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[闲聊] 从一道难题想起

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发表于 2007-1-30 17:33 | 显示全部楼层 |阅读模式
从一道难题想起7 T( C# \! g$ p& a% ?! P' w% g2 P% W6 g

# h1 J, l2 g* r  N上次在论坛上看到这样一道题,就是画下面这个图形,不知是哪位大师想出来的,的确是高深。虽然朋友们解决的办法不少,但总令人不太满意。我想了想,非常惭愧,没想出答案来,不知最近可有朋友解答出来呢,盼告。

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 楼主| 发表于 2007-1-30 17:34 | 显示全部楼层
虽然没做出来,但我想想说说自己的一点看法,供有兴趣的朋友参与。这道题目中的三角形按图上的数据的确是客观存在的,是直角三角形无疑。这道题目之所以难,其实质是要解“一元四次”方程,如图所示,设直角边长度为X,则其实质要转换成解答这样一个方程:  m) }( d+ a9 ^2 O9 m( Z
- \9 F: d2 ?" i7 [
X*X*X*X-14*X*X*X-70*X*X-350*X+1225=0; P3 r8 n3 y/ t8 s
4 @9 w$ ?- q# x2 w
这个才是直角边长度的精确值,从理论上来说,一元四次有求根公式是可以解出来的,但说实话,还没见有谁真正这样解过方程,因为太复杂了,我虽在书上查到有一元四次方程的求根公式,但却无法做出来,因为不象是一元二次方程一样直接可求解的,需要转几个弯。而且解答出来的是相当的根号在里面,用它作为画图的依据也是不容易的。* ^" [: H& i) z4 O( c4 W. _( d4 A8 R

. K# ~  ^+ p1 a1 F( m$ l( m但是,这样也提供了另一种画这个三角形间接办法,即算出这个长度直接画图就可以。虽然不是直接靠直线与圆做出来的,但也算一种办法。因为一元四次方程有4个根,我算得是X1=2.492434229……, X2= 18.588090869……,经判断X2符合题意,即三角形的直边是18.588090869……,用这个长度作出的图形,是可以满足题目的要求的,大家试试就知道了。
7 p: ~5 ^3 o0 w; a  g
7 d3 Y  A* F6 y5 s; m1 G% Z$ A因为3 w. m) d! S5 }4 r& ^/ N
一元四次方程有4个根(含虚根),我不是直接求解的,而是借助于EXCEL来算的,还有可以满足条件的答案就未知了。9 @) [$ Z, m$ \$ n2 |, P
2 ^* E( V+ w% I3 e
如果要说就这样就完了,心中不免有点遗憾,总觉得这种办法太牵强。难道想不出完全用CAD作图办法来解决的吗?想了一阵,智力有限,仍然不明白。不过我倒有个“灵感”来了,这个问题反过来一想,不就是说如果此题真的可以完全用CAD作图办法找到精确答案的话,不就说可以用CAD作图来求一元四次方程的根吗?; e9 S3 X; {6 N9 R& S8 [& m& {! B
( H# R3 S2 I$ j  X* ]; {
再想一想,如果一元四次方程的根不能靠作图的方法求解,那么这道题可以宣布其死刑了,不能只靠作图的办法求得。大家也不是在这上面耽误功夫了。能否有这样的结论,本人学历太拙,望请论坛上知道的朋友说说,就是方程的根能不能由作图求得。
- `  f1 _2 s$ u  q
4 [- i' j# k5 i: c5 }近期我都在想这个问题,“方程的根能不能由作图求得”,至今进展很小,所以这次提出来的目的是要请朋友都来研究。$ `: b; _8 Q$ T0 D3 r; x2 y9 t' I

8 D3 U2 ~4 t9 H. b5 J: Q我目前想出了,已知一元二次方程ax^2+bx+c=0的三个系数是可以用CAD画出根来的。! G1 Z( Q% q. T9 w8 d  O
下面我讲解我所想到的土办法。  s6 @7 _* w* Q  x% P9 k! ]' v
8 c0 ~/ s: J* B+ g: ]1 a" C' i

