Глава 13

Треугольники

Треугольник – геометрическая фигура, состоящая из трех прямых отрезков, соединяющих три точки. В главе 13 мы рассмотрим общеизвестные свойства этих незамысловатых фигур и приподнимем покров над их тайнами. А начнем мы с двух всем знакомых формул: суммы углов и площади треугольника.

В сумме все это дает 180°

Возможно, самый известный факт, касающийся треугольников, – то обстоятельство, что если мы измерим все три угла и сложим эти величины, то получим 180°.

Почему мы так уверены? Нет, не стоит вырезать из бумаги тысячи треугольников и вымерять их углы транспортиром! Есть путь попроще.

Возьмем треугольник – любой треугольник – и обозначим его вершины буквами A, B, C, а величину углов соответственно x, y, z. Нам нужно убедиться, что x + y + z = 180°.

Нарисуйте (все равно, на бумаге или в воображении) прямую L, проходящую через точку B и параллельную AC:

Продолжите отрезки AB и BC таким образом, чтобы они пересекали прямую L. В результате появятся три новых угла.

Обратите внимание, что они образуют развернутый угол и в сумме дают 180°.

На чертеже мы обозначили новые углы x, y, z, так как они в точности равны углам треугольника. Почему это происходит?

Когда две параллельные прямые пересекают третью, образуются два соответственных угла, которые равны друг другу. Кроме того, при пересечении двух прямых образуются два вертикальных угла, которые тоже равны друг другу. Это изображено на чертеже.

Взгляните на три новых угла x, y, z. Поскольку AC и L параллельны, прямая AB отсекает два равных соответственных угла – оба по x градусов. Точно так же прямая BC отсекает еще два равных соответственных угла – оба по z градусов. И, наконец, прямые AB и BC пересекаются в точке B и образуют два вертикальных угла – оба по y градусов.

Суммируем всё, что мы выяснили:

• Три новых угла охватывают ровно одну сторону линии L, поэтому их сумма – 180°.

• Три новых угла имеют ту же величину, что и три угла треугольника.

Поэтому мы заключаем, что x + y + z = 180°, как и было обещано.

Площадь

Бессчетное число школьников зазубривает: «Площадь треугольника равна половине произведения его основания на высоту». Напомню: основание – одна из сторон, а высота – кратчайшее расстояние от этой стороны до противолежащей вершины.

Если длина основания равна b, а высота – h, площадь треугольника можно вычислить по формуле:

Общеизвестный факт! Но почему это так? Вот замечательное объяснение, и оно гораздо интереснее, чем формула.

Скопируем наш треугольник, поставим с ног на голову и прикрепим два треугольника друг к другу, чтобы получить параллелограмм:

Его площадь будет вдвое больше площади нашего треугольника.

Теперь превратим параллелограмм в равный по площади прямоугольник: отрежем треугольник (он обозначен пунктирной линией) с одной стороны и прикрепим его с другой:

Получится прямоугольник со сторонами b и h, его площадь равна b × h. Таким образом, площадь нашего треугольника равна

Если у нас есть материальный треугольник (скажем, деревянный), несложно измерить его стороны линейкой. Но измерить высоту не так-то просто. Мы прикладываем к вершине линейку, но должны быть уверены, что она перпендикулярна противоположной стороне.

Можно ли вычислить площадь треугольника, если мы знаем длины его сторон? Потребует ли это геркулесовых усилий? Здесь нам поможет герой по имени Герон – Герон Александрийский, живший около двух тысяч лет назад.

Обозначим длины сторон треугольника буквами a, b и c, как показано на рисунке.

Вначале необходимо сложить эти числа и поделить пополам. Обозначим результат буквой s:

Теперь поочередно вычтем из получившейся величины длины сторон – и получим заветную формулу:

Например, длины сторон треугольника равны 4, 5 и 7. Тогда Это дает:

Вот развернутый вариант формулы Герона:

Перепроверим на только что разобранном примере:

Есть и другие формулы вычисления площади треугольника. Я завершу этот раздел своей излюбленной формулой. Она работает для треугольника с целочисленными вершинами – их координаты на плоскости должны быть целыми числами. Это легко продемонстрировать на клетчатой бумаге:

Будем считать, что площади всех квадратиков равны 1. Можно найти площадь треугольника, посчитав, сколько квадратиков укладывается внутри треугольника целиком, а затем прибавив площади фрагментов квадратиков, отсеченных сторонами треугольника. Однако нам придется нелегко.

Теорема Пика предлагает кое-что полегче. Мы не будем считать квадратики – мы посчитаем координатные точки. Вначале найдем, сколько точек внутри треугольника; обозначим их число I. Затем посчитаем количество точек на границе треугольника; обозначим их число B.

Теорема Пика утверждает:

Я начертил достаточно крупный треугольник, чтобы вы смогли сосчитать все точки. В итоге получится, что I = 38, а B = 10 (включая вершины). Таким образом,

Завершу этот раздел небольшой головоломкой. Предположим, мы хотим найти площадь четырехугольника с целочисленными вершинами. Если внутри четырехугольника I координатных точек, а на границе B координатных точек (включая четыре вершины), то чему равна его площадь? Ответ вы найдете в конце главы.

Кроме того, подумайте над вопросом о площади других многоугольников с целочисленными вершинами: пятиугольнике, шестиугольнике и т. д.

Центры

Что мы подразумеваем, когда говорим «центр треугольника»? У этого понятия есть несколько значений, и каждое интересно по-своему.

Начнем с точки под названием центроид треугольника. Соединим вершины треугольника с серединами противоположных сторон. Такие отрезки называют медианами. Удивительно: все три медианы пересекаются в одной точке; ее и называют центроидом.

Одно из свойств центроида – он представляет собой центр масс треугольника: если треугольник из жесткого материала (скажем, из тонкого листа железа) подвесить за центр масс, он будет сохранять равновесие. Разумеется, равновесие окажется шатким, если наши вычисления окажутся недостаточно точными.

Мы уже провели отрезки из вершин треугольника к серединам противолежащих сторон; теперь давайте проведем кратчайшие линии, соединяющие вершины и противолежащие стороны. Они будут пересекать стороны треугольника под прямыми углами. Ко всеобщему восхищению эти три отрезка также пересекаются в одной точке; ее называют ортоцентр.

Далее: биссектрисы. Проведем три отрезка из трех вершин до трех противоположных сторон, чтобы каждый из них рассекал соответствующий угол треугольника на два равных между собой угла. Эти три отрезка вновь пересекаются в одной точке, известной как инцентр.

Инцентр называют так потому, что это центр окружности, касающейся всех трех сторон треугольника (вписанной в треугольник окружности).

Теперь проведем отрезки не из вершин треугольника, а из середин его сторон, причем под прямыми углами к этим сторонам; их называют серединные перпендикуляры. Имею счастье сообщить, что и они пересекаются в одной точке – в центре окружности, описанной около треугольника, то есть содержащей все три его вершины.

Эти четыре центра (центроид, ортоцентр, инцентр и центр описанной окружности) совпадают, если треугольник равносторонний. Но в общем случае точки различаются. На рисунке вы можете видеть расположение всех четырех центров в некотором произвольном треугольнике.

Охота на равносторонние треугольники

Вместо биссектрис проведем трисектрисы углов треугольника – отрезки, рассекающие каждый угол треугольника на три равные между собой части. В общей сложности это будет шесть отрезков (по два для каждого угла). Разумеется, все они не могут пересечься в одной точке, но точки, где они пересекаются, образуют малый треугольник внутри большого.

Ошеломительная теорема Морли утверждает, что этот малый треугольник всегда будет равносторонним!

Можно отыскать и другой равносторонний треугольник, сопутствующий любому произвольно взятому треугольнику. Построим на трех сторонах треугольника (на рисунке он начерчен жирными линиями) три равносторонних треугольника (начерчены тонкими линиями). Отметим центры этих равносторонних треугольников:

Соединим три центра и – вуаля! – получим очередной равносторонний треугольник.

Теорема Пика для четырехугольников

Нарисуем четырехугольник с целочисленными вершинами на клетчатой бумаге и проведите диагональ. Таким образом, мы получаем два треугольника с общей стороной:

Мы можем посчитать площади двух треугольников, пользуясь теоремой Пика, а затем сложить получившиеся величины. Обозначим эти два треугольника L и R и получим:

Таким образом, площадь четырехугольника равна 16 + 36 = 52.

Но, ко всеобщему восхищению, теорема Пика верна также для четырехугольников! И вот почему.

Вместо нового пересчета точек давайте воспользуемся результатами, уже полученными ранее.

Внутри левого треугольника 13 точек, внутри правого – 31 точка. Обратите внимание, что три точки на диагонали тоже лежат внутри четырехугольника; включим их в наши расчеты. Это дает I Q = 31 + 13 + 3 = 47.

Что касается границ четырехугольника, мы видим 8 точек на границе левого треугольника и еще 12 – на границе правого, то есть в общей сложности 20 точек. Но тут мы немного перебрали. Три точки на диагонали четырехугольника включать не надо; кроме того, мы посчитали их дважды. Таким образом, нужно вычесть 6. Две точки на концах диагонали тоже посчитаны дважды, потому вычтем еще 2, чтобы компенсировать перебор. Это дает B Q = 20–6–2 = 12.

Последний рывок:

Невероятно! Это правильный ответ! Как такое возможно?

