квадратура круга что это такое

03.11.202315.03.2023 admin 0 Comments

Квадратура круга: наглядное доказательство

Словесные доказательства с трудом даются тем, кто привык мыслить визуально. Поэтому в математике так важна визуальная интуиция. Доказательства из таких пособий, как и «Евклид Начала: первые 6 книг» и «Доказательства без слов: учебник по визуальному мышлению» даются пониманию при взгляде на их страницы. Я рекомендую эти книги к прочтению каждому, кто интересуется доказательствами других математических проблем.

К примеру, мы помним из школьного курса, что площадь круга вычисляется по формуле π x r², но можем ли мы доказать, что эта формула справедлива для каждой возможной окружности?

Величайший из математиков Евклид нашёл доказательства этой формулы настолько простое, что теперь студенты изучают начала интегрального исчисления по нему. Евклид рассуждал так: круг можно поделить на четыре, шесть, шестнадцать, или бесконечно много равных частей, а потом расставить их так, чтобы получился прямоугольник.

Первое что нам нужно сделать — начертить окружность. Затем, мы разделим круг на 8 равных частей и расставим их в похожую на прямоугольник форму. Мы почти получили прямоугольник.

Повторим процесс, на этот раз с 32 равными частями. Если расставить их таким же образом как в предыдущем примере, то мы получим что-то ещё более похожее на прямоугольник.

Это значит, что если разделить круг на ещё больше равных частей — происходит удивительное, форма начинает приближаться к идеальному прямоугольнику.

Насколько много должно быть частей чтобы получить идеальный прямоугольник? Для этого его части должны быть бесконечно малыми — такими, что невозможно различить толщину, и стороны становятся почти вертикальными.

Таким образом, πr² может использоваться для вычисления площади любой из существующих окружностей.

Источник

Квадратура круга

Полезное

Смотреть что такое «Квадратура круга» в других словарях:

КВАДРАТУРА КРУГА — Площадь четырехугольника, равная площади данного круга, задача неразрешимая; отсюда, вообще все невозможное. Объяснение 25000 иностранных слов, вошедших в употребление в русский язык, с означением их корней. Михельсон А.Д., 1865. КВАДРАТУРА КРУГА … Словарь иностранных слов русского языка

квадратура круга — неразрешимый, не поддающийся разрешению Словарь русских синонимов. квадратура круга сущ., кол во синонимов: 2 • не поддающийся разрешению (2) … Словарь синонимов

КВАДРАТУРА КРУГА — КВАДРАТУРА КРУГА, задача о построении с помощью циркуля и линейки квадрата, равновеликого (т.е. имеющего такую же площадь) данному кругу. В 19 в. была установлена неразрешимость квадратуры круга. Задача о квадратуре круга становится разрешимой,… … Современная энциклопедия

Квадратура круга — КВАДРАТУРА КРУГА, задача о построении с помощью циркуля и линейки квадрата, равновеликого (т.е. имеющего такую же площадь) данному кругу. В 19 в. была установлена неразрешимость квадратуры круга. Задача о квадратуре круга становится разрешимой,… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Квадратура круга — КВАДРАТУРА, ы, ж. В математике: вычисление площади или поверхности фигуры. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова

Квадратура круга — ■ Неизвестно, что это такое; но когда о ней говорят, надо пожимать плечами … Лексикон прописных истин

Квадратура круга — Круг и квадрат одинаковой площади Квадратура круга задача, заключающаяся в нахождении построения с помощью циркуля и линейки квадрата, равновеликого по площади данно … Википедия

Квадратура круга — Экспрес. Что либо неразрешимое; нечто вообще несуществующее. О Журеньке я иногда думаю и стараюсь представить себе будущего зятя, но совершенно напрасно: это какая то квадратура круга (Мамин Сибиряк. Осенние листья). Напрасно некоторые бьются над … Фразеологический словарь русского литературного языка

Источник

Квадратура круга

Есть в истории одна замечательная математическая задача, которая превратилась из простого развлечения для ума философов древней Греции, в весьма непростую проблему, которая оказала влияние на науку в огромных масштабах… Хотя, так и не была решена. Сначала все казалось простым: как нарисовать квадрат такой же площади как круг?

