱為費馬素數。
目前已知的費馬素數一共有5個,即前5個費馬數——Fk(k=0,1,2,3,4):
F0=3
F1=5
F2=17
F3=257
F4=65537
人們發現當k=5,6,7,...乃至更大時,Fk都不是素數。迄今為止,人們再沒有找到更多的費馬素數,而且也無法證明:是不是除了這5個數之外,再沒有別的費馬素數。
高斯的結論,等分圓周的數字n必須是這樣的數:這個數可以分解成若干個因數,這些因數可以是若干個費馬素數,所有的費馬素數最多只能出現一次(也可以不出現),因數還可以包含若干個2。
為了好理解,我可以舉出幾個符合高斯這一定理的實例,我們已知費馬素數有五個:3,5,17,257,65537。以下這幾個n可以做尺規做圖等分圓周:
n=2×3×17
n=2×2×5×257×65537
n=2×2×2×2×5×257
n=2×2×3×5×257
……
中學講到三角函數之時,告訴大家了許多「特殊角」,所謂特殊角,是指這個角的各個三角函數可以用根號或分數來表示的角度,比如:0°,30°,45°,60°,90°,180°,等等。
我告訴你個秘密:解決尺規做圖等分圓周問題實際也等同於解決「哪些角是特殊角」的問題,即:對於一個可以尺規做圖等分圓周的數字n,與之對應的角度360°/n也同時是特殊角。用高斯的這個結論,在已知費馬素數的範圍內,我們可以毫無遺漏地找到所有特殊角。
中學常用到的那些特殊角都可以用高斯的理論來解釋:0°=360°/2^∞,30°=360°/2×2×3,45°=360°/2×2,60°=360°/2×3,90°=360/2×2,……,有了高斯的理論,我們可以找到許多不同於中學講到的特殊角。
作為本文的結束,最後提一個小插曲,以前的一本書《世界之最》,書中講到了世界上「用紙最多的數學手稿」,這個數學手稿解決的是尺規做圖65537等分圓周的問題,據說裝了滿滿一大皮箱。
答:在這裡,我能給出結果,但我無法給出完整的證明。
在100多年前,大數學家高斯,已經給出了正n邊形,能尺規作圖的條件。
用語言描述是:只要n是2的冪方數和互異費馬數的乘積,那麼正n邊形可尺規作圖。
費馬數來源於法國數學家費馬,在1640年提出的一個猜想:說具有以下形式的自然數,均為素數。
其中n為非負整數,費馬本人驗證了前面5個費馬數,都是素數。
第六個數太大,在沒有計算機的年代,沒有可靠辦法進行驗證。
直到1732年,瑞士大數學家歐拉,分解了F5=641×6700417,終結了費馬數猜想。
後來數學家發現,除了前五個費馬數是素數外,再也沒有發現其他費馬數是素數。
根據高斯給出的判據,可以得知:
1、當m=0,k=1,i=0時,n=3;
2、當m=2,k=0時,n=4;
3、當m=0,k=1時,n=5;
4、當m=1,k=1,i=0時,n=6;
5、當m=3,k=0時,n=8;
……
逐步算下去10,12,15,16,17……都可尺規作圖。
最小的不能尺規作圖的正多邊形為正七邊形,其他很多都可以尺規作圖,只要用高斯給出的判據去驗證就行。
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