Kulman kolmiajako

Kulman kolmiajako on jo antiikin kreikkalaisten matemaatikkojen pohtima geometrinen konstruktiotehtävä, jossa mieli­valtainen kulma on jaettava kolmeen yhtä suureen osaan. Ranska­lainen mate­maatikko François Viète todisti 1500-luvun lopulla, että tehtävä ei voida ratkaista pelkästään harpin ja merkitsemättömän viivoittimen avulla.
Uudemman todistuksen asian mahdotto­muudelle esitti Pierre Wantzel vuonna 1937. Wantzelin todistus perustuu Galois’n teoriaan. Kulman kolmia­jako vastaa tietynlaisen kolmannen asteen yhtälön ratkaisemista, mikä ei ole mahdollista käyttämällä yhteen-, vähennys-, kerto- ja jakolaskun lisäksi pelkästään neliö­juuren ottoa.
Vaikka ei olekaan keinoa, jolla "mikä tahansa" kulma voitaisiin jakaa harpilla ja viivoittimella kolmeen yhtä suureen osaan, jotkut tietyt kulmat kyllä voidaan. Esimerkiksi suora eli 90 asteen kulma voidaan siten jakaa, sillä 30 asteen kulma voidaan kyllä piirtää harpilla ja viivoittimella.
Jos sallitaan harpin ja viivoittimen lisäksi muidenkin välineiden käyttö, kulman kolmiajako on kyllä mahdollista. Esimerkiksi neusis-konstruktiot tunnettiin nekin jo antiikin Kreikassa. Ne suoritetaan liu’uttamalla ja kiertämällä samanaikaisesti mitta-asteikolla varustettua viivoitinta. Aikojen kuluessa matemaatikot ovat keksineet muitakin menetelmiä.
Koska tehtävä on helposti esitetty mutta vaikeasti todistettavissa mahdottomaksi, monet pseudomatemaatikot ovat väittäneet ratkaisseensa sen. Näissä ”ratkaisuissa” on usein turvauduttu keinoihin, joita klassisissa geometrisissa konstruktiotehtävissä ei sallita, tai ne ovat täysin väärin.
Tausta ja tehtävän asettelu.
Kreikkalaiset matemaatikot keksivät jo varhain keinot, joilla pelkästään merkitsemättömän viivoittimen ja harpin avulla voitiin jakaa jana mielivaltaiseen määrään yhtä pitkiä osia, piirtää yhdensuuntaisia suoria, jakaa mielivaltainen kulma kahtia, piirtää monia säännöllisiä monikulmioita tai piirtää neliö, jonka pinta-ala on yhtä suuri tai kaksi kertaa niin suuri kuin annetun monikulmion.
Kolme paljon pohdittua tehtävää jäi kuitenkin ratkaisematta: kulman kolmiajako, kuution kahdentaminen ja ympyrän neliöiminen. Paljon myöhemmin on todistettu, että näitä ei voikaan ratkaista pelkästään harpin ja viivoittimen avulla.
Mahdottomuuden todistus.
Kulman kolmiajaon geometrinen probleema liittyy läheisesti algebraan, erityisesti kolmannen asteen yhtälöön, sillä trigonometrian avulla kolminkertaisen kulman kosinille johtaa lauseke:
formula_1.
Voidaan osoittaa, että jokainen kompleksiluku, jonka vastinpiste kompleksitasolla voidaan löytää pelkästään harpin ja viivoittimen avulla, kun pisteet 0 ja 1 on annettu, voidaan esittää jonkin toisen asteen yhtälön ratkaisuna, jonka kertoimet ovat rationaalilukuja. Tällaiset kompleksi­luvut muodostavat kunnan, joka on kompleksilukujen kunnan alikunta. On myös huomattava, että formula_2 radiaanin eli 60 asteen kulma voidaan piirtää harpilla ja viivoittimella, sillä tasa­sivuisen kolmion kulmat ovat sellaisia. Jos voidaan osoittaa, että 20°:n kulmaa ei voi samoilla välineillä piirtää, ei ole keinoa, jolla mieli­valtainen kulma voitaisiin jakaa kolmeen yhtä suureen osaan.
