高考数学二、几何作图三大难题专题1
三大作图难题
引人入胜的千古难题——三大尺规作图问题尺规作图是我们熟知的内容。
尺规作图对作图的工具——直尺和圆规的作用有所限制。
直尺和圆规所能作的基本图形只有:过两点画一条直线、作圆、作两条直线的交点、作两圆的交点、作一条直线与一个圆的交点。
公元前五世纪的希腊数学家,已经习惯于用不带刻度的直尺和圆规(以下简称尺规)来作图了。
在他们看来,直线和圆是可以信赖的最基本的图形,而直尺和圆规是这两种图形的具体体现,因而只有用尺规作出的图形才是可信的。
于是他们热衷于在尺规限制下探讨几何作图问题。
数学家们总是对用简单的工具解决困难的问题备加赞赏,自然对用尺规去画各种图形饶有兴趣。
尺规作图是对人类智慧的挑战,是培养人的思维与操作能力的有效手段。
所谓三大几何作图难题就是在这种背景下产生的。
传说大约在公元前400年,古希腊的雅典流行疫病,为了消除灾难,人们向太阳神阿波罗求助,阿波罗提出要求,说必须将他神殿前的立方体祭坛的体积扩大1倍,否则疫病会继续流行。
起初,人们并没有认识到满足这一要求会有多大困难,但经过多次努力还不能办到时,才感到事态的严重。
人们百思不得其解,不得不求教于当时最伟大的学者柏拉图,柏拉图经过慎重的思考,也感到无能为力。
这就是古希腊三大几何问题之一的倍立方体问题。
用数学语言表达就是:已知一个立方体,求作一个立方体,使它的体积是已知立方体的两倍。
任意给定一个角,仅用直尺和圆规作它的角平分线是很容易的,这就是说,二等分任意角是很容易做到的。
于是,人们自然想到,任意给定一个角,仅用直尺和圆规将它三等分,想必也不会有多大困难。
但是,尽管费了很大的气力,却没能把看来容易的事做成。
于是,第二个尺规作图难题——三等分任意角问题产生了。
正方形是一种美丽的直线形,圆是一种既简单又优美的曲线图形,它们都有面积,能不能用直尺和圆规作一个正方形,使它的面积等于一个给定的圆的面积?这就是尺规作图三大难题的第三个问题——化圆为方问题。
古希腊三大几何问题既引人入胜,又十分困难。
人教版B版高中数学选修3-1(B版)代数学与三大几何作图难题
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结果被一个学者指出了错误:“棱二倍起来 体积就成了八倍,神所要的是二倍而不是八 倍。”大家都觉得这个说法很对,于是改在 神前并摆了与旧祭坛同形状同大小的两个祭 坛,可是瘟疫仍不见消灭。人们困扰地再去 问神,这次神回答说:“你们所做的祭坛体 积确是原来的二倍,但形状却并不是正方体 了,我所希望的是体积二倍,而形状仍是正 方体。”
我们都知道化圆为方是由古希腊著名学者阿 纳克萨戈勒斯提出的,但是阿纳克萨戈勒斯 一生也未能解决自己提出的问题。
实际上,这个化圆为方问题中的正方体的边 长是圆面积的算数平方根。我们假设圆的半 径为单位1,那么正方形的边长就是根号π 。
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直到1882年,化圆为方的问题才最终有了合 理的答案。德国数学家林德曼 (Lindemann,1852~1939)在这一年成功地证 明了圆周率π =3.1415926......是超越数, 并且尺规作图是不可能作出超越数来,所以 用尺规作图的方式解决化圆为方的问题才被 证明是不可能实现的。
过了几年,公主的妹妹小公主长大了,国王 也要为她修建一座别墅。小公主提出她的别 墅要修的像姐姐的别墅那样,有南北门。国 王满口答应,小公主的别墅很快就动工了, 当把南门建立好,要确定桥和北门的位置时, 却出现了一个问题:怎样才能使得北门到卧 室和北门到桥的距离一样远呢?
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工匠们试图用尺规作图法确定出桥的位置, 可是他们用了很长的时间也没有解决。于是 他们去请教阿基米德。
平面几何作图三大问题
平面几何作图限制只能用直尺、圆规,而这里所谓的直尺是指没有刻度只能画直线的尺。
用直尺与圆规当然可以做出许多种之图形,但有些图形如正七边形、正九边形就做不出来。
有些问题看起来好像很简单,但真正做出来却很困难,这些问题之中最有名的就是所谓的三大问题。
三大几何问题是: 1.化圆为方:求作一正方形使其面积等于一已知圆;圆与正方形都是常见的几何图形,但如何作一个正方形和已知圆等面积呢?若已知圆的半径为1则其面积为π(1)2=π,所以化圆为方的问题等于去求一正方形其面积为π,也就是用尺规做出长度为π/2的线段(或者是π的线段)。
2. 三等分任意角的问题。
对于某些角如90。
、180。
三等分并不难,但是否所有角都可以三等分呢?例如60。
,若能三等分则可以做出20。
的角,那么正18边形及正九边形也都可以做出来了(注:圆内接一正十八边形每一边所对的圆周角为360。
/18=20。
)。
其实三等分角的问题是由求作正多边形这一类问题所引起来的。
3.倍立方问题:求作一立方体使其体积是一已知立方体的二倍。
解析几何诞生之后,人们知道直线和圆,分别是一次方程和二次方程的轨迹。
而求直线与直线、直线与圆、圆与圆的交点问题,从代数上看来不过是解一次方程或二次方程组的问题,最后的解是可以从方程的系数(已知量)经过有限次的加、减、乘、除和开平方求得。
因此,一个几何量能否用直尺圆规作出的问题,等价于它能否由已知量经过加、减、乘、除、开方运算求得。
这样一来,在解析几何和高斯等人已有经验的基础上,人们对尺规作图可能性问题,有了更深入的认识,从而得出结论:尺规作图法所能作出的线段或者点,只能是经过有限次加、减、乘、除及开平方(指正数开平方,并且取正值)所能作出的线段或者点。
1637年笛卡儿创建解析几何以后,许多几何问题都可以转化为代数问题来研究。
1837年旺策尔(Wantzel)给出三等分任一角及倍立方不可能用尺规作图的证明。
他是如此证明的:假设已知立方体的棱长为a,所求立方体的棱长为x,按立方倍积的要求应有x3=2a3的关系。
几何三大难题的不能与“解决”
【 张顺燕.数学的源与流.北京高等教育 2 】
出版社. 0 0 9 第一版. . 4 20 . . P1 . 9
可知它的任何一个根都不能用尺规作 出, 与 :
维普资讯
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数 学教学
20 年第 5 06 期
几何三大难题 的不能与 “ 解决’ ’
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2 0 多年来几何 中尺规作 图的三大难题 引 00 发了无数的数学爱好者为此前仆后继, 投入了大
可以尺规作 图的, 具体作法如下: 已知单位 长度和长度为 a 6 、 的线段.
