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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% a* _2 H3 q2 R
8 m: Y% ~) X- F8 z7 e" F2 c) V5 P
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:
9 Y1 \% B: Z6 z9 L- c8 Z% F. B
& L3 U) Q& ]% KX*X*X*X-14*X*X*X-70*X*X-350*X+1225=0
1 J; U" v7 m2 j/ s" ^# W0 q. [! ~) q$ F6 G* p
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。  E8 ?% ~  m$ G: v$ J
* V  i& i+ Q+ v+ U3 F7 N7 M6 o
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。
  g; _% I# z' h8 r7 q  y) G) h8 s4 E$ `$ m) Q8 y  O9 O
因为
9 Y* F7 m$ e- q; R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 j. i) W& C4 G! M% a% E) L- M5 W
7 d% r! f7 L% L3 w" q0 o: L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?: N; H% r. C  r9 r1 S2 s; C
. W$ a3 i  }& y; `$ J
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。
5 w/ N! l- Y) l9 y5 P( e$ ]2 _+ C1 x9 I& A
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。+ a- i0 v. E$ [' D

8 E, y+ X. C+ I/ c8 p3 k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。
- A: Q, y2 R8 ]! U下面我讲解我所想到的土办法。
: O1 @( n- e: h# b& j, x+ t. Q, w( C
. Q% a3 R4 n! d. L
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。9 P& i7 X4 \8 J$ F) o, r# I
) u) ^( J. C: |) z* t' N9 ]
[定义]
5 A- y$ \8 i9 K+ X+ T* s整数乘以a,就是阵列常数个a。
( u: l; N2 A( Q" r6 ja除以整数,就是将直线段a用点平分成“整数”段。1 Z7 [& X" Z( w) w* P  E
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。/ w) n* f& Y' P2 U  C+ B
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。
* L/ \& s+ D5 J9 Y/ i7 Za*b即画个矩形,边长为a和b。
# A, h$ C3 `$ Q" {a/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。5 D- d4 S& [& L7 L

" z- O& f& y3 Q: @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。
* S8 [! c" X( a8 A3 ~3 G, h. D6 d. y其余仿此定义。
* ^$ e- \! `5 E& ^& h6 B  w
4 X7 w; S8 w3 `! O1 Y! l[步骤]5 l& o3 C) S1 ~( c* w
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。2 T) S6 `, w$ U& V
2、画一矩形[甲](正方形),两个边长捕捉b的长度;
) X/ b2 C; x. t# C" e! y3 n3、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: `- s2 Z! a' D% F" L4、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。
( T$ w2 R  V0 g3 @$ {+ J2 R5、观察a与c的正负,以确定[丙]的正负,这是要分三种情况:①②
7 [  F( s. a# 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。
4 ^; u; o7 N$ z6 Z; ?* D* g' Z4 s' A  F2 G* Y0 U7 T! |% m4 D
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8 }0 z* a# q* B4 e
“L”形的,然后把它用上面方法,化成正方形[丁]。
: l& X- \6 V  h; F0 V" K2 i6 }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。- Z4 E$ L3 Y8 }- i" K# u) p
6、另作直线段d,长度捕捉正方形[丁]的对角线。& o6 I" ?7 c: D! J2 B
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。+ O+ i) s, I; ?# A- L5 B) A
0 z! E# v; w" `8 {  h, M2 s  L
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。
  [, V- h4 |' M9 h* a6 l
# s7 P( z( _8 v* D/ ]% q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。6 B5 p& v. i# T  t3 Y
+ o6 `) m/ O- E4 h1 ^& w- O4 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。
. y: R* J* D2 N: J- l
9 l4 s: {: M; ?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。
/ K$ n5 V" L  T) |2 D/ ]4 k" S
- R* U+ H+ k7 s) k4 f[附]长方形变正方形的方法(即面积相等)) k" C, E9 q& o# }
, W1 g/ E. r8 w1 ]+ ~) {, E
1.在长方形ABCD一角点B上作辅助线,如图:
. C' ^2 A$ L8 V2.以该角点为圆心,短边为半径画圆,交直线于O点;
" N/ s/ V0 I6 |! [, F0 j" z, a3.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;+ x! }" a- Q# k( |' N
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; o% i3 |& ?* F; Z
- L6 ^. A+ i6 ?1 y* A9 C
[附]“L”形形变长方形的方法(即面积相等)$ R; V: E3 t( }

1 z& Z6 _& J. b/ W
0 S% N& x$ X' i" ?1.将“L”形分成两个长方形,自己选择一种分割办法就可以;
! K1 Q2 y7 Y- j. n# L2.然后把这两个长方形用上面的方法,分另画成两个正方形;
6 g0 m, H+ i3 W2 l% v5 }$ K6 y1 B3.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;
" \8 Y' O+ m/ t7 ?) }3 [4.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 Z+ L/ ^4 s' M; o0 a/ e  F, m
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:1 Z  X2 [- M( ~/ C; E7 ~0 c* y( ~" \
A/B反之.
  b' _6 D% a3 Q7 n. q# x
3 y5 T/ y5 X% x* _* h; _( r* U[ 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。; v: L( Y7 r0 E! q: z0 p$ Y0 M
9 A  v- X) [  ^% h" J2 H
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。8 @' z( ]! m6 T0 a/ d' k

3 m1 u. M! V$ Q; T! u因为目前相当多的工作,属于是“萌发”阶段,有待一步步来。5 _2 n' r+ r7 _. 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,边长为线段的长度,最后查周长就可以了。
- B. I* ~" I& t& \8 U& L0 M4 h
7 T4 C3 N! @" g; }3 j: A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
* |' f' Q3 I% K( r3 y( n2 S/ q开方,我是构造一个正方形然后找边长。
9 j& c8 z1 o7 K8 w; W% M3 p( z5 W
* |1 p2 c0 d$ G2 w% T因为目前相当多的工作,属于是“萌发”阶段,有待一步步来。
+ C3 i. a( k- O' N' }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 ...
( c! U% l/ Z1 M9 o
开平方运算.供参考.: l/ s& U5 S7 H* I, ^  q

- r2 W" C( s' _& j0 ?" B  \[ 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?
3 b$ |* g6 U6 s" k6 Z. H迭代的方法9 ]5 y) \- A- L' G2 {0 Y  S/ G6 p
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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