Квадратура круга — геометрическая задача, впервые предложенная в греческой математике . Это задача построить квадрат с площадью заданного круга , используя только конечное число шагов с помощью циркуля и линейки . Сложность проблемы поставила вопрос о том, предполагают ли указанные аксиомы евклидовой геометрии , касающиеся существования прямых и кругов , существование такого квадрата.
В 1882 году задача оказалась невыполнимой, как следствие теоремы Линдемана-Вейерштрасса , доказывающей, что pi ( ) — трансцендентное число . То есть не является корнем любого многочлена с рациональными коэффициентами. На протяжении десятилетий было известно, что конструкция была бы невозможна, если бы она была трансцендентной, но этот факт не был доказан до 1882 года. Приближенные конструкции с любой заданной несовершенной точностью существуют, и таких конструкций было найдено много.
Несмотря на доказательство того, что это невозможно, попытки квадратуры круга были обычным явлением в псевдоматематике (т. е. в работе математических чудаков). Выражение «квадратура круга» иногда используется как метафора попытки сделать невозможное. [1]
Термин квадратура круга иногда используется как синоним квадратуры круга. Это также может относиться к приближенным или численным методам определения площади круга . В общем, квадратуру или возведение в квадрат можно применять и к другим плоским фигурам.
Методы расчета приблизительной площади данного круга, которые можно рассматривать как предысторию задачи квадратуры круга, были известны уже во многих древних культурах. Эти методы можно резюмировать, указав приближение к π , которое они производят. Примерно в 2000 году до нашей эры вавилонские математики использовали приближение , и примерно в то же время древнеегипетские математики использовали это приближение . Более 1000 лет спустя в «Книгах Царств» Ветхого Завета использовалось более простое приближение . [2] Древняя индийская математика , как записано в Шатапатха Брахмане и Шулба Сутрах , использовала несколько различных приближений к . [3] Архимед доказал формулу площади круга, согласно которой . [2] В китайской математике в третьем веке нашей эры Лю Хуэй нашел еще более точные приближения, используя метод, аналогичный методу Архимеда, а в пятом веке Цзу Чунчжи нашел приближение, известное как Милюй . [4]
Проблема построения квадрата, площадь которого равна площади круга, а не его приближения, пришла из греческой математики . Греческие математики нашли конструкции циркуля и линейки, позволяющие превратить любой многоугольник в квадрат эквивалентной площади. [5] Они использовали эту конструкцию для сравнения площадей многоугольников геометрически, а не путем численного вычисления площади, что было бы более типично в современной математике. Как писал Прокл много столетий спустя, это побудило поиск методов, позволяющих проводить сравнения с неполигональными формами:
Первым известным греком, изучавшим эту проблему, был Анаксагор , который работал над ней, находясь в тюрьме. Гиппократ Хиосский решил эту проблему, найдя форму, ограниченную круговыми дугами, луну Гиппократа , которую можно было возвести в квадрат. Антифон Софист считал, что вписание правильных многоугольников в круг и удвоение числа сторон со временем заполнит площадь круга (это метод исчерпания ). Поскольку любой многоугольник можно возвести в квадрат, утверждал он [5] , круг можно возвести в квадрат. Напротив, Евдем утверждал, что величины нельзя делить без ограничений, поэтому площадь круга никогда не будет использована. [7] Одновременно с Антифоном Брайсон из Гераклеи утверждал, что, поскольку существуют как большие, так и меньшие круги, должен быть круг равной площади; этот принцип можно рассматривать как форму современной теоремы о промежуточной стоимости . [8] Более общая цель выполнения всех геометрических построений с использованием только циркуля и линейки часто приписывалась Энопиду , но доказательства этого косвенные. [9]
Проблема нахождения площади под произвольной кривой, ныне известная как интегрирование в исчислении или квадратура в численном анализе , до изобретения исчисления была известна как возведение в квадрат . [10] Поскольку методы исчисления были неизвестны, обычно предполагалось, что возведение в квадрат должно производиться с помощью геометрических конструкций, то есть с помощью циркуля и линейки. Например, Ньютон писал Ольденбургу в 1676 году: «Я думаю, что М. Лейбницу не понравится теорема в начале моего письма, стр. 4, о геометрическом возведении кривых в квадрат». [11] В современной математике термины разошлись по смыслу: квадратура обычно используется, когда разрешены методы исчисления, тогда как возведение в квадрат кривой сохраняет идею использования только ограниченных геометрических методов.
