古希腊三个著名问题之一的三等分角
古希腊三个著名问题之一的三等分角
古希腊三个著名问题之一的三等分角，现在美国就连许多没学过数学的人也都知道．美国的数学杂志社和以教书为职业的数学会员，每年总要收到许多“角的三等分者”的来信；并且，在报纸上常见到：某人已经最终地“解决了”这个不可捉摸的问题．这个问题确实是三个著名的问题中最容易理解的一个，因为二等分角是那么容易，这就自然会使人们想到三等分角为什么不同样的容易呢？用欧几里得工具，将一线段任意等分是件简单的事；也许古希腊人在求解类似的任意等分角的问题时，提出了三等分角问题；也许(更有可能)这问题是在作正九边形时产生的，在那里，要三等分一个60°角．在研究三等分角问题时，看来希腊人首先把它们归结成所谓斜向(verging problem)问题．任何锐角ABC(参看图31)可被取作矩形BCAD的对角线BA和边BC的夹角．考虑过B点的一条线，它交CA于E，交DA之延长线于F，且使得EF=2(BA)．令G为EF之中点，则EG=GF=GA=BA，从中得到：∠ABG=∠AGB=∠GAF+∠GFA=2∠GFA=2∠GBC，并且BEF三等分∠ABC．因此，这个问题被归结为在DA的延长线和AC之间，作一给定长度2(BA)的线段EF，使得EF斜向B点．如果与欧几里得的假定相反，允许在我们的直尺上标出一线段E’F’=2(BA)，然后调整直尺的位置，使得它过B点，并且，E’在AC 上，F’在DA的延长线上；则∠ABC被三等分．对直尺的这种不按规定的使用，也可以看作是：插入原则(the insertion principle)的一种应用．这一原则的其它应用，参看问题研究4．6．为了解三等分角归结成的斜向问题，有许多高次平面曲线已被发现．这些高次平面曲线中最古老的一个是尼科梅德斯(约公元前240年)发现的蚌线．设c为一条直线，而O为c外任何一点，P为c上任何一点，在PO的延长线上截PQ等于给定的固定长度k．于是，当P沿着c移动时，Q的轨迹是c对于极点O和常数k的蚌线(conchoid)(实际上，只是该蚌线的一支)．设计个画蚌线的工具并不难①，用这样一个工具，就可以很容易地三等分角．这样，令∠AOB 为任何给定的锐角，作直线MN垂直于OA，截OA于D，截OB于L(如图32所示)．然后，对极点O和常数2(OL)，作MN的蚌线．在L点作OA的平行线，交蚌线于C．则OC三等分∠AOB．借助于二次曲线可以三等分一个一般的角，早期希腊人还不知道这一方法．对于这种方法的最早证明是帕普斯(Pappus，约公元300年)．利用二次曲线三等分角的两种方法在问题研究4．8中可以找到．有一些超越(非代数的)曲线，它们不仅能够对一个给定的角三等分，而且能任意等分．在这这样的曲线中有：伊利斯的希皮阿斯(Hippias，约公元前425年)发明的割圆曲线(quadratrix)和阿基米得螺线(spiral of Archimeds)．这两种曲线也能解圆的求积问题．关于割圆曲线在三等分角和化圆为方问题上的应用，见问题研究4．10．多年来，为了解三等分角问题，已经设计出许多机械装置、联动机械和复合圆规．①参看R．C．Yates．The Trisection Prolem．其中有一个有趣的工具叫做战斧，不知道是谁发明的，但是在1835年的一本书中讲述了这种工具．要制做一个战斧，先从被点S和T三等分的线段RU开始，以SU为直径作一半圆，再作SV垂直于RU，如图33所示．用战斧三等分∠ABC时，将这一工具放在该角上，使R 落在BA上，SV通过B点，半圆与BC相切于D．于是证明：△RSB，△TSB，△TDB都全等，所以，BS和BT三等分给定的角．可以用直尺和圆规在描图纸上绘出战斧，然后调整到给定的角上．在这种条件下，我们可以说用直角和圆规三等分一个角(用两个战斧，则可以五等分一个角)．欧几里得工具虽然不能精确地三等分任意角，但是用这些工具的作图方法，能作出相当好的近似的三等分．一个卓越的例子是著名的蚀刻师、画家A．丢勒(Albrecht Durer)于1525年给出的作图方法．取给定的∠AOB为一个圆的圆心角(参看图34)，设C为弦AB的靠近B 点的三等分点．在C点作AB的垂线交圆于D．以B为圆心，以BD为半径，作弧交AB于E．设令F为EC的靠近E点的三等分点，再以B 为圆心，以BF为半径，作弧交圆于G．那么，OG就是∠AOB的近似的三等分线．我们能够证明：三等分中的误差随着∠AOB的增大而增大；但是，对于60°的角大约只差1〃，对于90°角大约只差18〃．只要放弃「尺规作图」的戒律，三等分角并不是一个很难的问题。
古希腊三大几何难题
古希腊三大作图难题北京化工大学 殷光中概述：尺规作图，即只用直尺和圆规作几何图形，其来源于《几何原本》，以后在一个时期内成为数学中的重要研究课题[1]。
古希腊三大作图难题：1.作一立方体，其体积为所知立方体体积的两倍；2.画圆为方，即作一正方形使其面积为已知圆的面积；3.尺规三等分任意角）之一。
众所周知，二等分任意给定角用尺规很容易就能解决。
而充满探索与挑战精神的人们又会想到用尺规如何三等分任意给定角，此后，许多数学家纷投入这一问题的解决。
直到十九世纪，人们才严格证明了三等分任意角仅凭尺规不可能实现。
到此，这一问题才告一段落。
期间，有许多超越了尺规限制的作图方法：比如：希皮阿斯发明的割圆曲线，阿基米德螺线和尼科梅德斯蚌线等[2]。
