Школы абака

В XII веке в Европе начали создаваться университеты, которые были предназначены для узкого круга культурной элиты. Для обучения ремесленников, мастерство которых непрерывно росло, и работников торговли, переживавшей период расцвета, в последние годы Средних веков также появились так называемые школы абака, которые можно считать первыми учреждениями профессионального образования. Учащиеся школ абака получали необходимые знания для того, чтобы заниматься торговлей и ремеслами.

В последние годы Средневековья особое внимание стало уделяться знаниям и способам их передачи, произошел возврат к древнегреческой культуре и науке, созданной в золотой век человеческой цивилизации. Ученые того времени стремились всеми силами обновить математику. Они говорили о ее «восстановлении» и «реставрации». Их целью, к которой они упорно двигались, было возрождение математики, позднее ставшее первой приметой возрождения науки, которое пришлось на вторую половину XV века. Этот этап стал переходным от ограниченной средневековой математики, обогатившейся с возвратом к древнегреческому наследию и благодаря вкладу арабских ученых, к новой, современной науке, первым представителем которой стал Галилей в XVII веке.

Любопытно, что труды древних греков попали в Европу по суше — благодаря переводу книг арабских ученых, выполненных в Толедской школе переводчиков, и по морю — благодаря торговле морских республик Италии с народами Северной Африки.

Бурный экономический рост Венеции, Амальфи, Пизы и Генуи, вызванный обширной морской торговлей и крестовыми походами, превратил Италию в естественный мост между Северной Африкой и Ближним Востоком с одной стороны и севером Европы с другой. Итальянские торговцы стали посредниками между восточными купцами, поставлявшими ценные товары — шелк, специи и драгоценные камни, — и купцами севера, которые преимущественно торговали шерстью и тканями тонкой работы. Развитие итальянской торговли привело к созданию новых финансовых инструментов, в частности векселей, и к зарождению первых банковских институтов. Отдельные коммерсанты становились главами крупных торговых компаний, и им требовались работники, умеющие читать, писать и способные быстро и точно производить вычисления.

В XV веке Европа восстанавливалась от эпидемии чумы, получившей название «черная смерть», пришедшей из Китая и опустошившей континент в 1348–1350 годах. Эпидемия быстро распространилась по всему миру, уничтожив десять процентов населения Земли. Боккаччо в предисловии к «Декамерону» указывает, что во Флоренции от чумы погибло более ста тысяч человек. Эпидемия имела парадоксальные последствия: условия жизни выживших улучшились, так как заработки выросли, а цены на продовольствие снизились, чего до 1348 года не случалось.

На ход европейской истории оказали влияние три важных события, произошедших в XV веке, имевших особое значение для западной культуры. Этими событиями были (в хронологическом порядке) изобретение книгопечатания примерно в 1447 году, падение Константинополя в 1453 году и открытие Америки Христофором Колумбом в 1492 году.

Trattato d'arismetricha (ок. 1460)  Бенедетто да Фиренце , один из важнейших трудов по вычислениям с помощью абака.

В этом же веке произошло слияние искусства и математики, которое выразилось в постановке новых задач и в смене самого образа мысли. Это слияние стало одной из характерных черт Возрождения. Такие художники, как Пьеро делла Франческа и Альбрехт Дюрер, в своих картинах и книгах демонстрировали интерес к математике и впоследствии опубликовали трактаты по этой дисциплине.

Появление книгопечатания подвижными литерами, изобретенного Гутенбергом, произвело революцию в распространении продуктов культуры. С 1447 года, когда в Европе была отпечатана первая книга, и до конца столетия свет увидело более 6000 книг — так называемых инкунабул. Лишь немногие из них были посвящены математике и другим наукам. Большинство немногочисленных книг по математике представляли собой переводы трудов арабских ученых на латынь, так как арабские трактаты по арифметике и алгебре использовались ремесленниками в новых экономических условиях и были проще, чем работы классических греческих авторов. Эти немногие труды, которые сохранялись на протяжении веков усилиями переписчиков, подготовили почву для развития математики в Европе. Лишь в начале XVI века начал расти интерес к переводам классических трактатов по математике и было издано множество подобных работ.

Развитие гуманизма и увлеченность древнегреческой наукой и искусством привели к тому, что центр внимания постепенно сместился от арабской математики к древнегреческой. Геометрия постепенно начала восстанавливать свое основное место в математике. Средневековые и гуманистические представления о науке сосуществовали в течение длительного времени. Результатом этого сосуществования стало развитие алгебры в Италии XVI века.

Школы абака возникли на севере Италии в XIII веке и работали вплоть до XVI столетия. Глядя на их название, возможно, произошедшее от названия первой книги, написанной для подобных школ, «Книги абака» Фибоначчи, можно подумать, что в них изучались способы вычислений с помощью этого устройства для счета. Однако это совершенно не так. В этих школах учили производить вычисления без помощи абака. Тому служили индоарабские цифры и арабские алгоритмы вычислений, а все расчеты производились с помощью пера и бумаги, напоминавших современные. В школах абака также изучалось применение этих вычислений в торговле. Как следствие, в этом контексте слово «абак» понималось как синоним слов «вычисление» и «арифметическое действие». Название «Книги абака» Фибоначчи следует понимать как «Книга вычислений».

* * *

ТИПОГРАФИКА В МАТЕМАТИКЕ

С изобретением книгопечатания подвижными литерами возникла необходимость в новой типографике. Некоторые шрифты, в частности разработанные  Клодом Гарамоном (1490–1561) , благодаря своей красоте и элегантности сохранились до наших дней.

Создание хорошего шрифта требовало знаний эстетики, пропорций и геометрии. Поэтому неудивительно, что разработкой шрифтов для обозначения математических символов занимались и художники, и математики.

Приведем в качестве примера два варианта написания буквы М, первой буквы слова «математика», созданные в период перехода от кватроченто к чинквеченто. Первый вариант предложил математик Лука Пачоли, второй — художник Альбрехт Дюрер.

Буква «М » Луки Пачоли , созданная в 1509 году.

Буква «М » Альбрехта Дюрера , созданная в 1525 году.

