倍立方求作探索

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（一）分割一倍体
/ J  J& `7 ^0 X: G设一倍体棱长为S1，用圆规将S1分成四等分，每等分用a表示，即S1=4a，如图一所示，将一倍体12棱都分成4等分，如图连接各对应分点，得64个边长为a的小正方体。2倍体体积应为64×2=128a3，怎样求作已知正方体的二倍正方体呢？下面是倍立方求作探索。
$ o% f% f- S3 W- H; O先分割一倍体。
将图一分别沿A1B1C1、A1B1C1、A2B2C2分割成四板块，分别编号为①②③④，再将板块④分成四根长条，每根长条体积为4a3，还要将四长条之一分成两段，一段是边长为a的正方体，另一段是底面积为a2，长为3a，体积为3a3的长条。

: P2 p. g. F, Y+ \（二）将两个一倍体组合为一个二倍体
* A, D0 ~  C' a: r先作一个如图一所示正方体同样大小的正方体，再将图一分割的部件贴在与图一相等的正方体三个共角的面上。
如图二所示，□ABCD表示与图一正方体相等正方体一个表面，其边长S1=4a。
图二中①②③分别表示图一中①②③三板块，其中①②表示两板块正面，③③表示第③板块两个侧面。
+ m* e4 `, K1 N- W" M图二中划斜线的部分表示第②板块两个侧面，划波线的部分表示第①板块一个侧面，划O的部分表示一根长条的一个端面，划X的部分表示一根长条一个侧面与一个端面，还有一根长条与一个边长为a的正方体用于补缺口。缺口隐匿在图二后面，没有显示。图二的背面，没有贴正方形板块，只是一倍体一个面的裸露，需要填补两个缺口才能成为边长为5a的正方形，一个缺口是长为4a，宽为1a的长条，另一个缺口是边长为a的正方体。
/ q6 R" C/ k3 I. I
; L+ q% z2 K4 |$ T. a  d9 X0 l$ e按上述方法堆砌后，构成一个边长为5a的正方体，按上述方法堆砌后，由图一分割而成的三板块四长条还剩下一根体积为3a3的长条无处安置。
4 A* ]" K: m* J4 h! q! ?棱长为5a的正方体体积为（5a）3=125a3
棱长为4a的正方体体积为（4a）3=64a3，其二倍体应为128 a3。
( l% y% _  @  \( W' ~% T6 F1 K128 a3-125 a3=3a3
3a3之差，正是剩下的，无处安置的一截长条的体积，说明计算结果与砌图结果相同。
下一步的问题是怎样将3a3容入（5a）3的正方体中。
方法是将3a3展开成长10a，宽5a的长条贴在棱长为5a正方体相临两面。
因长为10a，宽为5a，得长条底面积为50a2。
设长条厚度为X，得50X=3a3，得X=0.06a。
但当X=0.06a时，正方体之长、宽都增加0.06a，正方体高未增加，当一倍体贴上长条后，正方体不成正方体了，故必须通过减少长条厚度，增加长条宽度，以增加正方体高度。
! j; e9 v& C' h) H. t; [" k% v# k经测算，长条厚度以0.04a为宜，即以一倍体的 S为宜，当长条厚度为0.04a，正方体棱长为5.04a。
（5.04a）3=128.024064a3，比二倍体过剩0.024064a3
2 E8 n9 e$ U* v过剩原因是长条厚度过剩。
/ L, l; c4 g0 s7 |5 p（三）用自然数检验二倍体
上述二倍体的求作是以a为一倍体的 的关系求作的，a不表示长度，只表示一倍体的 。现将a设为自然数，检验二倍体求作是否有误。
先设a=1cm
+ N6 H0 w  F1 ~3 a& ]1 g. x6 e由（4a+1a+0.04a）3
得（4cm+1cm+0.04cm）3=128.024064cm3=128cm3
' i5 V8 Q/ J; R/ A再设a=2cm
由（4a+1a+0.04a）3
+ A1 t( }" O; i1 X  M2 W) z得（8cm+2cm+0.08cm）3=（10.08cm）3=1024.192512cm3
=1024cm3，即得一倍体的二倍方。
以上两例，用自然数表示一倍体边长的 ，结论是整数部分正是一倍体的二倍，用去尾法取值，都可得到二倍体的准确值，这种关系提出两个问题。
0 H9 i3 W/ X+ Y3 D5 j: a（1）一倍体棱长与二倍体棱长存在相互关系。
（2）为什么要用去尾法取值？
0 S) f& ?2 B/ Z8 v, t' F+ x; c" F下面讨论这类问题