Площади двух треугольников, L и R , дают в сумме:

Это не что иное, как площадь четырехугольника. Перегруппируем слагаемые:

Величина I L + I R не включает некоторые точки внутри четырехугольника, а величина B L + B R оказывается слишком большой из-за точек на границах. Точки на диагонали четырехугольника мы неосмотрительно посчитали дважды, хотя на самом деле они принадлежат величине I Q (и деление пополам исправляет эту оплошность). Конечные точки диагонали тоже оказались посчитаны дважды, когда мы вычисляли точки на границах. Деление на 2 исправляет эту оплошность лишь наполовину, но вычитание 2 (а не 1) ставит все на свои места!

Вы не поверите, но теорема Пика работает для любого многоугольника с целочисленными вершинами.

Центры треугольника вне треугольника

Если треугольник тупоугольный (то есть один из его углов больше 90°), центр описанной окружности и ортоцентр лежат вне треугольника. На рисунке приведен пример окружности, описанной около тупоугольного треугольника.

Найти ортоцентр тупоугольного треугольника несколько сложнее. Фокус состоит в том, чтобы продолжить его стороны, пока они не пересекутся с соответствующими высотами.

В треугольнике ABC мы делаем следующие дополнительные построения: (1) проводим через точку A прямую, перпендикулярную BC (эту сторону необходимо продолжить); (2) проводим через точку B прямую, перпендикулярную AC ; (3) проводим через точку С прямую, перпендикулярную AB (ее также необходимо продолжить). Точка пересечения этих прямых X и есть ортоцентр.

 

Глава 14

Пифагор и ферма

Страшила из книги «Волшебник страны Оз» так и не обрел мозги, но получил диплом. Он с гордостью продемонстрировал свой усовершенствованный интеллект, сформулировав абсолютно исковерканную теорему Пифагора: «Сумма квадратных корней из двух сторон равнобедренного треугольника равна квадратному корню из третьей стороны».

На самом деле теорема Пифагора ничего не говорит о равнобедренных треугольниках. Она увязывает длины сторон прямоугольного треугольника (один из углов в этом треугольнике прямой, то есть равен 90°).

Обозначим длины катетов прямоугольного треугольника (то есть сторон, образующих прямой угол) буквами a и b, а длину гипотенузы (стороны напротив прямого угла) – буквой c.

Теорема Пифагора гласит:

a ² + b ² = c ².

Вот словесная формулировка (несомненно, именно это и намеревался сказать Страшила):

Теорема Пифагора. В прямоугольном треугольнике квадрат длины гипотенузы равен сумме квадратов длин катетов [148] .

Наше доказательство будет базироваться на рассечении большой фигуры на малые: мы сгруппируем несколько прямоугольных треугольников в одну фигуру, посчитаем сначала ее площадь, а потом сумму площадей образующих ее фрагментов и – вуаля! – докажем теорему Пифагора.

Расположим четыре одинаковых прямоугольных треугольника с катетами a и b и гипотенузой c так, чтобы они образовали квадрат со стороной a + b:

Очевидно, что площадь квадрата равна (a + b) ² = a² + 2ab + b².

Теперь рассечем большой квадрат на пять составных частей: малый квадрат со стороной c и четыре треугольника; сложим треугольники попарно в два прямоугольника со сторонами a и b:

Общая площадь этих фигур – c² + 2ab.

Очевидно, что площадь большого квадрата равна площади составляющих его частей:

a ² + 2 ab + b ² = c ² + 2 ab .

Когда мы вычтем из обеих частей тождества 2ab, теорема Пифагора будет доказана.

Вот другое доказательство, тоже основанное на рассечении некой геометрической фигуры.

Расположим четыре одинаковых прямоугольных треугольника так, чтобы они образовали квадрат c × c:

Общая площадь этой фигуры с². Посчитайте самостоятельно сумму площадей треугольников и малого квадрата в центре. Ответ вы найдете в конце главы.

Еще одно доказательство на основе рассечения геометрической фигуры придумал Джеймс Гарфилд, 20-й президент Соединенных Штатов.

Сгруппируем три прямоугольных треугольника, два одинаковых поменьше и один побольше, чтобы они образовали трапецию:

Посчитайте сначала площадь трапеции, а затем сумму площадей образующих ее треугольников. Ответ – в конце главы.

Абсолютная величина комплексного числа [152]

Вычислить абсолютную величину числа означает лишить его минуса, если оно отрицательное. Например, | – 5 | = 5. Иными словами, число –5 включает 5 единиц.

Более точное определение абсолютной величины:

Например, |12 | = 12, | – 7 | = 7, |0 | = 0.

Вот геометрическая интерпретация: абсолютная величина числа x – это расстояние между точкой с координатой x и точкой с координатой 0 на числовой оси:

Абсолютная величина показывает, насколько число удалено влево или вправо от нуля; знак числа (плюс или минус) не играет роли.

Как мы распространим идею абсолютной величины на комплексные числа? Что значит |3 + 4i|? Мы не можем сказать, отрицательно или положительно число 3 + 4i. Эти термины неприменимы к комплексным числам. Наша цель – выяснить, насколько комплексное число удалено от нуля. Для этого нам необходима геометрическая интерпретация комплексного числа. Действительное число задает точку на числовой прямой; комплексное задает точку на плоскости. Например, комплексное число 3 + 4i можно изобразить геометрически, если отложить три единицы вправо и четыре единицы вверх от начала координат, как показано на рисунке.

Теперь подумаем, что значит расстояние от точки 3 + 4i до начала координат. На рисунке оно обозначено отрезком с двумя стрелочками на концах. Это – не что иное, как гипотенуза прямоугольного треугольника с катетами длиной 3 и 4. Пусть c – длина данной гипотенузы, тогда по теореме Пифагора

с ² = 3² + 4² = 9 + 16 = 25.

Таким образом, Вывод: |3 + 4i| = 5.

В общем случае комплексное число a + bi задает точку с координатой a по горизонтали и координатой b по вертикали. Отрезок, соединяющий эту точку с началом координат, представляет собой гипотенузу прямоугольного треугольника с катетами длиной a и b. Если мы обозначим длину гипотенузы буквой c, то получим в соответствии с теоремой Пифагора:

Необходимо отметить, что эта формула работает как для комплексных, так и для действительных чисел. Например, если мы хотим вычислить абсолютную величину числа –4 сложным путем, представим его в комплексном виде: – 4 + 0i. Подставив a = –4 и b = 0 в формулу (A), мы получим:

Пифагоровы тройки

Если катеты прямоугольного треугольника равны 3 и 4, то гипотенуза равна 5. Все это целые числа. Вот другой пример: если длины катетов 5 и 12, то длина гипотенузы –

Все три числа снова оказались целыми. Но так везет не всегда. Если длины катетов – 2 и 3, то длина гипотенузы а это иррациональное число.

Если три положительных целых числа a, b, c являются длинами сторон прямоугольного треугольника, их называют пифагоровой тройкой. Простейшие примеры: 3, 4, 5 и 5, 12, 13. А как насчет других? Как их отыскать? Удивительно, но факт: ключ к пифагоровым тройкам лежит в области комплексных чисел!

Прежде чем погрузиться в детали, посмотрим, как комплексное число z = 2 + i связано с пифагоровой тройкой 3, 4, 5:

• Шаг 1. Вычислим z²:

z ² = (2 + i ) × (2 + i ) = (4–1) + (2 + 2) i = 3 + 4 i .

• Шаг 2. Вычислим |z²|:

Вычисления на шаге 2 показывают, что числа 3, 4 и 5 представляют собой пифагорову тройку. Отрезок на комплексной плоскости, соединяющий начало координат и точку 3 + 4i, – это гипотенуза прямоугольного треугольника со сторонами 3 и 4, ее длина равна 5.

Повторим процедуру с комплексным числом z = 3 + 2i. Посчитаем z² и абсолютную величину этого числа:

Мы нашли пифагорову тройку: 5, 12, 13!

Еще один пример, и мы поймем принцип. Возьмем число z = 5 + 2i. Возведем его в квадрат и посчитаем абсолютную величину получившегося числа:

Мы нашли еще одну пифагорову тройку: 20, 21, 29.

Давайте подумаем, как это работает, вернувшись к первому примеру: z = 2 + i. Заметим: Мы возвели z в квадрат и посчитали абсолютную величину получившегося числа: Подытожим:

Таким образом, |z²| = |z|².

Всегда ли так? Разумеется, тождество выполняется для действительных чисел (например, |(–4)²| = |16 | = |–4 |²), но доказательство этого факта для комплексных чисел потребует некоторых алгебраических выкладок (проделайте их самостоятельно и сверьтесь с решением в конце главы).

Вернемся к процедуре поиска пифагоровых троек. Начнем с комплексного числа z = x + yi, где x и y – целые числа. Абсолютная величина z может не быть целым числом, но оно представляет собой квадратный корень из целого числа: Абсолютная величина z² непременно будет целым числом: |z²| = |z|² = x² + y². Найдем z²:

z ² = ( x + yi ) × ( x + yi ) = ( x ² – y ²) + (2 xy ) i .

Пусть a = x² – y², b = 2xy, c = x² + y². Тогда |a + bi| = c; следовательно, a² + b² = c².

Последний пример: пусть z = 7 + 4i. Его квадрат равен 33 + 56i, абсолютная величина этого числа равна

Еще одна пифагорова тройка: 33, 56, 65.