Джеймс Грегори попытался доказать невозможность квадратуры круга в книге Vera Circuli et Hyperbolae Quadratura (Истинное квадратура круга и гиперболы) в 1667 году. Хотя его доказательство было ошибочным, это была первая статья, в которой была предпринята попытка решить проблему. используя алгебраические свойства . [12] [13] Иоганн Генрих Ламберт доказал в 1761 году, что это иррациональное число . [14] [15] Лишь в 1882 году Фердинанду фон Линдеманну удалось более убедительно доказать, что π — трансцендентное число , и тем самым также доказать невозможность квадратуры круга с помощью циркуля и линейки. [16] [17]
После доказательства невозможности Линдеманна проблема считалась решенной профессиональными математиками, и в ее последующей математической истории доминировали псевдоматематические попытки построения квадратур круга, в основном сделанные любителями, и разоблачение этих усилий. [18] Кроме того, несколько более поздних математиков, в том числе Шриниваса Рамануджан, разработали конструкции циркуля и линейки, которые точно аппроксимируют задачу за несколько шагов. [19] [20]
Двумя другими классическими задачами античности, известными своей невозможностью, были удвоение куба и трисекция угла . Подобно квадратуре круга, эти задачи невозможно решить с помощью циркуля и линейки. Однако они имеют иной характер, чем квадратура круга, поскольку их решение включает корень кубического уравнения , а не является трансцендентным. Следовательно, для построения решений этих проблем можно использовать более мощные методы, чем конструкции циркуля и линейки, такие как построение neusis или математическое складывание бумаги . [21] [22]
Решение задачи о квадратуре круга с помощью циркуля и линейки требует построения числа , длины стороны квадрата, площадь которого равна площади единичного круга. Если бы число было конструируемым , оно следовало бы из стандартных конструкций циркуля и линейки , которые также были бы конструируемыми. В 1837 году Пьер Ванцель показал, что длины, которые можно построить с помощью циркуля и линейки, должны быть решениями некоторых полиномиальных уравнений с рациональными коэффициентами. [23] [24] Таким образом, конструктивные длины должны быть алгебраическими числами . Если бы круг можно было возвести в квадрат, используя только циркуль и линейку, то это было бы алгебраическое число. Лишь в 1882 году Фердинанд фон Линдеманн доказал трансцендентность и, таким образом, невозможность этой конструкции. Идея Линдеманна заключалась в том, чтобы объединить доказательство трансцендентности числа Эйлера , показанное Чарльзом Эрмитом в 1873 году, с тождеством Эйлера.
Нарушение правил путем введения дополнительного инструмента, допускающего бесконечное количество операций с циркулем и линейкой или выполнением операций в определенных неевклидовых геометриях, делает в некотором смысле возможным квадратуру круга. Например, теорема Динострата использует квадратрису Гиппия для квадратуры круга, а это означает, что если эта кривая каким-то образом уже задана, то из нее можно построить квадрат и круг равных площадей. Спираль Архимеда можно использовать для другой подобной конструкции. [25] Хотя круг не может быть возведен в квадрат в евклидовом пространстве , иногда это возможно в гиперболической геометрии при подходящей интерпретации терминов. Гиперболическая плоскость не содержит квадратов (четырехугольников с четырьмя прямыми углами и четырьмя равными сторонами), но вместо этого содержит правильные четырехугольники , фигуры с четырьмя равными сторонами и четырьмя равными углами, более острыми, чем прямые углы. В гиперболической плоскости существует ( счетное ) бесконечное число пар конструктивных окружностей и конструктивных правильных четырехугольников равной площади, которые, однако, строятся одновременно. Не существует способа начать с произвольного правильного четырехугольника и построить круг равной площади. Симметрично, не существует способа начать с произвольного круга и построить правильный четырехугольник равной площади, а для достаточно больших кругов такого четырехугольника не существует. [26] [27]
Хотя точное квадратуру круга с помощью циркуля и линейки невозможно, приближения к квадратуре круга можно получить, построив длины, близкие к . Требуется только элементарная геометрия, чтобы преобразовать любое данное рациональное приближение в соответствующую конструкцию циркуля и линейки , но такие конструкции имеют тенденцию быть очень многословными по сравнению с точностью, которую они достигают. После того, как точная проблема оказалась неразрешимой, некоторые математики применили свою изобретательность, чтобы найти приближения к квадратуре круга, которые являются особенно простыми среди других мыслимых конструкций, дающих аналогичную точность.