6 u' Y; _. @# `9 b2 [首先,作些约定:数值用线段表示,长度即为数值,负数同样,涂上另一种颜色区别。借助数轴。以下的a与b与c都≥0。
+ x5 N5 _& n9 ]( h  V4 v5 e
2 u7 u5 _; |( `! o) Y" A* ~7 T[定义]; j8 a* D" x: B3 Y: m+ P9 f# e6 u
整数乘以a,就是阵列常数个a。) o" X/ U/ d, L) m
a除以整数,就是将直线段a用点平分成“整数”段。1 L8 A8 {8 M% f
a+b就是画出线段a再接着画出b,a的起点到b的终点就是他们的和。
9 p2 G# r$ u# l3 H% Ya-b就是画出线段a再接着反向画出b,a的起点到b的终点就是他们的差。: Q( s9 u3 b( R  j* N! y
a*b即画个矩形,边长为a和b。
' {8 `: }5 b/ |4 M& C- Ga/b画矩形用“面积”,面积=a,一条边长为b,则画出后的另一条边长就是a/b。
# F* N- }( q6 P$ `7 G5 v( T/ x( o
a的n次方,包括多个数连乘的积,在图上只能逐步进行,比如说a*b*c,先算出a*b的面积值,查询后用这个值为新的一个边长,再乘上c。6 l" c9 m6 |# {' `
其余仿此定义。
" ]+ O+ A! K# n* [7 ?  k( J$ `; F* {7 L- W+ j3 s
[步骤]
1 h" o' W' z" e, z1、已知a与b与c的长度,分别画三条直线段,为负值的涂上另种颜色醒目。+ O3 g; L! b+ t" i5 o/ H2 ?2 C
2、画一矩形[甲](正方形),两个边长捕捉b的长度;
' ]. i8 ?! _$ O, h( @0 }6 |3、画一矩形[乙],边长为捕捉a的长度的4倍,另一边捕捉c的长度;
  C/ x' Y; J- |  j2 }- H( _4、将矩形乙化成正方形[丙],任意一个长方形变正方形的方法在后面。
% O, p% J. C9 Z4 e, _" P5、观察a与c的正负,以确定[丙]的正负,这是要分三种情况:①②
+ k7 j/ Y( w9 O①如果[丙]为正,则把[丙]移动到[甲]上,则[甲]上面除了[丙]剩下的“L”形部分是要求解的部分,这也一部分也可以另用多段线捕捉“L”形上各点另画一个。如何把“L”形转换成正方形[丁]呢,方法在后面。
6 p) W9 ^9 N, I8 c
0 N$ ^1 O' ^3 n  q. W& c②如果[丙]为负,则把[丙]移动到[甲]边上,靠住[甲]的一个角点,此时总的图也是0 Y/ q+ f3 i& O
“L”形的,然后把它用上面方法,化成正方形[丁]。
# O6 f3 C* x+ v+ }; z' E  Z7 B③如果[丙]为正,则把[丙]移动到[甲]上时,[丙]比[甲]大时,则方程无解。
3 g4 |7 H: Z% [0 m6、另作直线段d,长度捕捉正方形[丁]的对角线。
1 X) l. u0 l" g  ~7、剩下的工作大致就清楚了,用(-b±d)/2a,具体做法参见定义的方法。8 l1 `2 r- W. l  a' y; m7 U
7 q! T7 z. G* ~( _  A- P9 ]  }
上面方法,再菜的人都能看出是就按一元二次方程求根公式来执行的,整个过程完全可以靠作图求得。这种方法是不是用CAD作图求一元二次方程最简单的方法,我也不知道,如果你有兴趣不妨来优化一下吧。5 P4 B7 t7 E. ^6 ^  v# V
: h9 g5 @0 _: V( f  m* y1 O
如何用CAD作图求一元三次方程或者是求一元四次方程,的确是摆在面前的难题了,因为平常求这样方程从未涉及过,太费脑子了,所以请朋友们来想想。
: q6 y; B' \: a9 O$ P1 t2 O" W" I# K$ m4 g
回到最初这道题目,我的构思是,将已知的长度5、7、12,分别用直线段画好,然后转换成一元四次方程,然后再慢慢按求根公式作图求解。如果纯粹是从过程上来讲的话,我想是可以实现精确求解的,但想一想感觉这是个“海量”的工作。: ~2 B3 a" S5 C  g- g. N. P) }
, E( |3 h# O4 h5 r# {
如何更优化地进行呢?这是摆在眼前的难题,有一点是确定的,光靠东试一下西试一下,是求不出精确的值的,因为这是一元四次方程的一个根。
1 F+ X) p5 g, W1 Y% A0 J+ o  g$ o9 H: t% T8 H0 l
[附]长方形变正方形的方法(即面积相等)- a/ M5 B- R, `# ~5 q
' P: T6 i: u7 D0 y
1.在长方形ABCD一角点B上作辅助线,如图:$ a+ V/ \* D8 }  B9 O
2.以该角点为圆心,短边为半径画圆,交直线于O点;1 n# g, M9 b+ o  U1 ^. r, I+ T
3.以A和O点为直径画圆(可用2点圆命令),交垂直直线于B点;$ o' W; H  v( y0 |* e, |1 w7 v
4.则BP就是所要作的正方形的边长,如图中绿色正方形面积等于红色长方形。6 h- S1 q5 r; P: \2 ~2 |8 o& y