Я продемонстрировал процедуру поиска пифагоровых троек. Возникает естественный вопрос: все ли пифагоровы тройки можно найти подобным образом? Да, но доказательство этого факта довольно сложное, так что, если вам интересно, я рекомендую обратиться к литературе по теории чисел.

Великая теорема Ферма

Мы рассмотрели тройки целых чисел, удовлетворяющих уравнению теоремы Пифагора. Они лишь косвенным образом связаны с миром прямоугольных треугольников. Сейчас мы полностью перенесемся за пределы геометрии и подумаем о решениях уравнения aⁿ + bⁿ = cⁿ.

Легко найти тройки целых чисел a, b, c, удовлетворяющих соотношению a + b = c. В предыдущем разделе я рассказал о способе поиска троек целых чисел, удовлетворяющих уравнению a² + b² = c². Сейчас нам предстоит перейти к более высоким степеням: можем ли мы найти тройки целых чисел, удовлетворяющих уравнению a³ + b³ = c³, или a⁴ + b⁴ = c⁴, или a⁵ + b⁵ = c⁵ и т. д.?

Вот два неинтересных решения уравнения a³ + b³ = c³:

5³ + 0³ = 5³; 5³ +(–5)³ = 0³.

Куда сложнее найти тройки целых чисел, не равных нулю, которые являются решениями уравнения a³ + b³ = c³. Такие решения называются нетривиальными.

Этот вопрос в 1637 году заинтересовал Пьера Ферма. На полях «Арифметики» Диофанта он сформулировал следующее утверждение: уравнение aⁿ + bⁿ = cⁿ не имеет нетривиальных целочисленных решений при n ≥ 3. Он записал по-латыни знаменитые слова:

Невозможно разложить куб на два куба, биквадрат на два биквадрата и вообще никакую степень, большую квадрата, на две степени с тем же показателем. Я нашел этому поистине чудесное доказательство, но поля книги слишком узки для него [158] .

Это утверждение известно как великая теорема Ферма, хотя сомнительно, что Ферма мог доказать ее. Потребовалось три столетия, прежде чем Эндрю Уайлс нашел доказательство и опубликовал его в середине 1990-х. Он показал, что теорема Ферма верна и уравнение aⁿ + bⁿ = cⁿ не имеет нетривиальных целочисленных решений при n ≥ 3.

 

Глава 15

Окружности

Окружности изящны и красивы. Глава 15 содержит россыпь любопытных фактов об этих основополагающих геометрических фигурах.

Точное определение

Математики избегают туманных определений, им подавай точность! Окружность – это множество точек на плоскости, равноудаленных от некоторой точки. Давайте распутаем этот клубок.

Прежде всего, окружность представляет собой множество точек. Естественно, не любое множество точек образует окружность. Речь идет лишь об избранных точках. Избранных по какому принципу? Окружность – это множество точек, заданных двумя условиями: положительным числом r и точкой X. Как вы знаете, точку X мы называем центром окружности, а число r – радиусом.

При построении (чернилами на бумаге или пикселями на экране) окружность имеет некоторую толщину, но с математической точки зрения толщина окружности равна нулю.

Окружности – близкие родственники сфер. А что такое сфера? Это множество точек в пространстве, равноудаленных от некоторой точки. Обратите внимание: два определения почти одинаковы, за исключением того, что окружность находится в плоскости.

Уравнение окружности

Точки на плоскости задаются двумя координатами: x и y. Если мы записываем уравнение с двумя переменными, множество точек, чьи координаты удовлетворяют этому уравнению, задают какую-нибудь геометрическую фигуру.

Например, уравнению x² + y² = 1 удовлетворяют некоторые, но не все точки плоскости. Скажем, точка с координатами (1, 0) удовлетворяет уравнению, потому что 1² + 0² = 1. Точно так же точка (3/5, 4/5) тоже удовлетворяет уравнению:

С другой стороны, точка (1/2, 1/2) не удовлетворяет уравнению, потому что

Что можно сказать о точках, удовлетворяющих уравнению x² + y² = 1? Они задают окружность с центром в начале координат и радиусом 1.

Почему? Давайте подумаем о точке (x, y). Она задает прямоугольный треугольник. Проведем перпендикуляры к осям абсцисс и ординат и соединим отрезком нашу точку с началом координат, как показано на рисунке.

Длины катетов треугольника равны x и y, и по теореме Пифагора (см. главу 14) длина гипотенузы равна Это не что иное, как расстояние от точки (x, y) до точки (0, 0).

Если мы ищем точки, удаленные от начала координат на расстояние 1, они должны удовлетворять условию:

Возведем обе части в квадрат и получим x² + y² = 1!

В общем случае, если центр окружности c радиусом r расположен не в начале координат, а в точке (a, b), она задается уравнением:

( x – a )² + ( y – b )² = r ².

Треугольники прямо внутри

Любые две несовпадающие точки задают прямую, а вот три точки не обязательно принадлежат одной прямой. Но есть всего одна окружность, которая включает все три точки, не лежащие на одной прямой. Вы узнали из главы 13, что точка пересечения срединных перпендикуляров к сторонам треугольника является центром описанной окружности, так как эта точка равноудалена от всех трех вершин треугольника.

Вопрос: как вписать треугольник в полуокружность, чтобы одна из его сторон совпадала с диаметром окружности?

Вот отличный ответ: треугольник можно вписать в полуокружность исключительно в том случае, если один из его углов прямой (то есть речь идет о прямоугольном треугольнике).

Теорема Птолемея

Расставим на окружности четыре точки: A, B, C и D. Они задают четыре величины: длины сторон четырехугольника |AB|, |BC|, |CD|, |AD| и длины двух его диагоналей d1 и d2.

Теорема Птолемея изящно связывает эти величины:

d 1 × d 2 = | AB | × | CD | + | BC | × | AD |.

И наоборот, если длины сторон и диагоналей четырехугольника удовлетворяют этой формуле, его вершины лежат на одной окружности.

Упаковка

Насколько плотно можно упаковать круги? Будем считать, что все круги имеют один радиус (скажем, 1) и мы хотим упаковать на значительном участке плоскости максимальное их число (представьте поднос, на котором нужно уместить как можно больше консервных банок).

Простейшая идея заключается в группировании кругов по четыре так, чтобы их центры образовывали квадрат. Тогда каждый круг, расположенный внутри, касается четырех соседних, а те, что на границе, касаются трех соседних:

Насколько эффективна такая упаковка? Один из критериев – измерить, какую часть плоскости покрывают все эти круги.

Посмотрим повнимательней на четыре круга, чьи центры лежат в вершинах квадрата. Радиусы кругов равны 1, потому сторона квадрата равна 2, а его площадь – 4. Квадрат не полностью покрыт областями, находящимися внутри кругов. Его перекрывает ровно четверть каждого из четырех кругов; таким образом, общая площадь кругов и квадрата равна площади одного круга, то есть π.

Соотношение между покрытой и непокрытой частями плоскости равно Мы можем усеять всю плоскость такими вот четверками окружностей, и они покроют примерно 78,5 % плоскости.

Неплохо, но можно сделать и лучше. Пусть теперь центры шести окружностей совпадают с вершинами правильного шестиугольника, а седьмая окружность располагается внутри него:

При таком подходе круги накрывают больше 90 % плоскости. Подумайте, как это вычислить. Ответ – в конце главы.

Гексагональная упаковка кругов на плоскости – самая плотная.

Естественно, возникает вопрос: а как насчет трех измерений? Ответ, вероятно, был известен уже в античности, но со всей строгостью его сформулировал Иоганн Кеплер в начале XVII века. Кеплер утверждал, что наиболее плотная упаковка шаров такая, что при сечении плоскостью, проходящей через центры шаров в одном ряду, выясняется, что центры шести соседних шаров лежат на вершинах правильного шестиугольника, а центр седьмого шара совпадает с центром этого шестиугольника (см. рисунок выше). Тогда шары покрывают примерно 74 % пространства.

Сложность состояла в том, чтобы доказать, что это действительно наиболее плотная упаковка и нет никаких альтернатив. С задачей на плоскости разобрались довольно быстро, но решение пространственной задачи потребовало 400 лет. Лишь в 1990-е годы Томас Хэйлс опубликовал сверхсложное доказательство, включающее теоретические выкладки и массу вычислений. Независимые эксперты дотошно изучили доказательство Хэйлса и не обнаружили там никаких погрешностей.

Окружности целуются

Если вы начертите три окружности, которые попарно касаются друг друга, в пространстве между ними уместится четвертая окружность, касающаяся всех трех. Вот как выглядят четыре касающиеся друг друга окружности:

Как соотносятся размеры этих четырех окружностей? Иначе говоря, если мы знаем радиус трех окружностей, можем ли мы вычислить радиус четвертой?

Рене Декарт опубликовал решение этой задачи в начале XVII века. Разберем его результат в простейшем виде. Нам понадобится определение кривизны окружности: это величина, обратная радиусу. Например, окружность с радиусом 2 имеет кривизну 1/2.

Декарт пришел к следующему выводу: если кривизны «целующихся» окружностей равны k1, k2, k3, k4, то соотношение между ними укладывается в формулу:

Например, если три большие окружности имеют радиус/кривизну 1, а кривизна малой окружности равна c, то из формулы (*) следует:

Решение квадратного уравнения дает

Таким образом,

Отрицательное число нам не подходит, ведь как радиус/кривизна окружности может быть меньше нуля? Таким образом, кривизна малой окружности равна примерно 6,464, а радиус – примерно 0,1547.

