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        平面幾何兩個(gè)名題及其妙解

        2020-04-30 06:38:56李偉帥
        數(shù)理化解題研究 2020年11期
        關(guān)鍵詞:名題費(fèi)馬小橋

        李偉帥

        (山東省青島膠州市第八中學(xué) 266300)

        一、引言

        平面幾何作為數(shù)學(xué)王國(guó)中重要的一部分,研究者眾多,很多有名的數(shù)學(xué)家,大學(xué)教授和學(xué)者都研究過(guò)平面幾何.但關(guān)于平面幾何名題方面研究得較少,我查資料所得到的結(jié)果為:中國(guó)學(xué)者高希堯著《世界數(shù)學(xué)歷史名題一百例》,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜錫錄著《平面幾何中的名題及其妙解》等.

        縱觀其研究,大部分學(xué)者都是研究古今數(shù)學(xué)名題供人們閱讀或參考,但突出其妙解的材料并不是很多.所以我這次特對(duì)部分古今中外平面幾何中有名的題目進(jìn)行巧妙解法的探索,以提高探索解題方法,解題能力,從而進(jìn)一步認(rèn)識(shí)數(shù)學(xué),感受數(shù)學(xué)思維的巧妙之處,激發(fā)同學(xué)們對(duì)數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的興趣.

        二、兩個(gè)名題及其妙解

        1.哥尼斯堡七橋問(wèn)題

        哥尼斯堡鎮(zhèn)有一座小島,一條名叫普雷格爾的小河分兩支流進(jìn)小鎮(zhèn),從小島兩旁流過(guò),然后匯成一支流出小鎮(zhèn),如圖1所示.圖中D表示小島A,B,C表示鎮(zhèn)中三塊陸地.在小島D和陸地A之間有兩座小橋,這兩座小橋用a,b表示;在小島D和陸地B之間有兩座小橋,這兩座小橋用c,d表示;在小島D和陸地C之間有一座小橋,用e表示;在陸地A和陸地C之間有一座小橋,用f表示;在陸地B和陸地C之間有一座小橋,用g表示.問(wèn)題是:能否一次通過(guò)全部的七座橋,而每座橋只走一次?

        歐拉對(duì)哥尼斯堡七橋問(wèn)題做了詳細(xì)的研究,于1736年發(fā)表了題為《與位置幾何有關(guān)的一個(gè)問(wèn)題的解》的文章.文章中它給出了判斷可能不可能把所有的橋走一次的簡(jiǎn)單法則:

        如果有奇數(shù)座橋通過(guò)的地方不止兩個(gè),滿(mǎn)足要求的路線是找不到的;

        如果有奇數(shù)座橋通過(guò)的地方只有兩個(gè),滿(mǎn)足要求的路線是可以找到的,不過(guò)必須從這兩座有奇數(shù)座橋可通過(guò)的地方之一出發(fā),最后從另一座有奇數(shù)座橋通過(guò)的地方結(jié)束;

        如果沒(méi)有一個(gè)地方是有奇數(shù)座橋通過(guò),滿(mǎn)足要求的路線可以找到,并且可以從任何一座橋出發(fā).

        按照歐拉給出的法則,不難知道要想一次通過(guò)哥尼斯堡鎮(zhèn)的所有七座橋,而每座橋只走一次是不可能的.如果把七橋問(wèn)題抽象出來(lái),其實(shí)它就是一個(gè)筆畫(huà)問(wèn)題.事實(shí)上,由于不關(guān)心小島和陸地的漫記大小,所以可以把它們看做點(diǎn),而對(duì)于橋,由于不關(guān)心其長(zhǎng)度、寬窄大小,可以把橋看做一段曲線.所以問(wèn)題就成為:有四個(gè)點(diǎn)A,B,C,D,連接D,A有兩條線段,連接D,B有兩條線段,連接D,C有一條線段,連接C,A有一條線段,連接C,B有一條線段,如圖2所示.

        問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為能否一筆畫(huà)畫(huà)出這個(gè)圖,每條線段只畫(huà)一次,而且在畫(huà)時(shí)筆不允許抬起來(lái)離開(kāi)紙.

        把所有奇數(shù)條線段通過(guò)的點(diǎn)叫做奇數(shù)點(diǎn);偶數(shù)條線段通過(guò)的點(diǎn)叫做偶數(shù)點(diǎn).例如在圖2中,通過(guò)點(diǎn)A的線段有3條,通過(guò)點(diǎn)B的線段有3條,通過(guò)點(diǎn)C的線段有3條,通過(guò)點(diǎn)D的線段有5條,所以它們都是奇數(shù)點(diǎn).

        判斷可能不可能一筆畫(huà)的最簡(jiǎn)單法則為:

        如果奇數(shù)點(diǎn)多于2個(gè),則不可能一筆畫(huà)出來(lái);如果奇數(shù)點(diǎn)共有2個(gè),則可以一筆畫(huà)出來(lái),而且必須從一個(gè)奇數(shù)點(diǎn)起筆,從另一個(gè)奇數(shù)點(diǎn)止筆;如果沒(méi)有奇數(shù)點(diǎn),全部是偶數(shù)點(diǎn),則一定可以一筆畫(huà)出來(lái),可以從任何一個(gè)點(diǎn)起筆,從另外的任何一個(gè)點(diǎn)止筆.

        2.費(fèi)馬點(diǎn)

        費(fèi)馬是法國(guó)數(shù)學(xué)家,1601年8月20日生于圖盧斯附近的波蒙特,1665年1月12日卒于卡斯特爾.費(fèi)馬是解析幾何的兩個(gè)發(fā)明者之一.在笛卡兒的《幾何學(xué)》發(fā)表之前,他在1629年就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了解析幾何的基本原理.費(fèi)馬被譽(yù)為近代數(shù)論之父,他提出了“費(fèi)馬大定理”,之后三百多年,最優(yōu)秀的數(shù)學(xué)家都未能給出一般性的證明,直到1994年“費(fèi)馬大定理”才被英國(guó)數(shù)學(xué)家懷爾斯給出了嚴(yán)格證明.

        費(fèi)馬點(diǎn)已知△ABC,找一點(diǎn)P使得PA+PB+PC的值最小(圖3),這個(gè)點(diǎn)P稱(chēng)為△ABC的費(fèi)馬點(diǎn).

        下面給出的一個(gè)簡(jiǎn)明的解法是巴克納給出的,我們就銳角三角形的情況討論.

        證明P是銳角△ABC內(nèi)任意一點(diǎn).把△ACP繞A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)60°,得△AC′P′,使AC在AC′和AB之間.

        ∴△APP′是等邊三角形,∴PP′=PA,P′C′=PC.

        ∴PA+PB+PC=PB+PP′+P′C′.

        ∵AC′=AC, ∠C′AC=60°,∴C′是一定點(diǎn).

        ∴當(dāng)P點(diǎn)在BC′上時(shí),才有BC′=PA+PB+PC為最小.

        ∵∠APC′=60°,∴∠APB=120°,同樣可知,當(dāng)∠APC=∠BPC=120°時(shí),PA+PB+PC為最小.

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