( 如果已知单位长1 1 ) 和有理数a bCa b 、 、 (、、 C> 0, )那么 以一元二次 方程 a 2 x+C 0 x +b =
的根 为长度 的线段是可 以用尺规 作出的.
( 作长度为a 和a 的线段( 1 ) +6 —b 图略) . ( 作长度为0的线段. 2 ) 6
0( 1 6如图 所示) .
三、 古希腊尺规作图三大难题介绍 () I三等分任意角;
() 2化圆为方: 求作一正方形, 使其面积等于
一
已知 圆的面积;
A B G
A B C
( 立方倍积: 3 ) 求作一立方体, 使其体积是已
知立方体体积的两倍.
图 1
图2
维普资讯
参考文献
于方程 8 3 一1: 0 —6 的有理根 只能是 士1 、
【 张奠宙、 1 】 邹一心. 现代数学与中学数学.
上海教育出版社. 9 0 9 第一版. 19 . .
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阅读材料由尺规作图产生的三大难题
华东师大2011版八年级上册第十三章全等三角形阅读材料由尺规作图产生的三大难题湖北省宜昌市英杰学校袁璐大家好!我今天说课的内容是华东师大2011版八年级上册,第十三章全等三角形,阅读材料——由尺规作图产生的三大难题。
下面,我从教材分析、学情分析、教学目标、教学重难点、教学模式、教具准备、教学过程和板书设计八个方面来说这节课。
一、教材分析尺规作图以严密的逻辑推理,成为数学教学中独具一格的教学内容。
它能够培养学生更加强烈的图形意识,能够更加深入的培养初中生的画图能力,能够给于学生更加强大的空间感。
所以,尺规作图知识虽然篇幅简短,但不可忽略其作用。
在学习尺规作图后,对尺规作图不能问题进行一个简单的探究,对数学历史进行一个简要的介绍,让学生体会到尺规作图的简单美和精确美,从而感受数学独有的文化魅力。
二、学情分析经过本章前一课时的学习,学生已经了解了尺规作图的基本要求,掌握了尺规作图的5种基本作图,能有选择地使用作图工具,完成需要的图形。
学生对尺规作图的接受度较高,对尺规作图的便利性有了较深的体会。
但对尺规作图的研究历史缺乏,对尺规作图还存在片面的认识。
因此,要通过本节课的学习,力争达到以下教学目标。
三、教学目标1、通过阅读材料,了解尺规作图三大难题的具体内容,了解数学发展的历史,渗透数学文化教育,激发学生对数学的热爱;2、在已有的尺规作图经验下,引导学生独立思考、合作交流,通过三等分任意角问题,引导学生发现并初步探究尺规作图不能问题;3、传播数学文化,提高学生的数学史素养,激起学生对数学知识探索的欲望,学习数学家们的永不放弃、不停探索的科学精神。
根据以上教学目标和学生已有的认知基础,我确定了本节课的教学重点,教学难点,及如何突出重点,突破难点。
四、教学重难点:教学重点:尺规作图的基本要求,认识由尺规作图产生的三大难题。
教学难点:提高学生的数学史素养,激起学生对数学知识探索的欲望,学习数学家们的探索精神。
平面几何三大作图难题
平面几何三大作图难题相传有一年,平静的爱琴海的第罗斯岛上,降临了一场大瘟疫,几天时间内,岛上的许多人就被瘟疫夺取了生命,惨不忍睹,幸存的人吓得战战兢兢,毫无办法,纷纷躲进圣庙,期求神灵保佑自己和家人。
人们的祈求和哀嚎声并没有感动上苍,相反,瘟疫仍在蔓延,死去的人越来越多。
他们不知什么事情触怒了神灵。
心城的人们日夜匍匐神庙的祭坛前,请求神灵的宽容和饶恕。
悲惨的现实使人们的心灵受到了极大的创伤,泪珠和汗滴交织在一起,使神坛前面一片湿润。
许多人在神坛前就到下了。
据说,神终于被感化了,并叫巫师传达了旨意:“第罗斯人要想活命,必须将圣庙中的祭坛加大一倍,并且不能改变祭坛的形状。
”活着的人好象得到了救命的灵丹妙药,马上就量好祭坛(长方体)的长、宽、高,连夜请工匠把长宽高加大一倍的新祭坛造好了,送进了圣庙。
人们好象完成了一项光荣的使命,等待神的宽恕,然而,时间一天天过去了,瘟疫更加疯狂肆虐,人们的思想再次陷入极度的痛苦之中。
在神坛前,人们说道:“尊敬的神啊,你饶恕我们第罗斯人吧,我们已经按照你的旨意办了,将神坛加大了一倍......”。
后来,巫师再次传达了神的旨意,巫师冷冷地说:“你们没有满足神的要求,你们没有将祭坛加大一倍,而是加大7倍,神灵将继续严惩你们......”?聪明的人们终于明白了其中的道理,他们的确将祭坛加大为原来的8倍。
但,在原来的基础上如何将祭坛加大一倍呢?第罗斯人经过长时间的思考,无法解决,只好派人到首都雅典去请教当时最著名的学者伯拉图。
伯拉图经过长时间的思考,也无法解决,他搪塞说:“由于第罗斯人不敬几何学,神灵非常不满,才降临了这场灾难。