Четыре окружности могут «поцеловаться» иначе. Начертим снова три окружности, касающиеся друг друга, но вместо малой окружности внутри опишем большую окружность, касающуюся всех трех окружностей снаружи:

Хорошая новость: решение Декарта по-прежнему остается в силе. Фокус состоит в том, чтобы взять отрицательный корень квадратного уравнения с обратным знаком!

Например, давайте снова рассмотрим три окружности с радиусом 1. Формула (*) вновь приводит нас к двум ответам. Но теперь большая окружность имеет кривизну где-то 0,464 и радиус где-то 2,1547.

Иначе говоря, формула Декарта работает и в том случае, когда мы вычисляем радиус малой окружности внутри трех, касающихся друг друга, и в том случае, когда мы ищем радиус большой окружности, охватывающей эти три.

Если корень уравнения отрицательный, речь идет об описанной окружности; в случае положительного корня речь идет о вписанной окружности. А теперь другой вопрос: что означает нулевая кривизна? Сама формулировка подсказывает, что «окружность» с нулевой кривизной представляет собой прямую линию.

Решение Декарта в 1930-е годы заново открыл Фредерик Содди. Он был настолько поражен элегантностью формулы, что сочинил стихотворение под названием «Прицельный поцелуй». Вот вторая строфа, где зарифмована формула (*):

Есть еще один вариант поцелуя четырех окружностей. На сей раз они будут касаться друг друга попарно, выстроившись в кольцо. Иными словами, касаются первая и вторая окружности, вторая и третья, третья и четвертая, четвертая и первая. Итого мы имеем четыре точки соприкосновения.

Удивительно, но факт: эти четыре точки всегда будут лежать на другой окружности, пятой по счету.

Теорема Паскаля о шестиугольнике

Я завершу эту главу теоремой, доказанной Блезом Паскалем.

Расставим на окружности шесть точек: A, B, C, D, E и F. Соединим их отрезками, чтобы возник перекрученный шестиугольник:

A → D → B → F → C → E → A .

Теорема Паскаля говорит о том, что три точки, в которых пересекаются пары отрезков DB и CE, AD и FC, BF и EA (на чертеже они отмечены буквами X, Y, Z соответственно) всегда будут лежать на одной прямой!

Отмечу, что теорема Паскаля верна и в случае шести точек, лежащих на эллипсе.

Плотность гексагональной упаковки кругов

Предположим, все круги имеют радиус 1. Центры четырех соседних кругов расположены на вершинах ромба со стороной 2.

Ромб состоит из двух равносторонних треугольников. Высота равностороннего треугольника [169] со стороной 2 равна √3. Таким образом, площадь треугольников равна

Площадь ромба вдвое больше: 2√3

Теперь давайте подумаем, какой процент площадей кругов покрывает ромб. Два круга покрыты на 1/6 и еще два – на 1/3. Все вместе дает площадь одного круга с радиусом 1, то есть π.

Соотношение покрытой кругами площади к общей площади равно #i_282.png

 

Глава 16

Платоновы тела

Равносторонний треугольник – это геометрическая фигура, состоящая из трех равных между собой отрезков, пересекающихся под углом 60°. Квадрат – фигура, состоящая из четырех равных между собой отрезков, пересекающихся под углом 90°. Это примеры правильных многоугольников – фигур, состоящих из равных между собой прямых отрезков, пересекающихся под равными углами. На рисунке изображен правильный семиугольник (гептагон).

Некоторые дорожные знаки (например, знак «Движение без остановки запрещено») имеют форму правильного восьмиугольника (октагона).

Задумавшись на секунду, мы поймем, что правильных многоугольников бесконечно много: существует правильный n-угольник при любом натуральном n ≥ 3.

Мы вычерчиваем многоугольники на плоскости. А как насчет родственных им фигур в трехмерном пространстве?

Многогранники

«Перешедшие на следующий уровень» многоугольники в трехмерном пространстве называют многогранниками (или полиэдрами). Многогранник – это пространственная фигура с плоскими гранями, каждая из которых представляет собой многоугольник. Среди наиболее известных многогранников – треугольная призма и пирамида с квадратным основанием. Треугольная призма состоит из трех прямоугольников и двух треугольников. Пирамида состоит из четырех треугольников и одного квадрата.

Как расширить идею правильного многоугольника на пространственные фигуры? Правильный многогранник имеет конгруэнтные грани и углы.

Расширение до трех измерений требует, чтобы все части многогранника были конгруэнтны между собой. Таким образом:

– все ребра многогранника равны между собой;

– все углы, под которыми пересекаются два ребра, равны между собой;

– в каждой вершине пересекается одинаковое число ребер;

– все углы между соседними гранями равны между собой.

Из первых двух условий следует, что все грани правильного многогранника конгруэнтны и представляют собой правильные многоугольники.

Наверное, самый известный правильный многогранник – это куб, состоящий из шести граней, каждая из которых представляет собой правильный четырехугольник (квадрат). На рисунке изображены еще четыре правильных многогранника.

• Тетраэдр состоит из 4 равных между собой треугольников.

• Октаэдр состоит из 8 равных между собой треугольников (вообразите, что вы склеили две пирамиды с квадратным основанием).

• Додекаэдр образован 12 правильными пятиугольниками.

• Икосаэдр состоит из 20 равносторонних треугольников.

На рисунке изображены развертки правильных многогранников. Вы можете перерисовать эти фигуры, вырезать их и склеить бумажные модели. В продаже бывают наборы для изготовления правильных многогранников.

Пять правильных многогранников известны под названием платоновы тела. Существуют ли другие правильные многогранники?

На рисунке вы видите звездчатый икосаэдр, чьи грани представляют собой равносторонние треугольники, однако эта пространственная фигура не является правильным многогранником, потому что не все грани пересекаются под равными углами, и не во всех вершинах пересекается одинаковое число ребер (при острых углах пересекаются три ребра, а в звездчатом центре – десять ребер).

Найти другие правильные многогранники нам поможет чудесная формула, названная в честь Леонарда Эйлера (мы впервые познакомились с ним в главе 7).

Формула Эйлера для многогранников

У многоугольника столько же углов, сколько сторон. Ситуация с многогранниками сложнее: у них есть вершины, ребра и грани. В таблице указано, сколько каких элементов есть у многогранников, с которыми мы познакомились в этой главе:

Изучите таблицу повнимательней. Видите ли вы взаимосвязь между количеством вершин, ребер и граней? Она есть, и достаточно простая. Ответ вы найдете ниже, но гораздо интереснее вывести формулу самостоятельно. Обозначьте количество вершин, ребер и граней буквами V, E и F соответственно.

А пока вы размышляете над выводом формулы соотношения между V, E и F, я сверю данные в таблице. Для простой пространственной фигуры (например, для пирамиды) посчитать количество составляющих ее частей несложно: пять вершин (четыре у основания и одна сверху), восемь ребер (опять-таки четыре у основания и еще четыре, ведущие наверх) и пять граней (четыре треугольника, один квадрат). Тетраэдр и призма тоже не вызывают затруднений. О кубе и говорить нечего – все мы с ним знакомы. У куба восемь вершин (четыре снизу, четыре сверху), 12 ребер (четыре внизу, четыре вверху и четыре вертикальных), 6 граней (мы все играли в кости).

Другие многогранники сложнее себе представить. Ради простоты можно расплющить их следующим образом: представьте, что многогранник пустой изнутри и мы вырезаем ножницами одну из граней, а потом растягиваем многогранник, пока он не станет плоским. На рисунке показано, что получится в итоге.

Начнем с октаэдра. На рисунке ясно видно: V = 6. Во время подсчета граней легко ошибиться и сказать, что их семь, но не будем забывать об одной вырезанной грани. Таким образом, F = 8.

А вот маленький трюк для подсчета ребер. Пометьте штрихом ребра, сходящиеся у каждой вершины, таким образом:

Сколько штрихов на рисунке? У каждой вершины сходятся по четыре ребра, поэтому количество штрихов в четыре раза больше количества вершин: 4 × V = 4 × 6 = 24. С другой стороны, на каждом ребре по два штриха, и если количество штрихов равно 2E, то E = 12.

Продолжим в том же духе с икосаэдром. На плоском рисунке мы видим три вершины у острых углов, шесть, образующих правильный шестиугольник, и еще три в центре. Итого V = 3 + 6 + 3 = 12. Посчитаем грани: 9 треугольников на плоском рисунке имеют вершины при острых углах, вершины еще 9 совпадают с вершинами шестиугольника, плюс еще один треугольник лежит в сердцевине. Итого 9 + 9 + 1 = 19, и не будем забывать про вырезанную грань; таким образом, F = 20. Для подсчета ребер мы используем трюк со штрихами. Пометив ребра, сходящиеся у вершин, мы нанесем в общей сложности 5 × 12 = 60 штрихов, по пять около каждой вершины. Поскольку на каждом ребре оказалось по два штриха, E = 30.

Пришло время вернуться к великолепной формуле, показывающей соотношение вершин, ребер и граней многогранников; впервые она была открыта Эйлером, а теперь (я надеюсь) ее заново открыли вы.