* * *

«Книга абака» послужила основой для множества руководств и учебников по арифметике, написанных в популярном стиле. Это были так называемые трактаты абака, издававшиеся в течение всего XIV века вплоть до начала XVI столетия.

Эти книги предназначались для преподавателей школ абака. Для них была характерна практическая направленность, так как задачи в них объединялись в классы и приводились методы их решения без изучения общих теорий. Они были написаны на тосканском языке, что упрощало чтение. Сохранилось около 300 подобных текстов, как рукописных, так и печатных, написанных в XIV–XVI веках. Некоторые из них за свою обширность могут считаться настоящими справочными руководствами.

Хотя основной задачей школ абака было обучение будущих работников торговли, в них также учились ремесленники, архитекторы, художники, картографы — все, кому требовалось базовое математическое образование. Дети начинали обучение в возрасте восьми лет. В течение некоторого времени они посещали школу, где учились читать и писать. Двумя годами позже они переходили в школу абака. Обучение там также длилось два года. Эти школы иногда назывались botteghe d’abaco — «мастерские абака», что подчеркивало их схожесть с мастерскими ремесленников, где обучались подмастерья. Ученики в некотором роде были похожи на подмастерьев и называли преподавателей «мастер» — точно так же подмастерья называли своих хозяев. Позднее те, кто хотел заниматься торговлей или ремеслами, нанимались в качестве подмастерьев в торговые дома и мастерские.

Изучение учебников, которые использовались в школах абака, показывает, что хорошему мастеру абака требовалось достаточно широкое образование: помимо практической и торговой арифметики он должен был знать теорию арифметики, теорию чисел, алгебру, теоретическую и практическую геометрию.

Занятия, которые вели мастера абака, можно разделить на три уровня. На начальном уровне ученики изучали, как читать и записывать числа в индоарабской системе счисления, способы счета на пальцах, алгоритмы вычислений, действия с дробями, правило пропорции, денежные системы, системы мер и весов, а также некоторые понятия практической геометрии. На этом уровне обучались ремесленники и работники художественных мастерских. На втором уровне изучалась арифметика в торговле и бухгалтерия. Ученики, прошедшие обучение на этом уровне, обладали необходимыми знаниями для работы в крупных торговых компаниях. Третий уровень предназначался для тех, кто увлекался математикой и хотел со временем стать мастером абака. На этом уровне изучалось решение уравнений и некоторых задач из теории чисел. Также рассматривались отдельные сложные задачи из сферы торговли.

Заключительной книгой в цикле трудов абака была Summa de arithmetica geometría proportioni et proportionalita («Сумма арифметики, геометрии, дробей, пропорций и пропорциональности») Луки Пачоли, первое издание которой было опубликовано в Венеции в 1494 году.

* * *

ЛУКА ПАЧОЛИ И «СУММА АРИФМЕТИКИ»

Монах-францисканец Лука Пачоли был одним из наиболее любопытных представителей итальянского Возрождения и одним из самых известных математиков той эпохи. Он родился в 1445 году в Борго-Сан-Сеполькро — там же, где и Пьеро делла Франческа. Возможно, последний в некотором роде был его учителем математики. Кроме того, Пачоли дружил с Леонардо да Винчи, с которым жил в одном доме несколько лет, и с Леоном Баттистой Альберти, у которого они оба жили в Риме.

Его важнейшей работой является «Сумма арифметики, геометрии, дробей, пропорций и пропорциональности», завершенная в 1494 году и отпечатанная в Венеции под его непосредственным наблюдением. Книга была посвящена герцогу Урбинскому Гвидобальдо да Монтефельтро.

«Сумма арифметики», написанная на итальянском языке, представляла собой энциклопедию объемом свыше 600 страниц, содержавшую все алгебраические знания прошлых веков. Этот труд стал обязательным к изучению для алгебраистов XVI века, которые с его помощью смогли совершить новые открытия. Все они упоминают Пачоли в своих трудах:  Джероламо Кардано (1501–1576) в своей «Практике арифметики» почтительно отзывается о нем, несмотря на то что уделяет целую главу исправлению многочисленных ошибок в работе Пачоли. Рафаэль Бомбелли (1526–1572) в предисловии к своей «Алгебре» утверждает, что после Фибоначчи Пачоли «первым пролил свет на эту науку».

Лука Пачоли умер в родном городе около 1517 года.

Фронтиспис «Суммы арифметики»  Луки Пачоли .

* * *

Ниже представлен фрагмент «Суммы арифметики» Пачоли, где он восторженно отзывается о книге «О перспективе в живописи»:

Отрывок «Суммы арифметики»  Пачоли , законченной в 1494 году, где он упоминает труд Пьеро делла Франческа .

«Еl su/blime pictore (ali di nostri anchor vivente) maestro Piero de li Franceschi, nostro conterra/neo del borgo San Sepolcro, hane in questi di composto degno Hbro de ditta prospectiva. Nel/qual altamente de la pictura parla, ponendo sempre al suo dir ancora el modo e la figura/del fare. El quale tutto habiamo lecto e discorso, el qual lui feci vulgare, e poi el famoso ora/tore, poeta, e rethorico, greco e latino (suo assiduo consotio, e similmente conterráneo) mae/stro Matteo lo recco alengua latina ornatissimamente de verbo ad verbum, con exquisiti/vocabuli».

(«Благородный художник (живущий в наши дни) мастер Пьеро делла Франческа, наш соотечественник из Борго-Сан-Сеполькро, недавно составил достойную книгу о перспективе, в которой со знанием говорит о живописи, и, по его словам, подтвержденным рисунками, обладает методом ее совершения. Эту книгу, которую он написал простонародным языком, мы прочли и изучили.

Затем знаменитый оратор, поэт и риторик, знаток греческого и латинского (его непременный сотоварищ и соотечественник) мастер Маттео дословно перевел ее на латинский язык элегантнейшим образом с превосходными изречениями».)

Как указано в тексте, книга «О перспективе в живописи» Пьеро делла Франче ска была переведена на латынь его другом, мастером Маттео.

Математические труды Пьеро делла Франческа

Пьеро делла Франческа был не только великим художником, но и автором нескольких книг по математике: уже упомянутой «О перспективе в живописи», «Трактата об абаке» и книги по геометрии, озаглавленной «Книга о пяти правильных телах».

