Кіріспе
Компас пен түзу сызықпен салынатын тұрақты көпбұрыш. Математикада салынатын көпбұрыш – компас пен түзу сызықпен салынатын тұрақты көпбұрыш. Мысалы, тұрақты бесбұрыш компас пен түзу сызықпен салынады, ал тұрақты жетібұрыш салынбайды. Салынатын көпбұрыштар сансыз көп, бірақ тек 31-і тақ қабырғалы болып белгілі.
In mathematics, a constructible polygon is a regular polygon that can be constructed with compass and straightedge. For example, a regular pentagon is constructible with compass and straightedge while a regular heptagon is not. There are infinitely many constructible polygons, but only 31 with an odd number of sides are known.
Құрылыстылық шарттары
Кейбір тұрақты көпбұрыштарды компас пен сызғышпен салу оңай; ал кейбіреулерін салу қиын. Ежелгі грек математиктері 3, 4 немесе 5 қабырғалы тұрақты көпбұрыштарды салу қалай екенін білген, бұл сұрақ тудырды: барлық тұрақты көпбұрыштарды компас пен сызғышпен салуға бола ма? Егер бола алмаса, қай n-бұрыштар (яғни n қабырғасы бар көпбұрыштар) салынады және қайсылары салынбайды? Карл Фридрих Гаусс 1796 жылы тұрақты 17-бұрыштың салынуын дәлелдеді. Бес жылдан кейін ол "Disquisitiones Arithmeticae" еңбегінде Гаусс кезеңдерінің теориясын жасады. Бұл теория оған тұрақты көпбұрыштардың салынуы үшін жеткілікті шартты формулировать етуге мүмкіндік берді. Гаусс бұл шарттың да қажет екенін дәлелсіз айтты, бірақ дәлелін жарияламады. Қажеттіліктің толық дәлелін Пьер Вантцель 1837 жылы берді. Бұл нәтиже Гаусс-Вантцель теоремасы деп аталады: Тұрақты n-бұрыш компас пен сызғышпен салынады, егер және ғана егер n саны 2-нің дәрежесі мен әртүрлі Ферма сандарының көбейтіндісі болса. Мұнда 2-нің дәрежесі – m ≥ 0 бүтін сан болатын түріндегі сан. Ферма саны – m ≥ 0 бүтін сан болатын түріндегі жай сан. Ферма сандарының саны 0 болуы мүмкін, онда n саны 2-нің дәрежесі болады. Геометриялық мәселені таза сандар теориясының мәселесіне келтіру үшін дәлелдеуде тұрақты n-бұрыш салынады, егер және ғана егер косинус саны салынатын сан болса, яғни төрт негізгі арифметикалық амалдар мен квадрат түбірді шығару арқылы жазылатын болса. Басқаша айтқанда, тұрақты n-бұрыш салынады, егер n-ші циклотомдық полиномның кез келген түбірі салынатын болса.
Паскаль үшбұрышымен байланыс
5 белгілі Фермат алғашқы саны болғандықтан, біз Фермат алғашқы сандарының көбейтіндісі болып табылатын 31 санды білеміз, демек 31 құрастырылатын тақ қабырғалы тұрақты көпбұрыш бар. Бұл сандар: 3, 5, 15, 17, 51, 85, 255, 257, 771, 1285, 3855, 4369, 13107, 21845, 65535, 65537, 196611, 327685, 983055, 1114129, 3342387, 5570645, 16711935, 16843009, 50529027, 84215045, 252645135, 286331153, 858993459, 1431655765, 4294967295. Джон Конвей «Сандар кітабында» айтқандай, бұл сандар екілік санау жүйесінде жазылғанда, 2-модульді Паскаль үшбұрышының алғашқы 32 қатарына тең, бірақ ең жоғарғы қатар алынып тасталған (ол моногонға сәйкес келеді). (Осы себепті, мұндай тізімдегі 1-дер Sierpiński үшбұрышының жуықтамасын құрайды.) Бұл үлгі одан әрі жалғаспайды, себебі келесі Фермат саны жай сан емес (4294967297 = 641 × 6700417), сондықтан келесі қатарлар құрастырылатын көпбұрыштарға сәйкес келмейді. Фермат алғашқы сандарының тағы бар-жоғы белгісіз, демек, қанша тақ қабырғалы құрастырылатын тұрақты көпбұрыш бар екені де белгісіз. Жалпы, егер q Фермат алғашқы саны болса, онда 2q−1 тақ қабырғалы құрастырылатын тұрақты көпбұрыш болады.