Отмечу, что сумма количества вершин и граней на 2 больше количества ребер. Например, у куба V = 8, а F = 6, следовательно, V + F = 14, что на 2 больше E = 12. Таким образом, V + F = E + 2. Обычно формулу Эйлера записывают следующим образом:

V – E + F = 2. (A)

Посмотрим, как это работает.

Мы расплющили наши многогранники, вынув одну грань и растянув то, что осталось. Количество областей на плоском рисунке в точности равно количеству граней F: вынутая грань соответствует всему контуру целиком, другие грани соответствуют контурам внутри. Таким образом, количество вершин, ребер и областей равно V, E и F соответственно. Алгебраическое выражение V – E + F имеет определенное числовое значение; сейчас я постараюсь убедить вас, что оно неизменно равно 2.

Для начала я сотру одно ребро. Что произойдет с количеством вершин, ребер и областей? Количество вершин не поменялось – я всего лишь стер ребро. Количество ребер, естественно, уменьшилось на 1. А что произошло с количеством граней? Как можно видеть на рисунке, две грани по обе стороны исчезнувшего ребра слились в одну грань, так что количество граней уменьшилось на единицу.

Обозначим количество вершин/ребер/граней на новом рисунке через V', E' и F'. Что мы имеем?

V' = V ,

E' = E  – 1,

F' = F  – 1.

Следовательно, V' – E' + F' = V – (E – 1) + (F – 1) = V – E + F.

Если я докажу, что V' – E' + F' = 2, то и V – E + F = 2.

Моя стратегия такова: я стану стирать всё новые и новые ребра. Всякий раз количество ребер и количество граней будет уменьшаться на единицу. Но мне следует проявить осторожность. Рано или поздно я дойду до ребра, слева и справа от которого будет одна и та же область; поглядите на жирную черточку на рисунке. Я не должен стирать ребра таким образом, чтобы рисунок оказался разбит на несколько не связанных между собою замкнутых областей.

Сколько бы ребер я ни стер, число V – E + F (чему бы оно ни было равно) останется неизменным.

В конце концов все области сольются в одну (в наших обозначениях F = 1), и я не смогу безболезненно извлечь больше ни одного ребра (посмотрите на рисунок). После этого я перейду ко второй части своих разрушительных поисков.

На рисунке больше нет замкнутых областей. Я возьму любую вершину наугад и отправлюсь в вояж по ребрам и вершинам. Этот путь не сможет привести меня в исходную вершину, поскольку замкнутых областей больше нет; рано или поздно он закончится (так как количество вершин конечно), в некоторой вершине он зайдет в тупик. Эту вершину называют лист.

Я начну срывать листья и отламывать «ветки», на которых они держатся. Что произойдет с числом V – E + F? Количество вершин будет уменьшаться на 1 (сорванный лист), количество ребер тоже будет уменьшаться на 1 (сорванная «ветвь»), а количество граней останется неизменным (у нас всего одна грань). Иными словами,

V' = V  – 1,

E' = E  – 1,

F' = F = 1.

Таким образом, V' – E' + F' = (V – 1) – (E – 1) + F = V – E + F. Чему бы ни было равно число V – E + F, после уничтожения очередного листа и ребра оно останется прежним.

Сколько бы листов и соответствующих им ребер я ни стирал, замкнутых областей на рисунке не появится. Я буду выбирать новый лист, стирать его и соответствующее ребро и т. д. В конце концов на графе останется всего одна вершина. Но число V – E + F не поменяется.

Подведу итог. Я расплющил многогранник. Удалил ребра таким образом, чтобы замкнутые области не оставались изолированными друг от друга; в конце концов число замкнутых областей свелось к нулю; значения V, E и F менялись, но число V – E + F оставалось неизменным. Дальше я стал срывать листья и стирать соответствующие им ребра, пока не осталась одна-единственная уцелевшая вершина. И вновь значения V, E и F менялись, но число V – E + F прошло без потерь сквозь все катаклизмы. Итак, у меня есть одна вершина, одна область (ничем не ограниченное пространство вокруг этой вершины) и ни одного ребра. Иными словами, в финале моих деструктивных операций V = 1, E = 0, F = 1. Если я подставлю эти числа в формулу V – E + F, то получу 2. Так я подтвердил тождество (A) – формулу Эйлера для многогранников!

Есть там кто еще?

Мы познакомились с пятью правильными многогранниками: тетраэдром, кубом, октаэдром, додекаэдром и икосаэдром. С помощью формулы (A) я покажу, что других правильных многогранников не существует.

Я буду использовать пять букв для параметров правильного многогранника. Первые три вам хорошо знакомы: V – количество вершин, E – количество ребер и F – количество граней. Все грани правильного многогранника – правильные многоугольники; обозначим количество сторон каждой из граней буквой n. В каждой вершине сходится одинаковое число ребер; обозначим его буквой r.

Вот параметры для платоновых тел:

Давайте проработаем алгебраические взаимосвязи между этими числами.

Во-первых, напомню формулу Эйлера:

V – E + F = 2. (A)

Во-вторых, мы будем использовать прием со штрихами, чтобы выяснить соотношение между E, V и r. Пометим штрихом оба конца каждого ребра. Общее количество штрихов – 2E. Кроме того, мы нанесем r штрихов возле каждой вершины, обозначив сходящиеся там ребра; всего у нас будет rV штрихов. Если все проделать аккуратно, оба числа совпадут:

2E = rV . (B)

В-третьих, выясним соотношение между E, F и n. Нам снова поможет прием со штрихами, но на сей раз мы станем наносить их, постепенно двигаясь по граням. Будем поочередно помечать штрихом ребра каждой грани. Как и раньше, на каждом ребре окажется по два штриха (так как оно отделяет две грани). Итак, с одной стороны, количество штрихов 2E, а с другой стороны, количество штрихов nF (n штрихов на каждой из F граней). Таким образом,

2E = nF . (C)

Давайте убедимся, что формулы (A), (B) и (C) верны для додекаэдра:

V – E + F = 20–30 + 12 = 2;

2 E = 2 × 30 = 60 = 3 × 20 = rV ;

2 E = 2 × 30 = 60 = 5 × 12 = nF .

Сделаем еще кое-что.

Исходя из (B), мы имеем а исходя из (C), мы получаем Подставим эти значения в формулу (A):

Поделим на 2E:

Прибавим к обеим частям 1/2:

Эту формула нам скоро понадобится.

Соотношение (D) показывает, что r и n не могут быть слишком большими числами. Например, нет такой ситуации, при которой r = n = 5, потому что тогда что не больше 1/2. Давайте подумаем над возможными значениями r и n.

Вначале отметим, что r и n должны быть равны по меньшей мере 3. Грани – это многоугольники, и первая фигура в ряду n-угольников – треугольник. Многогранник – пространственная фигура; если r = 2, то в одной вершине встречаются всего два ребра; в случае с объемной фигурой необходимо r ≥ 3.

Переберем все возможные значения n:

Итак, есть всего 5 пар (n, r): (3, 3), (3, 4), (3, 5), (4, 3) и (5, 3).

Обладая значениями n и r, мы можем вычислить значение E (исходя из формулы и затем вывести V и F, используя формулы (B) и (C). Вот выкладки для всех пяти случаев:

Исходя из (B), 2E = rV. Следовательно, 12 = 3V, и V = 4.

Исходя из (C), 2E = nF. Следовательно, 12 = 3F, и F = 4.

Вывод: ( n, r ) = (3, 3) означает, что ( V, E, F ) = (4, 6, 4). Единственная возможность склеить четыре равносторонних треугольника в пространственную фигуру – это тетраэдр;

Исходя из (B), 2E = rV. Следовательно, 24 = 4V, и V = 6.

Исходя из (C), 2E = nF. Следовательно, 24 = 3F, и F = 8.

Вывод: ( n, r ) = (3, 4) означает, что ( V, E, F ) = (6, 12, 8). Единственный способ склеить восемь равносторонних треугольников в пространственную фигуру так, чтобы в каждой вершине сходились четыре ребра, – это октаэдр;

Исходя из (B), 2E = rV. Следовательно, 60 = 5V, и V = 12.

Исходя из (C), 2E = nF. Следовательно, 60 = 3F, и F = 20.

Вывод: ( n, r ) = (3, 5) означает, что ( V, E, F ) = (12, 30, 20). Единственный способ склеить 20 равносторонних треугольников так, чтобы в каждой вершине сходились пять ребер, – это икосаэдр;

– (n, r) = (5, 3): вычисления опять-таки похожи; (V, E, F) = (20, 30, 12). Единственный способ склеить 12 правильных пятиугольников так, чтобы в каждой вершине сходились 5 ребер, – это додекаэдр.

С помощью великолепной формулы Эйлера и незамысловатых алгебраических выкладок мы доказали, что не существует других правильных многогранников, кроме пяти платоновых тел!

Архимедовы тела

Грани правильного многогранника должны быть одинаковыми правильными многоугольниками, но если мы ослабим это условие, обнаружится новая разновидность многогранников. Пусть грани будут по-прежнему правильными многоугольниками, но не обязательно одинакового типа. Вместо этого введем условие симметрии: многогранник должен выглядеть одинаково, какую вершину ни возьми. Будем называть такие многогранники полуправильными.

Например, мы можем изготовить призму из двух равносторонних треугольников и четырех квадратов. Вершины призмы ничем не отличаются друг от друга: в каждой сходятся два квадрата и один треугольник.

Мы можем изготовить и другие призмы. Например, соединить два правильных пятиугольника, лежащих в параллельных плоскостях, четырьмя квадратами.

