尺規作圖

可作圖正多邊形(constructible regular polygon)

/ Gauss -> GOWSS /

我們能用圓規與直尺作出正三角形、正方形、正五邊形與正六邊形,但試試正七邊形,再聰明也會失敗。哪些正多邊形能作出、哪些根本不能?這個謎困擾了兩千年;少年高斯把它徹底解決,這是幾何中最美的結果之一。

作一個正 n 邊形等同於把圓分成 n 段等弧,而這又需要作出一個與 cos(360/n 度) 相關的特定長度。高斯證明(後由瓦策爾 Wantzel 補完):正 n 邊形可作,當且僅當 n 是 2 的某次方乘上若干「相異費馬質數」之積——費馬質數是形如 2^(2^k) + 1 的質數。已知的費馬質數有 3、5、17、257、65537。所以 3、4、5、6、8、10、12、15、16、17、20…可作,而 7、9、11、13、14、18 不可作。最著名的戰利品是正十七邊形(heptadecagon),高斯 19 歲時作出,引以為傲到希望刻在自己的墓碑上。

正七邊形與正九邊形之所以失敗,背後機制與三大不可能問題相同:作出邊長等同於解一個方程,其解不落在任何平方根擴張塔中,故無法以尺規達到。這結果是精確且已證明的,不是「目前還沒人找到方法」——對正七、正九邊形而言,方法根本不存在。注意:若用額外工具(有刻度的尺、摺紙)這些就變得可行;不可能性只針對古典工具而言。

正十七邊形可作,因為 17 = 2^(2^2) + 1 是費馬質數;高斯證明 cos(360/17 度) 能僅用整數、四則運算與層層平方根寫出。正七邊形不可作,因為 7 不屬於允許的形式。

高斯判準:正 n 邊形可作,當且僅當 n 是 2 的次方乘上相異費馬質數。

目前只知五個費馬質數(3、5、17、257、65537),是否還有其他仍是未解問題。例如正七邊形的不可能性是針對尺規而言已被證明——其他工具可以作出它。

又稱
Gauss-constructible polygon可尺規作圖正多邊形高斯可作多邊形