Heptadecagon

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

În geometrie , un heptadecagon este un poligon cu 17 laturi. Un heptadecagon regulat are 17 laturi congruente și fiecare unghi intern măsoară

Constructibilitatea implică faptul că orice funcție trigonometrică a poate fi exprimată folosind doar operații aritmetice și rădăcini pătrate . Cartea lui Gauss Disquisitiones Arithmeticae conține următoarea expresie, reprodusă aici în notație modernă:

Vrem să arătăm cum a ajuns Gauss la această soluție și cum problema este legată de constructibilitatea poligoanelor obișnuite.

Un heptadecagon obișnuit.

Introducere

Heptadecagonul obișnuit este un poligon construibil cu riglă și busolă , așa cum a arătat Carl Friedrich Gauss în 1796. Gauss a fost atât de entuziasmat de descoperirea sa încât a cerut să fie gravat unul pe mormântul său. Sculptorul a refuzat, susținând că construcția a fost atât de dificilă încât poligonul rezultat nu s-ar remarca dintr-o circumferință.

Construirea poligoanelor regulate ale părțile au reprezentat o provocare pentru toți matematicienii de la antichitate până în secolul al XIX-lea. Această construcție este echivalentă cu împărțirea circumferinței într-un număr de arce egale: unind punctele în care este împărțită circumferința, obținem poligonul regulat, adică echilateral și echiangular, pe care dorim să îl construim.

În Elemente , Euclid se ocupă de construcția poligoanelor regulate din Cartea a IV-a, rezolvând problema pentru Construcțiile sale se bazează inițial pe caracteristicile poligonului regulat; de exemplu, construcția pentagonului lui Euclid se bazează pe observația că triunghiul isoscel cu baza pe o parte a pentagonului și vârful opus este astfel încât unghiurile de la bază sunt duble cu al treilea unghi. Cu toate acestea, Euclid subliniază deja un criteriu pentru constructibilitatea poligoanelor: deși nu este menționat în mod explicit în Elemente , Euclid și matematicienii greci au reușit să construiască orice poligon de laturi (cu număr întreg pozitiv ), odată poligonul lui laturi: pe baza bisecției laturii sau echivalent arcului de circumferință, începând de la pătrat construim octogonul și apoi 16-gono și așa mai departe. Mai mult, în Propoziția 16 din Cartea a IV-a, odată cu construcția pentadecagonului, Euclid indică un alt criteriu pentru constructibilitatea poligoanelor regulate: dacă poligoanele regulate ale laturile și ale laturile și Și sunt prime între ele, adică descompunerile lor în factori primi au doar factorul 1 în comun, deci poligonul regulat al laturile. În rezumat, pornind de la rezultatele Cărții a IV-a a lui Euclid, matematicienii din antichitate au putut să construiască poligoane regulate de laturile unde m este un număr întreg negativ, Și sunt primele 3 și 5 distincte, în timp ce Și pot fi 0 sau 1.

Heptadecagonul este poligonul regulat din 17 laturi, iar problema construcției sale a fost rezolvată de Gauss în 1796:

„... Descoperisem deja tot ce ține de separarea rădăcinilor ecuației

în două grupuri. După o analiză intensă a relației aritmetice a tuturor rădăcinilor între ele, am putut în timpul unei vacanțe în Braunschweig, în dimineața zilei de 29 martie 1796, să văd relația în cel mai clar mod, astfel încât am putut să o aplic. imediat la cele 17 laturi și la verificările numerice ".

După cum scrie Gauss în notele sale autobiografice, soluția construcției poligonului cu 17 laturi constă în rezolvarea ecuației

în planul complex pentru . Găsirea unor astfel de soluții înseamnă găsirea valorii numerice a cosinusului celei de-a 17-a părți a unghiului rotund și construirea heptadecagonului regulat constă în construirea numărului găsit geometric.

Tânărul Gauss din 1796 a putut, de asemenea, să demonstreze că, dacă este un număr prim Fermat , apoi poligonul regulat cu un număr de laturi poate fi construit cu rigla și busola.
Amintiți-vă că numerele Fermat sunt exprimate prin formulă și că numai numerele obținute pentru (ale căror valori sunt respectiv 3, 5,17, 257, 65537) au fost verificate până acum ca fiind prime.

Gauss a demonstrat astfel, mai general, că un poligon regulat al laturile este construibil dacă factorizarea sa primară este de tipul

unde este este un număr întreg negativ și factorii sunt numere prime distincte Fermat. De asemenea, el a simțit că condiția menționată mai sus trebuie să fie necesară, dar acest lucru a fost dovedit abia mai târziu de Pierre-Laurent Wantzel , în 1836 .

Ecuația ciclotomică

Se caută soluțiile ecuației

în domeniul numerelor complexe sau echivalent cu , adică rădăcini -sima unității.

Numărul complex este asociat cu un punct de pe circumferința unității în planul Argand-Gauss

unde s-a adăugat notația exponențială a numerelor complexe.

N rădăcinile unității pe circumferința unității.

Având în vedere circumferința unității centrului și raza unității în planul complex, rădăcinile ecuației se află pe cercul unității și îl împart în arcuri egale.

