Квадратура круга — это задача в геометрии, впервые предложенная греческой математикой . Это задача построения квадрата с площадью заданного круга , используя только конечное число шагов с помощью циркуля и линейки . Сложность задачи подняла вопрос о том, подразумевают ли указанные аксиомы евклидовой геометрии относительно существования линий и окружностей существование такого квадрата.
В 1882 году было доказано, что задача невыполнима, как следствие теоремы Линдемана–Вейерштрасса , которая доказывает, что pi ( ) является трансцендентным числом . То есть, не является корнем любого многочлена с рациональными коэффициентами. На протяжении десятилетий было известно, что построение было бы невозможным, если бы было трансцендентным, но этот факт не был доказан до 1882 года. Существуют приближенные построения с любой заданной несовершенной точностью, и было найдено много таких построений.
Несмотря на доказательство невозможности, попытки квадратуры круга были обычным делом в псевдоматематике (т.е. работах математических чудаков). Выражение «квадратура круга» иногда используется как метафора для попытки сделать невозможное. [1]
Термин квадратура круга иногда используется как синоним квадратуры круга. Он также может относиться к приближенным или численным методам нахождения площади круга . В общем, квадратура или возведение в квадрат также могут применяться к другим плоским фигурам.
Методы вычисления приблизительной площади заданного круга, которые можно рассматривать как задачу-предшественник квадратуры круга, были известны уже во многих древних культурах. Эти методы можно обобщить, указав приближение к π , которое они производят. Около 2000 г. до н. э. вавилонские математики использовали приближение , и примерно в то же время древнеегипетские математики использовали . Более 1000 лет спустя в Ветхом Завете Книги Царств использовали более простое приближение . [2] Древняя индийская математика , как записано в Шатапатха Брахмана и Шульба Сутрах , использовала несколько различных приближений к . [3] Архимед доказал формулу для площади круга, согласно которой . [2] В китайской математике в третьем веке н. э. Лю Хуэй нашел еще более точные приближения, используя метод, аналогичный методу Архимеда, а в пятом веке Цзу Чунчжи нашел , приближение, известное как Милю . [4]
Проблема построения квадрата, площадь которого в точности равна площади круга, а не является его приближением, пришла из греческой математики . Греческие математики нашли конструкции с циркулем и линейкой, чтобы преобразовать любой многоугольник в квадрат эквивалентной площади. [5] Они использовали эту конструкцию для сравнения площадей многоугольников геометрически, а не с помощью численного вычисления площади, что было бы более типично в современной математике. Как писал Прокл много веков спустя, это побудило искать методы, которые позволили бы проводить сравнения с неполигональными фигурами:
Первым известным греком, изучавшим эту проблему, был Анаксагор , который работал над ней, находясь в тюрьме. Гиппократ Хиосский приступил к решению проблемы, найдя фигуру, ограниченную дугами окружностей, луной Гиппократа , которую можно было бы возвести в квадрат. Софист Антифон считал, что вписывание правильных многоугольников в круг и удвоение числа сторон в конечном итоге заполнит площадь круга (это метод исчерпания ). Поскольку любой многоугольник можно возвести в квадрат, [5] он утверждал, что и круг можно возвести в квадрат. Напротив, Эвдем утверждал, что величины можно делить без ограничений, поэтому площадь круга никогда не будет исчерпана. [7] Одновременно с Антифоном Брисон 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 промежуточном значении . [8] Более общая цель выполнения всех геометрических построений с использованием только циркуля и линейки часто приписывалась Энопиду , но доказательства этого являются косвенными. [9]
Задача нахождения площади под произвольной кривой, теперь известная как интегрирование в исчислении или квадратура в численном анализе , была известна как возведение в квадрат до изобретения исчисления. [10] Поскольку методы исчисления были неизвестны, обычно предполагалось, что возведение в квадрат должно быть выполнено с помощью геометрических построений, то есть циркулем и линейкой. Например, Ньютон писал Ольденбургу в 1676 году: «Я полагаю, что г-ну Лейбницу не не понравится теорема в начале моего письма на стр. 4 о возведении кривых линий в квадрат геометрическим способом». [11] В современной математике эти термины разошлись по значению, при этом квадратура обычно используется, когда разрешены методы из исчисления, в то время как возведение в квадрат кривой сохраняет идею использования только ограниченных геометрических методов.
