倍立方求作探索

wyt3546658

（一）分割一倍体
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。
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。
1 S) R0 v+ d0 \( Y
$ Z* Z* n3 l+ D* g$ l（二）将两个一倍体组合为一个二倍体
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。
' |0 ~& u5 E3 D& \" R6 s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。
$ G# Q# G" L) F5 a4 ?. }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。

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。
8 ]! b6 M+ m7 t棱长为5a的正方体体积为（5a）3=125a3
. L+ F7 |9 w6 ^. m棱长为4a的正方体体积为（4a）3=64a3，其二倍体应为128 a3。
128 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。
9 ]4 e# C3 ]& J/ e0 G: A( A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。
9 n6 J3 P  A# ]4 C) E# V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。
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。
8 z, i0 V& s& ?4 Z  O（5.04a）3=128.024064a3，比二倍体过剩0.024064a3
2 e8 O: ?" o! t# X过剩原因是长条厚度过剩。
" u" R. Q7 U6 I) N（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。
0 y- O0 ]; o2 b1 z7 w先设a=1cm
# W" {+ s6 l1 p( X  K: S& N由（4a+1a+0.04a）3
得（4cm+1cm+0.04cm）3=128.024064cm3=128cm3
再设a=2cm
( R3 c$ w/ Z7 x5 S由（4a+1a+0.04a）3
- Y& m3 ?' c$ _9 O" Z得（8cm+2cm+0.08cm）3=（10.08cm）3=1024.192512cm3
. X9 g6 O: X# M7 x=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。
) r- U+ Z, j1 b4 K（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？
8 F; P2 I! j3 T9 h7 t; b7 w4 L9 L下面讨论这类问题
（1）一倍体棱长与二倍体棱长关系
设一倍体棱长为S1，二倍体棱长为S2。
* ]$ ?1 l9 @! j& N, p& y3 D" V1 xS2= S1+  S1+  S1
, m" z8 }$ J$ H" L& r6 t: i8 ~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。
' V2 K' K! _" J( O( D& x) X例：已知一倍体棱长为4cm，求作其二倍方。
/ n; ], ]  Y7 [* u解：由S2= S1+  S1+  S1
7 I4 r3 C7 M% Y: L得：S2=4cm+1cm+0.04cm
     =5.04cm
) Q' c  R1 N/ S9 y' R3 {5 u其二倍方为：（5.04cm）3=128.024064cm3
) a. V/ X9 J! U/ ~& N- q用去尾法取值得二倍方为128cm3
（2）为什么要用去尾法取值？
4 y$ y; |7 u+ @8 G3 ]; v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？
/ k: k& ?8 T9 {% l& p$ w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
舍0.024064cm3，0.024064cm3/128cm3=0.000188，约等于十万分之19，不足万分之二。
4 x2 H8 P: q4 h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：
0.192512cm3/1024cm3=0.000188，约等十万分之19，不足万分之2。
% ]. q# G. u' }2 ^（四）倍立方求作简化
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
+ V* y! t5 l; o+ D) q; jS2=10.08m
' b( N# _1 M9 q% x二倍体=（10.08m）3=1024.192512m3
舍去小数点后面的数，得二倍体的1024m3
& a7 f4 M: ~3 n" f% w/ e7 f; ~1024m3正是一倍体（8m）3的二倍
误差同样是十万分之19，少于万分之二
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。
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。
. b' c+ U/ ^' l7 B% H% \8 i1 F* B（五）说明：
2 m+ C9 k! k0 o* y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。
例：已知一倍体S1=16cm
由S2= S1+  S1+  S1，得S2=20.16cm
二倍体V=（20.16cm）3=8193.540096cm3
$ s3 E* ~0 k( q9 b& x' k2 A( T一倍体V=（16cm）3=4096cm3
二倍体V的准确值是4096cm3×2=8192cm3
过剩1cm3。
9 c6 t. }5 k- o6 h( U; v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。
以上论述，自认为主体是正确的，缺点错误难免，希网友、专家学者批评指导。希相关数学杂志社、出版发行单位通过电子邮箱或书信联系。
  t: @0 w/ R4 P& ~" N, k+ d9 _
联发数学中国网、任意角三等分等难题讨论工作室
我的电子邮箱是：wyt3546658@163.com
我的通讯地址是：湖南省新化县上梅镇天华中路立新桥社区郭家巷果品公司家属楼CHINAPOSE邮政信箱袁锡煌  收

" b! C7 H6 Z$ @4 C! \$ l                                袁锡煌
% u+ R- z. W/ w" S2012年7月31日定稿
: M) T+ x% L) r, W