Деление угла пополам (рисунок 26, а). Из вершиныВ углаABC произвольным радиусом R 1 проводят дугу до пересечения ее со сторонами угла в точках М и N . Затем из точек M и N проводят дуги радиусом > R 1 до взаимного пересечения их в точке D . Прямая BD разделит данный угол пополам.

Деление угла на 4, 8 и т. д. равных частей осуществляется последовательным делением пополам каждой части угла (рисунок 26, б).

Рисунок 26

В том случае, когда угол задан сторонами, не пересекающимися в пределах чертежа, например AB иCD на рисунке 26, в, деление угла пополам выполняют так. На произвольном, но одинаковом расстоянииl от сторон угла проводят прямыеKL || AB иMN || CD и продолжают их до пересечения в точкеО . Полученный уголL ON делят пополам прямойOF . ПрямаяOF разделит пополам также и заданный угол.

Деление прямого угла на три равные части (рисунок 27). Из вершины прямого угла – точкиВ проводят дугу произвольным радиусомR до пересечения ее с обеими сторонами угла в точкахA иC . Тем же радиусомR из точекA иС проводят дуги до пересечения с дугойAC в точкахМ иN . Прямые, проведенные через вершину углаВ и точкиМ иN , разделят прямой угол на три равные части.

Рисунок 27

2.4 Деление окружности на равные части, построение правильных многоугольников

2.4.1 Деление окружности на равные части и построение правильных вписанных многоугольников

Для деления окружности пополам достаточно провести любой ее диаметр. Два взаимно перпендикулярных диаметра разделят окружность на четыре равные части (рисунок 28, а). Разделив каждую четвертую часть пополам, получают восьмые части, а при дальнейшем делении – шестнадцатые, тридцать вторые части и т. д. (рисунок 28, б). Если соединить прямыми точки деления, то можно получить стороны правильного вписанного квадрата (а 4 ), восьмиугольника (а 8 ) и т. д. (рисунок 28, в).

Рисунок 28

Деление окружности на 3, 6, 12 и т, д. равных частей, а также построение соответствующих правильных вписанных многоугольников осуществляют следующим образом. В окружности проводят два взаимно перпендикулярных диаметра1–2 и3–4 (рисунок 29 а). Из точек1 и2 как из центров описывают дуги радиусом окружностиR до пересечения с ней в точкахА, В, С иD . ТочкиA ,B ,1, С, D и2 делят окружность на шесть равных частей. Эти же точки, взятые через одну, разделят окружность на три равные части (рисунок 29, б). Для деления окружности на 12 равных частей описывают еще две дуги радиусом окружности из точек3 и4 (рисунок 29, в).

Рисунок 29

Построить правильные вписанные треугольник, шестиугольник и т. д. можно также с помощью линейки и угольника в 30 и 60°. На рисунке 30 приведено подобное построение для вписанного треугольника.

Рисунок 30

Деление окружности на семь равных частей и построение правильного вписанного семиугольника (рисунок 31) выполняют с помощью половины стороны вписанного треугольника, приблизительно равной стороне вписанного семиугольника.

Рисунок 31

Для деления окружности на пять или десять равных частей проводят два взаимно перпендикулярных диаметра (рисунок 32, а). РадиусOA делят пополам и, получив точкуВ , описывают из нее дугу радиусомR = BC до пересечения ее в точкеD с горизонтальным диаметром. Расстояние между точкамиC иD равно длине стороны правильного вписанного пятиугольника (а 5 ), а отрезокOD равен длине стороны правильного вписанного десятиугольника (а 10 ). Деление окружности на пять и десять равных частей, а также построение вписанных правильных пятиугольника и десятиугольника показаны на рисунке 32, б. Примером использования деления окружности на пять частей является пятиконечная звезда (рисунок 32, в).

Рисунок 32

На рисунке 33 приведен общий способ приближенного деления окружности на равные части . Пусть требуется разделить окружность на девять равных частей. В окружности проводят два взаимно перпендикулярных диаметра и вертикальный диаметрAB делят на девять равных частей с помощью вспомогательной прямой (рисунок 33, а). Из точкиB описывают дугу радиусомR =AB , и на пересечении ее с продолжением горизонтального диаметра получают точкиС иD . Из точекC иD через четные или нечетные точки деления диаметраAB проводят лучи. Точки пересечения лучей с окружностью разделят ее на девять равных частей (рисунок 33, б).