人们万万也不会想到但他们在潜心研究一些未解决的问题的时候，许多新的发现也会应运而生……1、三等分任意角科学需要大胆的想象,或许引入数学公式可以实现超越尺规而三等分角,于是我想到了倍角的相关公式,引发了以下一系列的思考: 1.1.1 n 倍角的正切值展开通式tan1α=t tan2α=212t t- tan3α=23313t t t --tan4α=4236144tt t t +-- tan5α=42535101105t t t t t +-+-tan6α=64253151516206t t t t t t -+-+- tan7α=64275373521121357t t t t t t t -+--+-tan8α=86427532870281856568t t t t t t t t +-+--+-…… 有如下特征：① 分子分母各项均是“+，-”交替出现，且分子上为t 的奇次幂，分母上为t 的偶次幂。
② 我们将分子分母上相同序项对齐，则分子上的次数比分母上依次高一，且其系数有如下关系： 若tann α=...1......8463422194735231++-+-++-+-t m t m t m t m t n t n t n t n nt ; 则有，tan(n+1) α=...)()(1...)()()1(42121522311-+++--+++-+t m n t m n t m n t m n t n .即：对正相加分别作为下式相应项的分子系数；由下往上左偏相减作为下式相应项的分母系数 。
古希腊三大“不可解”的数学问题，最后一个既简单又复杂
古希腊三大“不可解”的数学问题，最后一个既简单又复杂只用直尺和圆规能解决这三个问题吗今天，超模君想跟大家讲一下有关“古希腊三大几何问题”的故事……“倍立方体”问题Question：如何只用直尺和圆规作出一个立方体，使得该立方体的体积为已知立方体的体积的两倍。
原来这个问题源于古希腊的一次瘟疫。
传说在公元前429年，一场不知名的瘟疫袭击了希腊提洛岛（Delos），岛上四分之一的人都因为瘟疫而丧生。
面对可怕的瘟疫，岛上的居民们推举出一个代表，到神庙里去询问阿波罗的旨意。
太阳神阿波罗结果阿波罗传下旨意：想要遏止瘟疫，就把神殿前的祭坛加大一倍吧！听到阿波罗的旨意，人们便把祭坛的边长都加长了一倍。
但是，当新的祭坛做好时，瘟疫并没有得到控制，反而愈加严重。
此时有人质疑说这样做根本不对，阿波罗说的是把祭坛的体积变成原来的两倍。
于是人们又把祭坛的体积修改为原来的两倍，但是祭坛的形状变成了一个长方体，瘟疫依旧肆虐。
无奈之下，岛民们只好去雅典求助智者柏拉图。
一开始柏拉图和他的学生都认为这个问题很容易，因为他们已经知道如何只用直尺和圆规，来作出一个面积为已知正方形两倍的正方形。
但是他们发现，这个问题远比想象的要复杂，以至于最后柏拉图并没有成功地用尺规作图来解决这个问题。
柏拉图：这回丢脸丢大了……于是这个问题被保留了下来，直到1837年，法国数学家万芝尔成功证明：只用尺规作图，根本无法解决“倍立方体”问题。
万芝尔的大致证明过程是这样的：假设已知的正方体棱长为a，体积为已知正方体的正方体棱长为x，由问题的要求，列式得x^3=2a^3，解出x等于2a^3的三次方根。
由于2的三次方根是无理数，而尺规作图能够作出的线段长度均为有理数，所以“倍立方体”问题无法只用尺规作图解决。
这个证明被数学界普遍认可，可如果抛开尺规作图这个限制，那么要解决“倍立方体”问题其实并不难。
柏拉图当时就有这么一个解法：“倍立方体问题”可以转化为另一个问题：即在a与2a之间，插入x、y两个数，使a、x、y、2a成等比数列。
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——古希腊三大几何难题
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——古希腊三大几何难题古希腊三大几何难题提出者：智者学派展开雅典有一个智者学派，代表人物有希比阿斯、安提丰、普罗泰格拉等。
智者学派以诡辩著称，当时流行几何，哲学家、数学家常常看口闭口都是几何。
于是三大几何难题就诞生了。
（1）化圆为方：作一个正方形，使其面积与已知圆面积相等。
（2）倍立方：作一个正方体，使其体积是已知正方体的2倍（3）三等分角：三等分任意角于是呢，有一堆数学家就开始做。
题目规则是尺规作图。
可他们没做出来，于是就做，做呀做呀，他们殚精竭虑、千方百计，就是没做出来，一个都没有，但是一直有人做，于是阿基米德螺线诞生了，于是圆锥曲线诞生了……但是这么多几何线诞生，也没把题目做出来，于是两千年过去了。
19世纪有一个人叫旺策尔，证明了这个题目光用尺规是作不出来的。
证明这个几何题目的方法，竟然是代数。
推理方法很值得借鉴。
简单说一下---------------------------------------------------------------------------------推理第一步：尺规作图可以怎么折腾归纳只有5点：①做连接两点的直线段，或延长此线段；②作两直线的交点；③以已知点为圆心；④作圆与直线交点；⑤作两圆交点；第二步：只用尺规可以作出什么样的线段设a1、a2、a3、a4、…… an是已知线段，同时用ai表示它们的长度，并设a1=1. 则光用尺规只能将之进行＋、一、×、÷、√（根号），即进行加、减、乘、除、开偶次方根。
ai＋aj没问题，ai －aj没问题，若x=ai× aj，则有1/ai=aj/x ，作一个相似三角形即可。
