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Euclidea 游戏解答与证明

在 X Round 4 上做到了「尺规作图」这道非常有意思的提交答案题,后来得知这题的灵感来自于 Euclidea 这款智力游戏,于是决定体验一下。

然后就意识到自己的几何水平退化实在太厉害了…于是决定写篇博客来记录一下自己解题的心路历程。

1. Alpha

1.1 Angle of 60°

给出一条射线,作出以该射线为边的 60^\circ 角。

解法

为了方便,设射线的端点为 O,我们在射线上取一点 A

分别以 OA 为圆心,OA 为半径画圆,两圆交于 C_1,C_2 两点。

\angle C_1OA\angle C_2OA 即为所求角(别忘了把这两个角都画出来,从而解锁隐藏 V 星)。

花费:3L 3E(只画出一个角)。

附最终完成图(图简单就不标点了):

1.2 Perpendicular Bisector

作出给定线段的中垂线。

解法

初中几何经典作图题。

步骤如下:

  1. 以两端点为圆心,线段长度为半径,作两个圆,交于 C_1,C_2 两点;
  2. 连接 C_1C_2 即为所求。

附中垂线的判定:若一点到线段两端点的距离相等,则该点在线段的中垂线上。

结合这个定义就不难理解这个作图方式的正确性了。

花费:3L 3E。

1.3 Midpoint

给出两定点,作两定点连线段的中点。

解法

连接两点后,直接用中垂线工具作出线段中垂线,与线段交点即为所求。

花费:2L 4E。

图略。

1.4 Circle in Square

作给定正方形的内接圆。

解法

  1. 连接一条对角线;
  2. 作其中一条边的中垂线,交该边于 P 点,交对角线于 O 点。
  3. O 点为圆心,OP 为半径作圆,即为所求。

花费:3L 5E。

1.5 Rhombus in Rectangle

在给出的矩形内,作一个菱形,要求菱形和矩形共用一条对角线。

解法

关于菱形的对角线,有一个重要性质:菱形的两条对角线互相垂直平分。

矩形的一条对角线作为菱形的一条对角线,菱形的另一条对角线可以利用上述性质,作出矩形对角线的中垂线得到。

因为矩形有两条对角线,我们可以用两条对角线分别画出两个满足题意的菱形。

花费:3L 5E(只画出一个菱形)。

一个菱形的图
最终图

1.6 Circle Center

求出给定圆的圆心。

解法一

在圆上任取两点,作两点连线的中垂线,由垂径定理可知这条中垂线为圆的直径,作该中垂线的中垂线,交点即为圆心。

花费:2L 6E。

解法二

上面的做法满足了 L 的要求,但没有满足 E 的要求。而下面的做法恰恰相反,只满足了 E 的要求。这意味着我们需要完成这关两次才能拿到三星的成绩。

先在圆上取一点,记为 A,以 A 为圆心,小于给出圆直径的长度为半径 r 作圆 C_1

C_1 与给出的圆会产生两个交点,记其中一个交点为 B。接下来以 B 为圆心,AB 长为半径(因为 BC_1 上,所以 |AB|=r)作圆 C_2

C_2 与给出的圆会产生两个交点,其中一个交点为 A,另外一个交点我们记为 C。接下来以 C 为圆心,BC 长为半径(和上面同理,|BC|=r)作圆 C_3

C_1C_2 会产生两个交点,记作 D_1,D_2C_2C_3 会产生两个交点,记作 E_1,E_2

连接 D_1D_2E_1E_2 并延长,两直线交点即为所求圆心。

结合下图理解一下:

为什么这样是正确的呢?

D_1,D_2A 点和 B 点的距离相等,因此 D_1D_2AB 的中垂线。

而根据垂径定理,D_1D_2 一定经过圆心。

同理 E_1E_2BC 的中垂线,且也过圆心。

因而这两条直线的交点即为圆心。

花费:5L 5E。

1.7 Inscribed Square

给出圆的圆心,求其内接正方形。正方形的一个顶点已经给出。

解法一

正方形两条对角线互相垂直平分,根据这一性质可以画出两条对角线,从而确定四个顶点。将这几个顶点顺次连接即可。

花费:6L 8E

解法二

我们设给定圆的圆心为 O

按以下步骤来作图:

  1. 在圆上取一点 A,以 A 为圆心,AO 长为半径作圆 C_1,交给定圆于 B,C 两点。
  2. B 为圆心,BC 长为半径作圆 C_2,交给定圆于 D 点。

先附一张图:

接下来,连接 BO 并延长,交 C_2E,F 两点,连接 DE 并延长,交给定圆于 G 点。

连接 DF 交给定圆于 H,连接 AG,AH,则四边形 AHDG 即为所求正方形。

正确性证明待填坑。

2. Beta

2.1 Angle Bisector

作已知角的平分线。

解法一

在一边上任取一点 A,以顶点 O 为圆心,OA 为半径作圆,交另外一边于 B

AB 的中垂线即为所求。

根据等腰三角形三线合一的性质容易证明这一作法是正确的。

花费:2L 4E

2.2 Intersection of Angle Bisectors

求给定三角形的内心(三条角平分线的交点,三角形内切圆圆心)。

解法一

直接用角平分线工具画出两条角平分线,交点即为所求。

花费:2L 8E

解法二

用传统的方式画角平分线,作图的时候重复利用已有的圆即可减小开销。

(待填坑)

2.3 Angle of 30°

给出一条射线,作出以该射线为边的 30^\circ 角。

解法一

基于 1.1 的做法先作出 60^\circ 角,然后作角平分线即可。

花费:3L 6E(作出一个角)

解法二

2.4 Double Angle

给出一个已知角,构造一个角与之相等,且该角与已知角共用一条边。

解法

考虑构造全等三角形。

3.5 Circle through Point Tangent to Line

给出直线外一点 A 和直线上一点 B,构造一个圆,使其过 A 点,且与直线在 B 点相切。

解法一

利用 B 点是切点这一条件,过 B 作切线的垂线,则圆心一定在该垂线上。

然后利用垂径定理作 AB 的垂直平分线,与切线的垂线交点即圆心。

花费:3L 7E。

《Euclidea 游戏解答与证明》上有9条评论

      1. 您这个网站是自己做的么qwq
        如果是用其他模板做的,能给一下网址吗?

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