Рисунок 33

При построении необходимо учитывать, что такой способ деления окружности на равные части требует особенно большой точности выполнения всех операций.

Возникновение задачи о трисекции угла (т. е. деления угла на три равные части) обуславливается необходимостью решения задачи о построении правильных многоугольников. Построение правильного пятиугольника циркулем и линейкой должно было произвести на пифагорейцев большое впечатление, потому что правильная пятиконечная звезда была их опознавательным знаком (она символизировала здоровье). Известна следующая легенда.

Один пифагореец умирал на чужбине и не мог заплатить человеку, который за ним ухаживал. Перед смертью он велел ему изобразить на своем жилище пятиконечную звезду: если когда-нибудь мимо будет идти пифагореец, он обязательно спросит о ней. И действительно, несколько лет спустя некий пифагореец увидел этот знак и вознаградил хозяина дома.

Происхождение задачи о трисекции угла также связано с практической деятельностью, в частности, уметь делить окружность на равные части нужно было при изготовлении колеса со спицами, деление угла или дуги окружности на несколько равных частей необходимо было и в архитектуре, в создании орнаментов, в строительной технике и в астрономии.

С помощью циркуля и линейки для n=6 и 8 правильные n-угольники построить можно, а для n =7 и 9 нельзя. Построение правильного семиугольника - интересная задача: ее можно решить с помощью способа «вставок». Построение правильного семиугольника предложил Архимед. А вот попытки построить правильный девятиугольник как раз и должны были привести к задаче трисекции угла, потому что для построения правильного девятиугольника нужно было построить угол 360°/9= 120/3, т. е. разделить угол 120° на три равные части.

Почему греки предпочитали циркуль и линейку иным инструментам?

Ответить на этот вопрос однозначно и в достаточной степени убедительно ученые не могут. Потому ли, что циркуль и линейка являются наиболее простыми инструментами? Может быть и так. Однако можно указать множество иных инструментов, столь же простых, как циркуль и линейка, или почти столь же простых. С помощью некоторых из них решаются и сформулированные задачи.

В соответствующей литературе можно найти попытки объяснения такой необычной симпатии греков именно к циркулю и линейке. Любая геометрическая фигура состоит из двух видов линий – прямой или кривой. А любая кривая состоит из частей окружностей различного диаметра. При этом прямая и окружность – единственные линии постоянной кривизны на плоскости.

Деление прямого угла на три равные части.

В некоторых частных случаях легко удается выполнить деление угла. Так, деление прямого угла на три равные части умели производить еще пифагорейцы, основываясь на том, что в равностороннем треугольнике каждый угол равен 60º.

Пусть требуется разделить на три равные части прямой (MAN.

Откладываем на луче AN произвольный отрезок АС, на котором строим равносторонний треугольник АСВ. Так как (САВ равен 60º, то (ВАМ равен 30º. Построим биссектрису АD угла САВ, получаем искомое деление прямого (МАN на три равные угла: (NAD, (DAB, (ВАМ.

Задача о трисекции угла оказывается разрешимой и при некоторых других частных значениях угла (например, для углов в 90о / 2n, где n – натуральное число). То, что любой угол невозможно разделить на три равные части с помощью только циркуля и линейки было доказано лишь в первой половине XIX века.

Решение способом «вставок»

Некоторые способы трисекции угла, рассматриваемые греками, использовали так называемый метод вставки. Он заключался в том, чтобы найти положение прямой, проходящей через данную точку O, на которой две заданные прямые (или прямая и окружность) высекали бы отрезок данной длины a. Такое построение можно осуществить с помощью циркуля и линейки с двумя делениями, расстояние между которыми равно a.

С помощью «вставок» разделить угол на три равные части очень легко. Возьмем на стороне угла с вершиной В произвольную точку А и опустим из нее перпендикуляр АС на другую сторону.

Проведем через точку А луч сонаправленный с лучом ВС. Вставим теперь между лучами АС и l отрезок DE длиной 2АВ так, чтобы его продолжение проходило через точку В. Тогда (ЕВС= (ABC/3. В самом деле, пусть G - середина отрезка DE. Точка А лежит на окружности с диаметром DE, поэтому AG = GE = DE/2 = AB. Треугольники BAG и AGE равнобедренные, поэтому (ABG = (AGB = 2(AEG = 2(EBC.