Квадратура круга

Но греки, прекрасно зная «египетскую математику» задались вопросом, как именно можно построить квадрат имея только циркуль и линейку. И принялись искать ответ. Оказалось, что все очень сложно. Для начало нужно выяснить как вообще посчитать площадь круга?

Проблемой занимался Гиппократ, Анаксагор, Динострат и Архимед, но никто так и не смог предложить окончательное решение. Хотя то, что делал, например, Архимед, намного опередило свое время. Великий ученый в своем труде «Измерение круга» вывел сразу 3 теоремы.

Решение Архимеда

Откуда берется площадь круга?

Из треугольника

Площадь круга равна площади прямоугольного треугольника, если один его катет — это радиус, а второй — длинна окружности. Объясняется это просто. Если взять круг и разрезать (лучше мысленно) его на меньшие круги, то их можно уложить в треугольник.

На рисунке ниже видно, что синий круг «разворачивается» в прямую меньше длинны чем красный. Итак, каждая новая лента будет короче предыдущей. Самая длинная — ВС в треугольнике, она же L, то есть длинна окружности.

Считаем площадь треугольника: S=(AB*BC)/2 То же самое что и S=(R*L)/2. Все правильно. Только, что такое длинна круга? Мы то знаем, что это диаметр (или 2 радиуса) умноженное на число «пи», а вот Архимеду откуда это было знать? И главное, как с помощью линейки нарисовать линию длинной в «пи».

Если взять круг и «разрезать» его на 4 части получится 4 равных равнобедренных «треугольника» (только одна из сторон у них будет не прямой). Две стороны будут равняться радиусу (красные линии), а третья 1/4 длинны круга.

Далее собираем 4 части вместе как показано на рисунке выше. Радиус к радиусу. Получим интересный рисунок. Две ровные стороны и две кривые. Ровные — радиусы, а две «волны» сверху и снизу будут равняться половине длинны круга. На что это похоже? На кривобокий параллелограмм. Но это пока.

Начинаем делить круг на более мелкие части и собирать их снова. Получаем почти прямоугольник, боковушки у которого по-прежнему R, а вот верхняя и нижняя часть все те же волны, все той же длинны L/2. Но с каждым делением «горбики» становятся все меньше и меньше и вот они уже почти незаметны. Делить надо до тех пор, пока он не превратится в почти прямоугольник.

Когда кусочки будут настолько мелкими, что получится прямоугольник, его площадь будет легко посчитать, умножить длину одной стороны на длину другой (a*b). В примере выше сторона «a» это R (радиус круга), сторона «b» — L/2 (длинны) при условии, что части фигуры будут бесконечно маленькими их будет бесконечно много. Площадь круга равняется:

S=R*L/2

Длинна окружности (L) равняется диаметру умноженному на число «пи» (π). Итак, L=π*d=π*(R+R)=2πR. Вот только числа такого тогда еще не знали, жаль.

А если поставить вместо L получится:

S=R*(2πR/2)=πR 2

Числа «пи» Архимед не знал и не могу знать, потому, что оно иррационально (это будет доказано только в 19 веке), а такие числа в его время еще не открыли. Сам знаменитый математик предпочитал немного другое решение, при помощи спирали. Но интересно совсем другое, фактически метод Архимеда, это — интеграл. На самом деле иррациональное число очень сложно начертить с помощью линейки. Представьте, что диаметр равен единице, тогда длинна окружности равна «пи», а теперь начертите отрезок такой длинны (это же бесконечная дробь).

Из движения

Другой грек, Гиппократ Хиосский для решения все той же задачи создал специальную кривую квадратрису. Которая так же как и «античный интеграл» опередила свое время.

Средние века и немного позже

Тренировали свой ум решая нетривиальную задачу такие уважаемые ученые как Фибоначчи Пизанский и Леонардо да Винчи, Гюйгенс и Кеплер….