Одна из многих ранних исторических приблизительных конструкций циркуля и линейки взята из статьи 1685 года польского иезуита Адама Адаманди Кочанского , в которой получено приближение, отклоняющееся от 5-го десятичного знака. Хотя уже были известны гораздо более точные численные аппроксимации , конструкция Кочанского имеет то преимущество, что она довольно проста. [28] На левой диаграмме
Якоб де Гельдер опубликовал в 1849 г. конструкцию, основанную на приближении
Гелдер не строил сторону квадрата; ему было достаточно найти значение
В 1914 году индийский математик Шриниваса Рамануджан предложил другую геометрическую конструкцию для того же приближения. [19] [20]
Приближенная конструкция Э. У. Хобсона в 1913 г. [30] имеет точность до трех десятичных знаков. Конструкция Гобсона соответствует приблизительному значению
Такая же приблизительная стоимость указана в конструкции Роберта Диксона 1991 года . [31] В 2022 году Фредерик Беатрикс представил геометрическую конструкцию, состоящую из 13 шагов. [32]
В 1914 году Рамануджан предложил конструкцию, которая была эквивалентна принятию приблизительного значения за
В старости английский философ Томас Гоббс убедил себя, что ему удалось квадратура круга, утверждение, опровергнутое Джоном Уоллисом в рамках спора Гоббса-Уоллиса . [33] В XVIII и XIX веках среди потенциальных квадратурщиков круга стали преобладать ложные представления о том, что проблема квадратуры круга каким-то образом связана с проблемой долготы и что за решение будет дана большая награда. [34] [35] В 1851 году Джон Паркер опубликовал книгу «Квадратура круга» , в которой утверждал, что возвел круг в квадрат. Его метод фактически давал приближение с точностью до шести цифр. [36] [37] [38]
Математик , логик и писатель викторианской эпохи Чарльз Лютвидж Доджсон, более известный под псевдонимом Льюис Кэрролл , также проявил интерес к разоблачению нелогичных теорий квадратуры круга. В одной из своих дневниковых записей за 1855 год Доджсон перечислил книги, которые он надеялся написать, в том числе книгу под названием «Простые факты для тех, кто квадратирует круг». Во введении к «Новой теории параллелей» Доджсон рассказал о попытке продемонстрировать логические ошибки паре исследователей квадратов круга, заявив: [39]
Высмеивание квадратуры круга появляется в книге Огастеса Де Моргана «Бюджет парадоксов» , опубликованной посмертно его вдовой в 1872 году. Первоначально опубликовав эту работу в виде серии статей в « Атенеуме» , он редактировал ее для публикации во время его смерть. Популярность квадратуры круга снизилась после девятнадцатого века, и считается, что этому способствовала работа Де Моргана. [18]
Даже после того, как это было доказано невозможно, в 1894 году математик-любитель Эдвин Дж. Гудвин заявил, что разработал метод квадратуры круга. Разработанная им техника не позволяла точно квадратировать круг и давала неправильную площадь круга, которая по сути была переопределена как равная 3,2. Затем Гудвин предложил законопроект Индианы Пи в законодательном собрании штата Индиана, позволяющий штату использовать его метод в образовании без выплаты ему гонораров. Законопроект был принят без каких-либо возражений в палате штата, но он был внесен на рассмотрение и так и не проголосован в Сенате на фоне растущих насмешек со стороны прессы. [40]
Математический чудак Карл Теодор Хейзель также утверждал, что квадратировал круг в своей книге 1934 года «Вот!: великая проблема больше не является нерешенной: квадрат круга не подлежит опровержению». [41] Пол Халмос назвал эту книгу «классической чудакой». [42]