Папп Александрийский показал, что задача «вставления» отрезка между данными перпендикулярными прямыми l1 и l2 сводится к построению точки пересечения окружности и гиперболы. Рассмотрим прямоугольник ABCD, продолжения сторон ВС и CD которого являются данными прямыми, а вершина А является данной точкой, через которую нужно провести прямую, пересекающую прямые l1 и l2 в таких точках Е и F, что отрезок EF имеет данную длину.

Достроим треугольник DEF до параллелограмма DEFG. Для построения искомой прямой достаточно построить точку G, а затем через точку А провести прямую, параллельную прямой DG. Точка G удалена от точки D на данное расстояние DG = EF, поэтому точка G лежит на окружности, которую можно построить.

С другой стороны, из подобия треугольников ABF и EDA получаем АВ: ED = BF: AD, т. е. ED*BF=AB*AD. Следовательно, FG*BF=AB*AD = SABCD, т. е. точка G лежит на гиперболе (если направить оси Ох и Оу по лучам BF и ВА, то эта гипербола задается уравнением xy = SABCD)

Решение с помощью квaдрaтрисы

К «грaммическим» зaдaчaм относится зaдaчa о делении углa в любом отношении. Первую кривую для решения тaкой зaдaчи изобрел Гиппий Элидский. B дальнейшем (нaчинaя с Динострaтa) эту кривую тaкже использовaли и для решения квaдрaтуры кругa. Лейбниц нaзвaл эту кривую квaдрaтрисой.

Oнa получается следующим образом. Пусть в квaдрaте ABCD концы отрезкa B′C′ рaвномерно движутся по сторонaм, соответственно, BA и CD, a отрезок AN рaвномерно врaщaется вокруг точки A. Oтрезок B′C′ в нaчaльный момент совпaдaет с отрезком BC, a отрезок AN – с отрезком AB; обa отрезкa одновременно достигaют своего конечного положения AD. Квaдрaтрисой нaзывaется кривaя, которую при этом описывaет точкa пересечения отрезков B′C′ и AN.

Для того чтобы разделить острый угол φ в некотором отношении, надо на вышеприведенном чертеже отложить угол DAL = φ, где L лежит на квадратрисе. Опустим перпендикуляр LH на отрезок AD. Пазделим этот перпендикуляр в нужном отношении точкой P. Проведем через P отрезок, параллельный AD, до пересечения с квадратрисой в точке Q; луч AQ делит угол LAD в необходимом отношении, так как, по определению квадратрисы, (LAQ: (QAD = (LP: (LH.

Практическая работа по построению трисектрис угла

Способом «вставок»

С помощью квaдрaтрисы

Решение с помощью теоремы Морлея

Так как любой угол нельзя разделить на три равные части, то мы можем решить задачу о трисекции угла в обратном порядке, используя теорему Морлея.

Теорема. Пусть ближайшие к стороне ВС трисектрисы углов B и С пересекаются в точке A1; точки В1 и С1 определяются аналогично. Тогда треугольник А1В1С1 равносторонний, а отрезок С1С является перпендикуляром к основанию правильного треугольника.

Решим следующую задачу: построим треугольник, из всех углов которого проведены трисектрисы.

План построения.

1) Построим два произвольных угла (BAC1 и (АВС1, одна сторона которых является общей.

Построенные углы должны удовлетворять неравенству:

2) Пусть луч АС1 – ось симметрии. Отразим (ВАС1 относительно оси АС1. Аналогично, отразим относительно оси ВС1 (АВС1.

3) Пусть луч АС2 – ось симметрии. Отразим (C1АC2 относительно оси АС2. Аналогично, отразим относительно оси ВС2 (C1ВC2.

4) Соединим точки пересечения трисектрис С1 и С2 отрезком С1С2.

5) В теореме Морли сказано, что при пересечении трисектрис треугольника получается правильный треугольник, а отрезок С1С2 является перпендикуляром к основанию правильного треугольника и проходит через вершину этого треугольника. Для того, чтобы построить правильный треугольник, зная его высоту, необходимо: а) построить лучи, исходящие из точки С1 под углом 30º относительно отрезка С1С2; б) отметить точки пересечения построенных лучей с трисектрисами буквами В1 и А1; в) соединить точки А1, В1, С1. Получим равносторонний треугольник А1В1С1.

6) Проведем лучи из точки С, проходящие через вершины правильного треугольника В1 и А1.

Оставим на рисунке отрезки трисектрис треугольника.

Мы построили треугольник АВС, из всех углов которого проведены трисектрисы.

