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尺規作圖(Compass-and-straightedge construction)是指用無刻度的直尺和圓規作圖。[1]

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尺規作圖是起源於古希臘的數學課題。只使用圓規和直尺,並且只准許使用有限次,來解決不同的平面幾何作圖題。尺規作圖使用的直尺和圓規帶有想象性質,跟現實中的並非完全相同: 1、直尺必須沒有刻度,無限長,且只能使用直尺的固定一側。只可以用它來將兩個點連在一起,不可以在上畫刻度; 2、圓規可以開至無限寬,但上面亦不能有刻度。它只可以拉開成之前構造過的長度。 義務教育階段學生首次接觸的尺規作圖是「作一條線段等於已知線段」。

八種基本作圖

1、作一條線段等於已知線段 2、作一個角等於已知角 3、作已知線段的垂直平分線 4、作已知角的角平分線 5、過一點作已知直線的垂線 6、已知三邊作三角形 7、已知兩角、一邊作三角形 8、已知一角、兩邊作三角形

基本方法

以下是尺規作圖中可用的基本方法,也稱為作圖公法,任何尺規作圖的步驟均可分解為以下五種方法 [2]: 1、通過兩個已知點可作一直線。 2、已知圓心和半徑可作一個圓。 3、若兩已知直線相交,可求其交點。 4、若已知直線和一已知圓相交,可求其交點。 5、若兩已知圓相交,可求其交點。

作圖實例

過三點作圓 【已知】不共線的A、B、C三點。 【求作】過該三點之圓。 【作法】① 連接AB,連接AC;② 分別作出線段AB、AC的中點D、E;③ 過D作AB的垂線,過E作AC的垂線,兩垂線相交於O;④ 以O為圓心OA長為半徑作圓,即為求作之圓。 作頂點分別在三平行線上的正三角形 【已知】平行直線L1、L2、L3。 【求作】正△ABC,使三個頂點分別落在三條平行線上。 【作法一】① L1上任取一點D為頂點,作正三角形△DBE,使B、E落在L2上(圖1中虛線為正三角形簡易作法);② 作過D、E直線交L3於C;③ 以B為圓心BC為半徑作弧交L1於A,連接A、B、C成△ABC。 【作法二】① L2上任取一點B作三平行線公垂線交L1於E,L3於D;② 作線段EB的垂直平分線L4;③ 過D作直線DG使∠EDG = 30°,並交L4於G;④過B、G作直線交L1於A;⑤ 以B為圓心BA為半徑作弧交L3於C,連接A、B、C成△ABC。 註:可將第⑤步改為,過G作AB的垂線交L3於點C。這樣G,B,D,C四點顯然共圓。於是可證得∠BCG=∠EDG = 30°。這樣可以很快證得△ABC為等邊三角形。

著名問題

尺規作圖不能問題就是不可能用尺規作圖完成的作圖問題。其中最著名的是被稱為幾何三大問題的古典難題: ■倍立方問題:作一個立方體,使它的體積是已知立方體的體積的兩倍; ■化圓為方問題:作一個正方形,使它的面積等於已知圓的面積。 ■三等分角:作一個角,將其分為三個相等的部分。 以上三個問題在2400年前的古希臘已提出這些問題,但在歐幾里得幾何學的限制下,以上三個問題都不可能解決的。直至1837年,法國數學家萬芝爾才首先證明「三等分角」和「倍立方」為尺規作圖不能問題。而後在1882年德國數學家林德曼證明π是超越數後,「化圓為方」也被證明為尺規作圖不能問題。

參考文獻