同样，若x=ai÷aj则1/x=ai/aj，若x=√（ai），则x^2=ai/×a1，x 是ai/与a1的比例中项，仿照射影定理的模型可以作出。
古希腊三大几何作图问题
古希腊人要求几何作图只许使用直尺（没有刻度，只能作直线的尺）和圆规，这种作图工具的限制使得三大几何作图问题成为数学史上的难解之题．三等分角问题即将任意一个角进行三等分．1837年，法国数学家旺策尔第一个证明了三等分角问题是古希腊那种尺规作图不可能的问题．但如果放宽作图工具的限制，该问题还是可以解决的．阿基米德创立的方法被誉为最简单的方法，他仅利用只有一点标记的直尺和圆规就巧妙地解决了这个问题．三等分角问题的深入研究导致了许多作图方法的发现及作图工具的发明．倍立方体问题即求作一个立方体，使其体积是已知一立方体的两倍，该问题起源于两千年希腊神话传说：一个说鼠疫袭击提洛岛（爱琴海上的小岛），一个预言者宣称己得到神的谕示，须将立方体的阿波罗祭坛的体积加倍，瘟疫方能停息；另一个说克里特旺米诺斯为儿子修坟，要体积加倍，但仍保持立方体的形状．这两个传说都表明倍立方体的问题起源于建筑的需要．1837年，洁国数学家旺策尔证明了倍立方体问题是古希腊那种尺规作图不可能的问题．倍立方体问题的研究促进了圆锥曲线理论的建立和发展．化圆为方问题即求作一正方形，使其面积等于一已知圆的面积．这是历史上最能引起人们强烈兴趣的问题之一，早在公元前5世纪就有许许多多的人研究它．希腊语中甚至有一个专门名词表示“献身于化圆为方问题”．1882年，德国数学家林德曼证明了化圆为方问题是古希腊那种尺规作图不可能的问题，从而解决了2000多年的悬案．如果放宽作图工具的限制，则开始有多种方法解决这个问题，其中较为巧妙的是文艺复兴时期的著名学者达·芬奇设计的：用一个底与己知圆相等，高为己知圆半径一半的圆柱在平面上滚动一周；所得矩形的面积等于已知圆面积，再将矩形化为等面积的正方形即化圆为方问题的研究促使人们开始用科学的方法计算圆周率的值，对穷竭法等科学方法的建立产生了直接影响．。
几何三大难题的初探
几何三大难题的初探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.几何作图三大问题古希腊人在几何学上提出著名的三大作图问题，它们是：(1)三等分任意角.(2)化园为方：求作一正方形，使其面积等于一已知园的面积.(3)立方倍积：求作一立方体，使其体积是已知立方体体积的两倍.解决这三大问题的限制是，只许使用没有刻度的直尺和圆规，并在有限次内完成.这三个问题是如何提出来的呢？由于年代久远，已无文献可查.据说，立方倍积问题起源于两个神话.厄拉多赛（EratoheneofCyrene，约公元前27―约前194）是古希腊著名的科学家、天文学家、数学家和诗人.他是测量过地球周长的第一人.在他的《柏拉图》一书里，记述了一个神话故事.说是鼠疫袭击了爱琴海南部的一个小岛，叫提洛岛.一个预言者说，他得到了神的谕示：须将立方形的阿波罗祭坛体积加倍，瘟疫方能停息.建筑是很为难，不知道怎样才能使体积加倍.于是去请教哲学家柏拉图.柏拉图说，神的真正意图不在于神坛的加倍，而是想使希腊人因忽视几何学而羞愧.另一个故事也是厄多拉塞记述的.说古代一位悲剧诗人描述克里特国王米诺斯为他的儿子克劳科斯修坟的事.他嫌坟修造得太小，命令有关人必须把坟的体积加倍，但要保持立方的形状.接着又说，“赶快将每边的长都加倍.”厄拉多塞指出，这是错误的，因为边长加倍，体积就变成原来的8倍.这两个传说都表明，立方倍积问题起源于建筑的需要.三等分任意角的问题来自正多边形作图.用直尺和圆规二等分一个角是轻而易举的.由此可以容易地作出正4边形、正8边形，以及正2n次方边形，其中n≥2是自然数.很自然地，人们会提出三等分一个角的问题.但这却是一个不可能用尺规解决的问题.圆和正方形都是最基本的几何图形，怎样做一个正方形和一个已知圆有相同的面积呢？这就是化园为方的问题.历史上恐怕没有一个几何问题像这个问题那样强烈地吸引人们的兴趣.早在公元前5世纪，就有很多人研究这个问题了，都想在这个问题上大显身手.化园为方的问题相当于用直尺和圆规作出√π的值.这个问题的最早研究者是安那克萨哥拉，可惜他的关于化圆为方的问题的研究没有流传下来，以后的研究者有希波克拉茨（HippocrateofChio，公元前约460年）.他在化圆为方的研究中求出了某些月牙形的面积.此外.还有安提丰，他提出了一种穷竭法，具有划时代的意义，是近代极限论的先声.“规”和“矩”的规矩在欧几里得几何学中，几何作图的特定工具是直尺和圆规，而且直尺上没有刻度.直尺、在欧几里得几何学中，几何作图的特定工具是直尺和圆规，而且直尺上没有刻度.直尺、圆规的用场是直尺：（1）已知两点作一直线；（2）无限延长一已知直线.圆规：已知点Ｏ，Ａ，以Ｏ为心，以ＯＡ为半径作圆.希腊人强调，几何作图只能用直尺和圆规，其理由是：（1）希腊几何的基本精神是，从极少数的基本假定——定义、公理、公设——出发，推导出尽可能多的命题.对作图工具也相应地限制到不能再少的程度.（2）受柏拉图哲学思想的深刻影响.柏拉图特别重视数学在智力训练方面的作用，他主张通过几何学习达到训练逻辑思维的目的，因此对工具必须进行限制，正像体育竞赛对运动器械有限制一样.（3）毕达哥拉斯学派认为圆是最完美的平面图形，圆和直线是几何学最基本的研究对象，因此规定只使用这两种工具.问题的解决用直尺和圆规能不能解决三大问题呢？答案是否定的，三大问题都是几何作图不能解决的.