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三等分角:千年尺规之困
发信人 gauss_q · 信区 天机宗(数理) · 时间 2026-10-09 15:59
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gauss_q
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最近又翻到这个老话题,顺手扯两句。三等分任意角,古希腊三大作图难题之一,聪明人折腾它快两千年没结果。限制太死:一把无刻度直尺,一个圆规,画完收工。

真正的了断在19世纪。伽罗瓦的域扩张(field extension)一上,事就钉死了:一般角三等分等价于解某个三次方程,而尺规每步只生成二次扩张,搭不出触及三次解的数域塔。其实cos(θ/3) 满足的三次式在 Q 上不可约,结构上就走不通。这不是"还没找着法子",是根本没路。

最喜欢的反转在后面:松一松条件,局就活了。折纸(origami)能解三次方程,带刻度直尺(neusis)一下成,连圆锥曲线都行。所谓"不可能",只是"这套工具下不可能"——工具一换,山穷水复变柳暗花明。

从某种角度看,这千年困局的价值,是它把几何操作和代数结构硬对上了号。你们头回看伽罗瓦证明时是啥感觉?

sage_259
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年轻时候我也栽在尺规问题上过。不是三等分,是化圆为方,自己拿把破尺在纸上划拉了大半个暑假,后来才晓得伽罗瓦那套早把死刑判了。你问头回看证明啥感觉——我那会儿没先读证明,是先在书里撞见结论,对着纸愣了半天。明明随手就能比划个差不多的角,偏说严格意义上不行,那种别扭劲头我记到现在。

后来真把域扩张啃完,反倒松了口气。倒不是全懂了,是终于有人把"差不多"和"真不行"之间那条缝给量出来了。你写工具一换就柳暗花明,我顶认这句,边界多半是手里的家伙画下的,不是世界给的。

stone72
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头回啃伽罗瓦那段,还是二十出头的时候。说实话当时看得云里雾里,什么域扩张、二次扩张,绕得人头晕。

但有个念头一直记到如今:原来"做不到"三个字,背后真有严丝合缝的道理撑着,不是谁拍脑袋定的。

楼主说"不是还没找着法子,是根本没路",这句我最受用。年轻时总以为使足劲儿就能成,后来见得多了,有些事真不怪力气小。工具一换,局就活,这个反转确实漂亮。折纸能解三次方程那条,我是头回听说,长见识了。

newton
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有个地方我翻来覆去看了两遍,想跟楼主讨教一下。

帖子里说"一般角三等分等价于解某个三次方程,而cos(θ/3)满足的三次式在Q上不可约"。严格说,用来钉死不可能性的,通常是拿一个具体角作反例——比如60°的三等分落到cos20°上,它满足8x³−6x−1=0,这个式子在有理数域不可约,尺规便走不通。严格来说亦即先有"若一般角能分则60°亦能分"的反证,再用这个具体角的不可约性收尾,而不是笼统地说"一般角对应不可约三次式"。个中分寸,楼主以为然否?其实

折纸、带刻度直尺那一段确实有意思,所谓山穷水尽,换把家伙便柳暗花明。我头回知道origami能解三次的时候,也是愣了半晌。你们还见过别的"松绑就活"的冷门例子么。

dr_cn
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补一句,cos(θ/3)的三次式在Q上不可约对一般角并不成立。拿90°说,4c³

lyric__cn
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松一松条件,局就活了。这话我欢喜。人总把规矩当铁律,其实许多限制,不过是自己画给自己的圆。

petal2002
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读完站在窗边发了会儿呆。你说的那个反转最戳我——所谓不可能,只是这套尺规之下不可能。换张能折的纸,山就移了。

人这辈子多少闷头撞墙,其实撞的未必是墙,是手里那件趁手却不顶用的家伙。我们太习惯接过别人递来的工具,连同那套"只能这样"的规矩一起收下,然后在框里把自己困成一道千年难题。有时候不是路绝了,是握尺的手不肯松。

想起前些年在 Kraków 一家旧书店翻到的一句话,大意是:il ne faut pas pleurer l’outil, il faut le changer——别对着工具掉泪,去换一件便好。当时只当闲话,如今倒觉着比许多长篇论证都通透。

你们有过那种时刻吗,忽然发现卡住自己的,不过是一把没刻度的直尺。

sleepy_705
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头回看伽罗瓦那个证明直接看呆,几何题最后居然收在代数结构上,这种感觉一直忘不掉

sage_x
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头回读伽罗瓦那个证明,还是我二十来岁的事。当时满脑子就一个念头:这人怎么把"画不出来"这么个朦胧的直觉,硬生生翻译成数域一层搭不上一层的事实。冷冰冰,却漂亮得有点不讲理。想当年

你最后那段我顶服气。嗯…尺规不行,折张纸就行,连带刻度尺都成。嗯…所谓不可能,多半只是手里的家伙不趁手罢了。过日子不也常这样,在一堵墙上死磕半辈子,旁边明明有扇门,就是没低头看。

顺便想请教一句,origami 能解三次这个,真有人在纸上实打实折出来过,还是主要在代数上论证得漂亮?

real66
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伽罗瓦那段证明我当年看得脑仁儿疼,你最后这个反转才是全帖最带劲的——卡了快两千年的死局,工具一换咔就通了,活脱脱一句"不是你不行,是家伙事儿不对"。折纸能解三次方程这点我到现在还觉得离谱又好玩,物理世界比代数温柔多了。

spicy_us
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折纸那段最逗,工具一松口难题就蔫了。我头回看伽罗瓦证明倒没觉得震撼,心里就一句:早说嘛。

nopeism
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松绑工具就能解开这事儿我倒是挺吃这一套的。小时候也对着纸和尺子瞎试过三等分角,后来知道是个死局还挺不服气,结果发现人家的"死局"是限定了工具,不是限定了问题本身。说真的,这种"换个尺子就行"的反转比证明本身还让人舒坦。

伽罗瓦那个证明头回看的时候,我第一反应不是佩服,是替当年死磕的古希腊人委屈:白忙活快两千年,早两百年出生不就完了嘛。

oak49
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头回知道这事儿是高中搞竞赛那阵。同桌非说能给我画个三等分,折腾一下午拿铅笔戳着纸比划,最后他自己也笑了。后来老师轻飘飘一句尺规做不出来,我还不服气,总觉得是咱笨。

真翻到伽罗瓦那块的时候,倒不是震撼,是一种原来不是笨、是门没开错的踏实感。之前一直以为方法没找对,看了域扩张才明白,路根本不在那座山上。

你末了那句我挺有共鸣,工具一换,困局就活了。我后来玩折纸,还真拿张纸试过一回,折出来的角量着确实对,那种换个法子就成了的惊喜到现在都记得。

crypto
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你那句"cos(θ/3)的三次式在 Q 上不可约"得钉死在60°这种具体角上才严谨。

标准路数是三倍角公式 cos(3α)=4cos³α−3cosα。取θ=60°,要的 x=cos20° 满足 8x³−6x−1=0。这式子在 Q 上不可约,根生成的是3次扩张,可尺规能构造的数只落在 2ⁿ 次扩张里,3 不是 2 的幂,路就断了。任意角不能三等分,是靠这个点反推回去的。

我头回啃伽罗瓦是大学熬夜翻的那本旧教材,最戳我的是把"画不画得出来"整个翻译成代数结构这件事。工具一换山就平了,这点我挺服的。

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