化圓為方問(wèn)題的完整敘述是:給定一個(gè)圓,是否能夠通過(guò)以上說(shuō)明的五種基本步驟,于有限次內(nèi)作出一個(gè)正方形,使得它的面積等于圓的面積。
如果將圓的半徑定為單位長(zhǎng)度,則化圓為方問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是作出長(zhǎng)度π的開(kāi)方為單位長(zhǎng)度倍的線段。
公元前5世紀(jì),古希臘哲學(xué)家阿那克薩哥拉因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)太陽(yáng)是個(gè)大火球,而不是阿波羅神,犯有“褻瀆神靈罪”而被投入監(jiān)獄。在法庭上,阿那克薩哥拉申訴道:“哪有什么太陽(yáng)神阿波羅??!那個(gè)光耀奪目的大球,只不過(guò)是一塊火熱的石頭,大概有伯羅奔尼撒半島那么大;再說(shuō),那個(gè)夜晚發(fā)出清光,晶瑩透亮象一面大鏡子的月亮,它本身并不發(fā)光,全是靠了太陽(yáng)的照射,它才有了光亮?!苯Y(jié)果他被判處死刑。
在等待執(zhí)行的日子了,夜晚,阿那克薩哥拉睡不著。圓圓的月亮透過(guò)正方形的鐵窗照進(jìn)牢房,他對(duì)方鐵窗和圓月亮產(chǎn)生了興趣。他不斷變換觀察的位置,一會(huì)兒看見(jiàn)圓比正方形大,一會(huì)兒看見(jiàn)正方形比圓大。最后他說(shuō):“好了,就算兩個(gè)圖形面積一樣大好了。”
阿那克薩哥拉把“求作一個(gè)正方形,使它的面積等于已知的圓面積”作為一個(gè)尺規(guī)作圖問(wèn)題來(lái)研究。起初他認(rèn)為這個(gè)問(wèn)題很容易解決,誰(shuí)料想他把所有的時(shí)間都用上,也一無(wú)所獲。
經(jīng)過(guò)好朋友、政治家伯里克利的多方營(yíng)救,阿那克薩哥拉獲釋出獄。
他把自己在監(jiān)獄中想到的問(wèn)題公布出來(lái),許多數(shù)學(xué)家對(duì)這個(gè)問(wèn)題很感興趣,都想解決,可是一個(gè)也沒(méi)有成功。這就是著名的“化圓為方”問(wèn)題。
化圓為方是古希臘尺規(guī)作圖問(wèn)題之一,即:求一正方形,其面積等于一給定圓的面積。由π為超越數(shù)可知,該問(wèn)題僅用直尺和圓規(guī)是無(wú)法完成的。但若放寬限制,這一問(wèn)題可以通過(guò)特殊的曲線來(lái)完成。如西皮阿斯的割圓曲線,阿基米德的螺線等。
二千年間,盡管對(duì)化圓為方問(wèn)題上的研究沒(méi)有成功,但卻發(fā)現(xiàn)了一些特殊曲線。希臘安提豐(公元前430)為解決此問(wèn)題而提出的「窮竭法」,是近代極限論的雛形。大意是指先作圓內(nèi)接正方形(或正6邊形),然后每次將邊數(shù)加倍,得內(nèi)接8、16、32、…邊形,他相信「最后」的正多邊形必與圓周重合,這樣就可以化圓為方了。雖然結(jié)論是錯(cuò)誤的,但卻提供了求圓面積的近似方法,成為阿基米德計(jì)算圓周率方法的先導(dǎo),與中國(guó)劉徽的割圓術(shù)不謀而合,對(duì)窮竭法等科學(xué)方法的建立產(chǎn)生直接影響。
現(xiàn)已證明,在尺規(guī)作圖的條件下,此題無(wú)解。
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