Таким образом, семейство полуправильных многогранников оказывается бесконечно большим.

Есть и другое бесконечное семейство. Возьмем два правильных n-угольника (например, два пятиугольника), лежащих в параллельных плоскостях, но слегка повернутых друг относительно друга. Соединим их вершины зигзагом и получим хоровод треугольников. Если мы правильно рассчитаем расстояние между двумя основаниями, треугольники будут равносторонними. Многогранники, построенные таким образом, называют антипризмами.

Одно из платоновых тел – призма, еще одно – антипризма. Догадываетесь, какие именно? Ответ будет в конце главы.

Призмы, антипризмы и платоновы тела – не единственные полуправильные многогранники. Ко всему прочему есть тринадцать архимедовых тел. Вы легко найдете в интернете, как все они выглядят; сейчас же мы поговорим всего лишь об одном из них.

Если срезать угол икосаэдра, сечение будет иметь форму правильного пятиугольника, потому что в каждой вершине встречаются пять треугольников. Если мы срежем все 12 углов, 20 треугольных граней превратятся в шестиугольники. Если делать срезы аккуратно, стороны шестиугольников окажутся равны между собой. В итоге мы получим усеченный икосаэдр. Если мы сошьем из кожи усеченный икосаэдр, раскрасим шестиугольники белым, а пятиугольники черным и закачаем внутрь воздух, то получится футбольный мяч!

 

Глава 17

Фракталы

Фигуры, о которых нам рассказывали на уроках геометрии в школе, просты и понятны. Их границы четко очерчены. Все отрезки прямые, а окружности ровные. Из космоса Земля похожа на гладкую-прегладкую жемчужину, но вблизи все оказывается несколько сложнее. Крутые горные вершины возвышаются над волнистыми песчаными дюнами и бушующим океаном. Реки извиваются, леса заполнены ветвистыми деревьями. Если мы закажем художнику изобразить поверхность Земли с помощью прямых линий и дуг окружности, получится дичайший абстракционизм.

Геометрические фигуры, порожденные природой, имеют неровные границы, плохо выражаемые с помощью уравнений. Какова форма облака или пламени костра? «Начала» Евклида становятся бесполезны. Совершенно иные фигуры наполняют наш смутный изменчивый мир.

Треугольник Серпинского [177]

Начнем с рецепта.

Нам понадобится кусок теста и несколько чрезвычайно острых ножей. Кроме того, придется нанять побольше поваров.

Аккуратно вырежем из теста равносторонний треугольник.

Шеф-повар должен безошибочно вырезать (и выбросить) треугольник, вершины которого лежат в серединах сторон большого треугольника. Процесс изображен на рисунке.

Остаются три равносторонних треугольника. Они соприкасаются вершинами. Их площади в четыре раза меньше сторон большого треугольника.

Дальше шеф-повар вызывает трех помощников и велит им проделать такую же процедуру с треугольниками поменьше. Получится девять треугольников в 16 раз меньше большого.

Разумеется, помощники шеф-повара сами метят в шеф-повара. Каждый вызывает трех своих помощников и просит их проделать эту процедуру с маленькими треугольниками.

Процесс продолжается и продолжается. Каждый, кто участвует в нем, вызывает трех своих помощников и велит рассечь треугольники по тому же принципу. И вот что получается:

Бессчетные подручные орудуют ножами. Их становится все больше и больше, их число стремится к бесконечности. В конце концов – когда бы ни наступил этот конец – мы получим треугольник Серпинского.

Треугольник Серпинского, как и всякий фрактал, обладает двумя особенностями: он самоподобен и имеет дробную размерность.

Легко понять, что такое самоподобие. Треугольник Серпинского состоит из трех маленьких копий самого себя, а каждая из этих копий состоит из трех других копий. Когда вы вооружитесь мощнейшим микроскопом, обнаружится, что мельчайшие треугольники собраны из собственных копий. Все составные части подобны друг другу.

Но что такое дробная размерность?

Между измерениями

Объекты в евклидовой геометрии можно рассортировать по количеству измерений.

Отрезки, дуги окружностей, границы квадратов и все такое прочее имеет одно измерение. У них есть длина, но нет толщины. Винтовая линия тоже одномерна, хотя закручивается в трехмерном пространстве.

Четырехугольники, пятиугольники, шестиугольники (на сей раз мы учитываем области внутри), круги и другие фигуры подобного рода имеют два измерения: у них есть площадь, но нет объема. Поверхность цилиндра имеет два измерения, хоти и не лежит на ровной плоскости.

Шары, кубы и другие фигуры того же класса имеют три измерения: у них есть объем.

А как насчет треугольника Серпинского? Мы начали с обычного равностороннего треугольника; видимо, у треугольника Серпинского два измерения. Но как узнать его площадь?

Для простоты будем считать, что площадь исходного треугольного куска теста равна 1 условной единице площади (например, одному квадратному сантиметру). Шеф-повар рассек треугольник на четыре одинаковых куска. Площадь выброшенного куска равна 1/4 изначальной площади; таким образом, на первом шаге площадь нашей фигуры равна 3/4 квадратного сантиметра.

Три помощника шеф-повара вырезали еще 1/4 площади, осталось 3/4 от 3/4 площади самого большого треугольника. Помощники помощников шеф-повара вырезали еще 1/4… Иными словами, на этапе n остается начальной площади.

После 16 этапов около 99 % площади исчезнет. Если устремить n к бесконечности, вся площадь уничтожится; останутся лишь границы треугольников, у которых нет никакой площади.

Получается, у треугольника Серпинского одно измерение? Если так, то попробуем вычислить его длину.

Начнем сразу с пустого треугольника. Дальше добавляются три отрезка, соединяющих середины сторон треугольника. Повторим эту процедуру с тремя треугольниками по краям, не трогая треугольник по центру. Мы будем множить треугольники снова и снова следующим образом:

Для удобства расчетов будем считать, что длина стороны большого треугольника равна 1 условной единице. Таким образом, сумма длин его сторон составляет 3.

Новый треугольник внутри большого добавляет три отрезка, длина каждого равна 1/2. То есть на первом этапе общая длина возрастает на 3/2.

На втором этапе появляется еще девять отрезков (по три внутри каждого из трех треугольников по краям). Длина каждого маленького отрезка равна 1/4, и нам нужно прибавить к общей длине еще 9/4.

На третьем этапе возникают еще 27 отрезков (по три внутри девяти треугольников). Длина каждого равна 1/8, поэтому мы прибавляем 27/8 к итоговой длине.

Следующий этап прибавляет 81/16, и т. д. На этапе n мы прибавляем Чем больше n, тем больше общая длина.

Вывод: сумма длин всех отрезков, составляющих треугольник Серпинского, бесконечна!

Треугольник Серпинского имеет нулевую площадь и бесконечную длину. Неужели у этой фигуры больше одного измерения и меньше двух? Умозаключение кажется туманным, можно выразиться поточнее. Сейчас мы покажем, что треугольник Серпинского имеет измерение 1,5849625007… Честное слово!

Подсчитываем клеточки

Количество измерений геометрической фигуры характеризует ее «толщину». Объект с одним измерением (например, отрезок) «тоньше», чем область внутри треугольника, а она, в свою очередь, «тоньше», чем шар. Посмотрим, как выразить эту расплывчатую идею «толщины» и «тонкости» на строгом математическом языке.

Идея состоит в том, чтобы начертить фигуру на миллиметровке. Мы будем рисовать одну и ту же фигуру снова и снова на бумаге со все более и более мелкой сеткой.

Проиллюстрируем эту идею с помощью незамысловатой загогулины. Изобразим одну и ту же загогулину на бумаге, размеченной клеточками 1 × 1, затем 1/2 × 1/2, затем 1/4 × 1/4 и т. д. Вот результат:

Мы закрасили клеточки, затронутые нашей кривой. Посчитаем их количество:

Заметим, что при уменьшении стороны клеточки вдвое мы, грубо говоря, удваиваем количество клеточек, необходимых для покрытия кривой. Почему так? Каждая клеточка покрывает часть длины кривой. Когда мы уменьшаем длину клеточки в два раза, нам нужно где-то в два раза больше клеточек. Это соотношение можно выразить уравнением:

Здесь N – количество клеточек, затронутых кривой, а g – длина стороны одной клеточки. Символ означает «пропорционально» и подразумевает неточность соотношения. Если бы наша кривая была обычным отрезком прямой линии, мы бы вывели точное уравнение. Но стоит ненамного скрутить прямую линию, и соотношение становится несовершенным.

Продолжим подсчитывать клеточки, на сей раз затронутые двумерной фигурой – кругом с радиусом 1.

Будем снова и снова вычерчивать наш круг на бумаге с клеточками 1 × 1, 1/2 × 1/2, 1/4 × 1/4 и т. д. Всякий раз мы станем закрашивать клеточки, затронутые кругом, то есть те, что расположены внутри круга, и те, которые пересекает окружность.

На бумаге, расчерченной 1 × 1, разместим центр круга на перекрестье клеточек; легко заметить, что он затрагивает ровно четыре клеточки. Изобразим развитие ситуации на следующих этапах:

На втором этапе круг затрагивает все 16 клеточек, затем все клеточки, кроме 4, то есть 60. Считать дальше скучно, поэтому доверим процесс компьютеру. Вот результат:

Сразу видно, что уменьшение стороны клеточки в 2 раза приводит к увеличению числа закрашенных клеточек примерно в 4 раза. Вот точные соотношения:

Грубо говоря, число закрашенных клеточек действительно возрастает в четыре раза. Но это приближение становится не таким грубым, когда число клеточек увеличивается. Почему?