Jos 60°:n kulma voidaan jakaa kolmia, täytyy sen kolmas­osan kosinin, cos 20°, olla jonkin sellaisen toisen asteen yhtälön ratkaisu, jonka kertoimet ovat rationaali­lukuja.
On huomattava, että formula_3. Tällöin on edellä olevan yhtälön mukaan
formula_4 
ja siis
formula_5
Tästä saadaan 
formula_6
tai yhtäpitävästi
formula_7.
Sijoitetaan tähän formula_8, jolloin formula_9. Käytetään polynomille formula_10 merkintää "p(x)".
Tällöin "x"n eli cos 20°:n minimipolynomi on jokin "p(x)":n tekijä. Koska "p(x)" on kolmannen asteen polynomi, se voidaan jakaa alemman asteen tekijöihin vain, jos sillä on rationaalinen nollakohta. Rationaalijuurilauseesta seuraa lisäksi, että tämän nollakohdan olisi oltava joko 1 tai −1, mutta kumpikaan selvästi ei ole sen nolla­kohta. Sen vuoksi "p(x)" on redusoitumaton polynomi rationaali­lukujen kunnan formula_11 suhteen, ja cos 20°:n minimi­polynomi on kolmannen asteen polynomi. Tämän vuoksi 20 asteen kulmaa ei voida piirtää harpilla ja viivoittimella, eikä 60 asteen kulmaa siis voida jakaa kolmia.
Monet henkilöt, jotka eivät tunne yllä olevaa tulosta, ovat ymmärtäneet sen väärin tai virheellisesti hylänneet sen, ovat esittäneet menetelmiä mieli­valtaisen kulman jakamiseksi kolmeen yhtä­suureen osaan. Osa näistä menetelmistä on vain liki­määräisiä, toiset taas käyttävät hyväkseen menetelmiä, joita klassisissa konstruktio­tehtävissä ei sallita ja joita käsitellään tarkemmin jäljempänä. Matemaatikko Underwood Dudley on käsitellyt tällaisia yrityksiä kirjassaan "The Trisectors".
Kulmat, jotka voidaan jakaa kolmia.
Jotkin tietyt kulmat kuitenkin voidaan jakaa harpilla ja viivoittimella kolmeen yhtä suureen osaan. Esimerkiksi aina, jos jokin kulma formula_12 on täten piirrettävissä, kulma formula_13 voidaan tietenkin jakaa kolmia piirtämällä kulma formula_12. On kuitenkin myös kulmia, joita itsessään ei täten voi konstruoida, mutta jos ne on annettu, ne voidaan jakaa kolmeen yhtä suureen osaan. Sellainen kulma on esimerkiksi formula_15: viisi sellaista kulmaa yhdessä muodostaa kulman formula_16, joka käsittää täyden kierroksen sekä siihen lisätyn, vaaditun kulman formula_17. Yleisesti jos "N" on mieli­valtainen positiivinen kokonaisluku, kulma formula_18 voidaan jakaa kolmia, jos ja vain jos "N" ei ole jaollinen kolmella.
Yleinen teoreema.
Käytetään rationaalilukujen joukolle merkintää formula_11. Voidaan todistaa seuraava teoreema:
Kulma formula_12 voidaan jakaa kolmia, jos ja vain jos 
formula_21 
on redusoituva kuntalaajennuksessa formula_22.
Tämän lause voidaan todistaa jokseenkin samoin kuin edellä todistettiin, ettei 60 asteen kulmaa voida jakaa kolmia.
Kolmiajako muilla menetelmillä.
Vaikka mielivaltaista kulmaa ei voida jakaa kolmia pelkästään klassisilla kreikkalaisilla harppi- ja viivoitin­konstruktioilla, muilla keinoilla tehtävä on kyllä ratkaistavissa.
Kahtiajaon loputon toisto.
