尺规作图资料(完整)
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1:尺规作出正三角形
2尺规作出正方形
3:尺规作出正六边形
4:尺规作出正十边形
5:尺规作出正十六边形
6:尺规作出正十七边形
7:尺规作出正十五边形
8:尺规作出正五边形
9:单尺作出正八边形
10:单尺作出正方形
11:单尺作出正六边形
12:单尺作出正五边形
13:单规找出两点间的三等分点
14:单规找出两点间的中点
15:单规作出等边三角形
16:单规作出正八边形
17:单规作出正方形
18:单规作出正六边形
19:单规作出正十边形
20:单规作出正十二边形
21:单规作出正十六边形
22:单规作出正十五边形
23单规作出正五边形
24:只有两个刻度的直尺作出正三角形
25:只有两个刻度的直尺作出正方形
初中数学尺规作图专题讲解
张远波
尺规作图是起源于古希腊的数学课题.只使用圆规和直尺,并且只准许使用有限次,来解决不同的平面几何作图题.
平面几何作图,限制只能用直尺、圆规.在历史上最先明确提出尺规限制的是伊诺皮迪斯.他发现以下作图法:在已知直线的已知点上作一角与已知角相等.这件事的重要性并不在于这个角的实际作出,而是在尺规的限制下从理论上去解决这个问题.在这以前,许多作图题是不限工具的.伊诺皮迪斯以后,尺规的限制逐渐成为一种公约,最后总结在《几何原本》之中.
初等平面几何研究的对象,仅限于直线、圆以及由它们(或一部分)所组成的图形,因此作图的工具,习惯上使用没有刻度的直尺和圆规两种.限用直尺和圆规来完成的作图方法,叫做尺规作图法.最简单的尺规作图有如下三条:
⑴ 经过两已知点可以画一条直线;
⑵ 已知圆心和半径可以作一圆;
⑶ 两已知直线;一已知直线和一已知圆;或两已知圆,如果相交,可以求出交点;
以上三条,叫做作图公法.用直尺可以画出第一条公法所说的直线;用圆规可以作出第二条公法所说的圆;用直尺和圆规可以求得第三条公法所说的交点.一个作图题,不管多么复杂,如果能反复应用上述三条作图公法,经过有限的次数,作出适合条件的图形,这样的作图题就叫做尺规作图可能问题;否则,就称为尺规作图不能问题.
历史上,最著名的尺规作图不能问题是:
⑴ 三等分角问题:三等分一个任意角;
⑵ 倍立方问题:作一个立方体,使它的体积是已知立方体的体积的两倍;
⑶ 化圆为方问题:作一个正方形,使它的面积等于已知圆的面积.
这三个问题后被称为“几何作图三大问题”.直至1837年,万芝尔(Pierre Laurent Wantzel)首先证明三等分角问题和立方倍积问题属尺规作图不能问题;1882年,德国数学家林德曼(Ferdinand Lindemann)证明π是一个超越数(即π是一个不满足任何整系数代数方程的实数),由此即可推得根号π(即当圆半径1r时所求正方形的边长)不可能用尺规作出,从而也就证明了化圆为方问题是一个尺规作图不能问题.
若干著名的尺规作图已知是不可能的,而当中很多不可能证明是利用了由19世纪出现的伽罗华理论.尽管如此,仍有很多业余爱好者尝试这些不可能的题目,当中以化圆为方及三等分任意角最受注意.数学家Underwood
Dudley曾把一些宣告解决了这些不可能问题的错误作法结集成书.
还有另外两个著名问题:
⑴ 正多边形作法
·只使用直尺和圆规,作正五边形.
·只使用直尺和圆规,作正六边形.
·只使用直尺和圆规,作正七边形——这个看上去非常简单的题目,曾经使许多著名数学家都束手无策,因为正七边形是不能由尺规作出的.
·只使用直尺和圆规,作正九边形,此图也不能作出来,因为单用直尺和圆规,是不足以把一个角分成三等份的.
·问题的解决:高斯,大学二年级时得出正十七边形的尺规作图法,并给出了可用尺规作图的正多边形的条件:尺规作图正多边形的边数目必须是2的非负整数次方和不同的费马素数的积,解决了两千年来悬而未决的难题.
⑵ 四等分圆周
只准许使用圆规,将一个已知圆心的圆周4等分.这个问题传言是拿破仑·波拿巴出的,向全法国数学家的挑战.
尺规作图的相关延伸:
用生锈圆规(即半径固定的圆规)作图
1.只用直尺及生锈圆规作正五边形
2.生锈圆规作图,已知两点A、B,找出一点C使得ABBCCA.
3.已知两点A、B,只用半径固定的圆规,求作C使C是线段AB的中点.
4.尺规作图,是古希腊人按“尽可能简单”这个思想出发的,能更简洁的表达吗?顺着这思路就有了更简洁的表达.10世纪时,有数学家提出用直尺和半径固定的圆规作图. 1672年,有人证明:如果把“作直线”解释为“作出直线上的2点”,那么凡是尺规能作的,单用圆规也能作出!从已知点作出新点的几种情况:两弧交点、直线与弧交点、两直线交点 ,在已有一个圆的情况下,那么凡是尺规能作的,单用直尺也能作出!.
五种基本作图:
初中数学的五种基本尺规作图为:
1.做一线段等于已知线段
2.做一角等于已知角
3.做一角的角平分线
4.过一点做一已知线段的垂线
5.做一线段的中垂线
下面介绍几种常见的尺规作图方法:
⑴ 轨迹交点法:解作图题的一种常见方法.解作图题常归结到确定某一个点的位置.如果这两个点的位置是由两个条件确定的,先放弃其中一个条件,那么这个点的位置就不确定而形成一个轨迹;若改变放弃另一个条件,这个点就在另一条轨迹上,故此点便是两个轨迹的交点.这个利用轨迹的交点来解作图题的方法称为轨迹交点法,或称交轨法、轨迹交截法、轨迹法.