证明三大问题不可解决的工具本质上不是几何的而是代数的，再带舒缓没有发展到一定水平时是不能解决这些问题的.1637年迪卡儿创立了解析几何，沟通了几何学和代数学这两大数学分支，从而为解决尺规作图问题奠定了基础.1837年法国数学家旺策尔（PierreL.W Antzel）证明了，三等分任意角和立方倍积问题都是几何作图不能解决的问题，化圆为方问题相当于用尺规作出的值.1882年法国数学家林得曼证明了∏是超越数，不是任何整系数代数方程的根，从而证明了化圆为方的不可能性.但是，正是在研究这些问题的过程中促进了数学的发展.两千多年来.三大几何难题起了许多数学家的兴趣，对它们的深入研究不但给予希腊几何学以巨大影响，而且引出了大量的新发现.例如，许多二次曲线、三次曲线以及几种超越曲线的发现，后来又有关于有理数域、代数数与超越数、群论等的发展在化圆为方的研究中几乎从一开始就促进了穷竭法的发展，二穷竭法正是微积分的先导.放弃“规矩”之后问题的难处在于限制用直尺和圆规.两千多年来，数学家为解决三大问题投入了热大量精力.如果解除这一限制，问题很容易解决.。
三等分已知角
三等分已知角
古希腊著名的尺规作图问题有三个，除了前面介绍过的化圆为方和立方倍积问题之外，还有一个三等分已知角问题。
这里所说的已知角不光可是特殊角，如90°，135°，180°，等等，还可以是一个任意度数的角。
所谓把已知角三等分，是指按尺规作图的一般要求，即只使用直尺（无刻度，只能用来画直线）和圆规，依靠画直线和画圆弧，并仅用图中的已知点和画出的直线或弧线的交点。
通过有限的步聚，把已知角分成相等的三份。
1837年,P•L。
旺策尔既给出了立方倍积不能用尺规作图的证明，又给出了三等分已知角不能用尺规作图的证明，于是人们知道了，三等分已知角和立方倍积都是尺规作图的不可能问题，这也就宣告了三等分已知角和立方倍积问题的终结。
在人们知道古希腊三大几何问题都是尺规作图的不可能问题之前，千千万万人的试图正面解决这些问题的努力当然都不能成功，但也不是毫无收获。
正如中国大百科全书上所说的，正因为这些问题不能用尺规作图来解决，常常使人闯入新的领域中去。
例如激发了圆锥曲线，割圆曲线，以及三、四次代数曲线的发现。
古希腊三大作图问题
作数对；
扩域“列”与扩域“树”
❖ “列”： 有理数域 ❖ “树”：
r1 r2 2(r1, r2 Q)
Q
2∈Q
3∈Q
5 ∈Q ......
F1={a+b 2 |a,b∈Q} F'1={a+b 3 |a,b∈Q} F''1={a+b 5 |a,b∈Q} ......
扩域“列”与扩域“树”
扩域“树”的基本特征： ❖ 每一支都是一个扩域“列”； ❖ 在这些扩域“列”中，每一个扩域中的数都
可以用尺规作出； ❖ 某一个扩域可能出现在不同的扩域“列”中.
只能作图
❖ 对尺规作图而言, 从单位1出发, 利用尺规作图, 可以 作出有理数域中的每一个数。然后, 我们可以选择 有理数域中的一个数, 作它的算术平方根(这里要求), 进而作出所有形如的数,其中是数域中的任意数。从 而，用尺规可以作出一个新的数域.重复这样的过程， 我们就可以作出数域“树”。
❖ 数域“树”中每一个数都可以用尺规作出，而且， 尺规所能作出数的范围仅限于数域“树”中的数。
❖ 我们可以把它写成一个定理： 尺规能且仅能作出的数的范围为数域“树”。
❖ 没有针对一个问题，去寻找解决这类问题的 方法。
不可作图问题是如何解决的呢？
思路：我们对尺规作图一类问题进行考虑。 ❖ 确定尺规作图的范围； ❖ 判断我们要求作的具体问题是否在这个范围
内。
不可作图问题证明的基本步骤
❖ 1）尺规作图代数化——几何问题代数化； ❖ 2）范围界定，与数域建立联系——数域与扩
尺规作图
❖ 古时候人们约定，所谓圆规直尺作图是指： 使用直尺，我们能过任何给定的不同两点， 作一条直线；使用圆规，我们能以给定点为 圆心，任意长为半径作一个圆. 在作图中，使 用的直尺是没有刻度标记的直尺；
古希腊三大几何问题的解决课件人教新课标
1、三等分任意角——把一个已知角三等分 2、倍立方——做一个立方体，使它的体积是已知 立方体的体积的2倍 3、化圆为方——做一个正方形，使它的面积等于 已知圆的面积
1、表述很简单，直观。 2、尺规作图要求非常苛刻。
（1）要用没有刻度的直尺和圆规，不 能在直尺上做记号，更不能够折叠做图 纸。 （2）直尺和圆规只能有限次地使用
化圆为方问题
• 关于化圆为方问题就是探求长x= 的线段是否可尺规作图。
• 1882林德曼证明了π的超出性，它不可能由已知单位长通 过有限次的四则运算和开平方得到，因此化圆为方也是不 可能通过尺规作图解决的从此，古典几何的三大难题都有 了答案。
立方倍积问题
• 假设已知立方体的棱长为1，所求立方体的棱长为x，按立 方倍积的要求应有x^3=2的关系。所以立方倍积实际是求 作满足方程x^3－2＝0的线段X，但些方程无有理根，但2 的立方根超出了有理数加、减、乘、除、开方的运算范围， 超出了尺规作图准则中所说的数量范围，所以它是不可能 解的问题。
相传公元前5世纪，按拉克萨歌拉对别 人说：“太阳神并非一尊神，而是一个 非常大的非常大的大火球”。结果被他 的仇人以亵渎神灵的罪名给关在牢里。 也许是为了打发无聊的铁窗生活，亦或 是为了发泄一下自己的不满情绪，于是 他提出了一个数学问题：“怎样做出一 个正方形，才能使他的面积与某一个已 知的圆的面积相等呢？”