”这个悲惨的故事,当时是人们虚构的,但其中提到的数学问题却是几何三大作图难题之一的立方倍积问题,另外两个问题是“三等份角问题”以及“化圆为方的问题”。
古希腊的几何作图只准用没有刻度的直尺和圆规。
这三大问题看似简单,可它们折磨数学家大约有两千多年的时间。
任意平分一个角,用尺规是很容易的,可能有的人会认为:三等分角的问题,只是由二等分到三等分一个小小的变化,没有什么困难吧。
高中数学新苏教版精品教案《苏教版高中数学选修3-1 1.2.2 巧辩学派与几何作图三大难》
巧辨学派与几何作图三大难题教学设计一、教学目标1.让学生了解尺规作图三大几何问题产生背景。
2.经历探索尺规作图三大几何问题如何解决的过程,进一步体会数学方法思想。
3.学生通过数学家对三大几何问题的不断探索,感受数学家执著追求的科学的精神。
二、问题背景了解古希腊三大几何问题既引人入胜,又十分困难。
问题的妙处在于它们从形式上看非常简单,而实际上却有着深刻的内涵。
它们都要求作图只能使用圆规和无刻度的直尺,而且只能有限次地使用直尺和圆规。
但直尺和圆规所能作的根本图形只有:过两点画一条直线、作圆、作两条直线的交点、作两圆的交点、作一条直线与一个圆的交点。
某个图形是可作的就是指从假设干点出发,可以通过有限个上述根本图形复合得到。
1立方倍积,即求作一立方体的边,使该立方体的体积为给定立方体的两倍。
2化圆为方,即作一正方形,使其与一给定的圆面积相等。
3三等分角,即分一个给定的任意角为三个相等的局部。
三、问题探究过程1.化圆为方方圆的问题与提洛斯问题是同时代的,由希腊人开始研究。
有名的阿基米得把这问题化成下述的形式:一圆的半径是r,圆周就是2πr,面积是πr2。
由此假设能作一个直角三角形,其夹直角的两边长分别为圆的周长2πr及半径r,那么这三角形的面积就是1/22πrr=πr2与圆的面积相等。
由这个直角三角形不难作出同面积的正方形来。
但是如何作这直角三角形的边。
即如何作一线段使其长等于一圆的周长,这问题阿基米德可就解不出了。
2.立方倍积关于立方倍积的问题有一个神话流传:当年希腊提洛斯〔Deo〕岛上瘟疫流行,居民恐惧也向岛上的守护神阿波罗〔Aoo〕祈祷,神庙里的预言修女告诉他们神的指示:“把神殿前的正立方形祭坛加到二倍,瘟疫就可以停止。
〞由此可见这神是很喜欢数学的。
居民得到了这个指示后非常快乐,立刻开工做了一个新祭坛,使每一稜的长度都是旧祭坛稜长的二倍,但是瘟疫不但没停止,反而更形猖獗,使他们都又惊奇又惧怕。
结果被一个学者指出了错误:棱二倍起来体积就成了八倍,神所要的是二倍而不是八倍。
几何作图三大难题与
这就是化圆为方问题
求作一个正方形, 其面积等于已知圆的面积
该问题直到1882年才被德国数学家林德曼 (C.L.F. Lindemann,1852——1939)证明 为不可能。
2. 瘟疫、祭坛与“倍立方体问题”
公元前429年,希腊首府雅典发生了一 场大的瘟疫,居民死去四分之一,希腊的 统治者裴里克里斯也因此而死。雅典人派 代表到第罗(Delos)的太阳神庙祈求阿波 罗神,询问如何才能免除灾难。一个巫师 转达阿波罗神的谕示:由于阿波罗神神殿 前的祭坛太小,阿波罗神觉得人们对他不 够虔诚,才降下这场瘟疫,只有将这个祭 坛体积放大成两倍,才能免除灾难。
几何作图三大难题
化圆 为方
一家人
倍立方体
三等 分角
(公元前5世纪——1882年)
=
×2=
zwj@
诡辩学派与几何作图
• 几何学起源:古代中 国和古埃及。
欧几里得
• 古希腊几何:公元前 七世纪, “希腊七 贤”之一的“希腊科 学之父”泰勒斯到埃 及经商,掌握了埃及 几何并传回希腊。
居民们觉得神的要求并不难做到。 因为他们认为,祭坛是立方体形状的, 只要将原祭坛的每条边长延长一倍,新 的祭坛体积就是原祭坛体积的两倍了。
×2=
于是,人们按照这个方案建造了一 个大祭坛放在阿波罗神的神殿前,但是, 这样一来,瘟疫不但没有停止,反而更 加流行。居民们再次来到神庙,讲明缘 由,巫师说道:
“他要求你们做一个体积是原来祭 坛两倍的祭坛,你们却造出了一个体积 为原祭坛8倍的祭坛,分明是在抗拒他 的旨意,阿波罗神发怒了。”
居民们明白了问题所在,但是, 他们绞尽脑汁,却也始终找不到建造 的方法。他们请教当时的有名数学家, 数学家也毫无办法,这个问题就作为 一个几何难题流传了下来。
简述三大几何难题
三大几何难题古希腊是世界数学史上浓墨重彩的一笔,希腊数学的成就是辉煌的,它为人类创造了巨大的精神财富。
其中,几何是希腊数学研究的重心,柏拉图在他的柏拉图学院的大门上就写着“不懂几何的人,勿入此门”。
历史上第一个公理化的演绎体系《几何原本》阐述的也基本上为几何内容。
