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[几何] 尺规作图画正多边形

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TTAANN001 发表于 2022-8-23 16:32 |阅读模式
为什么用直尺和圆规为什么画不出正七边形?
我时常在想,为什么每当只有夜幕降临的时候,我才能够反思自我,面对自己,我究竟是在逃避什么,害怕什么......不在黑暗中爆发,就只能在黑暗中湮灭。

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色k 发表于 2022-8-25 08:07
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 楼主| TTAANN001 发表于 2022-8-25 18:04
尺规作图只能做五种运算:加、减、乘、除、开平方:zhuanlan.zhihu.com/p/76333896
我时常在想,为什么每当只有夜幕降临的时候,我才能够反思自我,面对自己,我究竟是在逃避什么,害怕什么......不在黑暗中爆发,就只能在黑暗中湮灭。

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 楼主| TTAANN001 发表于 2022-8-25 18:13
本帖最后由 TTAANN001 于 2022-8-25 18:23 编辑         其实我是想问下这个,古人已经知道, 对于数  $n=2^{h}, 3,5$($h$  为任意整数), 可以作正多边形,对于合数  $n=2^{h} \times 3 \times 5$  也同样可以。问题就到此为止,直到 $18$ 世纪末才由年轻的高斯完全解决。他发现可以用尺规对形如 $p=2^{2^{\mu}}+1$  的一切质数(当然$p=2^{2^{\mu}}+1$ 还可能不是质数 )作出正  $p$  边形, 但对其他质数都不可能。对于最初几个数值  $\mu=0,1,2,3,4$ , 据此公式实际上可得 出质数$3,5,17,257,65537$.
        我们记正多边形的边数为$n$,证明方程$z^{n-1}+z^{n-2}+\dots+z+1=0$(也就是所谓的分圆方程)对于$n$为以上所提到的数的解(如果是复数,那就是复数的实部和虚部)可以只被加、减、乘、除、开平方所表达。
我时常在想,为什么每当只有夜幕降临的时候,我才能够反思自我,面对自己,我究竟是在逃避什么,害怕什么......不在黑暗中爆发,就只能在黑暗中湮灭。

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hbghlyj 发表于 2024-10-27 03:59
本帖最后由 hbghlyj 于 2024-10-27 08:59 编辑
TTAANN001 发表于 2022-8-25 10:13$\DeclareMathOperator\Gal{Gal}$
证明方程$z^{n-1}+z^{n-2}+\dots+z+1=0$(也就是所谓的分圆方程)对于$n$为以上所提到的数的解(如果是复数,那就是复数的实部和虚部)可以只被加、减、乘、除、开平方所表达。

Constructibility of n-gon: relation between cyclotomic polynomial and field of constructible points

To construct the regular n-gon we just need to now for which $n\geq 3$, the central angle $2\pi/n$ is constructible. The connections with the unity roots and the complex plane comes from here, since $2\cos (\frac{2\pi}{n})=\zeta_n+\zeta_n^{-1}$. We will need a few lemmas that uses your two theorems.

Lemma 1: For every $r\geq 2$ the angle $\frac{2\pi}{2^r}$ is constructible.

Hint: use induction and the bisection of the angle formed by two lines that intersect.

Lemma 2: Let $m$ and $n$ dos positive coprime integers. The the angle $\frac{2\pi}{mn}$ is constructible if and only if $\frac{2\pi}{n}$ and $\frac{2\pi}{m}$ are both constructible.

Hint: Use the fact that if $\alpha$ and $\beta$ are constructible then $s\alpha+r\beta$ are constructible for $s,r\in\mathbb{Z}$. For the reciprocal just use this fact applied to Bezout's identity.

Lemma 3: Let $p$ a prime number greater than $2$, $k$ a positive integer and $n:=p^k$. Then the angle $\frac{2\pi}{n}$ is constructible if and only if $k=1$ and $p=2^{2^r}+1$ for some $r\geq 0$.