Когда площадь клеточек мала, подавляющее большинство закрашенных клеточек лежит внутри круга. Кое-какие можно увидеть на периферии, но их ничтожно мало по сравнению с другими. Когда мы уменьшаем сторону клеточки вдвое, клеточек внутри круга становится больше в четыре раза, а вот количество клеточек на периферии увеличивается на меньшее число, потому что часть из них окружность не пересекает.

Рассуждая таким образом, мы поймем, что уменьшение стороны клеточки в 10 раз приводит к росту числа закрашенных клеточек примерно в 100 раз. Внутри круга клеточек становится ровно в 100 раз больше, но применительно к границе это утверждение не совсем верно.

Мы можем выразить соотношение между количеством клеточек, затронутых кругом, и длиной стороны клеточки следующим образом:

Вот еще один способ убедиться в том, что формула (B) верна. Площадь круга равна πr². Если радиус круга равен 1, его площадь равна π.

Нарисуем круг на бумаге с клеточками g × g и посчитаем, сколько клеточек он затронул; обозначим их количество буквой N. Каждая клеточка имеет площадь g². Общая площадь закрашенных клеточек почти совпадает с площадью круга. Таким образом,

π ≈ Ng ².

Следовательно, В упрощенном виде это приводит к соотношению

Мы нашли способ подсчитывать длины одномерных фигур и площади двумерных.

Соотношение (A) верно не только для нашей загогулины, но и для любого одномерного объекта. Когда мы делаем сетку мельче в 10 раз, количество клеточек, затронутых линией, вырастает примерно в 10 раз.

Соотношение (B) тоже выполняется не только для круга, но и для любой двумерной фигуры. Делаем сетку мельче в 10 раз – и количество клеточек, затронутых кругом, увеличивается примерно в 100 раз, потому что внутри одной большой клеточки теперь располагается 100 маленьких.

Итак:

Размерность треугольника Серпинского

Мы теперь умеем уверенно отличать одномерные объекты от двумерных. Вычерчиваем объект на миллиметровке, делаем сетку все более мелкой и на каждом этапе подсчитываем затронутые им клеточки. Если выполняется соотношение (A), объект одномерный; если соотношение (B), объект двумерный.

Посмотрим, что произойдет с треугольником Серпинского на клетчатой бумаге. Уместим его в клеточку 1 × 1. На рисунке показано, что будет при уменьшении размера клеточек до 1/2, 1/4, 1/8 и 1/16:

В первом случае затронуты все 4 клеточки. Во втором случае не затронуты 2 клеточки слева сверху и 2 клеточки справа сверху, а всего клеточек 16 штук. Вот таблица целиком:

Вопрос: когда мы уменьшаем сторону клеточки вдвое, количество клеточек, затронутых нашей фигурой, увеличивается в два раза (случай одномерного объекта) или в четыре раза (случай двумерного объекта)?

Разумеется, вся соль в том, что ни один из двух вариантов не подходит. На новом этапе количество клеточек вырастает ровно в три раза. Их число растет быстрее, чем в случае одномерных объектов, но медленнее, чем в случае двумерных. Таким образом, размерность треугольника Серпинского лежит между двумя целыми величинами.

Мы можем в точности вычислить размерность треугольника Серпинского, но это потребует базовых знаний о логарифмах и некоторых алгебраических выкладок. Если вам все это в тягость, можете спокойно пропустить следующие абзацы.

Итак, цель состоит в том, чтобы найти формулу вроде (A) или (B): Число d в ней и будет количеством измерений нашей фигуры.

Если сторона клеточки равна (где k – натуральное число), то Вот проверка:

Формула дает в точности те же числа, что и в предыдущей таблице.

Задача состоит в том, чтобы найти такое число d, что Прологарифмируем обе части:

Мы знаем Подстановка в предыдущую формулу дает:

Наряду с треугольником Серпинского существует ковер Серпинского. Вот этапы его построения:

Устремляясь к бесконечности, мы получим такую картинку:

Как вы думаете, какова размерность этого фрактала? Ответ вы найдете в конце главы.

Серпинский и Паскаль

Студенты на факультетах математики до потери пульса разлагают на множители полиномы, в первую очередь степени x + y. Восстановим в памяти, о чем идет речь:

Мы можем расположить коэффициенты данных полиномов в таблице. Ее называют треугольником Паскаля:

Мы расположили эти числа по квадратам, а теперь давайте раскрасим некоторые из них черным цветом. Пусть квадраты с нечетными числами станут черными, а квадраты с четными останутся белыми:

Продолжим вплоть до 64 ряда. Как вы думаете, что получится?

Разве это не великолепно?

Снежинка Коха

Я хочу завершить главу, посвященную фракталам, рассказом о неотразимой фигуре, придуманной Хельге фон Кохом. Алгоритм ее построения чрезвычайно прост. Мы начинаем с прямого отрезка, делим его на три части и строим равносторонний треугольник на основе среднего из трех новых отрезков. Затем мы удаляем центральный отрезок. Теперь у нас есть четыре отрезка, каждый из которых в три раза меньше исходного. Мы повторяем процедуру с каждым из этих отрезков.

Чтобы получить снежинку целиком, начнем с равностороннего треугольника и проделаем описанную процедуру с каждой из его сторон. Это выглядит следующим образом:

Устремляясь к бесконечности, мы получим снежинку Коха.

 

Глава 18

Гиперболическая геометрия

Постулаты Евклида

Математики помешаны на определениях. Мы требуем, чтобы все концепции базировались на кристально ясных, недвусмысленных определениях. Потому любая математическая идея основана на более простых идеях. Треугольник состоит из отрезков. Рациональные числа – это отношения целых чисел.

Спускаясь с башни математических определений, рано или поздно мы дойдем до фундамента. Для греков в основании всего лежала геометрия.

Евклид не пытался дать определения базовым геометрическим объектам – точке, прямой линии, плоскости. Он поступил иначе: принял за данность определенные фундаментальные свойства, которыми обладают эти объекты. Тезисы Евклида называют постулатами, или аксиомами.

Чтобы дать старт геометрии, Евклид сформулировал пять основных постулатов. В грубом переводе они звучат так:

1. Если даны две точки, есть одна и только одна прямая, проходящая через эти точки.

2. Если дан отрезок, его можно неограниченно продолжать по прямой.

3. Если дана точка и отрезок, есть одна и только одна окружность с центром в данной точке и радиусом, равным данному отрезку.

4. Любые два прямых угла равны между собой.

5. Если две прямые пересекают данную прямую и внутренние углы, получившиеся при пересечении, вместе меньше двух прямых углов, эти две прямые рано или поздно пересекутся (см. рисунок).

Первые четыре постулата просты, их легко понять. Но пятый вносит некоторую неразбериху. Подумаем, о чем он говорит.

Обозначим исходную прямую L0, а две другие – L1 и L2. Прямые L0 и L1, а также L0 и L2 пересекаются под некоторыми углами.

Постулат требует от нас рассмотреть ситуацию, при которой внутренние углы (лежащие по одну сторону от L0) меньше прямых. Стрелочки на рисунке указывают на углы, которые имел в виду Евклид. Они лежат по одну сторону L0 и обращены друг к другу.

Переходим к сути постулата. Если эти два угла меньше прямых, L1 и L2 вынуждены пересечься. Точки пересечения нет на рисунке, но несложно видеть, что прямые действительно неминуемо встретятся.

Приняв эти пять постулатов за данность, Евклид перешел к доказательству сонма дивных теорем.

Пятый постулат Евклида кажется неуклюжим. Его неприглядность контрастирует с изяществом и простотой первых четырех постулатов. Математика основана не только на практике, но и на эстетике, поэтому формулировка Евклида взывает к редактуре.

Мы предлагаем вашему вниманию более простой вариант.

5'. Если дана прямая и точка, не лежащая на данной прямой, есть одна-единственная прямая, проходящая через данную точку и не пересекающая ее.

Эта альтернативная версия пятого постулата Евклида известна под названием постулат о параллельных прямых. Посмотрим, что он означает.

Нам даны прямая L и точка P, не лежащая на ней. Посмотрите на рисунок. Постулат 5' утверждает, что существует другая прямая, проходящая через точку P и параллельная данной (обозначена пунктирной линией), причем одна-единственная.

Математики показали, что пятый постулат Евклида и постулат о параллельных прямых эквивалентны. Это означает, что теоремы, которые мы можем доказать на основе первых четырех постулатов и постулата 5, – те же самые, что можно доказать на основе первых четырех постулатов и постулата 5'.

Несмотря на то что формулировка 5' несколько проще, чем 5, все же она не настолько изящная и блестящая, как первые четыре. Можно ли избавиться от нее? Можно ли доказать постулат о параллельных прямых как теорему и не принимать в качестве фундаментального утверждения?

Постулат о параллельных прямых накладывает два условия: во-первых, существует прямая, проходящая через точку P и не пересекающая прямую L; во-вторых, все другие прямые, проходящие через эту точку, будут пересекать L.

Естественный способ справиться с проблемой – попробовать доказательство от противного. Мы обсуждали этот метод в главе 1. Вот его логика.

