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计算机能解几何题吗?

代数问题的求解通常是比较规范的,按照一定的步骤依葫芦画瓢即可,关键是计算不出错;而几何则不同,难度稍大的题目,往往无从下手,好似羚羊挂角,无迹可寻。辅助线从何而来,要么是妙手偶得之,要么是千锤百炼的反应。人通过推理,可以由此及彼,由表及里,去粗取精,去伪存真。那么,为计算而发明的计算机,能够求解几何题目吗?

事实上,计算机可供解题使用的基本功能,大体上就可分为4类:变量赋值,基本运算,条件选择,循环操作。计算机要想解题首先要记得住东西,不仅要记住解题的有关知识和方法,还要能表达出来。要求计算机既能记住我们要它记住的信息,又能表达出来,这种功能主要通过变量赋值来实现。

除了能记住东西,还要会做基本的运算。计算机做计算肯定是不成问题的,否则怎么叫计算机呢?不过我们这里所讲的计算,除了包含一般所说的数值计算,还包括符号计算功能。因为数值运算通常容易出现误差,多步推导之后,误差被积累,可能导致结果谬以千里。在求解问题时,要根据不同的情形使用不同的公式和方法,而几何问题的条件千差万别,计算机可以根据条件安排,自动区别不同的情形,执行不同的运算,这就用到了条件选择的功能。

计算机的另一长处就是不怕枯燥麻烦。一个运算或一套操作,让它重复多少次它也不会罢工或埋怨。几何问题有时要多次检验,有时要反复探索,有时又要做大量演算。只要你一声令下,它就老老实实干起来,直到完成预定次数或达到某个目标。这叫作循环操作功能。

几何题有计算题、证明题,还有作图题。它们各有特点,又是相通的。两千多年来,人们积累了丰富多彩的解几何题的经验、技巧和方法。这些有待教给计算机的解题本领,大体可以分为4类:检验、搜索、归约和转换。

要问计算机如何解几何题,就得先看人如何解几何题。以几何学家为例,如果他们拿到一个几何题,有哪些高招呢?首先,要画画看看,量量算算,看题目出得对不对,合理合理。不合理就不做下去了。这叫作检验。然后,根据条件,参照问题,能试着东推推,西试试,推出来的东西有用没用先记下来。这样或许能解决问题,如果解决不了,再想别的出路。说不定记下来的材料还有用。这叫搜索。如果搜索不出来,还可以抓住问题的目标(待证的结论、待求的几何量或待作的点与线),分析计算,化简条件,消去中间的参数或几何元素,力求水落石出。这叫归约。

当上述常规的方法不能奏效时,人的智慧和灵感就成为取胜的源泉了。或用反证法、同一法,或加辅助线,或对部分图形作平移旋转,总之是改变问题的形式,以求化繁为简。这叫转换。

人们解几何问题的招数,层出不穷,争奇斗艳。概括起来,不外乎这4类:检验、搜索、归约和转换。多年以来,数学家和计算机科学家费尽心思,循循善诱,把个中奥秘向计算机传授。使得计算机解几何题的能力日新月异,大放光彩。除了灵机一动加辅助线,或千变万化的问题转换之外,前3种办法计算机都学得十分出色了。用计算机帮助学者研究几何,帮助以至代替老师指导学生学习几何,已经从古老的梦想变为现实。

几何专家解题的过程也给计算机提供了榜样。

在解题之前,计算机必须先要掌握有关的几何知识:公理定理定义公式我们称之为推理规则,也就是头脑里先得有一个知识库——推理规则库。读了题目之后,把题目提供的几何信息记在头脑里,这就形成了一个临时的几何信息库。然后计算机要进行“思考”,将知识库里的推理规则应用于几何信息库里的信息。推出了新信息,就把新信息和它的来历加到信息库里。虽然并不是每条新信息都有用。可是在题目还没完全解答出来的时候,天晓得哪条信息有用,哪条信息没有用,还是统统记下来为妙。

如果所有的推理规则都用了,还得不到新的信息,就到此为止,别干下去了。这表明几何信息库再也不能扩大了,叫作达到了推理不动点。这时,如果几何信息库中包含了所要求证的结论或待求的几何量,则解题成功。否则解题失败。

通常,需要随时关注新信息是不是包含了所要的结论。结论一出来,就不再去追求推理不动点。解题成功,就可以从你记下来的信息当中提取有关的东西,组织成一个有条有理的证明或解法。解题失败,并不意味着几何信息库就没用了。它可以作为你进一步思考的基础。进一步思考的方向有:要不要多学点几何知识,增加几条推理规则;要不要添加辅助线;要不要用同一法或反证法。

复杂的推理过程可以化为简单的机械化的操作,但简单的操作重复多次就不再简单了。许多几何问题包含了大量的信息。人在进行解题思考时能借助于直觉和经验,抓住最关键的信息得到解答,计算机却靠机械地搜索,工作量非同小可。譬如一个三角形和它的三条高线以及垂心,这是个很简单的几何图形,用计算机搜索几何信息,居然发现图中有105条组成比例的线段。

计算机在搜索中得到的有用信息很多,而没用的信息更多。大量的操作才能从许多无用的信息中寻找出有用的结论,难度就好比沙里淘金。这种一网打尽、竭泽而渔的搜索推理,并不是什么新的发现,而是一种古老的机械化推理设想。在没有计算机的时代,也只能想想而已,一旦有了计算机,科学家就希望将之付诸实践,但困难的是难以将这个一般性的想法实现为有效的算法和程序。现在,这个梦想已经成为生活中的现实。这个成功来之不易,这是许多科学家多年努力的成果。其中,当代中国科学家的工作起了决定性的作用

【知识点】五点共圆问题的机器证明

如图,作五角星ABCDE,产生5个交点G、H、I、J、F;再分别作△AGF、△DHG、△BIH、△EJI、△CFJ的外接圆;这5个圆生成5个新的交点M、N、P、K、L;求证:M、N、P、K、L五点共圆。超级画板自动推理只需2.9秒,图为部分推理过程。

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