«Трактат об абаке», как признается в предисловии сам автор, был написан не для использования в школах абака, а по просьбе друзей, возможно живописцев, как и он сам. В остальном структура книги схожа с остальными трактатами об абаке с единственным, но очень важным отличием: геометрии уделено намного больше внимания, чем обычно. Ей посвящены 48 из 127 страниц книги. В области арифметики «Трактат об абаке» может служить примером других подобных трудов того времени. Рассмотрим в качестве примера, как объясняется правило пропорции.

«Семь локтей ткани стоят девять лир. Сколько стоит пять локтей ткани?»

Лира — монета того времени, название которой происходило от латинской меры веса libra. Флорентийская лира равнялась 20 сольдо, равных 12 денаро каждое, подобно английскому фунту стерлингов, который вплоть до реформы 1971 года равнялся 20 шиллингам, каждый из которых был равен 12 пенни. Решение задачи таково:

Разворот «Книги о пяти правильных телах»  Пьеро делла Франческа .

«Нужно сделать так: умножь число, которое хочешь узнать, на то, сколько стоят семь локтей ткани, то есть 9 лир, то есть 5 на 9, что дает 45. Раздели затем результат на 7; получишь 6 лир и 3 лиры в остатке. Переведи их в сольдо и получишь 60. Раздели их на 7 и в результате получишь 8 сольдо и 4 в остатке. Переведи их в денаро, что дает 48, снова раздели на 7. Результат равняется 6 денаро и 6/7. Получишь, что 5 локтей ткани этой цены будут стоить 6 лир, 8 сольдо, 6 денаро и 6/7».

В «Книге о пяти правильных телах» приведено множество геометрических задач, заимствованных из «Трактата об абаке», которые в некоторых случаях изложены более подробно. Этот труд состоит из четырех томов. В первом, который носит вводный характер, рассматриваются плоские многоугольники, во втором и третьем — пять Платоновых тел (тетраэдр, куб, октаэдр, додекаэдр и икосаэдр) и вписанные фигуры. В четвертом и последнем томе изучаются другие многогранники, среди которых рассматриваются шесть из тринадцати архимедовых тел, или полуправильных многогранников. Всего в книге 140 задач, в 59 из которых речь идет о правильных многогранниках. Несмотря на то что задачи в книге разделены на классы, она во многом носит новаторский характер и имеет четко организованную структуру. В ней также рассматривается одна из классических тем древнегреческой геометрии — правильные многогранники, о которых писал Евклид в «Началах» и Архимед в трудах «О шаре и цилиндре» и «О коноидах и сфероидах».

В книге представлены задачи такого типа:

«Возьмем сферическое тело диаметром 7. Хочу поместить в него фигуру с четырьмя треугольными равносторонними гранями так, чтобы каждая вершина касалась окружности [sic]. Чему равны ребра фигуры?»

В качестве приближенного значения π использовалась дробь 22/7. Сохранился единственный экземпляр этой книги, который находится в Ватиканской библиотеке. Это был единственный труд Пьеро делла Франческа, отпечатанный в эпоху Возрождения. Изначально он представлял собой приложение к книге Луки Пачоли «О божественной пропорции», опубликованной в Венеции в 1509 году, которая подстегнула интерес к математическому и теоретическому изучению пространственных геометрических фигур.

Изучение математики для художников перестало быть чем-то носящим чисто практический характер и стало обязательным на пути к вершинам знания.

Объем купольного свода галереи

В «Книге о пяти правильных телах» Пьеро делла Франческа рассматривает любопытную задачу, в которой нужно определить объем общей части двух цилиндров равного диаметра, пересекающихся перпендикулярно друг другу.

Два перпендикулярных цилиндра равного диаметра в разрезе.

(источник: FMC)

Он пытался определить объем следующей фигуры.

Удвоенный купольный свод.

(источник: FMC)

Пьеро делла Франческа подтвердил, что объем этого тела равен 2/3·d3, где d — диаметр цилиндров. Более того, он посчитал необходимым объяснить, почему объем вычисляется именно по этой формуле. Подобный подход не применялся в других книгах того времени. В доказательстве использовались две следующих фигуры.

На первой иллюстрации изображен квадрат со вписанной в него окружностью, в которую вписан треугольник АВС, где ВС — диаметр окружности. На второй иллюстрации изображен прямоугольник той же высоты, что и квадрат на первом рисунке, и ширины, равной диагонали этого квадрата. В этот прямоугольник вписан эллипс, в него, в свою очередь, — треугольник KLM, где LM — большая ось эллипса. Далее Пьеро делла Франческа установил следующее соотношение:

Затем он перешел к следующим объемным фигурам.

Удвоенный купольный свод и вписанная в него пирамида.

(источник: FMC)

Сфера, вписанная в удвоенный купольный свод, и конус, вписанный в сферу.

(источник: FMC)

Далее без дополнительных объяснений он приводит следующее соотношение, полученное тем же способом, что и в случае с плоскими фигурами:

После этого он выражает объем удвоенного свода V:

Это равносильно

Иными словами,

А так как

Пьеро делла Франческа нашел верное решение, что можно доказать с помощью интегрального исчисления.

Вычисление объема удвоенного свода с помощью интегралов.

(источник: FMC)

Если мы рассечем фигуру плоскостью р, параллельной ее экватору, и обозначим за х расстояние от этой плоскости до центра фигуры, по теореме Пифагора получим

y = √(r2 — x2)

Следовательно, площадь сечения фигуры плоскостью р, которое представляет собой квадрат со стороной 2у (выделен серым цветом), равна

А (х) = 4(r2  — х2).

Объем фигуры будет равен

Задачу о нахождении объема общей части двух перпендикулярных цилиндров равного диаметра рассматривал Архимед в своем «Методе». Однако этот труд, утерянный во времена Античности, был обнаружен лишь в 1906 году на палимпсесте — древней рукописи с текстами религиозных песнопений, где сохранились следы более раннего текста, принадлежавшего Архимеду. Нет никаких доказательств тому, что этот труд Архимеда был известен во времена Пьеро делла Франческа, поэтому неизвестно, на какие источники он опирался в своих вычислениях.

