Josep Carrera - Трехмерный мир. Евклид. Геометрия

Необходимо было преодолеть эту двойственность, чтобы дать геометрии твердые основы. Геометрические величины — линии, поверхности и тела — являются делимыми до бесконечности или состоят из атомов? Евклид в «Началах» и Архимед в «О шаре и цилиндрах» утверждают, что...

«...величины делимы до бесконечности и, следовательно, не содержат атомов».

Ахиллес и черепаха.

Таким образом, делая выбор из двух одинаково приемлемых (или неприемлемых) положений, мыслители преодолевают сложности, возникающие из-за отсутствия четкого определения величины. Вполне вероятно, что в геометрии важнее не что такое величина, а как с ней работать. Однако отсутствие концептуальной ясности в какой бы то ни было области может привести к парадоксальным ситуациям, которые невозможно предвидеть в самом начале. Как трактуются величины в «Началах»? Нарушает ли это понятие строгий порядок изложения геометрической теории?

Если вместо UV мы выберем единицей измерения

U 1V 1= k x UV = UV + ...(k раз) + UV, то

AB = m/k x U 1V 1и CD = n/k x U 1V 1.

Другими словами, k х АВ = m х U 1V 1, k x CD = n x U 1V 1, и они относятся друг к другу как m/n, поскольку, по предложению 3 книги V,

АВ/CD = (k x AB)/(k x CD) = (m x U 1V 1)/(n x U 1V 1) = m/n.

Если мы говорим об отношении между величинами, необязательно использовать отдельную единицу измерения для каждого типа величины.

Уже в пифагорейской школе обозначился кризис, позже названный некоторыми историками первым кризисом устоев математики. Ранее считалось, что два отрезка всегда соизмеримы. Если даны два отрезка АВ и CD, всегда можно найти общий для них обоих (с точки зрения их размера) отрезок UV] другими словами, всегда существует отрезок UV, который точно измеряет эти два отрезка. Следовательно, АВ = m х UV, a CD = n х UV. Мы также можем сказать, что между АВ и CD есть отношение, которое выражается как m/n, или m : n. Понятие отношения имеет огромное значение, поскольку позволяет обойтись без конкретного мерного отрезка UV. Не важно, какую меру длины мы используем — метры, сантиметры или километры, — отношение двух длин не меняется в зависимости от изменения единицы их измерения. Но не всегда мы можем выразить это отношение в виде чисел: не все можно свести к числовым вычислениям (с натуральными числами, то есть положительными и целыми). Если взять теорему Пифагора, можно вычислить диагональ АС квадрата с произвольной стороной АВ (см. рисунок 1). Поскольку АС = АВ,

АС ²= АВ ²+ ВС ²= АВ ²+АВ ²= 2хАВ ².

Предположим, что АВ и АС несоизмеримы. Мы получим: АВ = m х UV, АС = n х UV. Следовательно, АВ ²= m ²х UV ², АС ²= n ²х UV ². Отсюда n ²х UV ²= 2 х m ²х UV ²и, следовательно, n ²= 2 х m ², что невозможно. Диагональ квадрата несоизмерима с его стороной. Все, что мы только что рассмотрели (это не объясняется отдельно в «Началах», но позволяет лучше понять результаты и пределы такого объяснения), стало трагедией для пифагорейской школы, которая утверждала, что «[натуральное] число есть отношение всего ко всему».

РИС. 1

По мнению пифагорейцев, все можно было измерить натуральными числами, другими словами, все величины соизмеримы между собой. Но, как мы только что увидели, существуют отрезки, у которых нет никакой общей единицы измерения. Более того, Феодор Киренский разработал метод для геометрического построения бесконечного числа несоизмеримых отрезков — спираль Феодора Киренского. Она строится начиная с отрезка, длина которого принимается за единицу. С помощью итеративного алгоритма затем строится последовательность прямоугольных треугольников с общей вершиной, а первоначальный отрезок остается коротким катетом первого из них (см. рисунок 2).

РИС. 2

Гипотенузы прямоугольных треугольников, составляющих спираль, последовательно равны квадратному корню из 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8 (хотя третье число в этой последовательности является натуральным — 2). Большая часть этих чисел иррациональные, то есть их нельзя записать как отношение двух натуральных чисел. Сегодня мы бы сказали, что любое действительное число (этого понятия в Древней Греции не существовало), выраженное как √n, где n — натуральное число, не являющееся идеальным квадратом (то есть квадратом без десятичных долей другого целого числа), иррациональное. Изучению несоизмеримых линий Евклид посвятил книгу X.

Несоизмеримость стороны и диагонали квадрата можно доказать чисто геометрически, в том числе и методом доведения до абсурда. Для этого надо применить итеративный алгоритм: исходя из конкретного случая строятся другие, более мелкие фигуры, сохраняющие такие же соотношения. Рассмотрим квадрат ABCD со стороной а=АВ и диагональю d = АС.

Отложим сторону на диагонали. Мы получим отрезок АВ’. Проведем касательную к полуокружности ВВ', касающуюся ее в точке В она пересечет сторону ВС в точке А'. Соединим В' и А' и получим прямоугольный равнобедренный треугольник СВ'А' и квадрат СВ'А'D'. Мы построили новый квадрат со стороной А'В' = АС - АВ [а' = d - а] и диагональю А'С = ВС - А'В [d' = а - а' ], где АС > А'С и АВ > В'С. Ясно, что если u измеряет одновременно и а = АВ, и d = АС, то будет измерять а' и, следовательно, d'. Мы можем повторить проделанное и получить пары [a, d] > [а', d ] > [а", d"] > [а'", d'"] > ... соизмеримых сторон и диагоналей квадратов. В какой-то момент диагональ или сторона станут меньше единицы измерения и, что невозможно.

Но возможно ли рассмотреть соотношение несоизмеримых величин? Отвечая на этот вопрос, нельзя не обратиться к наследию гениального Евдокса Книдского, автора идей, содержащихся в V и VI книгах. Начнем анализ книги V с первых четырех определений.

Определение 1.Часть есть величина от величины, меньшая от большей, когда она измеряет большую.

Определение 2.Кратное же — большая от меньшей, когда она измеряется меньшей.

Определение 3.Отношение есть некоторая зависимость двух однородных величин по количеству.

Определение 4.Говорят, что величины имеют отношение между собой, если они, взятые кратно, могут превзойти друг друга.