Проблема квадратуры круга упоминалась в самых разных литературных эпохах и имела множество метафорических значений. [43] Его литературное использование восходит как минимум к 414 году до нашей эры, когда впервые была исполнена пьеса Аристофана «Птицы» . В нем персонаж Метон из Афин упоминает квадратуру круга, возможно, чтобы указать на парадоксальную природу своего утопического города. [44]
« Рай Данте» , песнь XXXIII, строки 133–135, содержат стих:
Как геометр, его ум обращается
к квадрату круга, и при всем своем остроумии
он не находит правильную формулу, как бы он ни старался
Qual è 'l geométra che tutto s'affige
per misurar lo cerchio, e non ritrova,
pensando, quel principio ond'elli indige,
Для Данте квадратура круга представляет собой задачу, превосходящую человеческое понимание, которую он сравнивает со своей собственной неспособностью постичь Рай. [45] Образ Данте также напоминает отрывок из Витрувия , знаменито проиллюстрированный позже в « Витрувианском человеке » Леонардо да Винчи , о человеке, одновременно вписанном в круг и квадрат. [46] Данте использует круг как символ Бога и, возможно, упомянул это сочетание форм в отношении одновременной божественной и человеческой природы Иисуса. [43] [46] Ранее, в песне XIII, Данте называет греческого квадратурного круга Брайсона как человека, искавшего знания вместо мудрости. [43]
В нескольких работах поэтессы 17-го века Маргарет Кавендиш подробно рассматриваются проблема квадратуры круга и ее метафорические значения, включая контраст между единством истины и фракционностью, а также невозможность рационализации «фантазийной и женской природы». [43] К 1742 году, когда Александр Поуп опубликовал четвертую книгу своей « Дунсиады» , попытки квадратуры круга стали рассматриваться как «дикие и бесплодные»: [37]
Одна Безумная Матезис не была ограничена,
Слишком безумна, чтобы ее можно было связать простыми материальными цепями,
Теперь к чистому пространству поднимается ее восторженный взгляд,
Теперь, бегая по кругу, находит его квадратным.
Точно так же в комической опере Гилберта и Салливана «Принцесса Ида» есть песня, в которой сатирически перечисляются невыполнимые цели женского университета, которым руководит главный герой, такие как поиск вечного двигателя . Одна из таких целей: «И круг – квадратуруют / В какой-нибудь прекрасный день». [47]
Говорят, что сестина , поэтическая форма, впервые использованная в XII веке Арнаутом Даниэлем , метафорически квадратизирует круг, используя квадратное количество строк (шесть строф по шесть строк в каждой) с круговой схемой из шести повторяющихся слов. Спанос (1978) пишет, что эта форма имеет символическое значение, в котором круг обозначает небо, а квадрат — землю. [48] Похожая метафора была использована в рассказе О. Генри «Квадратура круга» 1908 года о давней семейной вражде. В названии этой истории круг представляет мир природы, а квадрат — город, мир человека. [49]
В более поздних работах такие люди, занимающиеся квадратурой круга, как Леопольд Блум в романе Джеймса Джойса «Улисс » и адвокат Паравант в « Волшебной горе » Томаса Манна , рассматриваются как печально заблуждающиеся или потусторонние мечтатели, не осознающие математической невозможности этого круга и строящие грандиозные планы результата они никогда не достигнут. [50] [51]
Подобным же образом рассказ «Квадратура круга» пронизан интегрирующим образом: природа — круг, город — квадрат.