古希腊的几何发展得如此繁荣,但有一个问题一直没有得到解决,那就是著名的尺规作图三大难题。
它们分别是化圆为方、三等分任意角以及倍立方问题。
这三个问题首先是“巧辨学派”提出并且研究的,但看上去很简单的三个问题,却困扰了数学家们两千多年之久。
这些问题的难处,是作图只能用直尺和圆规这两种工具,其中直尺是指只能画直线,而没有刻度的尺。
在欧几里得的《几何原本》中对作图作了规定,只有圆和直线才被承认是可几何作图的,因此在这本书的巨大影响下,尺规作图便成为希腊几何学的金科玉律。
并且,古代希腊人较重视规、矩在数学中训练思维和智力的作用,而忽视规矩的实用价值。
因此,在作图中对规、矩的使用方法加以很多限制,在这里,就是要在有限的次数中解决这三个问题。
1.化圆为方圆和正方形都是常见的几何图形,人们自然会联想到可否作一个正方形和已知圆等积,这就是化圆为方问题。
2.三等分任意角用尺规二等分一个角很容易就可以作出来,那么三等分角呢?三等分180,90角也很容易,但是60,45等这些一般角可以用尺规作出来吗?3.倍立方关于倍立方问题是起源于一个祭祀问题,第罗斯岛上流行着一种可怕的传染病,一时人心惶惶,不可终日.人们来到阿波罗神前,请求阿波罗神像的指示.阿波罗神给了祈求人这样一个指示:“神殿前有一个正方体祭坛,如果能不改变它的形状而把它的体积增加1倍,那么就能消灭传染病.”人们连夜赶造了一个长、宽、高都比正方体祭坛大一倍的祭坛,可是,那传染病传播得更加厉害了.人们又来到阿波罗神像前祈求.神说:“我要你们增加一倍的是祭坛的体积,你们把长、宽、高都增加1倍,祭坛的体积不是要比原来体积大7倍了吗?”人们绞尽脑汁想找出一个答案,可是始终没有人能解答这个难题.由三大问题的起源,可以看出,化圆为方和三等分角是人们在已有知识的基础上,向更深层次,更一般的方向去思考、探索,这也是希腊数学的理论性的演绎推理与抽象性的表现。
三大几何问题
(2)倍立方
x3 2
x3 2
(3)化圆为方
x2
x
三大问题的解决——规尺数
直尺与圆规
直线和圆 一次和二次方程式
所以要求它们的交点,我们至多只要解一个二次方程式就
可以把交点的坐标用有理运算和平方根表示出来。
凡是能用直尺与圆规作出的数量都可以通过有限次的有理运算 和平方根表示出来。
三大问题的解决——规尺数
已知正方体体积的2倍。
尺规作图的来历
• 几何作图,规定只能用无刻度的直尺和圆规。希 腊人为什么这样规定呢?
➢ 希腊几何的基本精神。 ➢ 奥林匹克精神。 ➢ 圆和直线是几何学最基本的研究对象。
希腊人的兴趣并不在于图形的实际作出,而是 在尺规的限制下从理论上去解决这些问题,这 是几何学从实际应用向系统理论过渡所迈出的 重要的一步。
• 诡辩(sophism)学派:
• 化圆为方:求作一正
巧辩学派创立、活动于雅
方形,使其面积等于
典。这个学派中聚集了各
一已知圆;
方面的学者大师,如文法、 修辞、辨证法、人文,以 及几何、天文和哲学方面
•
三等分角:分任意角 为三等分;
的学者,他们研究的主要
目标之一是用数学来探讨 宇宙的运转。
• 倍立方体:求作一正 方体,使其体积等于
启示和意义
• 特别值得提到的是,在三大几何难题获得解决的同时,法 国数学家伽罗瓦从一般角度对不可能性问题进行研究,在 1830年,19岁的伽罗瓦提出了解决这一类问题的系统理 论和方法,从而创立了群论。群论是近世抽象代数的基础, 它是许多实际问题的数学模型,应用极其广泛,而三大几 何作图难题只不过是这种理论的推论、例题或习题。所以, 一般认为三大难题的解决归功于伽罗瓦理论,可伽罗瓦理 论是在他死后14年才发表的,直到1870年,伽罗瓦理论 才得到第一次全面清楚的介绍。
高中数学二、几何作图三大难题试题
高中数学二、几何作图三大难题试题2019.091,如图,已知电路中3个开关闭合的概率都是0.5,且互相是独立的,则灯泡亮的概率是____2,已知方程()()22220x mx x nx -+-+=的四个根组成一个首项为12的等比数列,则m n -=_____3,已知有公共端点的向量a 、b 不共线,|a|=1,|b|=2.则与向量a 、b 的夹角平分线平行的单位向量是___4,已知点P(2,-3),Q(3,2),直线ax+y+2=0与线段PQ 相交,则实数a 的范围是5,符号[]x 表示不超过x 的最大整数,如[][]208.1,3-=-=π,定义函数{}[]x x x -=,那么下列命题中正确的是______(1)函数{}x 的定义域为R,值域为[]1,0; (2)方程{}21=x ,有无数解;(3)函数{}x 是周期函数; (4)函数{}x 是增函数; (5)函数{}x 具有奇偶性。