Поэтому Пьеро делла Франческа можно считать математиком первой величины, обладавшим великолепным пространственным и геометрическим мышлением. Его идеи в области математики и искусства, выраженные в его книгах, и видение пространства и фигур, которое мы можем наблюдать на его картинах, отразили дух той удивительной эпохи конца кватроченто, когда искусство и математика шествовали рука об руку.

Многогранники как отдельный жанр искусства

В эпоху Возрождения произошло слияние трех течений, что упростило изучение многогранников. С одной стороны, с возвратом интереса к Античности стало уделяться особое внимание этим геометрическим фигурам, которые рассматривал еще Евклид в «Началах» с математической точки зрения, а Платон в своих диалогах — с космологической точки зрения. С другой стороны, с распространением математической перспективы впервые стало возможным «увидеть» эти фигуры на рисунках, и они стали изучаться более подробно.

Так, в городе Урбино жили и работали два автора, которые уделяли этому вопросу наибольшее внимание, — Пьеро делла Франческа и Лука Пачоли. Исследование многогранников, изложенное Пьеро делла Франческа в его «Трактате об абаке», и приведенные им примеры Пачоли использовал в «Сумме арифметики».

Позднее мы снова обнаружим совпадения в «Книге о пяти правильных телах» Пьеро делла Франческа и «О божественной пропорции» Пачоли, которые, по мнению Вазари, представляли собой плагиат со стороны Пачоли, несмотря на то что Пьеро делла Франческа в своей книге придерживался строго математического подхода, а Пачоли — мистико-теологического. Пьеро делла Франческа пытается если не доказать, то объяснять приведенные им утверждения и обосновывать их с теоретической точки зрения, а Пачоли оправдывает отсутствие доказательств в своей книге тем, что «ясно выраженное не требует доказательств».

Несмотря на различные подходы этих авторов и возможный плагиат, обе книги объединяет великолепное качество иллюстраций. Всё в работе Пьеро делла Франческа указывает на то, что их выполнил он сам, а поистине великолепные иллюстрации в труде «О божественной пропорции» сделал Леонардо да Винчи. Одна из них хранится в Национальной библиотеке Испании в Мадриде.

Изображение додекаэдра, выполненное  Леонардо да Винчи для рукописи «О божественной пропорции» Луки Пачоли .

Вверху — изображение ромбокубоктаэдра, выполненное на основе рисунков  Леонардо да Винчи , приведенное в печатном издании книги «О божественной пропорции» Луки Пачоли (Венеция, 1509).  Внизу  — деревянная мозаика Фра Джованни да Верона (ок. 1457–1525) для ризницы церкви Санта-Мария-ин-Органо в Вероне.

Позднее, как мы уже указывали, книга «О божественной пропорции» была напечатана (1509). Это издание содержит гравюры, выполненные на основе рисунков Леонардо. Пачоли включил «Книгу о пяти правильных телах» в качестве приложения к этому изданию. В итоге многогранники стали входить в моду среди итальянской знати эпохи Возрождения. Дворяне собирали коллекции многогранников, которые изготавливались в столярных мастерских под присмотром умелых математиков (порой и самого Пачоли).

В инкрустации по дереву также сочеталось искусство перспективы и мода на использование многогранников. Так, стены домов и двери деревянных шкафов часто украшались мозаиками с изображением многогранников, в которых использовался так называемый тромплей, обман зрения: создавалось впечатление, что дверцы шкафов полуоткрыты, а внутри них лежат разные предметы, книги и геометрические фигуры.

В инкрустациях, выполненных Фра Джованни да Верона для ризницы церкви Санта-Мария-ин-Органо в Вероне, очевидно прослеживается влияние рисунков Леонардо из книги «О божественной пропорции». Нет никаких сомнений, что Фра Джованни был знаком с текстом Пачоли.

* * *

СВЯЗЬ МНОГОГРАННИКОВ И ЗОЛОТОГО СЕЧЕНИЯ

Лука Пачоли назвал свою книгу «О божественной пропорции», иными словами «О золотом сечении». Но какова связь между многогранниками и золотым сечением? Продемонстрируем ее на трех иллюстрациях.

Построение прямоугольника золотого сечения.

На первом рисунке показано построение прямоугольника золотого сечения. Нужно построить квадрат ABPQ и провести дугу окружности с центром в точке М , середине стороны ВР , и радиусом, равным длине отрезка MQ . Эта дуга пересечет продолжение стороны ВР в точке С . Полученный прямоугольник ABCD  является прямоугольником золотого сечения, то есть отношение его сторон равно золотому сечению:

Кроме того, прямоугольники ABCD и CDQP подобны, поэтому:

Золотое сечение в правильном пятиугольнике.

При построении правильных пяти- и десятиугольника также используется золотое сечение. Соотношения многих сторон и отрезков в пятиугольнике описываются числом Ф (так называемым золотым числом). Рассмотрим некоторые из них:

Как следствие, в додекаэдре, который образован двенадцатью пятиугольниками, золотое сечение также встречается очень часто.

Золотое сечение также используется в икосаэдре и многих других многогранниках. Если мы соединим два противоположных ребра икосаэдра, получим прямоугольник золотого сечения. Если мы попарно сгруппируем 12 вершин икосаэдра, то получим фигуру, изображенную на рисунке ниже. В ней можно увидеть три прямоугольника, лежащих в плоскостях, попарно перпендикулярных друг другу.

Так как додекаэдр является двойственным икосаэдру, он также обладает этим свойством. Единственное отличие заключается в том, что вместо противолежащих ребер в этом случае нужно соединить центры граней.

Три прямоугольника золотого сечения, вписанные в икосаэдр.

(источник: FMC)

* * *

В эту эпоху в работах художников помимо правильных и полуправильных, или архимедовых, многогранников начинают появляться другие геометрические фигуры — конусы, призмы и ограненные сферы. В некотором смысле они предвосхитили понятие предела, которое появилось лишь несколько столетий спустя. Ограненные сферы, которые встречаются в книге «О божественной пропорции» и в инкрустациях Фра Джованни да Верона, можно вписать в идеальную сферу, которая, в свою очередь, будет описывать все ограненные сферы одного радиуса.

