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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
# |2 \. U7 F! f9 |; i4 U$ N$ C0 E! e! j- x- H5 {- v* b- R
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! l; o! ?1 F8 }  p5 S
+ ^: i2 ?7 r- ?) ^( c
X*X*X*X-14*X*X*X-70*X*X-350*X+1225=0
0 Y9 A2 j0 L+ A9 v, E! [* L+ L' v5 g& L  S4 I
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。
% `( Y0 e7 G' i; i/ I4 |: R
, r( ?; _9 M8 @/ L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。
6 U* z- ^- E4 T3 K9 ^' z% g# i
3 a4 a2 D) t+ g2 L3 R6 k! T! V因为
1 [( z/ h% `" h. D' p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。8 f, G1 I- s! P! f4 F* C) o
/ |8 V" e& r6 s9 ~6 w
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?
: D1 ~, f: o4 L; C
* a8 Q( e9 g5 ^* Y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。
0 D8 u# O: H+ K4 i' m, @; L4 z7 ?9 i! @/ a/ W
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。
  P2 e4 \; j# b& Q, L4 f
8 O9 @% C% |( t8 S# p) P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。
. {5 B2 R1 r, Z4 T下面我讲解我所想到的土办法。8 g3 s! j( f" `8 z% ^3 ^! Q
1 ]+ y( l6 ?$ w% l4 c% J" ^

: A) h0 I$ _+ g+ c$ `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。
) T; i( H1 Y! o! L: f2 D, D, `7 j3 M. [/ J- V4 e# k0 F3 U/ e
[定义]
# d  I" k6 N  J. \! b% t: D整数乘以a,就是阵列常数个a。
( n& Q1 z6 @/ Y  Pa除以整数,就是将直线段a用点平分成“整数”段。$ n+ x! ?& E0 H1 o
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。  i3 i$ N/ ^# U* w  {8 a
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 Y" N; `1 y1 u& o6 F1 Ra*b即画个矩形,边长为a和b。
; l8 q) i+ h( f3 O8 Ba/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。
/ C; ?6 Z8 N- e8 c+ K$ J" \1 ?
) z0 D# v0 v$ c' s" ua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。, R% r0 M0 _7 f7 o
其余仿此定义。
4 \+ ^7 k8 J& @8 e- n. A' x9 a) `! \# C
[步骤]
5 W% ~1 a9 {3 f  K* Q8 l  V! h1、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。/ y0 E: L5 ]. E% U2 Q$ ^
2、画一矩形[甲](正方形),两个边长捕捉b的长度;2 A3 @, B  V7 Q' x
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;$ A& O0 Z; o) U% H9 |$ O0 l, V8 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。' z& w  T% o" Q, u, Q" e/ R
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* x" G" D: \" u. O- ]
①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。
0 i. K7 i: ?9 _( d" s# D- z# n- a3 t* Z" o+ C" w( F9 A
②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
$ Z, A6 |+ f+ }  H0 `0 g2 z0 J“L”形的,然后把它用上面方法,化成正方形[丁]。: T$ G& D" R" i* f2 a: K+ F  ~
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。
+ ~) n( S% ~# i  F9 k" _+ ]6、另作直线段d,长度捕捉正方形[丁]的对角线。
% h5 _$ n% a# u. H/ B6 J, b7、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。
4 I0 @+ Y/ E* L3 }2 ]- L4 c6 a% ?, g
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。" i: D. U: ]& Q: C
3 b4 Z( Q; k! a9 u" R' b0 o0 i
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。" ?( n% c) m/ l) m3 {

- Z6 T% |5 e1 t: U/ L4 m  d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。  P/ u$ W" f( }' k* n( [

9 [( j9 W; I# y" Z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。) h: m9 y! S# n/ J  Y

' q5 s: @0 j$ G/ ]; v6 w8 s  n) S[附]长方形变正方形的方法(即面积相等)
# u* [3 v' G9 t* S" s# Z& m0 [1 e& u* r& J: H
1.在长方形ABCD一角点B上作辅助线,如图:0 n# t/ F7 E* _
2.以该角点为圆心,短边为半径画圆,交直线于O点;
% s" x/ f5 R3 H8 n, c, f2 J. N3.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;
9 w; S9 |2 v" j  o7 ~8 {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。3 |1 m) P5 p2 Y

5 B0 z( Z# P$ O$ V, Z[附]“L”形形变长方形的方法(即面积相等)
$ `6 f, g1 H. M4 q2 _' N
5 g! \1 J% M# x) \' e6 H4 @5 o; p$ O, H7 D' j7 p
1.将“L”形分成两个长方形,自己选择一种分割办法就可以;0 Y8 M9 x+ Y( R$ B( _) N9 ~5 Z. _
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;/ o* T/ v8 R5 X( u" Y
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;
) E4 x& O2 ~% m: O4.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
7 P1 C" r2 z- D( s: A4 z9 b; s6 T) S. S
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:3 q' l2 W) E# Q& S' [2 U- Q, Z
A/B反之.
4 L+ e( Y# `" N" }0 B
: w. q" g% q; f# {[ 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。
, d& h$ @% K5 C& X5 A  e- z8 U* t2 i0 J8 k5 G
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。2 O" K* T; z! k

' J# y$ b4 p9 Z8 {  s因为目前相当多的工作,属于是“萌发”阶段,有待一步步来。
4 X5 p( x0 T/ g7 N$ m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。
0 @# n- i! b8 Z# f
9 I3 B+ i  V" e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$ U% F, e. p; `6 L
开方,我是构造一个正方形然后找边长。
- }4 S% X" F1 M5 G- G* I  G: L5 v& T3 c$ M0 d1 I4 s; O8 f: b
因为目前相当多的工作,属于是“萌发”阶段,有待一步步来。* W  e7 J9 h4 F6 B! d4 W$ M
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 ...
# g7 z/ f1 ], Q. P/ T) S* ]
开平方运算.供参考.3 `/ T7 c, U- }, G$ b, I6 u

* y/ {. r( q# W2 [4 C8 D3 W[ 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?  |& A* l' d8 E8 I8 c3 L5 J# E$ w
迭代的方法" ^3 }0 I9 c) H% f4 g
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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