Цилиндр Леонардо да Винчи

Знаменитый ученый предложил очень хитроумное решение. Как обычно за ним водилось — «механическое». Леонардо предложил взять цилиндр, высота которого равнялась бы половине диаметра окружности. Далее, этот цилиндр нужно было обмакнуть в чернила (можно в воображении) и прокатить по бумаге один раз.

Получится прямоугольник высота которого будет равна половине радиуса R/2, а ширина — длине окружности (мы ведь один раз «промокнули» цилиндр). А площадь этого прямоугольника считается просто:

S=R/2*L=R/2*2πR=πR 2

Проще простого, линейки и циркуля вполне достаточно… Но что такое «длинна окружности»? Это сейчас мы знаем о свойствах числа «пи», а каково было людям прошлого?

Но в случае с да Винчи, ничего знать и не требовалось, достаточно промерять длинную сторону прямоугольника линейкой, чтобы узнать длину окружности, никакого «пи» не нужно.

В конце-концов Парижская академия отказалась рассматривать решения и про квадратуру, и про трисекцию угла, и про удвоение куба и… про изобретение вечного двигателя. Ведь кому-то развлечение, а кому-то это все читать и писать рецензии.

В 19-м веке и вовсе было доказано, что число «пи» иррационально и тресендентно, а значит извлечь из него квадратный корень невозможно.

Получается, что, если взять круг диаметром равным единице, получится что уравнение х 2 =πR 2 превращается в х 2 =π, а сам х равен «корень из пи», а этого сделать нельзя. Отсюда делается вывод, что линейки и циркуля совершенно не достаточно для решения задачи о квадратуре круга.

Последствия решения задачи

Так что же в итоге? Задача не может быть решена и это доказано, зато сколько интересного в математику и геометрию задачка без решения привнесла:

Иногда для человечества полезно решать нерешаемые задачи, в остатке получается гораздо больше полезного, чем если бы задача была решена.

Источник

История возникновения задачи о квадратуре круга

История возникновения задачи о квадратуре круга

много занимался другой греческий ученый Гиппий из Элиды (около V века до н. э.). В 420 году до н. э. он открыл, как указывалось выше, трансцендентную кривую — квадратрису, которая служила для решения задач о трисекции угла и квадратуры круга. Первый из древнегреческих ученых, кто применил квадратрису Гиппия для решения задачи о квадратуре круга, был Динострат, живший во второй половине IV века до н. э.

величайшего математика древности Архимеда из Сиракуз, жившего в III веке до н. э. Его трактат «Измерение круга» является образцом строгой научной постановки вопроса и его приближенного решения.

В древней Греции круг и окружность считались венцом совершенства. Действительно, в каждой своей точке окружность «устроена» одинаковым образом, что позволяет ей как бы двигаться «по себе». На плоскости этим свойством обладает еще лишь прямая. Одно из интереснейших свойств круга состоит в том, что он при заданном периметре ограничивает максимальную площадь.

В русском языке слово «круглый» тоже стало означать высокую степень чего-либо: «круглый отличник», «круглый сирота» и даже «круглый дурак».

С кругом связана и классическая задача, ставшая символом неразрешимой проблемы.

Попытка решить задачу

о квадратуре круга при помощи циркуля и линейки

Древнегреческие ученые стремились задачу о квадратуре круга решить при помощи циркуля и линейки. Показательна в этом отношении работа Гиппократа Хиосского, которому удалось криволинейную фигуру (гиппократовы луночки) преобразовать в равновеликий ей многоульльник. Однако преобразовать круг в равновеликий ему квадрат Гиппократу так и не удалось. Остановимся несколько подробнее на его рассуждениях.