Один из многогранников, так называемый мазоччо, который часто встречается в работах Паоло Уччелло, стал своеобразным символом перспективы. Изначально это был флорентийский головной убор XV века, который надевался поверх отреза легкой ткани, обмотанного вокруг головы. По форме он напоминал тор — геометрическое тело в форме бублика.

Джованни да Верона . Инкрустация по дереву с изображением мазоччо (конец XV века).

Тор можно представить несколькими способами. Проще всего рассматривать его как поверхность вращения окружности, центр которой перемещается вдоль другой, большей окружности, перпендикулярной первой. Его также можно представить как вытянутый цилиндр из пластичного материала, основания которого склеены. Если мы разобьем поверхность тора на грани, чтобы построить его модель, например из картона, то получим примерно такое изображение:

Ограненный мазоччо.

(источник: FMC)

* * *

МНОГОГРАННИК, НАПОЛНЕННЫЙ ВОДОЙ

Лука Пачоли поддерживал дружеские отношения со многими художниками, и те часто изображали его на своих картинах. Выше приведен портрет кисти Якопо де Барбари, на котором изображен Пачоли, читающий лекцию по математике. Ученик предположительно Гвидобальдо да Монтефельтро, будущий герцог Урбинский. На столе перед Пачоли лежат «Начала» Евклида. Он читает лекцию по геометрии и, судя по изображению на доске, рассказывает о pons asinorum — «мосте ослов». Так раньше называлась теорема из «Начал», согласно которой углы, противоположные равным сторонам равнобедренного треугольника, равны. Некоторые исследователи считают, что название pons asinorum произошло из-за того, что построенные фигуры по форме напоминали мост. Более правдоподобной выглядит версия, согласно которой это название означало, что теорема была непреодолимой для несведущих учеников и все дальнейшее содержание «Начал» было им непонятно. Книга, изображенная справа, — это «Сумма арифметики». На ней находится додекаэдр, а вверху изображен многогранник со стеклянными гранями, наполовину наполненный водой, подвешенный к потолку на золотой цепочке. В нем отражается окно, сквозь которое слева направо падает луч света. Этот многогранник — ромбокубоктаэдр, имеющий 18 квадратных и 8 треугольных граней.

Портрет Луки Пачоли кисти Якопо де Барбари . Национальный музей и галерея Каподимонте, Неаполь.

Многогранник Пачоли .

* * *

Для построения этой фигуры малая окружность была разделена на восемь частей, большая — на 24 части. Мазоччо, таким образом, представлял собой фигуру, состоящую из 24 «долек», каждая из которых является наклонной призмой. Основаниями этих призм являются правильные восьмиугольники, равные между собой.

На второй мозаике, приведенной выше, на нижней полке шкафа можно заметить подобный мазоччо. Однако, как мы покажем далее, в то время эта фигура изображалась не только на мозаиках. Так, ее можно увидеть в так называемой «Зеленой аркаде» флорентийской церкви Санта-Мария-Новелла. Ее люнету Уччелло украсил фреской «Всемирный потоп». В хаотичной композиции, где, как кажется, ни один персонаж не связан с остальными и где доминирует глубокая центральная перспектива, можно увидеть два мазоччо. Один из них надет на шею одного из персонажей, который с дубиной в руке сражается с другим у нижней ступени лестницы. Второй мазоччо на голове девушки, сидящей спиной к зрителю, голова которой повернута в профиль. Неизвестно, какое значение придавал Уччелло этим мазоччо. Возможно, он не наделял их никаким особым смыслом.

В серии из трех картин Уччелло «Битва при Сан-Романо», которые хранятся в галерее Уфицци во Флоренции, в Лондонской национальной галерее и в парижском Лувре, также можно увидеть несколько мазоччо.

Фреска «Всемирный потоп»  Паоло Уччелло , изображенная на стене «Зеленой аркады» флорентийской церкви Санта-Мария-Новелла.

(фотография: FMC)

* * *

О, КАК ПРЕКРАСНА ЭТА ПЕРСПЕКТИВА!

Флорентийский художник Паоло Уччелло (настоящее имя Паоло ди Доно , 1397–1475 ) в своем творчестве достиг вершин использования перспективы. Он вместе с Донателло работал подмастерьем в школе Гиберти, когда тот создал северные ворота флорентийского баптистерия. В 1416 году он переехал в Венецию, чтобы начать работу над реставрацией мозаики на фасаде собора Святого Марка, разрушенной при пожаре, и мраморной мозаики пола. В 1430 году, вернувшись во Флоренцию, он увидел фрески Мазаччо в капелле Бранкаччи и был столь очарован умелым использованием перспективы, что подробно изучил ее и сделал характерной чертой своего стиля.

В 1436 году ему было поручено изобразить на стене церкви Санта-Мария-дель-Фьоре фреску, которая должна была стать своеобразным надгробным памятником военачальнику Джону Хоквуду. Применив правила перспективы, Уччелло изобразил Хоквуда верхом на коне. В 1440-е годы он создал фрески для «Зеленой аркады» флорентийской церкви Санта-Мария-Новелла, которые в настоящее время находятся не в лучшем состоянии. Однако лучше всего его страсть к перспективе отражают три большие картины серии «Битва при Сан-Романо», где художник мастерски изобразил батальную сцену на фоне. В одной из этих картин упавшие на землю копья напоминают оси абсцисс и ординат декартовой системы координат, которую Декарт описал в своей «Геометрии» лишь 200 лет спустя. Перспектива стала настоящей навязчивой идеей Уччелло. Вазари писал:

«Донателло, который был его близким другом, часто говорил ему: «Паоло, твоя перспектива заставляет тебя оставить истинное в погоне за неточным». Он говорил так потому, что Паоло каждый день показывал ему мазоччо, изображенные в перспективе, и архитектурные украшения в виде пирамид, выполненные с величайшим старанием».