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
古希腊三大几何问题既引
人入胜，又十分困难。问题 的妙处在于他们从情势上看 非常简单，而实际上却有深 刻的内涵。并且这三大几个 问题的由来都伴随着一个故 事
数学史和数学文化(五)
∴射线 BQ，BT 是∠SBC 的三等分线．
(2)若将图 1 中的点 S 与点 D 重合，重复材料中的操作过程得到图 4，请利用图 4， 直接写出 tan 15°＝ 2－ 3 .(不必化简)
图4
【提示】由(1)可知：射线 BQ，BT 是∠DBC 的三等分线，过点 T 作 TJ⊥BC 于点 J，如解图所
图1
图2
图3
下面是证明 BQ，BT 是∠SBC 三等分线的部分过程：
证明：过点 T 作 TK⊥BC 于点 K，则四边形 EBKT 为矩形． 根据折叠，得 EB＝QT，∠EBT＝∠QTB，BT＝TB， ∴△EBT≌△QTB(SAS)． ∴∠BQT＝∠TEB＝90°. ∴BQ⊥PT. …
学习任务： (1)将剩余部分的证明过程补充完整． 解：剩余的证明过程如下： ∵ME＝PQ，EB＝QT，ME＝EB， ∴PQ＝QT. ∴BP＝BT. ∴∠PBQ＝∠TBQ. ∵TK＝BE，∴TK＝TQ.
正方形 ABCD，则矩形 DCGF 是否为黄金矩形？是，请予以证明；不是，请说明理由． 解：留下的矩形 DCGF 是黄金矩形． 理由如下： ∵四边形 ABCD 是正方形，
∴AB＝DC＝AD．
又∵AABF＝ 52－1， ∴AADF＝ 52－1.
即点 D 是线段 AF 的黄金分割点，FADD＝ 52－1. ∴FCDD＝ 52－1. ∴矩形 DCGF 是黄金矩形．
示，则∠TBJ＝13∠DBC．∵四边形 ABCD 为正方形，∴∠DBC＝45°.∴∠TBJ＝15°.由折叠性质，
得 BH＝HT，∴∠TBJ＝∠HTB＝15°.∴∠THJ＝30°.设 BC＝4，则 BE＝1.∵将正方形 ABCD 对 折，折痕记为 MN，再将矩形 MBCN 对折，折痕记为 EF，TJ⊥BC，∴四边形 EBJT 为矩形．∴TJ ＝BE＝1.在 Rt△THJ 中，∠THJ＝30°，∴HT＝2TJ＝2，HJ＝cos 30°·HT＝ 23×2＝ 3.∴BJ ＝BH＋HJ＝HT＋HJ＝2＋ 3，tan∠TBJ＝BTJJ＝2＋1 3＝2－ 3.即 tan 15°＝2－ 3.
角的三等分
角的三等分历史
• 公元前4世纪，托勒密一世定都亚历山大城。他凭借优越的地理环境， 发展海上贸易和手工艺，奖励学术。他建造了规模宏大的“艺神之 宫”，作为学术研究和教学中心；他又建造了著名的亚历山大图书馆， 藏书75万卷。托勒密一世深深懂得发展科学文化的重要意义，他邀请 著名学者到亚历山大城，当时许多著名的希腊数学家都来到了这个城 市。亚历山大城郊有一座圆形的别墅，里面住着一位公主。圆形别墅 中间有一条河，公主的居室正好建立在圆心处。别墅南北围墙各开了 一个门，河上建了一座桥，桥的位置和南北门位置恰好在一条直线上。 国王每天赏赐的物品，从北门运进，先放到南门处的仓库，然后公主 再派人从南门取回居室。一天，公主问侍从：“从北门到我的卧室， 和从北门到桥，哪一段路更远？”侍从不知道，赶紧去测量，结果是 两段路一样远的。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 河，有桥，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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研 究 步 骤
而三等分则不然。弦的三等分并不 是弧的三等分（如图）
弧的三等分与线段的三等分点的连线应该不是平行的。于是我们又开始 研究弧、弦与圆心角的关系。可是他们之间并不存在，或者只有很复杂 的关系，所以并不能通过弦与圆心角来画出弧的三等分。 但是我们又想到了π。π约等于三，所以在圆上，可以粗略地把圆周三 等分（如图）
A B
这样，只要求出所求角度与360°的关系， 再把圆规的半径缩小到同一倍数，也能近似 的三等分一个角。但是，这个方法受许多限 制，比如在缩小倍数时不能保证完全精确， 使本已近似的结果误差更大。有时倍数也不 能太复杂。所以，只有特殊角的三等分可以 用这种办法的。
古希腊三大数学问题
古希腊三大数学问题
古希腊三大数学问题是指公元前5世纪到公元3世纪之间，在古希腊数学家们的研究中，涌现出的三个重要的数学难题。
这三个问题分别是：三分问题、倍立方问题和圆面积问题。
三分问题指的是如何将任意一个角度三等分。
古希腊数学家们一直试图寻找用直尺和圆规解决该问题的方法，但最终发现该问题无法用这些工具解决。
倍立方问题则是指如何求出一个立方体的体积是另一个立方体
的两倍。
古希腊数学家们一直试图用直尺和圆规解决该问题，但最终发现该问题也无法用这些工具解决。
最后一个问题是圆面积问题，即如何求出一个圆的面积。
古希腊数学家们尝试了许多方法，最终由数学家阿基米德提出了用圆周长来计算圆面积的方法，这被称为“阿基米德原理”。
这三个数学问题在古希腊时期引起了广泛的讨论和研究，对后来的数学发展也产生了深远的影响。
它们成为了古希腊数学的重要遗产，也激发了更多数学难题的研究和探索。
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古希腊三大作图问题讲解