Неразрешимость трисекции угла с помощью циркуля и линейки

Для доказательства невозможности разделить любой угол на три равные части с помощью циркуля и линейки достаточно доказать, что нельзя так разделить некоторый конкретный угол. Мы докажем, что с помощью циркуля и линейки нельзя произвести трисекцию угла 30°. Введем систему координат Оху, выбрав в качестве начала координат вершину данного угла АОВ и направив ось Ох по стороне ОА. Можно считать, что точки А и В удалены от точки О на расстояние 1. Тогда в задаче трисекции угла требуется по точке с координатами (cos Зφ, sin Зφ) построить точку (cosφ, sinφ). В случае, когда φ=10°, исходная точка имеет координаты. Обе ее координаты выражаются в квадратных радикалах. Поэтому достаточно доказать, что число sin 10° не выражается в квадратных радикалах.

Так как sin3φ = sin(φ + 2φ) =

sin(α + β) = sinα cosβ + cosα sinβ

Sinφ cos2φ + cosφ sin2φ =

cos2α = cos2α - sin2α

sin2α = 2sinα cosα

Sinφ(cos2φ - sin2φ) + cosφ(2sinφ cosφ) =

sin2α + cos2α = 1 cos2α = 1 - sin2α

Sinφ(1 - sin2φ - sin2φ) + 2sinφ cos2φ =

Sinφ(1 - 2sin2φ) + 2sinφ(1 - sin2φ) =

Sinφ(1 - 2sin2φ + 2 - 2sin2φ) =

Sinφ(3 - 4sin2φ) =

3sinφ - 4sin3φ sin3φ = 3sinφ - 4sin3φ, то число х = sin 10° удовлетворяет кубическому уравнению

3x - 4x3 = ½ (φ =10°, 3φ =30°, sin3φ = ½)

8x3 - 6x + 1 = 0

(2x)3 -3*2x + 1 = 0

Достаточно доказать, что у этого уравнения нет рациональных корней. Предположим, что 2x=p/q, где р и q - целые числа, не имеющие общих делителей. Тогда p3 – 3pq2 + q3 = 0, т. е. q3=p(3q2-p2). Следовательно, число q делится на р, а значит, р=±1. Поэтому ±13q2 + q3 =0, т. е. q2(q±3)= ±1. Число 1 делится на q, поэтому q=±1. В итоге получаем, что х=±1/2. Легко проверить, что значения ±1/2 не являются корнями уравнения. Получено противоречие, поэтому уравнение не имеет рациональных корней, а значит, число sin10° не выражается в квадратных радикалах.

Применение

Трисекция угла необходима при построении правильных многоугольников. Мы рассмотрим процесс построения на примере правильного девятиугольника, вписанного в окружность.

Строим прямоугольный треугольник АВС. Строим трисектрисы ВС1 и ВС2. Получились углы по 30º. Делим один из образовавшихся углов на два по 15º биссектрисой. К прямому углу «добавляем» по 15º с каждой стороны. Снова строим трисектрисы получившегося угла DBE. Повторяем так еще дважды, поворачивая треугольник в точке В так, чтобы DB совпала с предыдущим положением ВЕ. Соединяем полученные точки.

Нам удалось построить правильный девятиугольник, используя построение трисектрис.

Трисектор

Задача о трисекции угла в общем случае не разрешима при помощи циркуля и линейки, но это вовсе не значит, что данную задачу нельзя решить другими вспомогательными средствами.

Для достижения указанной цели придумано много механических приборов, которые называются трисекторами. Простейший трисектор легко изготовить из плотной бумаги, картона или тонкой жести. Он послужит подсобным чертёжным инструментом.

Трисектор и схема его применения.

Примыкающая к полукругу полоска АВ равна по длине радиусу полукруга. Край полоски ВD составляет прямой угол с прямой АС; он касается полукруга в точке В; длина этой полоски произвольна. На том же рисунке показано применение трисектора. Пусть, например, требуется разделить на три равные части угол КSМ

Трисектор помещают так, чтобы вершина угла S находилась на линии ВD, одна сторона угла прошла через точку А, а другая сторона коснулась полукруга. Затем проводят прямые SВ и SО, и деление данного угла на три равные части окончено. Для доказательства соединим отрезком прямой центр полукруга О с точкой касания N. Легко убедиться в том, что треугольник АSВ равен треугольнику SВО, а треугольник SВО равен треугольнику OSN. Из равенства этих трех треугольников следует, что углы АSВ, ВS0 и 0SN равны между собой, что и требовалось доказать.

Такой способ трисекции угла не является чисто геометрическим; его скорее можно назвать механическим.

