Яков Перельман - Квадратура круга

Что в геометрии означает «построить»

Прежде всего следует правильно уяснить себе требование задачи. Обратим внимание на то, что искомый квадрат предлагается «построить». Это означает, что решение должно быть получено в результате пересечения прямых линий между собой, окружностей между собой или прямых с окружностями. Как бы сложно ни было геометрическое построение, оно должно расчленяться на ряд простейших операций двоякого рода.

А именно:

1) проведение прямой линии через два данные точки,

2) проведение окружности (или ее части, т. е. дуги) данным радиусом около данной точки, как центра.

Первый род операций выполняется помощью чертежной линейки; второй — циркулем. Поэтому рассматриваемое требование нередко высказывают в такой форме: задача должна быть решена «циркулем и линейкой», подразумевая, что эти чертежные принадлежности употребляются только указанными сейчас способами; никакое другое употребление линейки и циркуля при решении геометрических задач не допускается. Нельзя, например, пользоваться линейкой с делениями и вообще какими-либо метками, сделанными на линейке. Кроме того, ряд отдельных операций не должен быть бесконечен: построение, состоящее из бесконечного числа элементарных операций, не считается правильным решением задачи на построение.

Таковы требования, которым должно удовлетворять решение задачи о квадратуре круга.

Предпочтение, которое древние геометры при построениях отдавали прямой линии и окружности перед другими линиями, объясняется, по мнению Ньютона, тем, что прямые и окружности легче чертить, нежели все иные линии. Таким образом, условия, выдвинутые казалось бы чистой теорией, на самом деле имеют глубокие практические корни.

Правда и вымысел

Условия, уточняющие требования задачи о квадратуре круга, известны только специалистам-математикам. В широких кругах любителей о них в большинстве случаев даже не подозревают. Преобладающая масса не-математиков приступает к решению этой задачи, понимая ее по-своему, упрощенно.

Чем, однако, объясняется чрезвычайная популярность задачи о квадратуре круга среди не-математиков и их настойчивые попытки отыскать ее решение?

Причиной является прежде всего кажущаяся простота содержания задачи. Даже не изучавшие геометрию знают, что такое квадрат и круг. Каждому представляется также известным, что надо разуметь под площадью фигуры. Отсюда возникает уверенность, что задача о квадратуре круга под силу и не присяжному математику. А то, что в продолжении ряда веков ее не могли разрешить подлинные математики, только подзадоривало самонадеянных искателей славы.

Но не одно честолюбие побуждало профанов браться за эту задачу. С древних времен сложилось ложное убеждение, будто квадратура круга является ключом ко многим тайнам природы и что ее разрешение должно повлечь за собой ряд новых открытий. Кроме того, распространен был слух, будто английский парламент и правительство Голландии, назначившие премию за лучший способ определения географической долготы на море, обещали крупную награду также и за разрешение квадратуры круга. Верили почему-то в тесную связь обеих задач.

Ложные представления, связанные с квадратурой круга, способствовали широкой известности этой задачи и придали ей чрезвычайную заманчивость в глазах людей, недостаточно сведущих в математике. В этом отношении с нею могут сравниться лишь такие проблемы, как составление «жизненного эликсира», отыскание «философского камня»[1] или изобретение «вечного двигателя».

Число воображаемых решений квадратуры круга и других неразрешимых задач было встарину настолько велико, что Парижская академия наук еще в 1775 г. принуждена была выступить со следующим заявлением:

«Академия постановила не рассматривать отныне представляемых ей решений задач удвоения куба, трисекции угла, квадратуры круга, а также машин, долженствующих осуществить вечное движение».

Двухтысячелетние поиски решения

Великий математик древнего мира Архимед (III век до нашей эры) первый поставил задачу о квадратуре круга на научную основу. В сочинении «Измерение круга» он доказал, что круг равновелик прямоугольному треугольнику, один катет которого есть радиус круга, а другой — выпрямленная окружность (рис. 2). Способ выпрямления окружности указан Архимедом в том же сочинении: длина окружности меньше 31/7 диаметра, но больше, чем 310/71 диаметра. Другими словами, Архимед доказал, что отношение длины окружности к ее диаметру, т. е. число, которое принято теперь обозначать греческой буквой π (ПИ), заключается между 310/71 и 31/7. Высший предел, 31/7, настолько близок к истинной величине, что им часто пользуются на практике еще в наши дни; его называют «Архимедовым числом».

Вытекающий из сказанного способ приближенного решения задачи о квадратуре круга весьма несложен. Построив прямоугольный треугольник с катетами R и  (здесь R — радиус круга), превращают его в равновеликий квадрат. Построение стороны х этого квадрата можно выполнить различными способами. Способ, показанный на рис. 3, основан на том, что перпендикуляр, опущенный из точки полуокружности на ее диаметр, есть среднепропорциональная между отрезками диаметра.

Отложив на прямой последовательно AC=R и , строим на сумме этих отрезков, как на диаметре, полуокружность; перпендикуляр в точке С есть искомая сторона х квадрата. В самом деле, из рис. 3 имеем

откуда

т. е. площадь квадрата со стороною х приближенно равна площади круга.

Чем точнее известно значение π, тем, очевидно, точнее может быть выполнено такое построение. Естественно поэтому, что позднейшие работы математиков над квадратурой круга были тесно связаны с получением возможно более точного π. В течение почти двух тысячелетий после Архимеда нахождение π велось по методу великого математика древности; способ Архимеда заключался в том, что площадь круга сравнивалась с площадями вписанных и описанных правильных многоугольников, число сторон которых последовательно удваивается. Совершенствуя метод Архимеда, позднейшие математики получали для π все более и более точные значения. Представленное в виде десятичных дробей, значение π выражалось десятками цифр. Так, голландский математик Лудольф ван-Цейлен, пользуясь методом Архимеда, вычислил (в 1615 г.) π c 31 верным десятичным знаком: π=3.1415926535897932384626433832795. (Эта дробь называется «Лудольфовым числом»). Оставалось, однако, неизвестным, имеет ли этот все удлиняющийся ряд цифр конец, или же он бесконечен.

Когда, во второй половине XVII века, открыто было исчисление бесконечно малых, эта отрасль высшей математики нашла более быстрые и удобные приемы вычисления π нежели те, которыми располагает элементарная математика. Открыты были весьма важные для теории соотношения между числом π и другими математическими величинами. Наконец, выявлены были замечательные особенности числа π, бросившие новый свет на старинную задачу о квадратуре круга.

До настоящего времени известно 707 цифр в числе π. Они были вычислены в 1874 г. английским математиком Шенксом. Это «самое длинное π» изображено под потолком зала математических развлечений Дома Занимательной Науки в Ленинграде, вдоль четырех стен помещения.

Завершение поисков

Каким бы путем ни приступать к задаче о квадратуре круга, она приводит к необходимости построить отрезок x, удовлетворяющий уравнению

иначе говоря, задача приводит к построению формулы . Чтобы установить, выполнимо ли это построение, нужно выяснить, какие вообще выражения могут быть построены циркулем и линейкой. В высшей математике (в той ее отрасли, которая называется аналитической геометрией) доказывается, что циркулем и линейкой могут быть построены только такие выражения, в состав которых входят действия сложения, вычитания, умножения, деления, извлечения квадратного корня и никакие другие; при этом число перечисленных операций не должно быть бесконечно велико. Тем же условиям должны удовлетворять и числа, входящие в формулу: если они но даны прямо, они должны получаться в результате только перечисленных действий.