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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. @1 O- n7 L) q
, T4 d" E# o% P6 l
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:6 a' L+ m# K2 w3 ^1 f

, y' [* t9 b2 q( l4 h) g* qX*X*X*X-14*X*X*X-70*X*X-350*X+1225=0
  @3 ~9 |; Z, l  [; C) R" r. D, P! O3 N
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。2 ^: k" V+ `" d7 |

& w1 {3 u! M) L6 f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。* D( {8 D  _4 |/ P) C

' t# V& r& U' i2 H, v因为# N3 u( A1 {$ x- k
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。/ ]# `' |1 J6 W/ L4 Z9 e

! v, o% m5 T: F/ v. c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?# x: t1 K) h( s5 _, ?* _1 W3 w; p/ `

# r. }: e& s6 y1 F0 m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。
- h# k. f3 O( }: v' u: Y( n& `1 u0 K
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。
* J3 Y% W# y7 N% F4 c
0 n; g/ h% k: P  ]8 V/ B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。
8 H5 h4 j$ v6 f$ V3 `下面我讲解我所想到的土办法。- d3 y7 ]6 _5 E  F
( _& q$ {, g* H- U' l" o5 @% q

2 N/ x6 p% X0 d; w& R3 D# z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。4 U. I9 d  O: h4 \- u- x& P% @

# i/ B) v" {5 [+ ]7 q( ?8 J2 y[定义]* i7 P; ^& f- u9 O7 k
整数乘以a,就是阵列常数个a。, v, ~3 E) @. @
a除以整数,就是将直线段a用点平分成“整数”段。
. R) x4 `8 ]* U- F( L& Pa+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。0 `. q$ D9 k# \8 j
a-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。
' `1 v  q8 k& za*b即画个矩形,边长为a和b。
4 _5 x; r" L6 t2 H, b) `* ua/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。
% G3 u" l9 ?) \1 G- I% |
; r, X- C9 V. s! b% aa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。3 U1 t, n  I2 h
其余仿此定义。8 }3 u/ D5 L: a
2 B1 v& e! E  F; `& f! L
[步骤]
& [8 V9 p3 R- v5 ?1、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。% p) h+ F! X* ~/ n
2、画一矩形[甲](正方形),两个边长捕捉b的长度;
7 C2 i) p7 ^2 q' e) I3、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;
: T9 B9 H. U, e5 S+ }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。: U- t$ L3 L1 L) l( P
5、观察a与c的正负,以确定[丙]的正负,这是要分三种情况:①②
+ M7 h+ D3 |" x* ^- i5 a①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。  U( I/ E% K) U$ i2 R3 n

- `1 H4 E0 {* @* o  u3 H②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
$ {  q. o' n( ~6 a5 u) a“L”形的,然后把它用上面方法,化成正方形[丁]。( H+ P# u8 ]" A; a( G5 V# I
③如果[丙]为正,则把[丙]移动到[甲]上时,[丙]比[甲]大时,则方程无解。
$ c) L, U" ~$ i6 J4 c* i; V6、另作直线段d,长度捕捉正方形[丁]的对角线。3 O$ }7 t; @& g$ Z
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。
, C; y! b6 M) i$ j" r$ r
' S' Z7 A" b9 t/ U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。! A! K* O% P4 I7 p8 `% o
5 z4 ?3 D/ r( Z6 a5 T
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。
: q  h: V, r& e9 s# c+ i$ Z4 Z" D; z$ Z
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 t1 J- R. P. B9 I8 X, D: O: j, C- L" e8 S8 L" v; L
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。$ X3 D6 I6 s. X+ J
( n; L" T  @" G! E, e; q
[附]长方形变正方形的方法(即面积相等)
0 p* i3 X" S+ l; m$ s; M3 K) j4 w) L: U# O* f0 Y& Y+ W3 b
1.在长方形ABCD一角点B上作辅助线,如图:
5 c  F- r% I7 P6 Q% ~3 v2.以该角点为圆心,短边为半径画圆,交直线于O点;
' U7 v( I0 f/ A) E5 u4 I3 o3.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;
- _6 C! q2 _9 Q1 i( U5 {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。
' `% f$ C9 W7 V  u, ~3 [$ Q" U' x. r7 L+ E+ P
[附]“L”形形变长方形的方法(即面积相等)
, \/ k& \1 Y: ?' S4 f
5 e. P/ M5 o+ q( D3 ~. p4 n6 `0 C
; `  h" u' i! Z1 [1.将“L”形分成两个长方形,自己选择一种分割办法就可以;  D' B/ J# J) ]- r/ d
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;7 j& n: b- u% m  U; h
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;
+ p" u. F* ?1 a) j) U4.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
- }6 z% A/ {2 h4 |3 L4 t$ d& ]0 J& M' d* e3 A
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:/ A/ T/ x, G! S, [2 W" M
A/B反之.+ ]* A/ j, X. [8 S
( p! K. n& s" A; u; [$ ?8 `, D
[ 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。
' f' X& t) ?2 ?$ L$ q! d% Q
" Z) G! f* `; t7 \+ y% i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。* t) Q1 I$ {8 c+ J$ M! I

. c" Q  X& y* m' L" Q2 M& K因为目前相当多的工作,属于是“萌发”阶段,有待一步步来。
7 e- Q% B8 T" h4 I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。6 ?' c9 J# t  [6 z! D2 X
" D7 N' `1 m) }4 r% n5 o; t/ O
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- ]5 ]- K8 }$ m) o
开方,我是构造一个正方形然后找边长。; A) P6 H. b  x4 D1 r$ v7 E
) ^0 Y' G% L- ~( @" ^6 F# y7 O2 D$ G
因为目前相当多的工作,属于是“萌发”阶段,有待一步步来。( a& Q6 d7 ~2 ^$ `, e5 O, u# g
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 ...

: L5 r: n$ e( m0 K" K开平方运算.供参考.7 J) D' e7 A( X' g
3 ^+ M- w  W9 h7 n4 d, \0 ?; D1 R) L
[ 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?
, d1 |/ ]. x; A+ S迭代的方法
' F) T0 O  n# c' f6 j$ C) @$ S  k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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