В 1452 году, когда Уччелло было уже больше 54 лет, он женился на Томмазе Малифици, которая родила ему двоих детей, Донато и Антонию. Дети Уччелло также посвятили свою жизнь живописи. Вазари не без доли злого умысла в своих «Жизнеописаниях» пишет, что Уччелло проводил ночи напролет за письменным столом, изучая перспективу, а когда жена звала его спать, он отвечал: «О, как прекрасна эта перспектива!»

Портрет  Паоло Уччелло.

(фотография: FMC)

* * *

Увеличенные изображения мазоччо на картине из серии «Битва при Сан-Романо», хранящейся в Галерее Уффици.

В завершение этого раздела скажем несколько слов об особенном многограннике Кеплера, который называется звездчатым многогранником. Это большой звездчатый додекаэдр, образованный двенадцатью пятиконечными звездами. В каждой вершине этого многогранника сходится пять звезд. Кеплер рассмотрел его лишь в 1619 году в книге «Гармония мира», однако Уччелло изобразил эту фигуру на полу собора Святого Марка в Венеции намного раньше, в конце периода кватроченто.

Мозаика Паоло Уччелло на полу собора Святого Марка в Венеции, на которой изображен большой звездчатый додекаэдр.

(источник: АМА)

От перспективы к виртуальной реальности

В последней трети кватроченто техника перспективы использовалась во всех флорентийских художественных мастерских и распространилась по всей Италии. Однако почти с самого начала возник парадокс: перспектива, созданная для достоверного изображения «реальности», стала применяться совершенно иначе — для реалистичного изображения чего-то несуществующего. Можно сказать, что так появилась виртуальная реальность.

В «Атлантическом кодексе» Леонардо да Винчи продемонстрировал свою проницательность и в этом вопросе. Речь идет о следующей иллюстрации.

На ней в схематичном виде изображен тор. В действительности этот тор закручивается вокруг другого; более того, эти два тора параллельно друг другу закручиваются вокруг третьего. Это четко видно на реконструированном изображении этой фигуры.

Реконструкция мазоччо, или тора, из «Атлантического кодекса»  Леонардо да Винчи.

(источник: FMC)

Это изображение сопровождается подписями вверху и внизу рисунка. Леонардо был левшой и писал задом наперед, так что его тексты можно было прочитать только в зеркальном отражении. Чтобы прочитать их, необязательно нужно зеркало — можно воспользоваться компьютерным графическим редактором и применить осевую симметрию относительно вертикальной оси изображения. Именно это мы и сделали:

Подпись над рисунком гласит:

«соrро nato della prospettiva di Leonardo Vinci discepolo di la sperientia».

(«Тело, полученное перспективой Леонардо да Винчи, изученной на опыте».)

Подпись под рисунком звучит так:

«si a fatto questo соrро senza esemplo d’alcun соrро, mа solamente con semplici linje».

(«Это тело было выполнено без какого-либо образца, но только с помощью простых линий».)

Леонардо с самого начала было известно то, о чем другие узнали намного позже. Перспектива, изобретенная для изображения реальности, стала использоваться для создания виртуальных реальностей, новых фигур, выполненных «без какого-либо образца, но только с помощью простых линий» — нереальных фигур, существование которых стало возможным только благодаря живописи.

* * *

ДВА РИСУНКА ИЗ ГАЛЕРЕИ УФФИЦИ

В Кабинете рисунков и эстампов Галереи Уффици выставлены два рисунка, на которых изображены мазоччо. Эти рисунки приписываются Паоло Уччелло и Пьеро делла Франческа, но их подлинные авторы неизвестны. На одном изображен мазоччо, на внешних гранях которого находятся пирамиды. На другом, так называемом «Бокале Уффици», можно различить три мазоччо, на большем из которых также находятся пирамиды. Это позволяет предположить, что оба рисунка принадлежат одному автору. Паоло Уччелло приписывается рисунок мазоччо, представленный внизу.

Бокал Уффици.

Мазоччо из Галереи Уффици.

Мазоччо работы Паоло Уччелло .

* * *

Математические игры Альберти

Еще одним художником, который занимался математикой и написал несколько книг по этой теме, был Леон Баттиста Альберти. Помимо трактата «О живописи» ему также принадлежит книга «Математические забавы», в которой, вопреки названию, рассматривается решение некоторых геометрических задач, возникающих при измерениях, например при определении ширины реки, глубины колодца или топографической съемке.

Альберти выполнил топографическую съемку Рима, однако составленная им карта не сохранилась. Результаты своей работы он изложил в книге, озаглавленной Descriptio Urbis Romae («Описание города Рима»), опубликованной в 1433 году незадолго до выхода трактата «О живописи». Эта книга начинается следующей фразой:

«С возможной тщательностью, при помощи придуманных мною математических приборов изучил я в том виде, в каком они нам известны сейчас, направления и очертания городских стен Рима, реки [Тибра] и дорог, равно как положение и размещение храмов, общественных зданий, ворот и трофеев, границы холмов и, наконец, площадь, занимаемую жилыми зданиями. Теперь всякий, не нуждаясь ни в каком особом даровании, удобно и легко сможет все вычертить в том масштабе, в каком ему заблагорассудится. К этому [описанию] склонили меня просвещенные друзья, и желание их я и счел нужным исполнить».

Рукопись «Описания города Рима» Альберти . XV век.

* * *

КАРТА РИМА  ПЬЕТРО ДЕЛЬ МАССАЙО

Карта Альберти, которая предположительно была выполнена на основе результатов топографической съемки, приведенных в «Описании города Рима», не сохранилась. Тем не менее несколько лет спустя, в 1464 году, Пьетро дель Массайо опубликовал во Флоренции издание «Географии» Птолемея, в которое включил прекрасный план Рима, представленный на этой странице, который был выполнен по методу Альберти.

Можно заметить, что за исключением собора Святого Петра в Ватикане, изображенного внизу справа, и отдельных церквей Массайо прежде всего интересовали древние памятники: акведуки, Колизей, Пантеон, колонны Траяна и Марка Аврелия. Основной недостаток карты заключается в том, что из нее неясно, какую цель ставил перед собой автор — составить карту древнего Рима или же Рима середины кватроченто. Однако, несмотря на примитивность технических приспособлений, использованных при создании этой карты по методу Альберти, она является относительно точной, в чем легко убедиться, сравнив ее с любой современной картой.