【例1】 电信部门要修建一座电视信号发射塔,如下图,按照设计要求,发射塔到两个城镇A、B的距离必须相等,到两条高速公路m、n的距离也必须相等,发射塔P应修建在什么位置?
nmBAGFEDOC2C1nmBA
【分析】 这是一道实际应用题,关键是转化成数学问题,根据题意知道,点P应满足两个条件,一是在线段AB的垂直平分线上;二是在两条公路夹角的平分线上,所以点P应是它们的交点.
【解析】 ⑴ 作两条公路夹角的平分线OD或OE;
⑵ 作线段AB的垂直平分线FG;则射线OD,OE与直线FG的交点1C,2C就是发射塔的位置.
【例2】 在平面直角坐标系中,点A的坐标是(4,0),O是坐标原点,在直线3yx上求一点P,使AOP是等腰三角形,这样的P点有几个?
P3P2P1AOyxy=x+3
【解析】 首先要清楚点P需满足两个条件,一是点P在3yx上;二是AOP必须是等腰三角形.其次,寻找P点要分情况讨论,也就是当OAOP时,以O点为圆心,OA为半径画圆,与直线有两个点1P、2P;当OAAP时,以A点为圆心,OA为半径画圆,与直线无交点;当POPA时,作OA的垂直平分线,与直线有一交点3P,所以总计这样的P点有3个.
【例3】 设O⊙与'O⊙相离,半径分别为R与'R,求作半径为r的圆,使其与O⊙及'O⊙外切.
R'RO'OrrDCM2M1BArOO'RR'r
【分析】 设M⊙是符合条件的圆,即其半径为r,并与O⊙及'O⊙外切,显然,点M是由两个轨迹确定的,即M点既在以O为圆心以Rr为半径的圆上,又在以'O为圆心以'Rr为半径的圆上,因此所求圆的圆心的位置可确定.若O⊙与'O⊙相距为b,当2rb时,该题无解,当2rb有唯一解;当2rb时,有两解.
【解析】 以当O⊙与'O⊙相距为b,2rb时为例:
⑴ 作线段OARr,''OBRr.
⑵ 分别以O,'O为圆心,以Rr,'Rr为半径作圆,两圆交于12,MM两点.
⑶ 连接1OM,2OM,分别交以R为半径的O⊙于D、C两点.
⑷ 分别以12MM,为圆心,以r为半径作圆.
∴12,MM⊙⊙即为所求.
【思考】若将例3改为:“设O⊙与'O⊙相离,半径分别为R与'R,求作半径为r()rR的圆,使其与O⊙ 内切,与'O⊙外切.”又该怎么作图?
⑵ 代数作图法:解作图题时,往往首先归纳为求出某一线段长,而这线段长的表达式能用代数方法求出,然后根据线段长的表达式设计作图步骤.用这种方法作图称为代数作图法.
【例4】 只用圆规,不许用直尺,四等分圆周(已知圆心).
【分析】 设半径为1.可算出其内接正方形边长为2,也就是说用这个长度去等分圆周.我们的任务就是做出这个长度.六等分圆周时会出现一个3的长度.设法构造斜边为3,一直角边为1的直角三角形,2的长度自然就出来了.
【解析】 具体做法:
⑴ 随便画一个圆.设半径为1.
⑵ 先六等分圆周.这时隔了一个等分点的两个等分点距离为3.
⑶ 以这个距离为半径,分别以两个相对的等分点为圆心,同向作弧,交于一点.(“两个相对的等分点”其实就是直径的两端点啦!两弧交点与“两个相对的等分点”形成的是一个底为2,腰为3的等腰三角形.可算出顶点距圆心距离就是2.)
⑷ 以2的长度等分圆周就可以啦!
【例5】 求作一正方形,使其面积等于已知ABC的面积.
【分析】 设ABC的底边长为a,高为h,关键是在于求出正方形的边长x,使得212xah,所以x是12a与h的比例中项.
【解析】 已知:在ABC中,底边长为a,这个底边上的高为h,
求作:正方形DEFG,使得:ABCDEFGSS正方形
haDCBAOGFEDNM
作法:
⑴ 作线段12MDa;
⑵ 在MD的延长线上取一点N,使得DNh;
⑶ 取MN中点O,以O为圆心,OM为半径作O⊙;
⑷ 过D作DEMN,交O⊙于E,
⑸ 以DE为一边作正方形DEFG.
正方形DEFG即为所求.
【例6】 在已知直线l上求作一点M,使得过M作已知半径为r的O⊙的切线,其切线长为a.
arOlBAM2M1lOr
【分析】 先利用代数方法求出点M与圆心O的距离d,再以O为圆心,d为半径作圆,此圆与直线l的交点即为所求.
【解析】 ⑴ 作RtOAB,使得:90A,OAr,ABa.
⑵ 以O为圆心,OB为半径作圆.
若此圆与直线l相交,此时有两个交点1M,2M.
1M,2M即为所求.
若此圆与直线l相切,此时只有一个交点M.M即为所求.
若此圆与直线l相离,此时无交点.即不存在这样的M点使得过M作已知半径为r的O⊙的切线,其切线长为a.
⑶ 旋转法作图:有些作图题,需要将某些几何元素或图形绕某一定点旋转适当角度,以使已知图形与所求图形发生联系,从而发现作图途径.
【例7】 已知:直线a、b、c,且abc∥∥.
求作:正ABC,使得A、B、C三点分别在直线a、b、c上.