(A) Чтобы доказать существование прямой, проходящей через точку P и параллельной L , предположим, что такой прямой не существует.

(B) Чтобы доказать единственность этой прямой, предположим, что существуют две или больше прямых, проходящих через P и параллельных L .

Дальше мы выстраиваем цепочку умозаключений, пока не дойдем до противоречия. Оно свидетельствует о фундаментальной ошибочности утверждения (A) или (B) – смотря что мы предположили:

• Если предположение об отсутствии вышеописанной прямой приводит к противоречию, она существует.

• Если предположение о существовании нескольких вышеописанных прямых приводит к противоречию, такая прямая единственная.

Математики бились как проклятые – и потерпели поражение. Говоря точнее, результат казался диким (треугольник с суммой углов не 180°), но противоречия в нем не было.

Ничего страшного. Математики не тешат себя надеждой, что могут справиться с любой проблемой, встающей на их пути. Мы продолжаем работать как проклятые и передаем пас следующим поколениям, уповая, что у наших преемников возникнут идеи получше.

В случае постулата о параллельных прямых идеи получше возникли, но не такого рода, как можно было ожидать.

Что такое прямая?

Прямая представляет собой множество точек, как и окружность или треугольник. Это множество точек обладает определенными свойствами.

Интуитивно мы понимаем, что такое прямая: она тонкая (у нее нет толщины), ровная и бесконечно продолжается в обоих направлениях. Но такое описание – еще не математическое определение. Чем прямая линия отличается от кривой? Закрепить эту идею не так-то просто.

Как мы уже отмечали, у Евклида был собственный подход к определению базовых объектов, сегодня мы воспринимаем точки и прямые иначе. У нас есть объекты под названием «точки» и множества этих объектов под названием «прямые». Если оба рода объектов удовлетворяют постулатам Евклида, получается система под названием евклидова геометрия.

Если мы изменим утверждения Евклида о фундаментальных свойствах точек и прямых, мы получим геометрию иного типа. Рассмотрим простой пример. Для начала мы сохраним первый постулат Евклида, который гласит:

1. Если даны две точки, есть одна и только одна прямая, проходящая через эти точки.

А дальше включим новый постулат, переворачивающий роли прямых и точек:

1'. Если даны две прямые, есть одна и только одна точка, принадлежащая данным двум прямым [192] .

Должным образом выбранные «точки» и «прямые» могут удовлетворить тому и другому условию. Пусть у нас есть семь точек. Назовем их незамысловатым образом: 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7. Кроме того, у нас есть семь прямых: {1, 2, 3}, {1, 5, 6}, {1, 4, 7}, {2, 5, 7}, {2, 4, 6}, {3, 4, 5} и {3, 6, 7}.

Эти «прямые» не имеют ничего общего с «прямыми» Евклида. Каждая состоит всего из трех точек!

Мы легко удостоверимся, что в этой системе из семи точек и семи прямых верны оба постулата.

• Проверим постулат 1. Возьмем любые две точки, скажем 2 и 5. Они принадлежат прямой {2, 5, 7}, и нет другой прямой, содержащей эти две точки. Вы можете самостоятельно рассмотреть все пары среди семи точек и увидеть, что всегда есть прямая, и только одна, содержащая обе точки.

• Проверим постулат 1'. Выберем любые две прямые, например {1, 4, 7} и {3, 4, 5}. Обе содержат точку 4, и это единственная общая для них точка. Вы можете рассмотреть все пары среди семи прямых и увидеть, что они всегда имеют общую точку, причем всего одну.

Странно рассуждать о геометрии без чертежей. К счастью, можно изобразить данную систему с помощью диаграммы. Семь точек помечены кружочками, а прямые представляют собой отрезки (в большинстве случаев) и окружность (в случае прямой {2, 4, 6}).

Хитрость заключается в том, что мы подобрали некие объекты, назвали их «точками», а затем по определенному принципу сформировали множества этих объектов и назвали их «прямыми». Если все объекты удовлетворяют нашим постулатам, мы по праву можем называть их точками и прямыми, даже если они не имеют ничего общего с точками и прямыми в понимании Евклида.

Евклидовы точки и линии можно определить следующим образом. Точка – пара действительных чисел (x, y). Прямая – множество точек (x, y), удовлетворяющих уравнению ax + bx + c = 0, где числа a и b не равны нулю. С помощью этих определений (и соответствующих определений окружности и угла) можно доказать, что постулаты Евклида выполняются.

Если мы воспринимаем точки как пары чисел, а прямые как решения уравнений, то оказываемся на декартовой плоскости, названной в честь математика и философа Рене Декарта.

Вся плоскость внутри круга

Мы стали своевольничать с употреблением слов «точка» и «прямая». Мы можем назвать что угодно «точкой» и сгруппировать эти точки в множества под названием «прямые», если все они удовлетворяют надлежащим постулатам. Что значит надлежащим? Для Евклида несомненными утверждениями были те пять постулатов, которые мы привели в начале главы.

Я сейчас расскажу о новых определениях «точек» и «прямых», необходимых для создания гиперболической геометрии. В этой геометрии все точки лежат внутри одной окружности. Область внутри нее мы будем называть гиперболической плоскостью.

Прямые на гиперболической плоскости представляют собой дуги окружностей. Это обескураживает: как дуга может быть прямой? Разве дуга не кривая? Давайте говорить «гиперболическая прямая», отличать ее от негибкой тезки.

Вот два способа построения гиперболических прямых:

• Начертите окружность, пересекающую гиперболическую плоскость под двумя прямыми углами. Часть окружности внутри гиперболической плоскости представляет собой гиперболическую прямую.

• Проведите прямую через центр гиперболической плоскости. Часть прямой внутри гиперболической плоскости тоже представляет собой гиперболическую прямую.

На чертеже вы можете видеть три прямые на гиперболической плоскости.

Гиперболическая плоскость – это область внутри обозначенной точками окружности. Две гиперболические прямые – дуги пунктирных окружностей, еще одна гиперболическая прямая – диаметр окружности, обозначенной точками. Замечу, что конечные точки дуг и диаметра не относятся к соответствующим гиперболическим прямым. (Обозначенные пунктиром окружности не входят в гиперболическую плоскость, они просто показывают, по какому принципу мы вычерчиваем гиперболические прямые – это части окружностей, пересекающих обозначенную точками окружность под прямыми углами.)

На следующем чертеже вы видите три гиперболические прямые. Две из них пересекаются, а третья параллельна и той и другой! Такое совершенно невозможно на евклидовой плоскости.

Выводы

Здесь все не так, как мы привыкли. Многие геометрические «факты» на евклидовой плоскости не работают в случае гиперболической плоскости.

Для начала: все не так с треугольниками. На евклидовой плоскости сумма углов треугольника равна 180° (мы доказали это обстоятельство в главе 13, однако опирались на постулат о параллельных прямых). На гиперболической плоскости сумма углов треугольника меньше 180°.

На евклидовой плоскости площадь треугольника может быть настолько большой, насколько мы того хотим. На гиперболической плоскости максимальная площадь треугольника не может превышать некоторой величины, и есть простая формула для подсчета площади. Если сумма углов треугольника равна s, площадь треугольника равна K × (180 – s), где K – определенное число. В соответствии с этой формулой два разных треугольника с равными углами имеют равную площадь. В евклидовой геометрии это не так: скажем, треугольники с углами 35°, 60° и 80° имеют одну и ту же форму (другими словами, подобны), но не обязательно совпадают по размеру. На гиперболической плоскости два треугольника с углами 35°, 60° и 80° не просто совпадают по площади – они конгруэнтны!

Квадрат – это четырехугольник, в котором все углы равны 90°. Вот интересный факт о квадратах на гиперболической плоскости: их попросту не существует! На рисунке изображена фигура на гиперболической плоскости, у которой три угла равны 90°, а четвертый меньше 90°.

Почему прямоугольников здесь нет? Подумаем о четырехугольнике R на гиперболической плоскости. Рассечем его на две части по линии, соединяющей два противоположных угла. Получатся два треугольника. Сумма углов в каждом меньше 180°, поэтому сумма углов образованного ими четырехугольника меньше 360°. Следовательно, все четыре угла не могут быть равны 90°.

Можно замостить евклидову плоскость равносторонними треугольниками или шестиугольниками. Однако нельзя замостить ее правильными пятиугольниками. Почему? Углы правильного пятиугольника равны 108°. Углы при общей вершине трех правильных пятиугольников дают в сумме 324°, что меньше полного угла. Остается зазор. Четыре правильных пятиугольника не могут иметь общую вершину, в противном случае углы при ней давали бы в сумме 432°, что превышает 360°.

В то же время углы правильного n-угольника на гиперболической плоскости зависят не только от n. Мы можем построить правильный пятиугольник, все углы которого равны 90° (посмотрите на иллюстрацию).

Углы при общей вершине четырех таких пятиугольников дают в сумме ровно 360°. Таким образом, ими можно замостить всю гиперболическую плоскость, как показано на рисунке.

Все пятиугольники на рисунке совпадают по размеру и по форме. Они выглядят все меньше и меньше, приближаясь к границе, но это всего лишь особенность изображения гиперболической плоскости. На самом деле все «паркетины» на иллюстрации абсолютно идентичны. Это правильные многоугольники с пятью углами по 90° каждый, и их можно плотно пригнать друг к другу.

Вот еще два примера замощения гиперболической плоскости для услаждения ваших глаз.