Proof:

Lets suppose that the angle $\frac{2\pi}{n}$ is constructible, i.e the real number $c_n=\cos(2\pi/n)$ is constructible, so it implies that $[\mathbb{Q}(c_n):\mathbb{Q}]=2^{l-1}$ for some $l\geq 1$. Since we know that  $[\mathbb{Q}(c_n):\mathbb{Q}]=\frac{\phi(n)}{2}$ it implies that $$p^{k-1}(p-1)=\phi(n)=2[\mathbb{Q}(c_n):\mathbb{Q}]=2^l$$
In consequence, $k=1$ and $p=2^l+1$. If $l$ is not a power of $2$ then some odd $q$ would divide $l$ and then $l=qm$ for some even $m$. Since $q$ is odd
$$ t^q+1=(t+1)\sum_{j=0}^{q-1}(-1)^jt^j$$
and it implies
$$p=2^l+1=2^{mq}+1=(2^m+1)\sum_{j=0}^{q-1}(-1)^j2^{mj}$$
but that's impossible since $p$ is prime and $1<2^m+1<p$. Therefore exists some integer $r\geq 0$ such as $l=2^r$, and $p=2^{2^r}+1$.

Reciprocally, let's suppose that $p=2^l+1$ for some integer $l\geq 1$, and we have to prove that $c:=\cos (2\pi/p)$ is constructible. Let $s:=\sin (2\pi/p)$, $i:=\sqrt{-1}$, and consider $\zeta=c+is\in\mathbb{C}$. We know that $\zeta$ is an pth-root of unity, so $\mathbb{Q}(\zeta)|\mathbb{Q}$ is a Galois extension which Galois group is isomorphic to $\mathbb{Z}_{p}^*$, which order is $\phi(p)=p-1=2^l$. Also $2c=\zeta+\zeta^{-1}\in\mathbb{Q}(\zeta)$, so we have a field tower $\mathbb{Q}\subset \mathbb{Q}(c)\subset \mathbb{Q}(\zeta)$, and since the Galois group is cyclic, the subgroups are normal, so it follow from the second fundamental theorem of Galois theory that $$\Gal(\mathbb{Q}(c):\mathbb{Q})\cong\frac{\Gal(\mathbb{Q}(\zeta):\mathbb{Q})}{\Gal(\mathbb{Q}(\zeta):\mathbb{Q}(c))}$$
In particular, $\Gal(\mathbb{Q}(c):\mathbb{Q})$ is cyclic and it's order is $ord(\frac{\Gal(\mathbb{Q}(\zeta):\mathbb{Q})}{\Gal(\mathbb{Q}(\zeta):\mathbb{Q}(c))})=\frac{\phi(n)}{2}=2^{l-1}$. It follows from the Sylow theorems and the fact that is cyclic that for every $1\geq j\geq l-1$, $G(\mathbb{Q}(c):\mathbb{Q})$ has an unique normal subgroup $H_j$ with order $2^{l-1-j}$ and $H_{j+1}\subset H_j$. So we have a field tower
$$\mathbb{Q}=K_0\subset K_1\subset \cdots \subset K_{l-1}=\mathbb{Q}(c)$$ for $K_j=Fix(H_j)$ and every extension $K_{j+1}|K_j$ has degree $2$. It implies from the definition of constructibility (your second theorem), that $c$ is constructible


Theorem Let $n\geq 3$ a positive integer. Then the angle $\frac{2\pi}{n}$ is constructible if and only if n is a power of $2$ or $n:=2^r p_1\cdots p_k$ where $r$ is non negative and the primes $p_i$ are different two by two and they are of the form $p_j=2^{2^{r_j}}+1$ where $r_j\geq q$ for $1\leq j\leq k$.