尺规作图
古时候人们约定，所谓圆规直尺作图是指： 使用直尺，我们能过任何给定的不同两点， 作一条直线；使用圆规，我们能以给定点为 圆心，任意长为半径作一个圆. 在作图中，使 用的直尺是没有刻度标记的直尺；
只用圆规、直尺，古希腊三大作图问题不可 作。
不限制用圆规和直尺，三大作图问题 是可作的
数域“树”中每一个数都可以用尺规作出，而且， 尺规所能作出数的范围仅限于数域“树”中的数。
我们可以把它写成一个定理： 尺规能且仅能作出的数的范围为数域“树”。
没有针对一个问题，去寻找解决这类问题的 方法。
不可作图问题是如何解决的呢？
思路：我们对尺规作图一类问题进行考虑。 确定尺规作图的范围； 判断我们要求作的具体问题是否在这个范围
内。
不可作图问题证明的基本步骤
1）尺规作图代数化——几何问题代数化； 2）范围界定，与数域建立联系——数域与扩
可以用尺规作出； 某一个扩域可能出现在不同的扩域“列”中.
只能作图
对尺规作图而言, 从单位1出发, 利用尺规作图, 可以 作出有理数域中的每一个数。然后, 我们可以选择 有理数域中的一个数, 作它的算术平方根(这里要求), 进而作出所有形如的数,其中是数域中的任意数。从 而，用尺规可以作出一个新的数域.重复这样的过程， 我们就可以作出数域“树”。
一、古希腊三大作图问题 与尺规作图
古希腊三大作图问题
古希腊有三个十分著名的作图问题，这三个作 图问题规定只能用圆规和直尺解决.它们分别是： 倍立方体：求作一个立方体的边，使该立方体的体 积为给定立方体的两倍. 化圆为方：求作一个正方形，使其面积与一个给定 的圆的面积相等. 三等分角：求作一个角，使其等于给定的角的三分 之一.
什么是“几何三大问题”
什么是“几何三大问题”大约在二千四百多年前，古希腊流传下列三个几何作图题：1．立方倍积问题：就是作一个立方体，使它的体积等于一个已知体积的2倍。
2．三等分角问题：就是把一个已知角三等分。
3．化圆为方问题：就是求作一个正方形，使它的面积等于一个已知圆的面积。
这三个几何作图题如果用先进的工具或曲线可以轻易地作出答案，然后只需用圆规和直尺来完成，而且还有一些限制：①直尺是没有刻度的；②不能把直尺和圆规同时在一起合并使用；③在作图时，直尺和圆规是不能无限使用多次的。
两千多年来，许多著名的数学家和学者都曾经对这三题进行过无数次的探讨、尝试，但连当时负有盛誉的学者柏拉图，也觉得茫无头绪，都始终没有成功。
于是，三个几何作图题成为著名的古典难题，一向被人们称为“几何三大问题”。
关于第一个问题，还流传着一个美丽的神话：大约在两千三百年前，雅典城流行了可怕的伤寒病。
人们为了消除这个灾难，便向“太阳神阿波罗”求助。
太阳神告诉人们说：必须把我殿前神坛上香案的体积扩大一倍，才能使瘟疫不再流行。
他的香案是一个立方体形状的，人们便觉得这个条件并不苛刻，于是人们马上做了一个新的香案。
然而，瘟疫依旧非常猖獗。
雅典人再去祈祷太阳神，才知道这个新的香案体积并不等于原来的两倍。
同学们也算一算，人们新做香案的每条棱长是原来棱长的2倍，这怎能符合要求呢？那么究竟怎么做呢？可把当时的人们难住了。
这虽是个神话，但经过人们的努力，在1973年，万芝尔首先证明这个立方倍积问题是不能用直尺和圆规来解决的，而且第二个问题也得到了同样的证明。
最难的是第三个化圆为方的问题因为它牵涉到π是超越数的证明。
什么叫超越数呢？通俗地说，是不可由某种具有有理系数的方程算出来的数。
证明一个数是超越数的方法，首先由数学家阿基米德创立的，后来德国数学家林德曼在1882年证明了π是一个超越数。
从此，这三个古典难题的公案便宣告结束。
这三个问题在生产生活中却有一定的实用性。
如果允许使用工具，或有刻度的直尺冲破原来的那些限制，三等分一个角是可能的，阿基米德就做了成功的尝试。
三等分角不可能性的证明
扩域“列”、扩域 “树”与尺规作图
倍方
三等分角
正十七边形
四、关键点
作图问题代数化
1）作图 作数 2）基本图形作图代数化
确定方程及系数 作直线与圆 直线与直线的交点 直线与圆的交点 圆与圆的交点
作数对；
扩域“列”与扩域“树”
“列”： 有理数域 “树”：
Q
r1 r 2 2 ( r1 , r 2 Q)
问题的代数化； 方程 没有有理数根； 方程 x 3 x 1 0 的根是不可作图的 。
x
3
3x 1 0
3
三、教材逻辑
作图欣赏
三大作图问题
其它方法
有理数域与尺规作图 尺规作图原则
范例
尺规作图的范围（1） ——能作的范围
数域扩充与尺规作图
尺规作图代数化 尺规作图的范围（2） ——仅能作的范围 直线的表示 圆的表示 应用 数域与尺规作图的封闭性 圆规作图与扩域 不能作的范围 能作的范围 补充知识
尺规作图
古时候人们约定，所谓圆规直尺作图是指： 使用直尺，我们能过任何给定的不同两点， 作一条直线；使用圆规，我们能以给定点为 圆心，任意长为半径作一个圆. 在作图中，使 用的直尺是没有刻度标记的直尺； 只用圆规、直尺，古希腊三大作图问题不可 作。
不限制用圆规和直尺，三大作图问题 是可作的
一、古希腊三大作图问题 与尺规作图
古希腊三大作图问题
古希腊有三个十分著名的作图问题，这三个作 图问题规定只能用圆规和直尺解决.它们分别是： 倍立方体：求作一个立方体的边，使该立方体的体 积为给定立方体的两倍. 化圆为方：求作一个正方形，使其面积与一个给定 的圆的面积相等. 三等分角：求作一个角，使其等于给定的角的三分 之一.
