尺規(guī)作圖:
是指限定用沒(méi)有刻度的直尺和圓規(guī)來(lái)完成的畫(huà)圖。
一把沒(méi)有刻度的直尺看似不能做什么,畫(huà)一個(gè)圓又不知道它的半徑,畫(huà)線段又沒(méi)有精確的長(zhǎng)度。
其實(shí)尺規(guī)作圖的用處很大,比如單用圓規(guī)找出一個(gè)圓的圓心,量度一個(gè)角的角度,等等。
運(yùn)用尺規(guī)作圖可以畫(huà)出與某個(gè)角相等的角,十分方便。
尺規(guī)作圖的中基本作圖:
作一條線段等于已知線段;
作一個(gè)角等于已知角;
作線段的垂直平分線;
作已知角的角平分線;
過(guò)一點(diǎn)作已知直線的垂線。
還有:
已知一角、一邊做等腰三角形
已知兩角、一邊做三角形
已知一角、兩邊做三角形
依據(jù)公理:
還可以根據(jù)已知條件作三角形,一般分為已知三邊作三角形,已知兩邊及夾角作三角形,已知兩角及夾邊作三角形等,作圖的依據(jù)是全等三角形的判定定理:SSS,SAS,ASA等。
注意:
保留全部的作圖痕跡,包括基本作圖的操作程序,只有保留作圖痕跡,才能反映出作圖的操作是否合理。
尺規(guī)作圖方法:
任何尺規(guī)作圖的步驟均可分解為以下五種方法:
·通過(guò)兩個(gè)已知點(diǎn)可作一直線。
·已知圓心和半徑可作一個(gè)圓。
·若兩已知直線相交,可求其交點(diǎn)。
·若已知直線和一已知圓相交,可求其交點(diǎn)。
·若兩已知圓相交,可求其交點(diǎn)。
尺規(guī)作圖簡(jiǎn)史:
“規(guī)”就是圓規(guī),是用來(lái)畫(huà)圓的工具,在我國(guó)古代甲骨文中就有“規(guī)”這個(gè)字.“矩”就像現(xiàn)在木工使用的角尺,由長(zhǎng)短兩尺相交成直角而成,兩者間用木杠連接以使其牢固,其中短尺叫勾,長(zhǎng)尺叫股.
矩的使用是我國(guó)古代的一個(gè)發(fā)明,山東歷城武梁祠石室造像中就有“伏羲氏手執(zhí)矩,女?huà)z氏手執(zhí)規(guī)”之圖形.矩不僅可以畫(huà)直線、直角,加上刻度可以測(cè)量,還可以代替圓規(guī).甲骨文中也有矩字,這可追溯到大禹治水(公元前2000年)前.
《史記》卷二記載大禹治水時(shí)“左準(zhǔn)繩,右規(guī)矩”.趙爽注《周髀算經(jīng)》中有“禹治洪水,……望山川之形,定高下之勢(shì),……乃勾股之所由生也.”意即禹治洪水,要先測(cè)量地勢(shì)的高低,就必定要用勾股的道理.這也說(shuō)明矩起源于很遠(yuǎn)的中國(guó)古代.
春秋時(shí)代也有不少著作涉及規(guī)矩的論述,《墨子》卷七中說(shuō)“輪匠(制造車(chē)子的工匠)執(zhí)其規(guī)矩,以度天下之方圓.”《孟子》卷四中說(shuō)“離婁(傳說(shuō)中目力非常強(qiáng)的人)之明,公輸子(即魯班,傳說(shuō)木匠的祖師)之巧,不以規(guī)矩,不能成方圓.”可見(jiàn),在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期,規(guī)矩已被廣泛地用于作圖、制作器具了.由于我國(guó)古代的矩上已有刻度,因此使用范圍較廣,具有較大的實(shí)用性.
古代希臘人較重視規(guī)、矩在數(shù)學(xué)中訓(xùn)練思維和智力的作用,而忽視規(guī)矩的實(shí)用價(jià)值.因此,在作圖中對(duì)規(guī)、矩的使用方法加以很多限制,提出了尺規(guī)作圖問(wèn)題.所謂尺規(guī)作圖,就是只有限次地使用沒(méi)有刻度的直尺和圓規(guī)進(jìn)行作圖.
古希臘的安那薩哥拉斯首先提出作圖要有尺寸限制.他因政治上的糾葛,被關(guān)進(jìn)監(jiān)獄,并被判處死刑.在監(jiān)獄里,他思考改圓成方以及其他有關(guān)問(wèn)題,用來(lái)打發(fā)令人苦惱的無(wú)所事事的生活.他不可能有規(guī)范的作圖工具,只能用一根繩子畫(huà)圓,用隨便找來(lái)的破木棍作直尺,當(dāng)然這些尺子上不可能有刻度.另外,對(duì)他來(lái)說(shuō),時(shí)間是不多了,因此他很自然地想到要有限次地使用尺規(guī)解決問(wèn)題.后來(lái)以理論形式具體明確這個(gè)規(guī)定的是歐幾里德的《幾何原本》.由于《幾何原本》的巨大影響,希臘人所崇尚的尺規(guī)作圖也一直被遵守并流傳下來(lái).
由于對(duì)尺規(guī)作圖的限制,使得一些貌似簡(jiǎn)單的幾何作圖問(wèn)題無(wú)法解決.最著名的是被稱(chēng)為幾何三大問(wèn)題的三個(gè)古希臘古典作圖難題:立方倍積問(wèn)題、三等分任意角問(wèn)題和化圓為方問(wèn)題.當(dāng)時(shí)很多有名的希臘數(shù)學(xué)家,都曾著力于研究這三大問(wèn)題,雖然借助于其他工具或曲線,這三大難題都可以解決,但由于尺規(guī)作圖的限制,卻一直未能如愿以?xún)?以后兩千年來(lái),無(wú)數(shù)數(shù)學(xué)家為之絞盡腦汁,都以失敗而告終.直到1637年笛卡爾創(chuàng)立了解析幾何,關(guān)于尺規(guī)作圖的可能性問(wèn)題才有了準(zhǔn)則.到了1837年萬(wàn)芝爾首先證明立方倍積問(wèn)題和三等分任意角問(wèn)題都屬于尺規(guī)作圖不可能問(wèn)題.1882年林德曼證明了π是無(wú)理數(shù),化圓為方問(wèn)題不可能用尺規(guī)作圖解決,這才結(jié)束了歷時(shí)兩千年的數(shù)學(xué)難題公案.