Proof

From the lemma 1 the angle $\frac{2\pi}{2^l}$ is constructible for every integer $l\geq 1$. Suppose that $n:=2^r p_1^{\alpha_1}\cdots p_k^{\alpha_k}$ for $r\geq 0$ and $\alpha_j\geq 1$. If the angle $\frac{2\pi}{n}$ is constructible it follows from lemma 2 it follows that every angle $\frac{2\pi}{p_j^{\alpha_j}}$ is constructible. It implies from lemma 3 that $\alpha_j=1$, $p_j=2^{2^{r_j}}+1$ for some positive integer $r_j$ for $1\leq j\leq k$.

Reciprocally, if $n:=2^r p_1\cdots p_k$ and the prime numbers $p_j$ verifies the conditions of the theorem, it follow from lemma 1 and 3 that the angles $\frac{2\pi}{2^r}$ and $\frac{2\pi}{p_j}$ are constructible. Applying the lemma 2 it concludes that the angle $\frac{2\pi}{n}$ is constructible.

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hbghlyj 发表于 2024-10-27 04:08
TTAANN001 发表于 2022-8-25 10:04
尺规作图只能做五种运算:加、减、乘、除、开平方


尺规可作性和规矩数   设$ \mathrm {E} $是$ \mathbb {R} ^{2} $的一个非空子集。如果某直线$ l $经过$ \mathrm {E} $中不同的两点,就说$ l $是$ \mathrm {E} $-尺规可作的,简称$ \mathrm {E} $-可作。同样地,如果某个圆$ {\mathcal {C}} $的圆心和圆上的某个点是$ \mathrm {E} $中的元素,就说$ {\mathcal {C}} $是$ \mathrm {E} $-可作的。进一步地说,如果$ \mathbb {R} ^{2} $里的某个点P是某两个$ \mathrm {E} $-可作的直线或圆的交点(直线-直线、直线-圆以及圆-圆),就说点P是$ \mathrm {E} $-可作的。这样的定义是基于五个基本步骤得来的,包括了尺规作图中从已知条件得到新元素的五种基本方法。如果将所有$ \mathrm {E} $-尺规可作的点的集合记作$ s(\mathrm {E} ) $,那么当$ \mathrm {E} $中包含超过两个点的时候,$ \mathrm {E} $肯定是$ s(\mathrm {E} ) $的真子集。从某个点集$ \mathrm {E} _{0} $开始,经过一步能作出的点构成集合$ \mathrm {E} _{1}=s(\mathrm {E} ) $,经过两步能作出的点就是$ \mathrm {E} _{2}=s(\mathrm {E} _{1}) $,……以此类推,经过$ n $步能作出的点集就是$ \mathrm {E} _{n}=s(\mathrm {E} _{n-1}) $。而所有从$ \mathrm {E} $能尺规作出的点集就是:
$$ C(\mathrm {E} _{0})=\bigcup _{n\in \mathbb {N} }\mathrm {E} _{n}. $$
另一个与尺规可作性相关的概念是规矩数。设$ \mathrm {H} $是从集合$ \mathrm {E} _{0}=\{(0,0),(0,1)\} $开始,尺规可作点的集合:$ \mathrm {H} =C(\mathrm {E} _{0}), $ 那么规矩数定义为$ \mathrm {H} $中的点的横坐标和纵坐标表示的数。

定义:实数$ a $和$ b $是规矩数当且仅当$ (a,b) $是$ \mathrm {H} $中的一个点。

可以证明,有理数集$ \mathbb {Q} $是所有规矩数构成的集合K的子集,而$ K $又是实数集$ \mathbb {R} $的子集。另外,为了在复数集$ \mathbb {C} $内讨论问题,也会将平面$ \mathbb {R} ^{2} $看作复平面$ \mathbb {C} $,同时定义一个复数$ a+bi $是(复)规矩数当且仅当点$ (a,b) $是$ \mathrm {H} $中的一个点。所有复规矩数构成的集合$ L $也包含$ \mathbb {Q} $作为子集,并且是复数集$ \mathbb {C} $的子集。

