Wirtualne laboratorium/Matematyka/Geometria/Konstrukcje cyrklem i linijką
Wielkie odkrycie 1837 — Gauss, Wantzel

Konstrukcje cyrklem i linijką

Rozszerzenie tematu konstrukcji geometrycznych. Cyrklem i linijką konstruujemy tylko liczby uzyskiwane przez działania arytmetyczne i pierwiastki kwadratowe. Część konstrukcji jest wykonalna (podział odcinka, √n, 17-kąt foremny — Gauss 1796), a część udowodniono jako niemożliwą (trisekcja dowolnego kąta, podwojenie sześcianu — Wantzel 1837).

Konstrukcje cyrklem i linijką
Matematyka · Geometria · Konstrukcje cyrklem i linijką (1837)
Zadanie konstrukcyjne:
Trisekcja (podział na 3 równe części) dowolnego kąta cyrklem i linijką jest…
zadanie
Podział odcinka…
status
WYKONALNE
potrzebuje
tw. Talesa
rozstrzygnięcie
klasyka
🎯 Wyzwanie: wykonalne czy niemożliwe?
seria: 0

Dam Ci zadanie konstrukcyjne — oceń, czy da się je wykonać cyrklem i linijką. Dostępne tylko +, −, ×, ÷ i √.

Co się właśnie stało?

Cyrkiel i linijka (bez podziałki) to klasyczne narzędzia geometrii greckiej — ale nie wszystko da się nimi skonstruować. Niektóre słynne konstrukcje są wykonalne, a inne — mimo prób trwających tysiąclecia — okazały się niemożliwe, co udowodniono dopiero w XIX wieku.

Które długości są konstruowalne?

Matematycznie: konstruowalne cyrklem i linijką są dokładnie te długości, które można uzyskać z odcinka jednostkowego przez dodawanie, odejmowanie, mnożenie, dzielenie i pierwiastki kwadratowe:

1  →  +, −, ×, ÷,      liczby konstruowalne1 \;\xrightarrow{\;+,\,-,\,\times,\,\div,\,\sqrt{\ }\;}\; \text{liczby konstruowalne}

Dlatego wykonalne są np.: podział odcinka na dowolną liczbę równych części (twierdzenie Talesa), konstrukcja n\sqrt{n} (jako średniej geometrycznej), dwusieczna kąta oraz wielokąty foremne o odpowiedniej liczbie boków.

Przełom Gaussa (1796):

Młody Carl Gauss udowodnił, że 17-kąt foremny jest konstruowalny — czego nie wiedziano od starożytności. Ogólnie nn-kąt foremny jest konstruowalny wtedy, gdy nn jest iloczynem potęgi dwójki i różnych pierwszych liczb Fermata. Gauss podał więc pełny warunek konstruowalności wielokątów foremnych.

Co udowodniono, że jest NIEMOŻLIWE:

Niektóre konstrukcje wymagają liczb, których nie da się uzyskać samymi pierwiastkami kwadratowymi — np. 23\sqrt[3]{2} wymaga pierwiastka trzeciego stopnia. Dlatego niemożliwe są:

  • Trisekcja (podział na 3 równe części) dowolnego kąta — Pierre Wantzel, 1837
  • Podwojenie sześcianu (konstrukcja boku sześcianu o dwukrotnej objętości, czyli 23\sqrt[3]{2}) — Pierre Wantzel, 1837
  • Kwadratura koła — Ferdinand Lindemann, 1882
23 ∉ {liczby konstruowalne}(potrzeba pierwiastka 3. stopnia)\sqrt[3]{2}\ \notin\ \{\text{liczby konstruowalne}\} \quad(\text{potrzeba pierwiastka 3. stopnia})

Niezmiennik:

Konstruowalne cyrklem i linijką są tylko liczby dające się uzyskać z jedynki przez działania arytmetyczne (+,−,×,÷+,-,\times,\div) i pierwiastki kwadratowe ( \sqrt{\ }) — nie np. pierwiastek trzeciego stopnia.

Po co Ci to na maturze:

Ta historia pokazuje potęgę algebry: pytania czysto geometryczne („czy da się narysować?") rozstrzyga teoria liczb i pól algebraicznych, zamieniając „nie potrafimy" w „udowodniono, że się nie da". Zapamiętaj kryterium — dostępne są tylko działania arytmetyczne i pierwiastek kwadratowy.

Zapamiętaj: cyrklem i linijką skonstruujesz to, co powstaje z 1 przez +,−,×,÷+,-,\times,\div i  \sqrt{\ }. Podział odcinka, n\sqrt{n} i 17-kąt — tak; trisekcja kąta i podwojenie sześcianu (23\sqrt[3]{2}) — udowodniono, że się nie da.

Model poglądowy · Wirtualne laboratorium NexTutor

Spodobał Ci się eksperyment? Udostępnij go.

Jest darmowy — podeślij znajomym ze szkoły.

Teoria i wzory

Co jest konstruowalne

Z odcinka jednostkowego cyrklem i linijką dostajemy liczby uzyskane przez +,−,⋅,÷+,-,\cdot,\div oraz pierwiastki kwadratowe  \sqrt{\ } (liczby „kwadratowo-konstruowalne”).

Co udowodniono jako niemożliwe

  • trisekcja dowolnego kąta — prowadzi do równania stopnia 33,
  • podwojenie sześcianu — wymaga 23\sqrt[3]{2}.

Wykazał to Wantzel (1837).

Wielokąty foremne

Gauss (1796): nn-kąt foremny jest konstruowalny m.in. wtedy, gdy nn jest iloczynem potęgi 22 i różnych liczb pierwszych Fermata — stąd konstruowalny 1717-kąt.

Oznaczenia: nn liczba boków, 23\sqrt[3]{2} pierwiastek sześcienny z 22.

Uczysz? Umieść ten eksperyment na swojej stronie.

Darmowy widget — wklej na stronę szkoły, bloga lub notatki. Linkuje do pełnej wersji.

Uczysz w klasie albo korepetujesz? Prowadź uczniów w NexTutor →

Najczęstsze pytania

›

Czy trisekcja dowolnego kąta cyrklem i linijką jest możliwa?

Nie — udowodnił to Pierre Wantzel w 1837 r.

›

Jakie liczby są konstruowalne cyrklem i linijką?

Tylko te uzyskiwane z jedynki przez działania arytmetyczne i pierwiastki kwadratowe (nie np. pierwiastek trzeciego stopnia).

›

Co odkrył Gauss o konstrukcjach?

Że 17-kąt foremny jest konstruowalny (1796 r.) — i podał ogólny warunek konstruowalności wielokątów foremnych.