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化圆为方问题

来源:不详       更新时间:2011-9-3 11:16:29
 

  化圆为方问题(problemofquadratureofcircle)是二千四百多年前古希腊人提出的三大几何作图问题之一,即求作一个正方形,使其面积等于已知圆的面积。其难度在于作图使用工具的限制。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。最早研究这问题的是安纳萨戈拉斯,他因「不敬神」的罪名被捕入狱,在狱中潜心研究化圆为方问题,可惜他的结果失传了。以后著名的研究者更有希波克拉底、安提丰、希皮亚斯等人。
  
  标尺作图问题曾吸引许多人研究,但无一成功。化圆为方问题,实际上就是用直尺圆规作出线段π的问题。1882年法国数学家林德曼(1852-1939)证明了π是超越数,同时证明了圆为方问题是标尺作图不可能的问题。因为十九世纪有人证明了若设任意给定长度单位,则标尺可作的线段长必为代数数。而化圆为方问题相当于求作长为√π的线段,但√π并非代数数,故此标尺不可作。
  
  二千年间,尽管对化圆为方问题上的研究没有成功,但却发现了一些特殊曲线。希腊安提丰(公元前430)为解决此问题而提出的「穷竭法」,是近代极限论的雏形。大意是指先作圆内接正方形(或正6边形),然后每次将边数加倍,得内接8、16、32、…边形,他相信「最后」的正多边形必与圆周重合,这样就可以化圆为方了。虽然结论是错误的,但却提供了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,与中国刘徽的割圆术不谋而合,对穷竭法等科学方法的建立产生直接影响。
  
  其实,若不受标尺的限制,化圆为方问题并非难事,欧洲文艺复兴时代的大师芬兰数学家达芬奇(1452-1519)用已知圆为底,圆半径的1/2为高的圆柱,在平面上滚动一周,所得的矩形,其面积恰为圆的面积,如图,
  


  所以所得矩形的面积=r/2.2πr=πr2,然后再将矩形化为等积的正方形即可。
  
  

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