Часы-трисектор

(инструкция по применению)

Оборудование: циркуль, линейка, часы со стрелками, карандаш, прозрачная бумага.

Ход работы:

Переведите фигуру данного угла на прозрачную бумагу и в тот момент, когда обе стрелки часов совмещаются, наложите чертеж на циферблат так, чтобы вершина угла совпала с центром вращения стрелок и одна сторона угла пошла вдоль стрелок.

В тот момент, когда минутная стрелка часов передвинется до совпадения с направлением второй стороны данного угла, проведите из вершины угла луч по направлению часовой стрелки. Образуется угол, равный углу поворота часовой стрелки. Теперь при помощи циркуля и линейки этот угол удвойте и удвоенный угол снова удвойте. Полученный таким образом угол и будет составлять ⅓данного.

Действительно, всякий раз, когда минутная стрелка описывает некий угол, часовая стрелка за это время передвигается на угол, в 12 раз меньший, а после увеличения этого угла в 4 раза получается угол (a/12)*4=⅓ a.

Заключение

Итак, неразрешимые задачи на построение сыграли особую роль в истории математики. В конце концов, было доказано, что эти задачи невозможно решить, пользуясь только циркулем и линейкой. Но уже сама постановка задачи - «доказать неразрешимость» - была смелым шагом вперёд.

Вместе с тем предлагалось множество решений при помощи нетрадиционных инструментов. Всё это привело к возникновению и развитию совершенно новых идей в геометрии и алгебре.

Закончив и проанализировав свою исследовательскую работу, я сделала следующие выводы:

✓ возникновение подобных задач обуславливалось их практической значимостью (в частности, построение правильных многоугольников);

✓ подобные задачи вызывают развитие новых методов и теорий (способ «вставок», появление квадратрисы, теоремы Морли);

✓ неразрешимые задачи привлекают больше внимания к наукам: найти решение или доказать невозможность – большой почёт.

А также я узнала:

✓ о математиках, изучавших данную задачу;

✓ новые понятия, термины (трисекция, трисектор, квадратриса) и теоремы (Морлея) и научилась:

✓ эффективно находить и отбирать необходимый материал;

✓ систематизировать полученные знания;

✓ правильно оформлять научно-исследовательскую работу.

Построение и деление углов производят при помощи транспортира, однако многие углы можно построить и даже поделить при помощи угольников и циркуля. При помощи линейки и угольников с углами 30°, 60°, 90° и 45°, 45°, 90° можно построить любой угол, кратный 15°.

В теме о рейсшине на одном из показаны какие комбинации угольников используются при построении различных углов. Внимательно рассмотрите положение угольников при построении различных углов и используйте эти знания при выполнении чертежей. В учебной практике при выполнении чертежей использование транспортира приведено к минимуму.

Деление острого угла на две равные части

Деление острого угла на равные части выполняют при помощи циркуля и линейки. Нахождение биссектрисы угла рассмотрим на примере деления угла ВАС с вершиной в точке А. Через точку А, с произвольным радиусом R строим дугу до пересечения сторон угла в точках 1 и 2. Через точку 1 с этим же радиусом строим еще одну дугу, то же самое выполняем через точку 2.

Две дуги, пересекаясь между собой дают точку К, которую соединяем с точкой А. Прямая АК делит угол ВАС на две равные части и является ее биссектрисой.

Деление угла с удаленной вершиной на две равные части

Допустим, нам известны части АВ и CD сторон такого угла. Строим две параллельные прямые удаленные от сторон угла на равное расстоянию L. Расстояние следует выбрать таким, что выбранные прямые пересекались на поле листа, например в точке М. Далее выполняются все построения, что выполняли при делении острого угла на две равные части.

Полученная прямая MN делит данный угол на две равные части и является его биссектрисой.

Деление прямого угла на три равные части

Чтобы разделить прямой угол (например, угол BCD) на три равные части, из вершины угла (точки C) проводим дугу произвольного радиуса R до пересечения со сторонами угла в точках 1 и 2. Из точек 1 и 2, как из центров, радиусом R, проводим дуги, пересекающие дугу 1-2 в точках M и N, получим углы 1CM = MCN = NC2 = 30°.

Деление угла на три равные части при помощи циркуля и линейки (Трисекция угла).

Аннотация:

Предлагается общий подход к решению задач о делении угла на равные части с помощью циркуля и линейки. В качестве примера показано деление угла на три равные части (Трисекция угла).