6,已知数列{n a }满足前n 项和为n S =n 2+1,数列{n b }满足n b =12+n a ,且前n 项和为n T .设n c =n n T T -+12⑴求数列{n b }的通项公式;⑵判断数列{n c }的增减性;⑶当n ≥2时nn T T -+12< 51-)1(log 127-a a 恒成立,求a 的取值范围.7,已知i 、j 分别是与x 轴、y 轴正方向相同的单位向量,j i a OB 21+⋅=(a ∈R),对任意正整数n ,B B n n n 112351-+⋅+⋅= (1) 若321B B OB ⊥,求a 的值; (2) 求向量n OB ;(3) 设向量j y i x OB n n n ⋅+⋅=,求最大整数a 的值,使对任意正整数n,都有x n <y n 成立。
8,若F 1、F 2分别为双曲线 -=1下、上焦点,O 为坐标原点,P 在双曲线的下支上,点M 在上准线上, 且满足:2F O MP =,11111()||||F P FOF M F P FO λ=+(λ>0)。
几何三大难题
几何三大难题如果不知道远溯古希腊前辈所建立和发展的概念、方法和结果,我们就不可能理解近50年来数学的目标,也不可能理解它的成就。
Herm a nn Weyl§ 1 问题的提出和解决1.1 数学的心脏数学是由什么组成的?公理吗?定义吗?定理吗?证明吗吗?公式吗?诚然,没有这些组成部分数学就不存在,它们都数数学的必要组成部分,但是,它们中间的任一个都不是数学的心脏.数学家存在的主要理由就是提出问题和解决问题。
因此,数学的真正组成部分是问题和解。
两千多年以来,数学就是在解决各种问题中进行的。
那么,什么样的问题是好问题呢?对此希尔伯特有一段精彩的论述:“要想预先正确判断一个问题的价值是困难的,并且常常是不可能的;因为最终的判断取决于科学从该问题获得的收益,虽说如此,我们仍然要问:是否存在一个一般准则,可以借以鉴别好的数学问题,一个老的法国数学家曾经说过:一种数学理论应该这样清晰,使你能向大街上遇到的第一个人解释它.在此以前,这一理论不能认为是完善的.这里对数学理论所坚持的清晰性和易懂性,我想更应该把它作为一个数学问题堪称完善的要求.因为清楚地、易于理解的问题吸引着人们的兴趣,而复杂的问题却使我们望而却步。
”“其次,为了具有吸引力,一个数学问题应该是困难的,但却不能是完全不可解决的,使我们白费力气.在通向哪隐藏的真理的曲折道路上,它应该是指引我们前进的一盏明灯,最终以成功的喜悦作为我们的报偿。
”在数学史上这样的例子是不胜枚举的.本章介绍的几何作图三大问题就是最著名的问题之一.1.2 希腊古典时期数学发展的路线希腊前300年的数学沿着三条不同的路线发展着。
第一条是总结在欧几里得得《几何原本》中的材料。
第二条路线是有关无穷小、极限以及求和过程的各种概念的发展,这些概念一直到近代,微积分诞生后才得以澄清.第三条路线是高等几何的发展,即园和直线以外的曲线以及球和平面以外的曲面的发展.令人惊奇的是,这种高等几何的大部分起源于解几何作图三大问题.1。
三大几何问题.ppt
•
三等分角:分任意角 为三等分;
的学者,他们研究的主要
目标之一是用数学来探讨 宇宙的运转。
• 倍立方体:求作一正 方体,使其体积等于
已知正方体体积的2倍。
尺规作图的来历
• 几何作图,规定只能用无刻度的直尺和圆规。希 腊人为什么这样规定呢?
➢ 希腊几何的基本精神。 ➢ 奥林匹克精神。 ➢ 圆和直线是几何学最基本的研究对象。
希腊人的兴趣并不在于图形的实际作出,而是 在尺规的限制下从理论上去解决这些问题,这 是几何学从实际应用向系统理论过渡所迈出的 重要的一步。
三大问题的研究(一)ຫໍສະໝຸດ —化圆为方• 最早研究化圆为方问题的是: ➢安纳萨戈拉斯(Anaxagros,约公元前
500-前428) ➢安提丰(Antiphon,约公元前480-前
希
亚历山大时期:公元前323年-前30年 马其顿帝国:前6世纪-前323年(前337年希腊 各城邦承认马其顿的霸主地位,前334-前323亚历山大东征)
腊
化
亚历山大后期:公元前30年-公元640年 前48-前30年凯撒、屋大维侵占埃及
时
期
公元640年阿拉伯人焚毁亚历山大城藏书
公元330君士坦丁大帝迁都拜占廷
古希腊三大几何问题为什么不能解决呢?
需要其它学科的知识
笛卡尔的解析几何的创立
1837年,法国数学家旺策尔证明了三等分任意角与倍立方都是死题 1882年,德国数学家林德曼证明了化圆为方也是死题
2000多年来,古希腊三大尺规作图问题: (1)三等分任意角 (2)倍立方 (3)化圆为方
现代的眼光看
求方程根的问题!