На отрезке AВ, как на диаметре, построим полукруг АСВ. Далее, из

точки О — середины отрезка. АВ — восставим перпендикуляр ОС. Соединим прямыми точку С с точками А и В. Отрезок СВ будет стороной квадрата, вписанного в круг, и площадь треугольника АСВ будет равняться половине этого квадрата. На отрезке СВ, как на диаметре, опишем еще полукруг СЕВ. Применяя к прямоугольному треугольнику АСВ теорему Пифагора, получим:

АВ2 = АС2 + СВ2 =СВ2. (1)

На основании того, что площади кругов относятся между собой, как квадраты их диаметров, будем иметь:

пл. крут АСВ: пл. круга СЕВ=АВ2: СВ2 (2)

пл. круга АСВ: пл, круга СЕВ = 2 :1. (3)

Откуда пл. круга АСВ = 2 пл. круга СЕВ (4)

пл. полукруга АСВ = 2 пл. полукруга СЕВ. (5)

пл. сектора ОСВ = пл. полукруга СЕВ. (6)

Вычитая из левой и правой частей равенства (6) сегмент CDB, получим, что площадь треугольника ОСВ равняется площади луночки CDBE. Наконец, при помощи циркуля и линейки теперь не составляет большого труда построить квадрат, площадь которого будет равна площади треугольника ОСВ, а следовательно, и площади луночки CDBE. Так Гиппократ Хиосский весьма оригинальным приемом нашел квадратуру некоторой, специального вида, луночки.

Это открытие Гиппократа окрылило древних геометров надеждой, что с помощью циркуля и линейки когда-нибудь удастся вычислить и квадратуру круга: «Раз можно найти квадратуру некоторой луночки, образованной дугами кругов, то почему же,—рассуждали они,—нельзя найти квадратуру круга».

Сам Гиппократ, найдя квадратуру указанной выше луночки, пытался найти квадратуру круга.

Однако в рассуждениях Гиппократа Хиосского допущена одна ошибка, которая «из невозможного делает возможным» — неразрешимую задачу о квадратуре круга разрешимой.

Ошибка в рассуждениях Гиппократа, приводящая к иллюзорному решению задачи о квадратуре круга была замечена еще древними учеными. Об этой ошибке говорят древнегреческий историк математики Евдем Родосский и знаменитый основоположник формальной логики Аристотель. Так, Евдем Родосский заявляет, что хотя рассуждение Гиппократа Хиосского и является остроумным, тем не менее оно является ошибочным. Дело в том, говорит Евдем, что три луночки, которые рассматривал Гиппократ при решении квадратуры кругa, построены не на катетах прямоугольного треугольника, а на сторонах трапеции и, следовательно, к ним он не может применить то свойство о квадрируемости луночки, которое он доказал в начале. В этом же упрекал Гиппократа и Аристотель. Аристотель, как и Евдем считал, что Гиппократ совершил грубую ошибку, полагая возможным квадратуру луночки, построенной на стороне квадрата, необдуманно применить к квадратуре луночки, построенной на стороне шестиугольника. Другая попытка решить задачу о квадратуре круга с помощью циркуля и линейки была предпринята древнегреческим ученым Антифоном. Он в данный круг квадратура которого находилась, вписывал сначала квадрат. Затем дуги, хордами которых являются стороны вписанного в круг квадрата, он делил пополам и точки деления соединял с вершинами квадрата и таким образом получал вписанный в круг правильный восьмиугольник. Далее, дуги, хордами которых являются стороны вписанного в круг правильного восьмиугольника, делил также пополам и точки деления соединял с вершинами указанного восьмиугольника и получал вписанный в круг правильный 16-угольник. Продолжая этот процесс дальше, он получал вписанные в круг правильные 32-угольник, 64-угольник и т. д. Он считал, что указанным построением, выполняемым только при помощи циркуля и линейки, можно прийти к такому правильному многоугольнику, правда, быть может, с очень большим числом сторон, который полностью исчерпает круг, то есть его площадь будет равна площади данного круга. А так как для любого правильного многоугольника всегда можно построить равновеликий ему квадрат, то и для данного круга, поскольку он исчерпывается правильным многоугольником, можно построить равновеликий ему квадрат.

Еще в Древности ученые подвергли решение Антифона резкой критике. Они совершенно правильно заявляли, что утверждение Антифона, будто правильный многоугольник может совпасть с кругом, противоречит основным началам геометрии. Однако для целей приближенной квадратуры круга рассуждение Антифона вполне приемлемо, так как с помощью этого рассуждения данный круг можно приближенно квадрировать с любой степенью точности.