Întrucât rădăcinile ecuației împreună cu rădăcina este rădăcinile unității și împărțiți circumferința unității în părți egale, ecuația precedentă se numește ecuația ciclotomică („împărțind circumferința”).

Amintiți-vă că n-sime rădăcinile unității , adică numerele formează un grup multiplicativ, deoarece îndeplinesc următoarele condiții:

1) închidere: unde este , , sunt numere întregi mai mici decât

2) asociativitate:

3) element neutru: atâta timp cât

4) element invers al Și

Metoda Gauss

Ecuația ciclotomică pentru Și

Se arată cu utilizarea proprietăților unui grup multiplicativ că cele 16 rădăcini ale acestei ecuații ciclotomice ( ) nu sunt altele decât puterile în creștere de la 1 la 16 ale rădăcinii .

Pentru a readuce soluția ecuației ciclotomice la soluția ecuațiilor de gradul 2, rădăcinile sunt cuplate în așa fel încât să reducă treptat gradul ecuației care trebuie rezolvată.

Pentru a face acest lucru, se caută mai întâi un număr astfel încât rădăcinile să poată fi sortate în ordine unde este este rădăcina primitivă a 17-a a unității.

Se numește rădăcina primitivă -sima unității o rădăcină astfel încât Și pentru toate numerele întregi pozitive .

Gauss arată că pentru valoarea a adecvat este 3. (Per , nu este posibil să se obțină toate rădăcinile ecuației ciclotomice). Rădăcinile sunt apoi ordonate astfel:

unde proprietățile grupului ciclic au fost aplicate, prin urmare, pentru , de exemplu , si asa mai departe.

Ei se definesc acum

Bineînțeles că ai asta

în timp ce cu un calcul simplu se concluzionează că

asa de, și sunt rădăcinile ecuației de gradul 2

Continuând cu aceeași metodă, ei se definesc Și luând termenii alternativi ai :

in timp ce Și sunt definite cu termenii alternanți ai :

Desigur:

în timp ce se întâmplă că

prin urmare, cuplul și și cuplul Și satisfac ecuațiile de gradul 2 respectiv

Apoi luăm termenii alternativi în :

obținând asta

Și Și sunt rădăcini ale ecuației

În cele din urmă, R ed sunt rădăcini ale ecuației de gradul 2

de fapt suma lor este , în timp ce produsul lor este .

In concluzie, poate fi găsită rezolvând atâtea ecuații pătratice cât sunt factori de , dar există 16 valori posibile ale din moment ce există 16 rădăcini primitive de 17-me ale unității ( cf. (2), (3), ...). Ar ajuta asta este

astfel încât, fiind

ai face

Pentru ca este acea sunt mai mici de iar în primul cadran cosinusul unghiului scade pe măsură ce unghiul crește, apoi

În mod similar,

Atâta timp cât , implică asta

De asemenea

unde singurul termen pozitiv este primul; intr-adevar, , ceea ce ne permite să concluzionăm că . Atâta timp cât , se poate concluziona, de asemenea, că .

Soluția aritmetică

Ecuațiile de gradul 2 găsite sunt acum rezolvate numeric, rezumând procedura urmată.

Să se dea ecuația ciclotomică

Pasesc : sunt definite Și :

care sunt soluții ale ecuației

Prin urmare, rezolvând ecuația anterioară:

Pasul doi : s-au definit singuri Și

care sunt soluții ale ecuației

de la care

unde a fost introdusă a doua egalitate pentru a simplifica calculul ulterior și poate fi verificată imediat.

Pasul III : sunt definite Și

care sunt soluții ale ecuației

de la care

unde a fost introdusă a doua egalitate, similar cu Pasul II, pentru a simplifica calculul ulterior și poate fi verificată imediat.

Pasul IV : în cele din urmă, acestea sunt definite Și

care sunt soluții ale ecuației

acesta este:

În special prin substituirea valorilor Și primesti:

Construcția geometric-aritmetică

Construirea Heptadecagonului folosind cercurile lui Carlyle

Aici, în dreapta, puteți urmări o construcție care este derivată direct din ecuațiile descrise în secțiunile anterioare. Cercurile Carlyle sunt folosite pentru a căuta rădăcinile ecuațiilor individuale.

Poligoane derivate

Construcția exactă a heptadecagonului vă permite să desenați exact și alte poligoane. De fapt, dacă un triunghi echilateral, un pentagon sau un pentadecagon care au un vârf în comun cu un heptadecagon, de asemenea, înscris în același cerc, este înscris în același cerc, este posibil să se determine unghiul din centrul celorlalte poligoane următoare. :

Numărul de laturi,
unghiuri și vârfuri
Poligonul auxiliar Determinarea unghiului intern
(fracțiuni de unghi rotund)
Animație: construcție
cu rigla și busola
34 34-gono
51 Triunghi
echilateral
51-gono
85 Pentagon 85 de zile
255 Pentadecagonul 255-gono

O construcție pur geometrică

Prima metodă eficientă de construcție cu rigla și busola heptadecagonului, descrisă prin următoarea animație, a fost propusă de Johannes Erchinger, la câțiva ani după lucrarea lui Gauss.

Construcția geometrică a Eptadecagonului

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Matematica Portalul de matematică : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de matematică