关于三等分任意角的方法探究
三等分任意角的方法探究西工大附中孙开锋三等分任意角的方法探究摘要：三等分角是古希腊几何三大作图问题之一，本文关键词：只准用直角和圆规，你能将一个任意的角进行两等分吗？这可太简单了，几千前的数学家们就会做。
纸上任意画一个角，以其顶点O为圆心，任意选一个长度为半径画弧，找出弧与角的两边的交点，分别命名为A和B。
然后分别以A点和B点为圆心，以同一个半径画弧，这个半径要大于A、B之间距离的一半。
找出两段弧的相交点C，用直尺把O和C连接起来，那么直线OC就将角AOB平分成了两部分。
用同样的方法，我们可以把一个角任意分成4等分、8等分、16等分……，也就是说，只要你有耐心，可以把任意一个角等分为2的任意次方。
但是，如果只用直尺和圆规，并且，这直尺还不能有刻度，你能将任意一个角三等分吗？早在公元前5世纪，古希腊的巧辩学派就提出了在只用直尺画直线、圆规画弧的限定下，将任意给定的角三等分的命题。
很多伟大的数学家如阿基米德、笛卡儿、牛顿等都试图拿起直尺和圆规挑战自己的智力，但终于都以失败告终。
直至公元1837年，法国数学家闻脱兹尔宣布：“只准使用直尺与圆规，想三等分一个任意角是不可能的！”, 才暂时了结了这宗长达几千年的数学悬案。
但是，如果没有几何作图法的限制，任意角三等分问题当然可以解决，不妨举几个例子以共享。
一、利用工具三等分任意角如图1所示，叫做“三等分仪”吧 ，CE=EG=DG,ME ⊥CD,弧ED 是以G 为圆心的半圆，故ME 与半圆G 相切于点E.具体操作：将该仪器置于 ∠AOB 的内部，使得点C 落在OA 上，ME 经过点O,半圆G 与OB 相切于点F,则OE,OG 为∠AOB 的三等分线。
数理证明：分别连接OG,GF,故GF ⊥OB,而EG ⊥OE,所以易证：△GOE ≌△GOF;同理可证△GOE ≌△COE;故可得到：∠COE=∠GOE=∠FOG.所以，OE 、OG 为∠AOB 的三等分线。
二、中考中的三等分角题目：（广东佛山市）三等分一任意角是数学史上一个著名的问题，用尺规不可能“三等分一任意角”。
三分任意角
三分任意角三等分任意角是数学史上著名的几何三大问题。
从表面上看，这个问题似乎很简单，但自从公元前五世纪提出以来，长时间未能解决。
古希腊学者曽经研究出了各种画法，但最终都发现，他们费尽心机找出的作图方法，不是有错，就是出界。
此后两千年间，这“三大几何难题”一直困扰着数学家。
直到1637年，善于哲学思考的笛卡儿创立了解析几何学，将尺规作图的几何条件翻译为代数式，通过代数方法的研究，终于得到一个关于尺规作图可能性的准则：在一个尺规作图问题中，一个必须求出的未知量，如果能够由若干已知量经过有限次有理运算及开平方而得出时，并且只有这时，这个作图题才可以仅用尺规完成。
一旦题中需求出的未知量的表达式所用到的运算法则超出了所说的范围，那么这个作图题就不能仅用尺规作出。
在这个判断法则的指引下，人们证明了：仅用圆规与直尺三等分任意角是不可能的。
可是时至今日，仍然不时有人宣布自己用尺规解决了三分角的作图问题，笔者当年编辑《湖南数学通讯》时，就收到过好几篇这类稿件，有的还是地方科学技术协会推荐来的。
我国数学家余介石先生曽经出版过一本书，书名叫做《我国的三分角家及方圆家》，其中收录了许多宣称解决了三分任意角的事例，其中的当事人都因为当年一些媒体报道他们解决了三分任意角的问题而轰动一时，当然，那些所谓三分任意角的方法，毫无例外都是错误的。
著名数学家华罗庚教授曾于1952年专门写了一篇科普文章谈“三分角问题”，对这个不可能问题作了通俗而详尽的解释，并郑重指出：“此项研究的发展，会使聪明才智白白地浪费了。
”但愿至今还迷恋解决三分角问题的朋友，结束这种已经毫无意义的“雄心状志”吧！他山代数解玄机，一角三分事不期。
限设尺规人自缚，愚公枉欲太行移。
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古希腊三个著名问题之一的三等分角，现在美国就连许多没学过数学的人也都知道．美国的数学杂志社和以教书为职业的数学会员，每年总要收到许多“角的三等分者”的来信；并且，在报纸上常见到：某人已经最终地“解决了”这个不可捉摸的问题．这个问题确实是三个著名的问题中最容易理解的一个，因为二等分角是那么容易，这就自然会使人们想到三等分角为什么不同样的容易呢？