Ключевые слова:

угол; деление угла; трисекция угла.

Введение.

Трисекция угла - задача о делении заданного угла на три равные части построением циркулем и линейкой. Иначе говоря, необходимо построить трисектрисы угла - лучи, делящие угол на три равные части. Наряду с задачами о квадратуре круга и удвоении куба является одной из классических неразрешимых задач на построение, известных со времён Древней Греции.

Целью данной статьи является доказательство ошибочности выше приведённого утверждения о неразрешимости, во всяком случае, в отношении задачи о трисекции угла.

Предлагаемое решение не требует сложных построений, практически универсально и позволяет делить углы на любое количество равных частей , что в свою очередь позволяет строить любые правильные многоугольники.

Вступительная часть.

Проведём прямую линию a и построим на ней ∆CDE. Условно назовём его «базовым» (Рис.1).

Выберем на линии a произвольную точку F и проведём ещё одну прямую линию b через т.F и вершину D треугольника. На линии b возьмем две произвольные точки G и H и соединим их c точками C и E как показано на Рис.1. Анализ рисунка позволяет записать следующие очевидные соотношения между углами:

1. α 1 -α 3 =y 1 ; α 3 -α 5 =y 3 ; α 1 -α 5 =y 1 +y 3 ;

2. α 2 -α 4 =y 2 ; α 4 -α 6 =y 4 ; α 2 -α 6 =y 2 +y 4 ;

3. y 1 /y 2 =y 3 /y 4 ;

Пояснение1. к п.3: Пусть углы - ∟C,∟D,∟E являются углами при соответствующих вершинах базового треугольника ∆CDE. Тогда можно записать:

∟C+∟D+∟E=180 0 – сумма углов ∆CDE;

∟C+y 2 +∟D-(y 2 +y 1 )+∟E+y 1 =180 0 – сумма углов ∆CGE;

Пусть y 1 /y 2 =n или y 1 =n*y 2 , тогда,

∟C+y 2 +∟D-(y 2 +y 1 )+∟E+n*y 2 =180 0

Сумма углов ∆CHE:

∟C+(y 2 +y 4 )+∟D-(y 2 +y 4 +y 1 +y 3 )+∟E+n*(y 2 +y 4 )=180 0 , откуда

y 1 +y 3 =n*(y 2 +y 4 ) или y 1 +y 3 =n*y 2 +n*y 4 , и так как y 1 =n*y 2 ,то

y 3 =n*y 4 и следовательно y 1 /y 2 =y 3 /y 4 =n.

Далее, возьмем две произвольные точки на линии a – N и M, и проведём через них две линии c и d как показано на Рис.2. Очевидно, в том числе из ранее сказанного, что отношение изменений соответствующих углов на линиях c и d величина постоянная, т. е.: (β 1 -β 3 )/(β 3 -β 5 )= (β 2 -β 4 )/(β 4 -β 6 )= y 1 / y 3 = y 2 / y 4 ;

Деление угла на три равные части.

На окружности с центром в точке A отложим угол E 1 AE 2 =β (см. Рис. 3.1). На противоположной стороне окружности отложим симметрично три угла - CAC 1 , C 1 AC 2 , C 2 AC 3 каждый равный β. Разделим угол E 1 AE 2 , в точках K 1 ,K 3 , на три равных угла - ∟E 1 AK 1 , ∟K 1 AK 3 , ∟K 3 AE 2 равных β/3. Проведём прямые линии через точки на окружности как это показано на Рис. 3.1. Соединим прямыми линиями точки C,E 1 и C 2 ,E. (см. Рис. 3.2)

Через точку K – пересечения линий, и точку K 1 проведём прямую линию. Выберем на этой линии произвольную точку K 2 и проведём через неё две прямые из точек C и C 2 .

Не трудно заметить что Рис. 3.2, если убрать линию окружности, практически идентичен Рис. 2. (Для наглядности добавлена штриховая линия CC 2 ). Значит и все соотношения, о которых говорилось выше, применимы и здесь, а именно для углов которые необходимо разделить на три равные части справедливо соотношение y 1 /y 2 =y 3 /y 4 =1/2 (см. Пояснение 1. в вступительной части). Из рисунка 3.2 становится ясно, как поделить угол на три равных части.

Рассмотрим, в качестве примера, деление на три равных части угла β=50 0 .

Вариант 1.