* * *

Несколькими годами позже, примерно в 1450 году, Борсо д’Эсте, герцог Феррара, попросил его написать книгу, в которой бы излагались математические методы, использованные в «Описании города Рима». Так появилась книга «Математические забавы». Приведем фрагмент этой книги, в котором объясняется, как следует составлять схему определенного места. Для этого при помощи описываемого им инструмента следует произвести топографические измерения с трех различных точек и, используя подобие треугольников, построить карту местности.

Далее приводится перевод фрагмента этой книги со средневекового итальянского языка с максимально возможным соблюдением стиля Альберти:

«К сказанному мне хотелось бы прибавить описание одного инструмента, который весьма пригоден (как вы сами поймете) для подобных целей, в особенности для того, кто изготовляет баллисты и другие подобные военные машины. Однако я его применяю для целей гораздо более приятных: для топографического изучения местности или для съемки планов, как я это делал тогда, когда чертил план Рима. Итак, заодно я вам расскажу и об этом способе.

Вы определите расположение и охват территории с ее дорогами и домами таким образом. Сделайте на доске круг шириною не менее локтя [флорентийский локоть равнялся 58,4 см] и поделите весь этот круг на любое количество равных частей; чем больше их будет, тем лучше, потому что тогда они будут четки и ясны. Я обычно делю на 12 частей, проводя диаметры внутри круга; затем всю окружность изнутри я делю на 48 частей и эти 48 частей называю градусами. В свою очередь каждый из этих градусов я делю на 4 части и называю их минутами, а против каждого градуса проставляю соответствующую ему цифру, как на этом рисунке.

Гониометр Альберти . Иллюстрация из книги «Математические забавы».

Когда вы пожелаете вычертить свой план, вы поставите этот прибор на ровном месте, притом высоком, откуда вы можете окинуть взглядом много пунктов на той территории, план которой вы хотите начертить, вроде колоколен, башен и тому подобного. Затем вы возьмете веревку со свинцовой гирькой и отойдете от прибора на два локтя, поочередно визируя бросающиеся в глаза предметы так, чтобы линия вашего зрения, направляясь к башне, в которую вы целитесь взглядом, проходила одновременно через свинцовый отвес и через центр круга. Цифры, которые линия вашего зрения пересечет на окружности круга, направляясь к визируемой вами точке, запишите себе для памяти на бумаге.

Например, представьте себе, что вы находитесь со своим прибором на башне замка и визируете верхние ворота; предположим, что линия вашего зрения проходит около 20-го градуса, там, где обозначено деление в две минуты. Вы записываете на своем листке: верхние ворота — 20 градусов 2 минуты, и не двигая прибора, двигаетесь сами, визируя углы. Быть может, ваша визирная линия пройдет там, где на приборе обозначено 32 градуса и 0 минут. Тогда вы запишете: углы — 32. Так вы будете продолжать и дальше, не сдвигая прибора. Кончив это, перейдите в другое подобное место, видное с первого, и поставьте ваш прибор, расположив его так, чтобы под той линией, по которой вы первоначально визировали это место, оказалась именно та цифра, через которую эта линия проходила раньше. Иначе говоря, если бы от первой башни сюда плыл корабль, то при неизменном ветре он видел бы перед собою обозначение 20 градусов и 2 минуты, 32 градуса и тому подобное. Здесь вы поступаете так же, как в замке: обратите внимание на [цифры] внутри [окружности] и запишите их на другом листке.

Засим вы перейдете в третье место и там поступите так же, все замечая и все записывая. Здесь я помещаю для вас рисунок, поясняющий сказанное.

После этого вы поступите так. Возьмите вашу доску, на которой вы хотите вычертить план, и поставьте точку там, где вам покажется удобным, сообразуясь с общим расположением чертежа, и пусть это будет положение одного из тех мест, откуда вы наблюдали предметы. Например, пусть будет это замок. Напишите над этой точкой: замок. В этой точке прикрепите маленькую бумажную модель прибора шириною в полпяди, разделенную так же, как и самый прибор, с которым вы производили наблюдения, и расположите центр этой модели в точности над указанной точкой. Отсюда проведите все ваши линии на основании записей вашего памятного листка. Сходным образом поставьте, где вам заблагорассудится, вторую точку на только что проведенной вами линии, соответствующую второму из тех мест, откуда вы производили наблюдения, и на эту вторую точку наложите вторую бумажную модель, повернув ее так, чтобы указанной линии соответствовала та цифра, которая в вашем памятном листке стоит против слова «замок». Иными словами, чтобы обе модели лежали на линии, соответствующей им обеим, и чтобы все линии выходили отсюда в направлении тех цифр, которые обозначены на вашем листке.

И там, где линия вашей первой модели, соответствующая, например, Санто Доменико, пересекается с линией вашей второй модели, также соответствующей Санто Доменико, там поставьте точку и надпишите сверху: Санто Доменико. Также поступите и в отношении всех остальных. Если случится, что эти две линии пересекаются так, что угол оказывается не вполне ясным, поставьте модель в третьей точке, откуда вы производили наблюдения, и расположите ее подобно первым двум, чтобы линии их соответствовали друг другу, и благодаря этому все вам станет ясным. Подобные вещи нелегко выразить словами, но самый предмет нетруден и доставляет большое удовольствие, позволяя осуществить многое, как вы сами сможете убедиться.

Таким путем мне удалось отыскать древний акведук, который выходил наружу только некоторыми своими отдушинами, а ходы его были скрыты внутри горы. Таким путем, как вы понимаете, можно записать ходы и извивы любого лабиринта и пути в любой пустыне без погрешностей и ошибок.

Таким же способом вы можете измерить далекие расстояния. И если вы желаете измерить, каково расстояние между Торре дель Уччелино и замком, вы должны поступить следующим образом.