启示和意义
• 特别值得提到的是,在三大几何难题获得解决的同时,法 国数学家伽罗瓦从一般角度对不可能性问题进行研究,在 1830年,19岁的伽罗瓦提出了解决这一类问题的系统理 论和方法,从而创立了群论。群论是近世抽象代数的基础, 它是许多实际问题的数学模型,应用极其广泛,而三大几 何作图难题只不过是这种理论的推论、例题或习题。所以, 一般认为三大难题的解决归功于伽罗瓦理论,可伽罗瓦理 论是在他死后14年才发表的,直到1870年,伽罗瓦理论 才得到第一次全面清楚的介绍。
几何三大问题
几何三大问题亦称几何作图三大问题:(1)化圆为方,即求作一正方形,使其面积等于一已知圆的面积;(2)三等分任意角;(3)倍立方,即求作一立方体,使其体积是一已知立方体体积的二倍.三大问题的起源几何三大问题的起源有下列传说:化圆为方是基于人们以多边形的任意逼近圆的认识.用直尺和圆规可以作出两线段的比例中项,于是化矩形为正方形就成为可能;二等分三角形的高,能将三角形等积地化为矩形,从而也能化为正方形;任意凸多边形可分解为若干个三角形,所以凸多边形化为正方形也是可能的;既然圆可以由凸多边形任意逼近,那么自然想到用直尺和圆规来化圆为方.三等分任意角由求作多边形一类的问题引起的,也是人们广泛研究角的等分问题的结果.例如60°角,它的1/3是20°,如果用尺规可以作出,那么正18边形、正9边形也都可以作出来了.倍正方问题起源于建筑的需要.埃拉托塞尼记述了两个神话故事:一个是鼠疫蔓延提洛岛,一个先知者说已得到神的谕示,必须将立方形的阿波罗祭坛的体积加倍,瘟疫方能停息.建筑师很为难,不知怎样才能使体积加倍,于是去请教哲学家柏拉图,柏拉图对他们说:神的真正意图不在于神坛的加倍,而是想使希腊人为忽视几何学而感到羞愧.另一个故事说古代一位悲剧诗人描述克利特王弥诺斯为格劳科斯修坟,他嫌造的太小,命令说:必须将体积加倍,但要保持立方体的形状.这两个传说都表明倍立方问题起源于建筑的需要.还有人对倍立方问题的起源提出另一种说法,即古希腊数学家看到利用尺规作图很容易作一正方形,使其面积是已知正方形面积的两倍,从而就进一步提出了倍立方问题.探索历程 2000多年来,许多数学家为了解决三大问题投入大量的精力,但却一次一次地陷入困境,以至于三大问题成为举世公认的三大难题.例如化圆为方的著名研究者希波克拉底等人提出一种“穷竭法”,作圆内接正方形(或三角形),逐次将边数加倍,他们深信到“最后”,正多边形必与圆周重合,于是便可以化圆为方了.结论虽然是错误的,但却提供了一种求圆面积的近似方法.希波克拉底还设法将一个月牙形等积地化为一个三角形,获得了成功,这一成功,曾鼓舞人们去寻求化圆为方的方法.然而人们又一次失败了.古希腊巧辩学派的希比阿斯(约公元前425年)创设了一种所谓“割圆曲线”,用以解决三等分任意角,但由于割圆曲线是不可能用尺规作出的,因此希比阿斯也没有根本解决问题.倍立方问题的实质,是求作一个满足名的是希波克拉底.他的结果是倍立方问题可化为在一线段与另一双倍长的线段之x,就是满足倍立方问题的解.其实希波克拉底只是把一个立体问题化为一个平面问题加以研究,他并不可能用尺规把这样的x作出.三大问题的解决在多次尝试失败之后,启发了人们,开始怀疑三大问题用尺规作图的可能性.1637年笛卡儿创立解析几何学,尺规作图的可能性有了准则.1837年法国数学家旺策尔(Wantzel)证明了用尺规作图三等分任意角和倍立方问题是不可能的.化圆为方问题相当于用尺规作出π的值,也即单位圆的圆面积就是π.若能作出一个长度为π的线段,以这个线段为矩形的一边,单位线段为另一边,这个矩形的面积就和圆相等.再将矩形化为正方形,就达到了化圆为方的目的.1882年德国数学家林德曼(Lindemann)证明了π的超越性,同时证明了化圆为方问题用尺规作图的不可能性.1895年德国数学家克莱因总结了前人的研究结果,出版了《几何三大问题》一书,给出三大问题不可能用尺规作图的简明证法,彻底解决了两千多年的悬案.三大问题之所以不能解决,关键在于工具的限制.如果突破这一限制,那就根本不是什么难题.如化圆为方问题,曾被欧洲文艺复兴时代的大师达·芬奇用一种巧妙的方法给以解决.取一圆柱,使底和已知圆相等,高是半径的一半,将这圆柱滚动一周,产生一个矩形,其面积为2πr·r/2=πr2正好是圆的面积.再将矩形化为正方形,问题就解决了.三等分任意角,恐怕没有比阿基米德所创设的方法更简单了.在直尺OB边缘上添加一点P,命尺端为O,设所要三等分的角是∠ACB,以C为心,OP为半径作半圆交角边于A、B,使O点在CA延长线上移动,P点在圆周上移动,当尺通过B时,联OPB,由于OP=PC=CB,易知∠COB=1/3∠ACB,如图.希波克拉底已把倍立方题化为求两个比例中项的问题.在他用到的比例式a∶x=x∶y=y∶2a中得到方程x2=ay和y2=2ax后,可作出两条抛物线,如图2.其交点M在ox轴上的射影确定线段OP,如果a是已知立方体的梭,那么OP就是已知立方体两倍后立方体的棱.显然,这无法用一般的尺规作出.这种方法是由雅典派大几何家门奈赫莫斯(公元前4世纪)提出的.几何三大问题其他解法不但过去已有,现在人们寻求三大问题新方法的工作仍在进行.在探讨解决几何三大问题的过程中,人们虽然屡屡失败,但却因为这些努力取得意外的收获.例如为解决化圆为方问题,希波克拉底等人使用的穷竭法,导致一种求圆面积的近似方法,成为阿基米德计算圆周率方法的先导;对三等分角的深入研究导致许多作图方法的发现和作图工具的发明;倍立方问题的探讨促进了圆锥曲线理论的建立和发展.这或许是几何三大问题对数学家有经久不衰的魅力的原因之一.。
三大几何作图问题
限定选修课《数学史选讲》课程研修成果有缘千里一线牵——三大几何作图与高次方程公式可解性的渊源有些问题明明看起来很简单,却让人费尽心思也琢磨不透,有些事情明明觉得天南地北没有丝毫的联系,却冥冥之中有着道不尽的渊源.三大几何作图咋看好像很简单,但真正做出来却很困难,研究了近两千年,虽然数学家在十九世纪就证明了三大难题是无解的,但许多外行人,或许不知道无解的意义,或许没听过已经被证明为无解这件事,还是锲而不舍地钻研这些题目.三大几何作图与高次方程公式可解性似乎扯不上边,可是在本质上却殊途同归,异曲同工!平面几何作图限制只能用直尺、圆规,而这里所谓的直尺是指没有刻度只能画直线的尺。