Попытка 1647 года квадратуры круга, Opus geometricum quadraturae circuli et sectionum coni decem libris comprehensum Грегуара де Сен-Венсана , подверглась резкой критике со стороны Венсана Леото . [12] Тем не менее, де Сен-Венсану удалось построить квадратуру гиперболы , и, сделав это, он был одним из первых, кто разработал натуральный логарифм . [13] Джеймс Грегори , вслед за де Сен-Венсаном, попытался доказать невозможность квадратуры круга в Vera Circuli et Hyperbolae Quadratura (Истинная квадратура круга и гиперболы) в 1667 году. Хотя его доказательство было неверным, это была первая работа, в которой была предпринята попытка решить задачу с использованием алгебраических свойств . [14] [15] Иоганн Генрих Ламберт доказал в 1761 году, что является иррациональным числом . [16] [17] Только в 1882 году Фердинанд фон Линдеман сумел более убедительно доказать, что π является трансцендентным числом , и тем самым доказал невозможность квадратуры круга с помощью циркуля и линейки. [18] [19]
После доказательства невозможности Линдемана, проблема считалась решенной профессиональными математиками, и ее последующая математическая история доминирует над псевдоматематическими попытками построения квадратуры круга, в основном любителями, и разоблачением этих усилий. [20] Кроме того, несколько более поздних математиков, включая Шринивасу Рамануджана, разработали конструкции с использованием циркуля и линейки, которые точно приближают задачу за несколько шагов. [21] [22]
Две другие классические задачи древности, известные своей невозможностью, — это удвоение куба и трисекция угла . Как и квадратура круга, они не могут быть решены циркулем и линейкой. Однако они имеют иной характер, чем квадратура круга, в том смысле, что их решение включает корень кубического уравнения , а не является трансцендентным. Поэтому для построения решений этих задач можно использовать более мощные методы, чем построения циркулем и линейкой, такие как построение невзиса или математическое складывание бумаги . [23] [24]
Решение задачи квадратуры круга с помощью циркуля и линейки требует построения числа , длины стороны квадрата, площадь которого равна площади единичного круга. Если бы было конструируемым числом , то из стандартных построений с помощью циркуля и линейки следовало бы , что также было бы конструируемым. В 1837 году Пьер Ванцель показал, что длины, которые можно было бы построить с помощью циркуля и линейки, должны быть решениями определенных полиномиальных уравнений с рациональными коэффициентами. [25] [26] Таким образом, конструируемые длины должны быть алгебраическими числами . Если бы круг можно было квадратурить, используя только циркуль и линейку, то должно было бы быть алгебраическим числом. Только в 1882 году Фердинанд фон Линдеманн доказал трансцендентность и, таким образом, показал невозможность этого построения. Идея Линдемана состояла в том, чтобы объединить доказательство трансцендентности числа Эйлера , показанное Шарлем Эрмитом в 1873 году, с тождеством Эйлера Это тождество немедленно показывает, что является иррациональным числом , поскольку рациональная степень трансцендентного числа остается трансцендентной. Линдеман смог расширить этот аргумент с помощью теоремы Линдемана–Вейерштрасса о линейной независимости алгебраических степеней , чтобы показать, что является трансцендентным и, следовательно, что квадратура круга невозможна. [18] [19]
Изгибая правила путем введения дополнительного инструмента, допускающего бесконечное число операций с циркулем и линейкой, или путем выполнения операций в определенных неевклидовых геометриях, можно в некотором смысле сделать квадратуру круга. Например, теорема Динострата использует квадратису Гиппия для квадратуры круга, что означает, что если эта кривая каким-то образом уже дана, то из нее можно построить квадрат и круг равной площади. Архимедову спираль можно использовать для другого похожего построения. [27] Хотя круг не может быть возведен в квадрат в евклидовом пространстве , это иногда возможно в гиперболической геометрии при подходящих интерпретациях терминов. Гиперболическая плоскость не содержит квадратов (четырехугольников с четырьмя прямыми углами и четырьмя равными сторонами), но вместо этого она содержит правильные четырехугольники , формы с четырьмя равными сторонами и четырьмя равными углами, более острыми, чем прямые углы. В гиперболической плоскости существует ( счетно ) бесконечно много пар конструктивных окружностей и конструктивных правильных четырехугольников равной площади, которые, однако, строятся одновременно. Не существует метода, позволяющего начать с произвольного правильного четырехугольника и построить круг равной площади. Симметрично, не существует метода, позволяющего начать с произвольного круга и построить правильный четырехугольник равной площади, и для достаточно больших кругов такого четырехугольника не существует. [28] [29]
Хотя точная квадратура круга с помощью циркуля и линейки невозможна, приближения к квадратуре круга могут быть получены путем построения длин, близких к . Требуется только элементарная геометрия, чтобы преобразовать любое заданное рациональное приближение в соответствующее построение циркулем и линейкой , но такие построения, как правило, очень многословны по сравнению с точностью, которую они достигают. После того, как точная задача была доказана неразрешимой, некоторые математики применили свою изобретательность для нахождения приближений к квадратуре круга, которые являются особенно простыми среди других мыслимых построений, дающих аналогичную точность.
