74
А. Савин
Как нарисовать пятиконечную звезду?
Не правда ли, красива правильная пятиконечная звезда. Ее мы видим на гербе и флаге нашей Родины, она сияет на военных фуражках и на шпилях башен Кремля.
Кто в детстве не пытался нарисовать эту звезду? Наверное, всякий. Но получалось нечто кособокое и неуклюже, что-нибудь вроде рисунка 1.
Первая попытка
В школе вы познакомились с инструментами для геометрических построений — циркулем и линейкой.
Попробуем возобновить попытки нарисовать правильную пятиконечную звезду. Сначала просим себя, что значит правильную? Наверное, нужно, чтобы пять вершин были соединены отрезками равной длины. Линейка помещет нам сделать стороны звезды прямыми, а при помощи циркуля постараемся сделать их равными.
Приступим. Строим угол с вершиной A. На его сторонах откладываем равные отрезки AB и AC (рис. 2). Три вершины есть. Осталось найти еще две, и все в порядке. Одна из них (D) должна быть удалена от точки B на такое же расстояние, что и точка A. Значит, она должна лежать на окружности с центром в точке B радиуса AB. Проведемдугу (2) этой окружности. Аналогично проведемдугу (3) окружности такого же радиуса с центром в точке C. На ней должна лежать вторая из оставшихся вершин (E).
Вспомним, что мы хотим: расстояние между вершинами D и E должно быть равно расстоянию между остальные вершинами. Поэтому, не изменяя расстояния циркуля, ставим одну из его ножек в какую-нибудь точку D однойдуги (это будет чет-
Рис. 1.
Рис. 2.
Рис. 3.
вертая вершина звезды) и проводим окружность (4), которая пересечется другой (3) в точке . Получили пятую вершину. Соединим отрезками полученные точки. И что же? Длины отрезков равны, а звезда явно неправильная.
Вторая попытка
Где же ошибка? Она сразу видна. Стороны у звезды равны, а вот углы при вершинах — нет. Как же сделать, чтобы были равны и все стороны, и все углы?
Нарисуем окружность. Разобьем ее на 5 равных дуг, а затем соединим концы дуг через одну (рис. 3). Нет сомнений, что это и есть нужная нам звезда! Только как разделить окружность на 5 равных частей? С помощью транспортира? Во всей окружности , значит, в каждой части по . Берем транспортир… где же он? Опять куда-то исчез. А может быть, сумеем обойтись и без него?
Приближенный метод
Попробуем «на глазок» отложить на окружности угол в . Так… семьдесят два градуса — это больше , но меньше . Где-то между ними, чуть ближе к , чем к . Дугу
Рис. 4.
в отложить нетрудно, так как длина хорды, стягивающей ее, равна радиусу окружности. Еще легче построить и дугу в . Отметим концы «нужной» дуги (в ) — точки и (рис. 4).
Проверим, действительно ли дуга равна дуги окружности. Отложим с помощью циркуля дугу , равную , затем дугу , дальше и, когда ножку циркуля мы поставим в точку , то вторая его ножка должна попасть в точку . Попала? Нет. Значит, мы все делали зря? Нет!
Отметим точку , в которую попала вторая ножка-циркуля. Мы ошиблись на дугу , значит, каждый раз мы ошибались на этой дуги, причем, если точка оказалась правее точки , то мы выбрали дугу больше, чем нужно, а если левее, то меньше требуемой.
Сделаем поправку. «На глазок» отложим на дуге ее пятую часть — дугу (рис. 5). Дуга уже гораздо точнее приближается к дуги окружности, чем дуга . Теперь сделаем еще раз такую же проверку, что и раньше. Если после пяти откладываний ножка циркуля попадет в черное пятнышко, которым мы отметили точку , то построение выполнено с нужной точностью. А ес-
75
76
ли нет, то еще раз таким же способом уточним размер дуги. Двух уточнейный практический всегда хватает.
Точное решение
А нельзя ли сразу получить точное решение? Оказывается, можно.
Вот один из «решетов» такого построения. Пусть — диаметр окружности (1), — перpendикулярный ему радиус (рис. 6). Проведем окружность (2) радиуса с центром . Через точки пересечения окружностей (1) и (2) проведем прямую и обозначим через точку ее пересечения с диаметром. Затем с центром в точке радиусом проведем еще одну окружность (3). Точку ее пересечения с диаметром обозначим через . Проведя окружность (4) радиуса с центром , в пересечении с окружностью (1) получим точки и .
Дуга равна дуге и равна дуги первого окружности.
Чтобы обосновать это, нужно знания математики старших классов школьы.
Вы можете сами придумать обозначенный решетт построения, если прочитете статью А. Д. Бендукидзе «Золотое решение» («Квант», 1973, № 8). Там расссказывается о заменеальных геометрических свойств правильно пятоконечной звезды.
Обсуждение
Некоторые читатели возникловозпощут: «Зачем же расссказывать о
Рис. 5.
Рис. 6.
приближенном построении, если есть точное?» А вот зачем.
Во-первых, что значит — «точное»? Если его проведится идеальным инструктамми, то оно действительное точно. Но вы же будете чертить реализыми карандашом, циркулем и линейкой. Заведomo при этом получится неточный результат.
А, во-вторых, приближенный метод годится для деления окружности на любое число равных частей, следовательно, достаточно для этого запомнить только один метод.
Далее, этот метод проще точного. А простота часто бывают аргументом. Так, многие математические вычисления на электронных вычислительных машинах (ЭВМ) проводят приближенными методами (хотя существует и точные) лишь потому, что их использование городадо проще, а в ряде случаев возможно машины не позволяют воспользоваться точным, но громоздким методом.
И последнее. Оказывется, нет и не может быть точных методов для деления окружности на 7, 9, 11, 13, 14, 18, 21, 22, 23, 25 и еще много других равных частей. Доказательство этого факта принадлежит замечательному немецскому математике Карлу Фридриху Гауссу.