有些问题看起来好像很简单,但真正做出来却很困难,这些问题之中最有名的就是所谓的三大问题.几何作图的三大问题是 :问题一:三等分任意角;问题二:化圆为方即求作一正方形使其面积等于一已知圆;问题三:倍立方即给定一立方体(即其一边已知),用直尺及圆规做另一立方体使其体积为原立方体的两倍.关于三大问题的由来有着道不尽的美丽传说,给三大几何作图问题披了件神秘的面纱。
但实际上,这三个作图题更有可能是来自于已被希腊人解决了的问题扩张.对于问题一一个角既然可被平分,自然地可以考虑它的三等分问题, 对于某些角如90 、180 三等分并不难,但是否所有角都可以三等分呢?例如60 ,若能三等分则可以做出20 的角,那麽正18边形及正九边形也都可以做出来了(注:圆内接一正十八边形每一边所对的圆周角为20 ).其实三等分角的问题也有可能是由求作正多边形这一类问题所引起来的.针对问题二讨论了图形等面积的变换问题,考虑作一个正方形,使它的面积等于一个圆的面积亦是极自然的事;对于问题三人们往往喜欢类比,以正方形对角线为边作出的正方形是原来正方形的二倍,就容易想到作一个立方体,使它的体积等于已知立方体体积的二倍.这些问题困扰数学家一千多年都不得其解,而实际上这三大问题都不可能用直尺圆规经有限步骤可解决的.即:只用直尺及圆规,这三个做图题都是无解的. 许多人对“无解”的反应会是这样的:只是一时找不到适当的做图法吧!又没有把“所有”的方法一一试过,怎么就下结论说任何一种方法都不行?所以虽然数学家在十九世纪就证明了三大难题是无解的,但许多外行人,或许不知道无解的意义,或许没听过已经被证明为无解这件事,还是锲而不舍地钻研这些题目。
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高考数学二、几何作图三大难题专题12020.031,不等式(1)||0x x -⋅≥的解集是A .{|1}x x > B .{|1}x x ≥ C .{|10}x x x >=或 D .{|10}x x x ≥=或2,已知点P 是圆221x y +=上的一个动点,过点P 作PQ x ⊥轴于点Q ,设OM OP OQ =+u u u u r u u u r u u u r(1)求点M 的轨迹方程(2)求向量OP uuu r 和OM u u u u r夹角的最大值,并求此时P 点的坐标(3)判断函数()f x 的单调性,并用单调性的定义证明你的结论。
3,设a r ,b r 是两个不共线的向量,若2AB a kb =+u u u r r r ,3CB a b =+u u u r r r ,2CD a b =-u u u r r r,且A B D 、、 三点共线,则k =_______4,已知直线6x π=是函数sin cos y a x b x =-图象的一条对称轴,则函数sin cos y b x a x =- 图象的一条对称轴方程是A .6x π=B .3x π=C .2x π=D .x π=5,已知函数22()2cos 22f x x x x =-+(1)求()f x 的单调增区间(2)在直角坐标系中画出函数()y f x =在区间[0,]π上的图象。
6,如图,正方形ABCD 的顶点2(0,)A ,2(,0)B ,顶点C D 、位于第一象限,直线:(02)l x t t =≤≤将正方形ABCD 分成两部分,记位于直线l 左侧阴影部分的面积为()f t ,则函数()S f t =的图象大致是7,已知等差数列{}n a 的前n 项的和为n S ,且210S =,555S =,则过点(,)n P n a 和2(2,)()n Q n a n N *++∈的直线的一个方向向量的坐标是A .1(2,)2 B .1(,2)2-- C .1(,1)2-- D .(1,1)--8,记地球的赤道的周长为()C km ,则地球北纬60o的纬线圈的周长用C 表示等于______()km9,若一系列函数的解析式和值域相同,但定义域互不相同,则称这些函数为“同族函数”,例如函数2y x =,[1,2]x ∈与函数2y x =,[2,1]x ∈--即为“同族函数”。
下面4个函数中,能够被用来构造“同族函数”的是A .sin y x =B .y x =C .2xy = D .2log y x =10,已知椭圆221259x y +=与双曲线22197x y -=在第一象限内的交点为P ,则点P 到椭圆右焦点的距离等于______11,已知函数()1f x x =+,设1()()g x f x =,1()(())n n g x f g x -=(1,)n n N *>∈(1)求2()g x ,3()g x 的表达式,并猜想()n g x ()n N *∈的表达式(直接写出猜想结果) (2)若关于x 的函数21()()ni i y x g x n N *==+∈∑在区间(,1]-∞-上的最小值为6,求n 的值。
(符号“1ni =∑”表示求和,例如:1123ni i n==++++∑L L。
)12,设m .n 是不同的直线,α.β.γ是不同的平面,有以下四个命题:(1)//////αββγαγ⎫⇒⎬⎭(2)//m m αββα⊥⎫⇒⊥⎬⎭(3)//m m ααββ⊥⎫⇒⊥⎬⎭(4)////m n m n αα⎫⇒⎬⊂⎭,其中,假命题是A .(1)(2)B .(2)(3)C .(1)(3)D .(2)(4)13,若函数2()lg 21f x x a x =⋅-+的图象与x 轴有两个交点,则实数a 的取值范围是A .010a << B .110a << C .01a << D .01110a a <<<<或 14,抛物线214y x=的焦点坐标是A .1(0,)16 B .1(,0)16 C .(1,0) D .(0,1)15,如图,梯形ABCD 中,//CD AB ,12AD DC CB AB ===,E 是AB 的中点,将ADE ∆沿DE 折起,使点A 折到点P 的位置,且二面角P DE C --的大小为120o(1)求证:DE PC ⊥(2)求直线PD 与平面BCDE 所成角的大小 (3)求点D 到平面PBC 的距离16,设双曲线22:14xC y -=的右焦点为F ,直线l 过点F 且斜率为k ,若直线l 与双曲线C 的左.右两支都相交,则直线l 的斜率的取值范围是 A .12k ≤-或12k ≥ B .12k <-或12k > C .1122k -<<D .1122k -≤≤17,若函数()cos |sin |([0,2])f x x x x π=+∈的图象与直线y k =有且仅有四个不同的交点,则k 的取值范围是__________18,已知集合{,,,}U a b c d =,集合{,,}A a c d =,{,}B b d =,则集合()U C A B =I A .