尺規作圖
可收合圓規(collapsing compass)
想像一把鬆垮垮的圓規,只要你把筆尖一離開紙面,兩腳就立刻闔起來。只要兩個落點都還在紙上,你就能畫圓;但你沒辦法像現代硬圓規那樣,把一個固定的張開角度從一處搬到另一處。這正是歐幾里得當年所假設的工具,聽起來比文具盒裡那把弱得多。
嚴格來說,可收合圓規只能做一件事:給定兩個已標出的點 A 與 B,畫出以 A 為圓心、通過 B 的圓(半徑 |AB|)。圓規一離開紙面就忘掉半徑,所以你不能在 A 點把它張到 |AB|,再跑到遠處繞著一個不相干的點 C 畫出同半徑的圓。至於直尺則是無刻度的:它只能畫出通過兩個已知點的直線,從不量長度。
令人意外的是,這把被削弱的圓規其實一點也不弱。歐幾里得最前面幾個命題就證明:用可收合圓規仍能把任一長度複製到任一新位置(這正是「複製線段」所完成的事)。因此數學家有所謂的「圓規等價定理」:硬圓規能作出的一切,可收合圓規也都作得出來。正因如此,後面所有作圖都當作圓規是硬的來描述,因為我們知道可收合的版本一定能重現它們。
標出兩點 A 與 B。用可收合圓規畫以 A 為圓心、過 B 的圓,再畫以 B 為圓心、過 A 的圓。圓規一抬起,半徑就消失了——但根據歐幾里得命題 I.2,你仍能把長度 |AB| 搬到第三個點上。
圓規一離開紙面就忘掉半徑,作圖能力卻絲毫不減。
常見的誤解是可收合圓規真的比現代圓規弱——其實不然。圓規等價定理證明兩者能作出完全相同的點集。
又称
另见