用欧几里得工具，将一线段任意等分是件简单的事；也许古希腊人在求解类似的任意等分角的问题时，提出了三等分角问题；也许(更有可能)这问题是在作正九边形时产生的，在那里，要三等分一个60°角．
在研究三等分角问题时，看来希腊人首先把它们归结成所谓斜向(verging problem)问题．任何锐角ABC(参看图31)可被取作矩形BCAD的对角线BA和边BC的夹角．考虑过B点的一条线，它交CA于E，交DA之延长线于F，且使得EF=2(BA)．令G为EF之中点，则
EG=GF=GA=BA，
从中得到：
∠ABG=∠AGB=∠GAF+∠GFA=2∠GFA=2∠GBC，
并且BEF三等分∠ABC．因此，这个问题被归结为在DA的延长线和AC之间，作一给定长度2(BA)的线段EF，使得EF斜向B点．
如果与欧几里得的假定相反，允许在我们的直尺上标出一线段
E’F’=2(BA)，然后调整直尺的位置，使得它过B点，并且，E’在AC 上，F’在DA的延长线上；则∠ABC被三等分．对直尺的这种不按规定的使用，也可以看作是：插入原则(the insertion principle)的一种应用．这一原则的其它应用，参看问题研究4．6．
为了解三等分角归结成的斜向问题，有许多高次平面曲线已被发现．这些高次平面曲线中最古老的一个是尼科梅德斯(约公元前240年)发现的蚌线．设c为一条直线，而O为c外任何一点，P为c上任何一点，在PO的延长线上截PQ等于给定的固定长度k．于是，当P沿着c移动时，Q的轨迹是c对于极点O和常数k的蚌线(conchoid)(实际上，只是该蚌线的一支)．设计个画蚌线的工具并不难①，用这样一个工具，就可以很容易地三等分角．这样，令∠AOB 为任何给定的锐角，作直线MN垂直于OA，截OA于D，截OB于L(如图32所示)．然后，对极点O和常数2(OL)，作MN的蚌线．在L点作OA的平行线，交蚌线于C．则OC三等分∠AOB．
借助于二次曲线可以三等分一个一般的角，早期希腊人还不知道这一方法．对于这种方法的最早证明是帕普斯(Pappus，约公元300年)．利用二次曲线三等分角的两种方法在问题研究4．8中可以找到．
有一些超越(非代数的)曲线，它们不仅能够对一个给定的角三等分，而且能任意等分．在这这样的曲线中有：伊利斯的希皮阿斯(Hippias，约公元前425年)发明的割圆曲线(quadratrix)和阿基米得螺线(spiral of Archimeds)．这两种曲线也能解圆的求积问题．关于割圆曲线在三等分角和化圆为方问题上的应用，见问题研究4．10．
多年来，为了解三等分角问题，已经设计出许多机械装置、联动机械和复合圆规．①参看R．C．Yates．The Trisection Prolem．其中有一个有趣的工具叫做战斧，不知道是谁发明的，但是在1835年的一本书中讲述了这种工具．要制做一个战斧，先从被点S和T三等分的线段RU开始，以SU为直径作一半圆，再作SV垂直于RU，如图33所示．用战斧三等分∠ABC时，将这一工具放在该角上，使R 落在BA上，SV通过B点，半圆与BC相切于D．于是证明：△RSB，△TSB，△TDB都全等，所以，BS和BT三等分给定的角．可以用直尺和圆规在描图纸上绘出战斧，然后调整到给定的角上．在这种条件下，我们可以说用直角和圆规三等分一个角(用两个战斧，则可以五等分一个角)．
欧几里得工具虽然不能精确地三等分任意角，但是用这些工具的作图方法，能作出相当好的近似的三等分．一个卓越的例子是著名的蚀刻师、画家A．丢勒(Albrecht Durer)于1525年给出的作图方法．取给定的∠AOB为一个圆的圆心角(参看图34)，设C为弦AB的靠近B 点的三等分点．在C点作AB的垂线交圆于D．以B为圆心，以BD为半径，作弧交AB于E．设令F为EC的靠近E点的三等分点，再以B 为圆心，以BF为半径，作弧交圆于G．那么，OG就是∠AOB的近似的三等分线．我们能够证明：三等分中的误差随着∠AOB的增大而增大；但是，对于60°的角大约只差1〃，对于90°角大约只差18〃．
只要放弃「尺规作图」的戒律，三等分角并不是一个很难的问题。
古希腊数学家阿基米得（前287－前212）发现只要在直尺上固定一点，问题就可解决了。
现简介其法如下：在直尺边缘上添加一点P，命尺端为O。
设所要三等分的角是∠ACB，以C为圆心，OP为半径作半圆交角边于A，B；使O点在CA延在线移动，P点在圆周上移动，当尺通过B时，连OPB。
由于OP＝PC＝CB，所以∠COB＝∠AC B／3。