Одной из многих ранних исторических приближенных конструкций с использованием циркуля и линейки является работа польского иезуита Адама Адаманды Коханьского 1685 года , в которой он дает приближение, расходящееся с в пятом знаке после запятой. Хотя уже были известны гораздо более точные числовые приближения к , конструкция Коханьского имеет то преимущество, что она довольно проста. [30] На левой диаграмме В той же работе Коханьский также вывел последовательность все более точных рациональных приближений для . [31]
Якоб де Гелдер опубликовал в 1849 году конструкцию, основанную на приближении Это значение имеет точность до шести знаков после запятой и известно в Китае с V века как Милюй , а в Европе с XVII века. [32]
Гелдер не строил сторону квадрата; ему было достаточно найти значение На иллюстрации показано построение де Гелдера.
В 1914 году индийский математик Шриниваса Рамануджан дал другую геометрическую конструкцию для того же приближения. [21] [22]
Приблизительное построение Э. У. Гобсона в 1913 году [32] имеет точность до трех знаков после запятой. Построение Гобсона соответствует приблизительному значению , где — золотое сечение , .
Такое же приблизительное значение появляется в конструкции Роберта Диксона 1991 года . [33] В 2022 году Фредерик Беатрикс представил геометрографическую конструкцию в 13 шагов. [34]
В 1914 году Рамануджан дал конструкцию, которая была эквивалентна взятию приблизительного значения для , что давало восемь десятичных знаков . [21] [22] Он описывает конструкцию отрезка прямой OS следующим образом. [21]
В старости английский философ Томас Гоббс убедил себя, что ему удалось квадратурить круг, но Джон Уоллис опроверг это утверждение в рамках спора Гоббса-Уоллиса . [35] В XVIII и XIX веках среди желающих квадратурить круг стали распространяться ложные представления о том, что задача квадратуры круга каким-то образом связана с задачей долготы , и что за ее решение будет выдано большое вознаграждение. [36] [37] В 1851 году Джон Паркер опубликовал книгу «Квадратура круга» , в которой он утверждал, что квадрировал круг. Его метод фактически дал приближение с точностью до шести цифр. [38] [39] [40]
Математик , логик и писатель викторианской эпохи Чарльз Лютвидж Доджсон, более известный под псевдонимом Льюис Кэрролл , также проявлял интерес к разоблачению нелогичных теорий квадратуры круга. В одной из записей в дневнике за 1855 год Доджсон перечислил книги, которые он надеялся написать, включая книгу под названием «Простые факты для квадратуры круга». Во введении к «Новой теории параллелей» Доджсон рассказал о попытке продемонстрировать логические ошибки паре квадратуры круга, заявив: [41]
Высмеивание квадратуры круга появляется в книге Августа Де Моргана «Бюджет парадоксов» , опубликованной посмертно его вдовой в 1872 году. Первоначально опубликовав работу в виде серии статей в The Athenæum , он перерабатывал ее для публикации в момент своей смерти. Квадратура круга пошла на спад после девятнадцатого века, и считается, что работа Де Моргана помогла этому. [20]
Даже после того, как это было доказано невозможно, в 1894 году математик-любитель Эдвин Дж. Гудвин заявил, что он разработал метод квадратуры круга. Разработанная им методика не точно квадратировала круг и давала неправильную площадь круга, которая по сути была переопределена как равная 3,2. Затем Гудвин предложил законопроект о числе пи в законодательном собрании штата Индиана, позволяющий штату использовать его метод в образовании без выплаты ему гонораров. Законопроект был принят без возражений в палате представителей штата, но законопроект был отложен и никогда не голосовался в Сенате, на фоне растущих насмешек со стороны прессы. [42]