{}b B .{}d C .{,}a c D .{,}b d19,在右侧棋子堆放的示意图中,最上层(记为第一层)有一颗棋子,第二层有3颗,第三层有6颗,……,如果按图示的方式摆放,那么堆放满5层需要的棋子总数是_____颗20,已知曲线2:(0)C y x x =>,过C 上的点1(1,1)A 作曲线C 的切线1l 交x 轴于点1B ,再过点1B 作y 轴的平行线交曲线C 于点2A ,再过点2A 作曲线C 的切线2l 交x 轴于点2B ,再过点2B 作y 轴的平行线交曲线C 于点3A ,……,依次作下去,记点nA 的横坐标为n a ()n N *∈(1)求数列{}n a 的通项公式(2)设数列{}n a 的前n 项和为n S ,求证:1n n a S ⋅≤(3)求证:11413n ni i ia S =-≤∑ 21,已知等差数列{}n a 的前n 项和为n S ,若5418a a =-,则8S 等于 A .144 B .72 C .54 D .3622,已知函数(21)y f x =+是偶函数,则一定是函数(2)y f x =图象的对称轴的直线是A .12x =-B .0x =C .12x =D .1x =23,直角坐标系xOy 中,若定点(1,2)A 与动点(,)P x y 满足4OP OA ⋅=u u u r u u u r,则点P的轨迹方程是_答案1, D2, 解:(1)设(,)P x y o o ,(,)M x y ,则(,)OP x y =o o u u u r ,(,0)OQ x =o u u u r,(2,)OM OP OQ x y =+=o o u u u u r u u u r u u u r222212,1,124x x x x x x y y y y y y ⎧==⎧⎪∴⇒+=∴+=⎨⎨=⎩⎪=⎩o o o o o oQ(2)设向量OP uuu r 与OM u u u u r的夹角为α,则22cos ||||OP OMOP OM α⋅===⋅u u u r u u u u r u u u r u u u u r 令231t x =+o,则cos 3α==≥ 当且仅当2t =时,即P点坐标为(33±±时,等号成立。
OP ∴u u u r 与OM u u u u r夹角的最大值是arccos33, 8- 4, B 5,解:(1)123()22cos 2sin(2)222224cos x f x x x x x π+=-+=--=-3222,242k x k k Z πππππ∴-+≤-≤+∈∴函数()y f x =的单调增区间为5[,],88k k k Zππππ++∈(2)图象(略)6, C 7, B8, 2C9, A 10, 211, (1)1()()1g x f x x ==+Q ,21()(())(1)(1)12g x f g x f x x x ∴==+=++=+32()(())(2)(2)13g x f g x f x x x ==+=++=+,∴猜想()n g x x n =+(2)()n g x x n =+Q ,121(1)()()()()2ni n i n n g x g x g x g x nx =+∴=+++=+∑L L22221(1)2()()224ni i n n n n ny x g x x nx x =++∴=+=++=++∑ (1)当12n-≥-,即2n ≤时,函数222()24n n n y x +=++在区间(,1]-∞-上是减函数∴当1x =-时,2min262n n y -+==,即2100n n --=,该方程没有整数解(2)当12n-<-,即2n >时,2min 264n n y +==,解得4n =,综上所述,4n =12, D 13, D 14, D15, (1)连结AC 交DE 于F ,连结PF ,//CD AB Q ,BAC ACD ∴∠=∠,又AD CD =Q ,DAC ACD ∴∠=∠,BAC DAC ∴∠=∠,即CA 平分BAD ∠,ADE ∆Q 是正三角形, AC DE ∴⊥,即PF DE ⊥,CF DE ⊥,DE PCF ∴⊥面,DE PC ∴⊥(2)过P 作PO AC ⊥于O ,连结OD ,设AD DC CB a ===,则2AB a =,DE PCF ⊥Q 面,DE PO ∴⊥,PO BCDE ∴⊥面,PDO ∴∠就是直线PD 与平面BCDE 所成的角。
PFC ∠Q 是二面角P DE C --的平面角,60PFO ∴∠=o ,在Rt POD ∆中,3sin 4PO PDO PD ∠==,∴直线PD 与平面BCDE 所成角是3arcsin 4 (3)//DE BC Q ,DE 在平面PBC 外,//DE PBC ∴面,D ∴点到面PBC 的距离即为点F 到面PBC 的距离,过点F 作FG PC ⊥,垂足为G ,DE PCF ⊥Q 面,BC PCF ∴⊥面PBC PCF ∴⊥面面,FG PBC ∴⊥面,FG ∴的长即为点F 到面PBC 的距离,菱形ADCE 中,AF FC =,2PF CF a∴==,120PFC ∠=o Q ,30FPC FCP ∴∠=∠=o ,12FG PF ∴==16, C17, 1k ≤<18, A 19, 3520, 解(1)Q 曲线C 在点2(,)n n n A a a 处的切线n l 的斜率是2n a ,∴切线n l 的方程是22()n n n y a a x a -=-,由于点n B 的横坐标等于点1n A +的横坐标1n a +,所以,令0y =, 得112n n a a +=,∴数列{}n a 是首项为1,公比为12的等比数列,112n n a -∴=(2)11122(1)1212n n n S -==--Q ,114(1)22n n n n a S ∴=⨯-,令12n t =,则102t <≤ 214(1)4()12n n a S t t t ∴=-=--+ ∴当12t =,即1n =时,214()12t --+有最大值1,即1n n a S ≤(3),k k S a k N *≥∈Q ,2k k k a S a ∴≥,即211k k k a S a ≤,Q数列21{}k a 是首项为1,公比为4的等比数列211111441143n n nni i i i ia S a ==--∴≤==-∑∑21, B 22, C23, 240x y +-=。