规矩扩张的阶数   对任何一个尺规可作点,都可以考察它对应的域扩张的阶数。由于每个尺规可作点都是通过五种作图公法的有限次累加得到的,而其中生成新点(也就是新坐标)的只有后三种。所以只需考察这三种步骤得到的新点对应的域扩张的阶数。假设某个时刻,已知的所有尺规可作点构成的域是L,那么生成新点时的直线和圆的系数都在L里面。

直线的方程是:$ ax+by+c=0,\quad a,b,c\in \mathrm {L} ,\qquad \qquad \cdots \;\;(1) $
圆的方程是:$ (x-c_{1})^{2}+(y-c_{2})^{2}=r^{2},\quad c_{1},c_{2},r\in \mathrm {L} .\qquad \qquad \cdots \;\;(2) $
无论是两个(1)类方程,两个(2)类方程,还是一个(1)类和一个(2)类方程联立求解,得到的x和y值都会是形同
\begin{cases}x=p_{1}+q_{1}{\sqrt {t}}&p_{1},\;q_{1},\;t\;\in \mathrm {L} \\y=p_{2}+q_{2}{\sqrt {t}}&p_{2},\;q_{2}\;\in \mathrm {L} \end{cases}的数值。所以复规矩数z=x+yi满足一个二次方程:
$$ (z-(p_{1}+p_{2}i))^{2}=t(q_{1}+q_{2}i)^{2} $$
其中的$ p_{1}i+p_{2}i $、$ q_{1}+q_{2}i $以及$ t $都是$ L $中的元素。这意味着,域扩张$ L\subseteq L(z) $的阶数最多是2(最小多项式的阶数至多是2)。这又说明,从$ L $开始,经过一系列($ n $次)基本步骤得到的尺规可作点,代表了$ n $次域扩张:
$$ \mathrm {L} \subseteq \mathrm {L} _{1}\subseteq \cdots \subseteq \mathrm {L} _{n}. $$
而每次域扩张的阶数:$ [L_{k}:L_{k-1}] $都不超过2。因此,从基本的有理数域出发,就能得到如下的定理:
任何复规矩数$ z $对应的域扩张$ \mathbb {Q} \subseteq \mathbb {Q} (z) $的阶数$ [\mathbb {Q} (z):\mathbb {Q} ] $都是2的某个幂次:

$ [\mathbb {Q} (z):\mathbb {Q} ]=2^{s} $

其中的$ s $是某个小于$ n $的自然数($ n $是已知所有有理数坐标点时,作出$ z $对应的点要经过的基本步骤数目)。

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hbghlyj 发表于 2024-10-27 04:22
TTAANN001 发表于 2022-8-25 10:04
尺规作图只能做五种运算:加、减、乘、除、开平方 ...


对于哪些 $n$ 可以用尺子和圆规构造 $\sqrt[n]{2}$?
那 $\sqrt[n]{3}$ 呢?

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hbghlyj 发表于 2024-10-27 16:53
hbghlyj 发表于 2024-10-26 20:22
对于哪些 $n$ 可以用尺子和圆规构造 $\sqrt[n]{2}$?
那 $\sqrt[n]{3}$ 呢?

只有n=2^k才行嗎?

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hbghlyj 发表于 2024-10-27 17:08
hbghlyj 发表于 2024-10-26 19:59
It follows from the Sylow theorems and the fact that is cyclic that for every $1\geq j\geq l-1$, $G(\mathbb{Q}(c):\mathbb{Q})$ has an unique normal subgroup $H_j$ with order $2^{l-1-j}$ and $H_{j+1}\subset H_j$.


这里我认为不需要使用 Sylow 定理,只需通过循环群存在其阶的任意约数阶的子群即可

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hbghlyj 发表于 2024-10-27 21:27
hbghlyj 发表于 2024-10-26 20:22
对于哪些 $n$ 可以用尺子和圆规构造 $\sqrt[n]{2}$?
那 $\sqrt[n]{3}$ 呢?

chegg.com/homework-help/questions-and-answers/positive-integers- ... tructible-q168779823 上有一个已解决的家庭作业答案,但需要付费才能查看

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