Математический чудак Карл Теодор Гейзель также утверждал, что нашел квадратуру круга в своей книге 1934 года «Смотри!: великая проблема больше не нерешена: квадратура круга без опровержения». [43] Пол Халмош назвал эту книгу «классической книгой чудака». [44]
Проблема квадратуры круга упоминалась в широком диапазоне литературных эпох, с различными метафорическими значениями. [45] Ее литературное использование восходит по крайней мере к 414 г. до н. э., когда впервые была поставлена пьеса «Птицы » Аристофана . В ней персонаж Метон из Афин упоминает квадратуру круга, возможно, чтобы указать на парадоксальную природу его утопического города. [46]
В «Рае» Данте , песне XXXIII, строках 133–135, есть стих:
Как геометр, его ум применяет
К квадратуре круга, и при всем его остроумии Не
находит верной формулы, 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, выходящую за рамки человеческого понимания, которую он сравнивает со своей собственной неспособностью постичь Рай. [47] Образ Данте также вызывает в памяти отрывок из Витрувия , позже проиллюстрированный в «Витрувианском человеке » Леонардо да Винчи , о человеке, одновременно вписанном в круг и квадрат. [48] Данте использует круг как символ Бога и, возможно, упоминал эту комбинацию форм в отношении одновременной божественной и человеческой природы Иисуса. [45] [48] Ранее, в песне XIII, Данте называет греческого квадратурщика круга Брайсона тем, что тот искал знания, а не мудрости. [45]
Несколько произведений поэтессы XVII века Маргарет Кавендиш подробно рассматривают проблему квадратуры круга и ее метафорические значения, включая контраст между единством истины и фракционностью, а также невозможность рационализации «фантазии и женской природы». [45] К 1742 году, когда Александр Поуп опубликовал четвертую книгу своей «Дунсиады» , попытки квадратуры круга стали рассматриваться как «дикие и бесплодные»: [39]
Лишь Безумная Матезис не знала ограничений,
Слишком безумная, чтобы ее связывали материальные цепи.
Теперь к чистому пространству она устремляет свой восторженный взгляд,
Теперь, обегая круг, находит его квадратным.
Аналогично, в комической опере Гилберта и Салливана «Принцесса Ида» есть песня, в которой сатирически перечисляются невыполнимые цели женского университета, которым руководит главная героиня, такие как поиск вечного двигателя . Одна из этих целей — «И круг — они его квадратуру сделают/В один прекрасный день». [49]
Сестина , поэтическая форма, впервые использованная в XII веке Арнаутом Даниэлем , как говорят, метафорически квадратирует круг, используя квадратное число строк (шесть строф по шесть строк в каждой) с круговой схемой из шести повторяющихся слов. Спанос (1978) пишет, что эта форма вызывает символическое значение, в котором круг обозначает небо, а квадрат обозначает землю. [ 50] Похожая метафора была использована в «Квадратура круга», рассказе 1908 года О. Генри о давней семейной вражде. В названии этого рассказа круг представляет природный мир, в то время как квадрат представляет город, мир человека. [51]
В более поздних работах приверженцы квадратуры круга, такие как Леопольд Блум в романе Джеймса Джойса «Улисс» и адвокат Паравант в романе Томаса Манна « Волшебная гора» , предстают как глубоко заблуждающиеся или не от мира сего мечтатели, не осознающие математической невозможности этого и строящие грандиозные планы на результат, которого они никогда не достигнут. [52] [53]
Аналогично рассказ «Квадратура круга» пронизан интегрирующим образом: природа — круг, город — квадрат.