Секреты числа Пи. Почему неразрешима задача о квадратуре круга - [3]

.

Многовековая задача

Число π — не только соотношение между длиной окружности и ее диаметром. Удвоенное отношение между площадью круга и площадью вписанного в него квадрата также равно π. Как нам известно из школы, площадь круга радиуса г равняется

S = πr².

Так как площадь квадрата равна квадрату его стороны, по теореме Пифагора получим

S/Площадь вписанного квадрата = πг²/2r² = π/2

Но откуда мы знаем, что число π, используемое для расчета площади, — это то же самое π, с помощью которого рассчитывается длина окружности? Несомненно, это одно и то же число, однако доказать это не так просто. Строгое доказательство появилось только благодаря усилиям Архимеда.

Умы древних математиков волновала задача о построении квадрата, по площади равного данному кругу. Задача имела чисто практическое применение: площадь квадрата вычисляется элементарно, тогда как расчет площади круга был сложен и результатом являлось лишь приближенное значение. Во времена расцвета Древней Греции к этой задаче добавилось еще одно ограничение: искомый квадрат нужно было построить только с помощью циркуля и линейки. Этот метод считался «чистым», «божественным» и соответствовал духу греческой философии. В этом и заключается задача о квадратуре круга: необходимо построить искомый квадрат, используя только циркуль и линейку конечное число раз. Математики бились над задачей, решение которой всякий раз казалось столь близким и неизменно ускользало от них.

На протяжении веков все геометры пытались решить задачу о квадратуре круга, что равносильно построению отрезка длиной π с помощью циркуля и линейки, и всякий раз им удавалось найти лишь более точное приближенное значение и добавить еще один знак к десятичной записи π. Алгебраически задача о квадратуре круга площадью πr² равносильна нахождению квадрата со стороной l такого, что

πr² = l².

Иными словами, необходимо найти такое l, что

l = √(πr²) = r√π,

что тождественно нахождению √π с помощью циркуля и линейки. Если значение √π найдено, то найти π с помощью циркуля и линейки элементарно, построив прямоугольный треугольник с катетами 1 и √π, а затем продлив перпендикуляр к гипотенузе полученного треугольника до пересечения с продолжением единичного отрезка.

В силу подобия треугольников ABD и ADC выполняется соотношение АВ/AD = AD/АС, откуда AD² = АВ∙АС.

Подставляя известное значение АВ = 1 и найденное AD = √(1 + π), получаем: 1 + π = АС, то есть ВС = π.

Если бы значение π было определено, было бы возможным найти √π и решить задачу о квадратуре круга. Но за этой простой формулировкой кроется длинная история, герои которой безуспешно пытались достичь заветной цели, всякий раз все ближе подходя к ней. Очередной талантливый геометр находил следующий знак π и тем самым неявно продвигал всю математику в целом на шаг вперед.

РАДИАН И π

В математике для измерения углов не используются градусы, минуты и секунды. Также не применяются грады и метрические минуты и секунды. Появление математического анализа (производных, интегралов и пр.) привело к тому, что начала использоваться более естественная единица измерения, пусть на первый взгляд она и кажется сложнее. Радиан определяется как угловая величина дуги, длина которой равна ее радиусу.

Так как длина всей окружности равна 2πr, то всю окружность можно представить в виде дуги в 2π радиан. Таким образом,

1 радиан — 360/2π градусов ~ 57°17′5''

Часто применяются следующие соотношения:

30° = π/6; 60° = π/3; 90° = π/2; 180° = π; 360° = 2π.

История числа π: гомеровская Греция

Из нескольких стихов Библии следует, что π = 3. В Библии это значение упоминается в описании постройки круглого алтаря, поэтому не следует расценивать это как попытку рассчитать его точное значение. Приведем цитату из 3-й книги Царств (7:23) для любопытного читателя: «И сделал литое [из меди] море — от края его до края его десять локтей — совсем круглое, вышиною в пять локтей, и снурок в тридцать локтей обнимал его кругом».

Проницательный читатель заметит, что значение числа π в этом тексте принято равным 3.

В египетском папирусе Ахмеса (древнеегипетское учебное руководство по математике, датированное примерно 1650 г. до н. э.) также неявно упоминается π. В задаче под номером 50 из 87 говорится: «Круглое поле имеет в диаметре 9 хет (1 хет ~ 50 м). Какова площадь поля?» На современном языке площадь этого круга выражается так:

π∙(9/2)² = π∙(81/4)

В самом папирусе Ахмеса предложено такое решение:

(64/81)∙d²

где d — диаметр. Так как d = 9, получим

π∙(81/4) = (64/81)∙d² = (64/81)∙9² = (64/81)∙81;

π = 256/81 ~ 3,160493827.

Согласно папирусу Ахмеса, квадрат со стороной 8 равен по площади кругу диаметра 9.

Однако это значение менее точно, чем полученное египтянами в Гизе еще в 2600 г. до н. э. Соотношение периметра и высоты пирамид Гизы равно 22/7, хотя считается, что оно подчинялось неким божественным законам, которым следовали архитекторы того времени. Многие исследователи считают это соотношение приближенным значением ТС, которое загадочным образом определили строители пирамид. Если мы допустим, что соотношение периметра и высоты пирамид не случайно, получим