Компас және тік жиек конструкциялары
Компас және тік сызық құрылыстары барлық белгілі құрастырылатын көпбұрыштар үшін белгілі. Егер n = pq болса, және p = 2 немесе p және q өзара жай болса, p-бұрыштан және q-бұрыштан n-бұрыш құрастыруға болады. Егер p = 2 болса, q-бұрышты сызып, оның орталық бұрыштарының бірін екіге бөліңіз. Осыдан 2q-бұрыш құрастыруға болады. Егер p > 2 болса, p-бұрыш пен q-бұрышты бір шеңберге, олардың бір төбесі ортақ болатындай етіп, сызыңыз. P және q өзара жай сандар болғандықтан, ap + bq = 1 болатын a және b бүтін сандары бар. Сонда 2aπ/q + 2bπ/p = 2π/pq. Осыдан pq-бұрыш құрастыруға болады. Осылайша, n-бұрыштар үшін компас пен тік сызық құрылысын табу жеткілікті, мұнда n – Ферма сандары. Теңқабырғалы үшбұрыштың құрылысы қарапайым және ежелден белгілі; Теңқабырғалы үшбұрышқа қараңыз. Тұрақты бесбұрыштың құрылысын Евклид (Элементтер, шамамен б.з.д. 300 ж.) және Птолемей (Алмагест, шамамен 150 ж.) сипаттаған. Гаусс тұрақты 17-бұрыштың құрастырылатынын дәлелдегенімен, оны қалай жасау керектігін көрсетпеді. Бірінші құрылысты Гаусс жұмысынан кейін бірнеше жыл өткен соң Эрчингер жасаған. Тұрақты 257-бұрыштың алғашқы нақты құрылыстарын Магнус Георг Паукер (1822) және Фридрих Юлиус Ричелот (1832) жасаған. 65537-бұрыштың тұрақты құрылысын алғаш рет Иоганн Густав Гермес (1894) ұсынған. Құрылысы өте күрделі; Гермес 200 беттік қолжазбаны аяқтауға 10 жыл жұмсаған.
Галерея
Солдан оңға қарай 15 қабыршалы, 17 қабыршалы, 257 қабыршалы және 65537 қабыршалы фигуралардың құрылысы көрсетілген. 65537 қабыршалы фигураның құрылысының тек бірінші қадамы ғана көрсетілген; 15 қабыршалы, 17 қабыршалы және 257 қабыршалы фигуралардың құрылысы толығымен берілген.
Басқа құрылыстар
Осы мақалада қарастырылған конструкциялық ұғым компас және түзу сызықтың көмегімен жасалатын конструкцияларға қатысты. Басқа құралдарға рұқсат етілген жағдайда, көбірек конструкциялар жасау мүмкін болады. Мысалы, «неусис» конструкциялары белгіленген сызықты қолданады. Конструкциялар математикалық идеализация болып табылады және олардың дәл орындалуы қабылданады. n қабырғалы дұрыс көпбұрыштарды сызық, компас және бұрыш үш бөлікке бөлу құралы арқылы құрастыруға болады, егер және тек қана r, s, k ≥ 0 және pi саны 3-тен үлкен Пирпонттің жай сандары болса (3+2^k түріндегі жай сандар). Бұл көпбұрыштар конустық қималар арқылы құрастырылатын дұрыс көпбұрыштармен және қағазды бүктеу арқылы құрастырылатын дұрыс көпбұрыштармен сәйкес келеді. Бұл көпбұрыштардың қабырғаларының алғашқы сандары: 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 24, 26, 27, 28, 30, 32, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 42, 45, 48, 51, 52, 54, 56, 57, 60, 63, 64, 65, 68, 70, 72, 73, 74, 76, 78, 80, 81, 84, 85, 90, 91, 95, 96, 97, 102, 104, 105, 108, 109, 111, 112, 114, 117, 119, 120, 126, 128, 130, 133, 135, 136, 140, 144, 146, 148, 152, 153, 156, 160, 162, 163, 168, 170, 171, 180, 182, 185, 189, 190, 192, 193, 194, 195, 204, 208, 210, 216, 218, 219, 221, 222, 224, 228, 234, 238, 240, 243, 247, 252, 255, 256, 257, 259, 260, 266, 270, 272, 273, 280, 285, 288, 291, 292, 296, және т.б.
3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 24, 26, 27, 28, 30, 32, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 42, 45, 48, 51, 52, 54, 56, 57, 60, 63, 64, 65, 68, 70, 72, 73, 74, 76, 78, 80, 81, 84, 85, 90, 91, 95, 96, 97, 102, 104, 105, 108, 109, 111, 112, 114, 117, 119, 120, 126, 128, 130, 133, 135, 136, 140, 144, 146, 148, 152, 153, 156, 160, 162, 163, 168, 170, 171, 180, 182, 185, 189, 190, 192, 193, 194, 195, 204, 208, 210, 216, 218, 219, 221, 222, 224, 228, 234, 238, 240, 243, 247, 252, 255, 256, 257, 259, 260, 266, 270, 272, 273, 280, 285, 288, 291, 292, 296,