На окружности с центром A откладываем циркулем симметрично относительно друг друга и диаметра CB (см. Рис 4.1) дуги C 1 C 2 =B 1 B 2 =B 2 B 3 =B 1 B 4 равные β=50 0 - относительно центра окружности. Половину дуги C 1 C 2 – CC 1 делим пополам (точка D). Проводим прямые через точки B 1 и D, и точки B 3 и C. Соединяем между собой точки B 1 и C, B 3 и C 1 . Соединяем точки пересечения – F и E, ранее проведённых линий, между собой. Полученный угол α=C 1 AG, где G точка пересечения линии FE с окружностью, равен β/3.

Вариант 2.

На окружности с центром A откладываем циркулем симметрично относительно друг друга и диаметра CB (см. Рис 4.2) дуги C 1 C 2 =B 1 B 2 =B 2 B 3 =B 1 B 4 =β=50 0 - относительно центра окружности. Соединяем между собой точки B 1 и C, B 3 и C 1 . Отложим углы y 2 =2y 1 (см. Рис 4.2) от линий B 1 C и B 3 C 1 и проведём прямые линии соответственно этим углам. Соединяем точки пересечения – F и E, ранее проведённых линий, между собой. Полученный угол α=C 1 AG≈16.67 0 , где G точка пересечения линии FE с окружностью, равен β/3.

Полное построение деления угла на три равных части (на примере угла β=50 0 ) показано на Рис.5

Деление угла на нечётное количество (>3-х) равных углов.

В качестве примера рассмотрим деление угла β=35 0 на пять равных между собой углов.

Способ №1.

На окружности с центром A откладываем циркулем симметрично относительно друг друга и диаметра CB углы C 2 AC 1 =B 1 AB 2 =B 2 AB 3 =B 3 AB 4 =B 4 AB 5 =B 5 AB 6 =β=35 0 .(см. Рис.6)

Делим угол C 2 AC равный половине угла C 2 AC 1 пополам в точке E. Соединяем точки

E,C 2 ,B 1 ,B 2 ,B 3 между собой как показано на рисунке 6. Далее, для деления угла, используем Вариант 2 из ранее приведённого примера, т. к. Вариант 1 для деления углов на нечётное количество >3-х равных углов очевидно не применим. От линий B 3 E и B 1 C 2 в точках B 3 и B 1 соответственно, отложим углы y 1 и y 2 в соотношении 1:4. Из точек B 3 и B 1 проведём прямые соответственно этим углам, до пересечения в точке N. Угол C 2 AK=α=7 0 будет искомым.

Способ №2.

Этот способ (см. Рис.7) аналогичен первому с той лишь разницей, что для построений используется ¼ угла C2AC1 – угол EAC прилегающий к средней линии окружности BC. Преимущество данного способа в том, что он облегчает деление угла на большое количество углов - 7, 9, 11 и т. д.

Построение правильного семиугольника.

Примем, что n – число разбиений (количество секторов на которое делится угол).

Тогда если n-1=2 k (1), где k – любое целое число, то угол делится в один этап, что было показано ранее. Если n-1≠2 k (2) – то угол делится в два этапа, вначале на n-1 , а затем уже на n . При этом во всех случаях соблюдается соотношение: y 1 /y 2 = 1/n-1 (3).

Поясним это на примере построения правильного семиугольника.

Для того чтобы построить семиугольник надо найти 1/7-ю часть угла 60 0 ,умножить её на шесть, и отложить полученный угол семь раз по окружности (это один из возможных вариантов). Так как 7-1=6 то в соответствии с формулой (2) угол 60 0 будем делить в два этапа. На первом этапе разделим на шесть, а затем, на втором этапе, на семь. С этой целью, разделим угол 30 0 на три равных сектора по 10 0 (см. Рис.8), используя, как самый простой, Вариант 1 описанный в начале статьи. Полученный угол ECL=10 0 отложим от средней линии окружности (см. Рис.9). Будем считать, что угол ECL принадлежит симметрично отложенному относительно средней линии углу 60 0 .

Далее чтобы найти 1/7-ю часть угла 60 0 используем Способ №2 описанный ранее. С этой целью отложим угол D 1 CD 2 =60 0 симметрично к средней линии и угол D 2 CD 3 =60 0 примыкающий к нему. В точках D 1 и D 3 построим углы y 1 и y 2 к линиям D 1 E и D 3 L соответственно, соблюдая пропорции в соответствии с формулой (3) – то есть 1 к 6.