О доказательстве невозможности решить

Попытки древнегреческих ученых решить задачу о квадратуре круга путем проведения прямых и окружностей так и не увенчались успехом. Оно и понятно, почему. Дело в том, что задача о квадратуре круга, так же как и задачи об удвоении куба и трисекции угла, оказывается также неразрешимой при помощи циркуля и линейки.

Еще в 1755 году Парижская Академия наук вынесла решение впредь не принимать на рассмотрение работы, касающиеся квадратуры круга, а также и других двух знаменитых задач древности, то есть задач о трисекции угла и удвоении куба. Это охладило пыл «квадратурщиков», и задачей о квадратуре круга люди стали заниматься значительно меньше.

Доказательство Линдемана чрезвычайно трудное и далеко выходи за пределы школьного курса математики.

Вопрос о построении квадрата, равновеликого данному кругу, сводится к построению произведения данного отрезка R на данное число , причем это построение надо провести при помощи только циркуля и линейки, то есть путем проведения конечного числа окружностей и прямых линий. При помощи циркуля и линейки можно всегда построить произведение данного отрезка R на рациональное число (целое или дробное), но далеко не всегда можно указанными средствами построить произведение данного отрезка на число иррациональное. Произведение данного отрезка R на число иррациональное можно построить в некоторых случаях, если, например, иррациональное число равняется или ; тогда R находится, как сторона квадрата, вписанного в круг радиуса R, a R —как сторона правильного 12-угольника, вписанного в круг радиуса R, причем, как известно, вписать правильный 12-угольник в круг не составляет трудности, после того как в круг предварительно вписан правильный шестиугольник.

В теории геометрических построений установлено, что данный отрезок R можно умножить при помощи циркуля и линейки на вещественное число лишь только в том случае, если это вещественное число может быть корнем алгебраического уравнения с целыми коэффициентами, разрешимого в квадратных радикалах. Число, которое не может являться корнем никакого алгебраического уравнения с целыми коэффициентами, принято называть трансцендентным числом. Следовательно, при помощи циркуля и линейки нельзя построить произведение данного отрезка R на число трансцендентное. Таким образом, чтобы доказать неразрешимость задачи о квадратуре круга при помощи циркуля и линейки, необходимо установить невозможность указанными средствами построить произведение данного отрезка R на число трансцендентное. Таким образом, чтобы доказать неразрешимость задачи о квадратуре круга при помощи циркуля и линейки, необходимо установить невозможность указанными средствами построить произведение данного отрезка R на число , а для этого достаточно показать, что или есть число трансцендентное.

Линдемана как раз и заключается в том, что он впервые в этой науке вполне строго доказал, что есть число трансцендентное и тем самым окончательно установил невозможность решения задачи о квадратуре круга с помощью циркуля и линейки. Вот почему Ф. Линдемана называют «победителем числа «, а еще лучше—»победителем задачи о квадратуре круга».

В заключение заметим, что изучение арифметической природы числа р исторически шло в следующем направлении. Сначала в 1761 году немецкий с И. Ламберт первый показал, что число р есть число иррациональное. Позднее французский математик А. Лежандр установил, что квадрат числа есть также число иррациональное. Наконец, в 1882 году немецкий математик Ф. Линдеман доказал знаменитую теорему, согласно которой, как указывалось выше, число р есть число трансцендентное, то есть оно не может служить корнем какого-нибудь алгебраического уравнения с целыми коэффициентами. Отсюда как следствие, уже вытекала неразрешимость с помощью циркуля и линейки знаменитой задачи о квадратуру круга.

Если провести под определенным углом к диаметру хорду, равную стороне искомого квадрата, то треугольник Бинга позволяет приближенно решать задачу о квадратуре круга. Треугольник Бинга представляет собой чертежный треугольник с острым углом, равным требуемому углу.

AC = 2r cos

Площадь искомого квадрата, следовательно, равна 4r2 cos2 С другой стороны, эта площадь равна площади круга r2, значит,

4r2 cos2 =r2.

Отсюда

По таблицам находим, что

Имея такой треугольник, можно для каждого данного круга сразу найти сторону равновеликого ему квадрата.

Источник