  _6 ~+ U1 q+ ?- R6 B2 X- {[附]“L”形形变长方形的方法(即面积相等)
% ?7 G; d) d* G: x7 P% N* g# T
1 l1 w. Z& M8 R$ @3 X- q& ~& U: D6 \! m, X* X4 @. q
1.将“L”形分成两个长方形,自己选择一种分割办法就可以;. u# ^6 {% b1 @, P4 U
2.然后把这两个长方形用上面的方法,分另画成两个正方形;3 q/ o6 I- C! ]' y7 B
3.利用勾股定理,即以这两个正方形的边长为直角的两条边,则斜边就是所要求的正方形的一条边长;
9 G8 ~" e; V- G, z4.呵呵,这就是勾股定理的一个简单运用,将“L”形变成了一个正方形。

评分

1

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发表于 2007-1-30 17:46 | 显示全部楼层
写的真好,这个题目是我从别的的地方转过来的。确实应该是个直角三角形,而且确实存在这样一个图形。
发表于 2007-1-30 21:47 | 显示全部楼层
天啊 看的我一塌糊涂啊 晕头转向! _9 E% _  a, X- m

8 j- P# `/ J, B不过确实厉害
发表于 2007-1-30 23:41 | 显示全部楼层

回复 #2 xsbf 的帖子

用CAD做四则运算很简单,不用画面积.A*B运算如图:
# e3 G2 u4 t$ V1 J0 j' QA/B反之.5 w& Z& ^; F( h+ A/ F- b

0 ?  Y/ x6 G& _- g" f8 l[ 本帖最后由 zzzzzzzzzz 于 2007-1-31 00:02 编辑 ]

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 楼主| 发表于 2007-1-31 09:36 | 显示全部楼层
因为是刚想这个问题,自然相当多的东西我是想不到的。8 @  j8 |, V7 h3 u' H7 q" \# }" p
5 V$ M9 D/ l' B
补昨天少发的一张图

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发表于 2007-1-31 10:31 | 显示全部楼层
用CAD开平方也很简单.大家想想.
 楼主| 发表于 2007-1-31 10:40 | 显示全部楼层
开方,我是构造一个正方形然后找边长。6 q- r1 N! H9 ^) b9 p
% ~/ R8 `: |' i0 _/ M2 b
因为目前相当多的工作,属于是“萌发”阶段,有待一步步来。+ E# p8 b$ i/ m/ ?( q: C' v/ Y9 T
比如,我相 如何算 整数N与线段的长度,上面的是一种基本方法,还可以先画个 N正多边形,边长为线段的长度,最后查周长就可以了。, ]: ^) T+ H9 {) F8 ~5 S

9 [. a* u+ r" m: D$ n3 O& D( H6 ^下面先提供方程的公式

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 楼主| 发表于 2007-1-31 10:51 | 显示全部楼层
一元四次方程

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发表于 2007-1-31 11:16 | 显示全部楼层

回复 #6 xsbf 的帖子

补个证明.

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发表于 2007-1-31 11:32 | 显示全部楼层
原帖由 xsbf 于 2007-1-31 10:40 发表4 Z$ d+ G( j. `+ k% {2 m4 l& r+ t
开方,我是构造一个正方形然后找边长。+ Z& C0 ~  y, o/ D' C; y2 x! _0 g: ~

9 V8 ]% t- ]' V7 ~. ^; _因为目前相当多的工作,属于是“萌发”阶段,有待一步步来。$ c* O. f' n# E" ]( g; x. b& {; r
比如,我相 如何算 整数N与线段的长度,上面的是一种基本方法,还可以先画个 N正多边形,边长为线段的长 ...

3 k5 H. N! B9 w开平方运算.供参考.3 Q* T" ]+ y! L) x! P! a
$ g6 ?, z$ [6 t8 c# d
[ 本帖最后由 zzzzzzzzzz 于 2007-1-31 15:26 编辑 ]

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发表于 2007-3-12 10:55 | 显示全部楼层
我也画过不少几何图形,通常这种题是不需要用代数的方法来解决的,思考中!
发表于 2007-3-14 20:32 | 显示全部楼层
DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD
发表于 2009-2-21 11:14 | 显示全部楼层

回复 #2 xsbf 的帖子

这难道就是传说中的天书
发表于 2009-2-21 13:16 | 显示全部楼层
不知有没有人用这种方法?& p4 W4 w1 n# J/ q
迭代的方法) K& w8 z$ X3 L* H- Y8 |- Z6 g+ e" R
一步步往目标靠近,用几何画最好,用代数方法求解也不算难,起码不用求解四次方程

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