Проведём прямые линии под углами y 1 и y 2 . Соединим точки пересечения G и F соответствующих линий. Угол LCH=60 0 /7. Отложим этот угол шесть раз от точки L до точки B. Отложим полученный угол BCL ещё шесть раз, и в результате получим семиугольник LBKFMNA.

Заключение.

Способ деления угла на равные части, предлагаемый в данной статье имеет ограничение – невозможность его применения непосредственно для углов > 60 0 , что впрочем, не столь существенно с точки зрения принципиальной решаемости задачи.

Библиографический список:

1. Метельский Н. В. Математика. Курс средней школы для поступающих в вузы и техникумы. Изд. 3-е, стереотип. Мн., «Вышэйш. Школа», 1975 г. 688 с. с илл.

В виде приложения мы можем теперь заняться решением одной уже раньше затронутой популярной математической проблемы, - а именно, задачи о делении любого угла на равных частей, в частности для - задачи о трисекции угла. Задача состоит в том, чтобы найти точное построение с помощью циркуля и линейки, которое давало бы деление любого угла на три равные части. Для целого ряда специальных значений угла легко можно найти такие построения. Я хочу познакомить вас с ходом мыслей в доказательстве невозможности трисекции угла в указанном смысле; при этом я прошу вас вспомнить доказательство невозможности построения правильного семиугольника с помощью циркуля и линейки. Как и в том доказательстве, мы сведем задачу к неприводимому кубическому уравнению и затем покажем, что его невозможно решить посредством одних только извлечений квадратного корня. Но только теперь в уравнение будет входить параметр - угол - тогда как раньше коэффициенты были целыми числами; в соответствии с этим теперь вместо числовой должна оказаться функциональная неприводимость.

Чтобы получить уравнение, дающее запись нашей проблемы, представим себе, что на положительной полуоси действительных чисел построен угол (рис. 41); тогда его вторая сторона пересечет окружность радиуса 1 в точке

Наша задача сводится к тому, чтобы найти такое независимое от величины угла построение, состоящее из конечного числа операций с циркулем и линейкой, которое всякий раз давало бы точку пересечения этой окружности со стороной угла т. е. точку

Это значение z удовлетворяет уравнению

и аналитический эквивалент нашей геометрической задачи состоит в том, чтобы решить это уравнение посредством конечного числа извлечений квадратных корней из рациональных функций от ибо это суть координаты точки w, из которых мы должны исходить при нашем построении.

Прежде всего надо убедиться в том, что уравнение (3) неприводимо с точки зрения теории функций. Правда, это уравнение не вполне подходит под тот тип уравнений, который мы имели в виду в предыдущих общих рассуждениях: вместо рационально входящего комплексного параметра w здесь рационально входят две функции - косинус и синус - действительного параметра Мы назовем здесь многочлен приводимым при условии, что он распадается на многочлены относительно , коэффициенты которых тоже являются рациональными функциями от Можно дать критерий понимаемой в этом смысле приводимости, вполне подобный прежнему. А именно, если в равенстве (3) пробегает все действительные значения, то пробегает в то же время окружность радиуса 1 в плоскости w, которой в силу стереографической проекции соответствует экватор на сфере w. Линия, лежащая над этой окружностью на римановой поверхности уравнения и одновременно пробегающая все три листа, при помощи (3) взаимно однозначно отображается на окружность радиуса 1 сферы и поэтому может быть до некоторой степени названа его «одномерным римановым изображением». Ясно, что подобным образом можно для всякого уравнения вида построить такое риманово изображение; для этого нужно взять столько экземпляров окружностей с радиусом 1 и с длиной дуги сколько корней имеет уравнение, и скрепить их соответственно связности корней.

Далее заключаем совершенно подобно прежнему, что уравнение только тогда могло бы быть приводимым, если бы его одномерное риманово изображение распадалось на отдельные части, но в данном случае это не имеет места, и потому неприводимость нашего уравнения (3) доказана.

Прежнее доказательство того, что всякое кубическое уравнение с рациональными численными коэффициентами, разрешимое посредством ряда извлечений квадратного корня, является приводимым, может быть дословно перенесено на настоящий случай неприводимого в функциональном смысле уравнения (3); стоит только вместо слов «рациональные числа» говорить каждый раз «рациональные функции от После этого является вполне доказанным наше утверждение о том, что невозможно выполнить посредством конечного числа операций (с циркулем и линейкой) деление на три части произвольного угла таким образом, все старания людей, занимающихся трисекцией угла, обречены на вечную бесплодность!

Теперь перейдем к рассмотрению несколько более сложного примера.