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三等分任意角可能嗎? (第 7 頁)

曹亮吉

 


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.原載於科學月刊第九卷第四期
.作者當時任教於台大數學系
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可做數體

當然,可以做出來的不只是有理數。譬如,假定一正實數 a 是可做的,則 $\sqrt{a}$ 也可以做其做法如下:(圖五)用 a+1 的長度為直徑做半圓,在 B 點立 AC 的垂直線,交半圓於 D,則 BD 的長度為 $\sqrt{a}$。(可由兩直角三角形 ABDDBC 之相似證得)



圖五

舉個特例,有理數2是可做的,所以$\sqrt{2}$也可做。更有進者,$b+c\sqrt{2}$(b,c都是有理數)這種形式的數都可做。我們當然可以用$b+c\sqrt{2}$這類數為a而做出更複雜的數$\sqrt{a}$(即 $\sqrt{b+c\sqrt{2}}$等等。 為了區別這些做出的數的繁簡程度,我們要定義 n 階數。假設abc是有理數而a>0,則稱 $b+c\sqrt{a}$這樣的數為1階可做數,簡稱1階數。因為我們可以取c=0,所以1階數包括有理數。當 a1=a2 時,兩個1階數 $b_1+c_1\sqrt{a_1}$$b_2+c_2\sqrt{a_2}$稱為同類的一階數。有了1階數及其同類關係,我們可以定義2階數,即$b+c\sqrt{a}$,其中 abc 都是同類的1階數而a>0。這些2階數都是可做的,這是因為$\sqrt{a}$bc都是可做數,而可做數相加還是可做數,可做數相乘還是可做數。後者的證明如下:設x,y為可做數。(圖六)做兩條相交的直線,其交點為A。在一直線上取AB,使其長為x。在另一直線上取單位長AC,再取CD,使其長為y。聯CB,做 $DE\parallel CB$,交ABE。由比例關係知BE長為xy



圖六

若將1和x對調,則BE長為$\frac{y}{x}$,可見可做數相除仍為可做數。因此可做數相加、減、乘、除仍為可做數。用現代的術語來說,若一個數集中的任兩元素互相加減乘除後仍然在該數集中,則此數集稱為一個「體」。我們知道有理數集是一個體,實數集是一個 一個體,而可做數集也是一個體。

我們可以按順序定義 3 階數,4 階數,…,及同階數間的同類關係。假設 n-1 階數及其同類關係已經定義過,則 n 階數呈 $b+c\sqrt{a}$ 形式,其中abc 是同類的 n-1 階數,而 a>0。若 a1=a2,則兩 n 階數 $b_1+c_1\sqrt{a_1}$$b_2+c_2\sqrt{a_2}$ 稱為同類。同類的 n 階數組成一個體,其證明由合用歸納法及根式有理化法可得。一個 n 階數可以看或一個階數比 n 高的數;一個 n 階數有時也同時可能是一個階數比 n 為低的數;如果一個 n 階數不能同時也是個階數較低的數,則稱為純 n 階數。所有的階數,1 階數,…,n 階數,都叫做可做數。

例五:$\sqrt{2}$$1+3\sqrt{2}$是同類的1階數,$\sqrt{2}$$\sqrt{6}$為不同類的1階數, $\sqrt{1+3\sqrt{2}}$$\sqrt[4]{2}$為不同類的2階數;。$\sqrt{2}$也可以看成2階數(因為 $\sqrt{2}=\sqrt{2}+0\cdot\sqrt[4]{2}$),$\sqrt[4]{2}$是純2階數,$\sqrt{2}$則不然。

綜上所述,由一線段S出發,我們可以做出可做數倍長的線段。

   

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編輯:李渭天 / 繪圖:張琇惠 最後修改日期:2/17/2002