Kulman kolmiajako saadaan raja-arvona toistamalla tietyt harppi- ja viivoitin­konstruktiot lukemattomia kertoja ja käyttämällä hyväksi luvun 1/3 esitystä binäärilukuna, joka on 0,01010101... Jaetaan kulma ensin kahtia, minkä jälkeen jompikumpi saaduista kulmista jaetaan edelleen kahtia sen mukaan, milloin tässä binäärikehitelmässä on 0, milloin 1. Mitä useampia kertoja tämä toistetaan, sitä lähemmäs päästään sellaista kulmaa, joka on alkuperäisen kulman kolmasosa. Tämä algoritmi muistuttaa tietojenkäsittelyssä käytettävää binäärihakua, ja vastaavalla tavalla kulma voidaan jakaa kuinka moneen yhtä­suureen osaan tahansa.
Origamit.
Kulman kolmiajako, kuten monet muutkin harpilla ja viivoittimella ratkaisemattomat tehtävät, voidaan helposti suorittaa käyttämällä vahvempia, mutta fyysisesti helppoja paperin taivutus­menetelmiä eli origameja. Näihin perustuvien Huzitan aksioomien avulla voidaan annettu jana lähtökohtana konstruoida sellainen jana, jonka pituus on alkuperäisen janan pituus kerrottuna jonkin kokonaisluvun kuutio­juurella, kun taas harppi- ja viivoitin­konstruktoilla voidaan saada enintään neliöjuuria.
Muiden käyrien avulla.
On olemassa nimellä trisectrix tunnettuja käyriä, joita ei voida piirtää harpilla ja viivoittimella, mutta jos ne voidaan muilla keinoilla piirtää, niiden avulla voidaan mikä tahansa kulma jakaa kolmeen yhtä suureen osaan..
Merkityllä viivoittimella.
Klassisissa kreikkalaissa konstruktiotehtävissä oletetaan, että viivoittimeen ei ole tehty merkintöjä. Jos säännöistä kuitenkin poiketaan sen verran, että siihen on merkitty kaksi pistettä, joiden välistä etäisyyttä käytetään pituus­yksikkönä, sanotaan tällaisen viivoittimen avulla tehtyjä konstruktioita neusis-konstruktioiksi. Arkhimedes keksi menetelmän, jolla tällaisen viivoittimen avulla voidaan jakaa mielivaltainen kulma kolmeen yhtäsuureen osaan. 
Tässä käytetään hyväksi seuraavia geometrian lauseita:
Oikealla olevassa kaaviossa jaetaan kolmeen osaan kulma "a", jonka kärkipiste on "B". Ensin merkitään piste "A" kulman toiselle kyljelle yhden pituus­yksikön eli viivoittimessa olevien merkkien välisen etäisyyden päähän pisteestä "B", ja piirretään ympyrä, jonka säde on "AB".
Tämän jälkeen käytetään hyväksi sitä, että viivoittimessa on kaksi pistettä merkitty. Pidetään se paikoillaan siten, että sen reuna kulkee pisteen "A" kautta, liu'utetaan ja kieretään sitä, kunnes toinen sen merkityistä pisteistä on ympyrän kehällä pisteessä "C" ja toinen kulman toisen kyljen jatkeella pisteessä "D", tosin sanoen "CD = AB". Piirretään ympyrään säde "BC". Tällöin janat "AB", "BC" ja "CD" ovat yhtä suuret; janan "AC" pituudella ei ole merkitystä. Nyt kolmiot "'ABC" ja "BCD" ovat tasakylkisiä, jolloin niillä on myös yhtä suuret kantakulmat.
Tällöin kulma formula_23.
Todistus:
Näistä saadaan sieventämällä edelleen formula_35 eli formula_36, mikä oli todistettava.
Tämä konstruktio ei kuitenkaan ole klassisten sääntöjen mukainen, koska tämä edellyttää viivoittimeen tehtyjä merkintöjä.
Aiheesta muualla.
Muista menetelmistä.
[[Luokka:Geometria]]