0 Q% `+ Q, N9 \- O$ I: Z8 h6 ^（1）一倍体棱长与二倍体棱长关系
5 r  t5 q3 H* v5 w设一倍体棱长为S1，二倍体棱长为S2。
S2= S1+  S1+  S1
! J+ s* i1 U# B" S! m4 s上述关系式有公式效益，暂且称二倍体棱长公式吧；利用这种关系可以快速准确地求得已知一倍体的二倍体。
例：已知一倍体棱长为4cm，求作其二倍方。
解：由S2= S1+  S1+  S1
得：S2=4cm+1cm+0.04cm
4 X6 f7 _% y, v  K1 p3 ^  Z     =5.04cm
其二倍方为：（5.04cm）3=128.024064cm3
/ @: O3 |: C& o5 V用去尾法取值得二倍方为128cm3
& S0 _. b  V' k/ h% R9 U2 H（2）为什么要用去尾法取值？
因为S2= S1+  S1+  S1的公式中  S1存在过剩问题，二倍体=128.024064cm3中的小数部分，是由  S1的过剩而产生的，用去尾法取值，实际是还原到二倍体的实际体积。
（3）舍去的过剩值占倍立方的百分比是多少？
6 N+ H9 t8 O1 Q( d0 ^* i) E( y) r回顾前文所述实例：
其一，已知一倍体棱长为4cm，求得二倍体为128.024064cm3。取128cm3
6 r, |5 b9 y- O6 X1 s, l舍0.024064cm3，0.024064cm3/128cm3=0.000188，约等于十万分之19，不足万分之二。
其二，由已知一倍体边长为8cm，求得二倍体为1024.192512cm3小数部分与整数部之比为：
# s* U3 o% O  e" s2 h+ O0.192512cm3/1024cm3=0.000188，约等十万分之19，不足万分之2。
（四）倍立方求作简化
3 g  R) J) J  W( L* S如果只限制尺规求作倍立方，允许刻度尺测量一倍体棱长，利用S2= S1+  S1+  S1的关系，求作二倍体，难题不难了。如测得一倍体棱长为8m，由S2= S1+  S1+  S1的关系得S2=8m+2m+0.08m
S2=10.08m
5 ?! i3 `  H" g  M7 D二倍体=（10.08m）3=1024.192512m3
舍去小数点后面的数，得二倍体的1024m3
1024m3正是一倍体（8m）3的二倍
: R; Q8 E7 g$ E$ |误差同样是十万分之19，少于万分之二
' D  i; }. Y- Q% m; I) q2 Y. g如果测量一倍体不准用刻度尺，可用绝索测量，将等于一倍体棱长的绳索对拆分四等分，再将等于一倍体棱长的绳索分成100等分，取其 ，将一倍方棱长加一倍方棱长的 ，再加一倍方棱长的 ，得二倍方棱长。
  K, O6 S7 W! C6 b# l7 c利用二倍方棱长公式，同样可作出二倍方，这样作出的二倍方，同样是误差约为十万分之19，不足万分之2。但这样作出的二倍体，不用长度单位表示长度和体积，要用a表示长度和体积。
$ L3 U8 ^! }0 e) l. g（五）说明：
当一倍体棱长为二、三位数时，二倍方过剩值可能出现在整数部分，但过剩值与二倍体的比仍然等于十万分之十九左右，仍然小于万分之二。
: f5 p# `/ Y1 i( i+ {0 X例：已知一倍体S1=16cm
+ z8 i9 t  G/ S" D) N, Y由S2= S1+  S1+  S1，得S2=20.16cm
+ b1 G9 K- w. f: ?7 `. \& u. u( }二倍体V=（20.16cm）3=8193.540096cm3
7 U1 s9 w/ ~) F, \一倍体V=（16cm）3=4096cm3
7 G$ t  r- X# H1 h二倍体V的准确值是4096cm3×2=8192cm3
过剩1cm3。
这种过剩就是过剩值出现在整数部分的表现。但过剩值（包括小数部分的过剩）仍然少于万分之二，约等于十万分之19。除去少数部分的过剩，在整数部分的过剩一般在万分之一左右。碰到这种情况可用两种办法处理，其一，允许存在误差，因万分之一左右的误差微不足道；其二，通过校正，消除误差。
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4 _: x* b5 z' x8 Y                                袁锡煌
& v% ~& K  t# h9 ]0 `( p2012年7月31日定稿