Поставьте ваш прибор так, как мы сказали, и заметьте цифру, под которой видна названная башня; затем визируйте какое-нибудь другое место, находящееся на известном расстоянии от вас; предположим, что вы находитесь на одном конце коридора в замке. Сделайте пометку на другом конце и визируйте ее, замечая градусы и минуты. Затем поставьте названный прибор на другой конец коридора, вами визированный, и расположите его так, как мы сказали, а именно чтобы прямая линия коридора соответствовала одной и той же цифре; отсюда визируйте названную башню и отметьте цифры на приборе. Сделав это, в зале или каком-либо другом помещении выберите площадку и пространство, на котором, как если бы вы хотели чертить план, обозначьте ваши точки и проведите линии при помощи вышеназванного прибора, отметив точки их пересечения, как показано на рисунке.

Я утверждаю, что столько раз, сколько расстояние между двумя названными точками содержится в любой из линий, выходящих из этих точек и пересекающихся друг с другом, столько раз промежуток между концами коридора содержится в расстоянии от любой из этих двух точек до Уччелино.

На рисунке вы увидите числовые обозначения, и для примера мы скажем, что от одной точки до другой — 35 унций [унция = 1/12 фута], а от пересечения обеих линий до одной из этих точек — 385 унций. Так как 35 содержится в 385 одиннадцать раз, то окажется, что в расстоянии между коридором и Торре дель Уччелино одиннадцать раз содержится промежуток, который вы брали в коридоре. Этот способ измерения будет вам служить на небольших расстояниях, а при расстояниях больших требуется прибор более крупный».

«Вилка», «огненная линия» и «овальная линия» Дюрера

Среди множества геометрических чертежей, приведенных Дюрером в «Правилах измерения линий, плоскостей и целых тел при помощи циркуля и угольника», присутствует чертеж конических сечений. Книга Дюрера начинается следующими словами:

«Проницательнейший из всех мужей, Евклид, заложил основания геометрии. Тому, кому они хорошо известны, не потребуется ничего из приведенного далее, что я пишу лишь для юношей и тех, кто должным образом не обучен».

Художники, согласно Дюреру и другим живописцам той эпохи, должны были в равной степени изучать технику рисунка и геометрию и одинаково свободно обращаться как с кисточкой, так и с циркулем и линейкой. Дюрер считал, что художник должен уметь «измерять», поэтому назвал свою книгу «Правила измерения».

Дюрер изучил математику и перспективу во время путешествий в Италию. Вернувшись в родной Нюрнберг, в библиотеках своих друзей он познакомился с классическими и современными математическими трудами, которые в то время только начинали печататься, и книгопечатание было одной из самых процветающих отраслей города.

Он изучил «Начала» Евклида, а также труды Пьеро делла Франческа и Леона Баттисты Альберти. В «Правилах измерения» Дюрер пытается предложить геометрические методы и описать их понятным для художников и ремесленников образом. Он не уделял особого внимания ни доказательствам, ни чистой теории. Он рассмотрел линейную перспективу, правильные многоугольники, многогранники и Платоновы тела, для которых привел точный и удобный алгоритм построения. Он также изучил использование геометрии в типографике, инженерном деле и архитектуре.

Чтобы дать читателю представление о его стиле и строгой и четкой манере изложения, приведем фрагмент его книги, где он описывает метод построения эллипса.

«Математики древности указывали, что существует три способа выполнить сечение конуса. Все три различны между собой и не представляют по своей форме круг как основание конуса. <…> Каждое из трех сечений являет собой особую линию, построение которой я объясню. Первое из этих сечений, которое пересекает конус наклонно, не рассекая его основания, знатоки называют эллипсом. <…> Второе сечение проводится параллельно стороне ab конуса или другой [иными словами, его образующей], и знатоки зовут его параболой. Третье сечение есть вертикальная линия, параллельная линии, соединяющей центр основания конуса с вершиной, и знатоки зовут это сечение гиперболой. Мне неизвестно, имеют ли эти линии названия на немецком языке, но я присвою им названия, чтобы их можно было различить. Эллипс я буду называть овальной линией, так как его контур по форме почти равен яйцу. Параболу я буду называть огненной линией, поскольку зеркало такой формы разжигает огонь. Наконец, гиперболу я назову линией в форме вилки.

Если я хочу провести овальную линию, или эллипс, я начну рисовать конус, обозначив на нем желаемое сечение. Схему этого я изображу ниже. Далее я буду действовать следующим образом.

Иллюстрация из книги Дюрера .

Пусть a — вершина конуса, bd — диаметр его основания. Из а вниз я проведу вертикальную линию. Верхний конец сечения я обозначу f, нижний — g. Далее я разделю это сечение fg одиннадцатью точками на 12 частей и пронумерую их, начиная с конца f. Под этим конусом я изобразил этот рисунок. Обозначу а центр, a bcde — его окружность, как показано на моем рисунке. Из всех делений проведем линии к основанию, которые будут соответствовать точкам и серединам, пронумерованным нами как 1, 2, 3 и так далее. Обозначу теми же буквами и цифрами точки пересечения этих линий с окружностью основания.

Выполнив это, я возьму циркуль и поставлю одну из его ножек на сечение конуса, на вертикальную линию ае и высоту деления 1. Другую ножку я расположу на той же высоте относительно [образующей] ad. Перемещу этот раствор циркуля к основанию и, поместив одну из его ножек в центр а, другую — на чертеж линии 1, буду прочерчивать дугу в направлении к d, пока мне снова не встретится линия 1. [Далее эти действия повторяются для каждой линии с номера 2 по номер 11].

Затем использую основание в качестве примера и проведу линию эллипса следующим образом.

Проведу по вертикали линию, равную сечению fg, сохранив на ней 11 точек, которые разделяют ее на 12 частей. Проведу И параллельных горизонтальных линий, каждая из них будет проходить по одному из делений предыдущих. Далее на сегменте 1 основания возьму меру между двумя точками, в которых его пересекает дуга, проведенная мной с помощью циркуля, и перемещу ее на рисунок сечения fg, отложив ее на линии 1 с двух сторон. Проделаю это же самое с остальными пронумерованными отрезками. Сделав это, я проведу овальную линию, или эллипс, соединив точки так, как я показал здесь».

Построение «овальной линии» — прекрасный пример практического и одновременно очень точного стиля изложения «Правил измерения» Дюрера. На этом мы закончим главу, посвященную книгам по математике, написанным художниками Возрождения.