#Французские квадраторы восемнадцатого века.#
В прошлом веке Франция особенно была богата занимающимися квадратурой круга. Мы упомянем: Оливье де Серра, который с помощью весов определил, что круг весит столько же, сколько квадрат на стороне равностороннего треугольника, вписанного в него, что, следовательно, они должны иметь одинаковую площадь, эксперимент, в котором π = 3; Матюлона, который предложил в юридической форме награду в тысячу долларов тому, кто укажет на ошибку в его решении проблемы, и который был фактически принужден судами выплатить деньги; Басселена, который верил, что его квадратура должна быть правильной, потому что она согласуется с приближенным значением Архимеда, и который анафематствовал своих неблагодарных современников, в уверенности, что он будет признан потомками; Лиже, который доказал, что часть больше целого и для которого поэтому квадратура круга была детской игрой; Клерже, который основывал свое решение на принципе, что круг — это многоугольник с определенным числом сторон, и который вычислил также, среди прочего, насколько велика точка, в которой соприкасаются два круга.
#Германия и Польша.#
Германия и Польша также поставляют свой контингент в армию занимающихся квадратурой круга. Подполковник Корсонич представил квадратуру, в которой π равнялось 3-1/8, и обещал пятьдесят дукатов тому, кто сможет доказать, что она неверна. Гессе из Берлина написал арифметику в 1776 году, в которой истинная квадратура была также «объявлена», π будучи в точности равным 3-14/99. Примерно в то же время профессор Бишофф из Штеттина защищал квадратуру, ранее опубликованную капитаном Лейстнером, проповедником Меркелем и школьным учителем Бёмом, которая делала π implicite равным квадрату 62/35, даже не достигая приближения Архимеда.
#Конструктивные приближения. Эйлер. Коханский.#
От попыток такого характера следует четко отличать построения приближения, в которых изобретатель осознает, что он не нашел математически точного построения, а только приближенное. Значение такого построения будет зависеть от двух вещей — во-первых, от степени точности, с которой оно выражено численно, и во-вторых, от того, может ли построение быть более или менее легко выполнено с помощью циркуля и линейки. Построения такого рода, простые по форме и все же достаточно точные для практических целей, веками предоставлялись нам в больших количествах. Великий математик Эйлер, умерший в 1783 году, не считал неуместным попытаться сделать приближенное построение такого рода. Очень простое построение для спрямления круга, которое перешло во многие учебники геометрии, — это то, которое опубликовал Коханский в 1685 году в «Leipziger Berichte». Оно таково: «Воздвигните на диаметре круга на его концах перпендикуляры; с центром в качестве вершины отложите на диаметре угол в 30°; найдите точку пересечения с перпендикуляром последней проведенной линии и соедините эту точку пересечения с той точкой на другом перпендикуляре, которая находится на расстоянии трех радиусов от основания перпендикуляра. Полученная таким образом линия соединения тогда очень приближенно равна одной половине окружности данного круга». Вычисление показывает, что разница между истинной длиной окружности и построенной таким образом линией составляет менее 3/100000 диаметра.
#Бесполезность конструктивных приближений.#
Хотя такие построения приближения очень интересны сами по себе, они тем не менее играют лишь подчиненную роль в истории квадратуры круга; ибо, с одной стороны, они никогда не могут обеспечить большую точность для вычисления круга, чем тридцать пять десятичных знаков, которые нашел Лудольф, а с другой стороны, они не приспособлены продвинуть каким-либо образом вопрос о том, возможна ли точная квадратура круга с помощью циркуля и линейки.
#Исследования Ньютона, Лейбница, Валлиса и Броункера.#
Численная сторона проблемы, однако, была значительно продвинута новыми математическими методами, усовершенствованными Ньютоном и Лейбницем, обычно называемыми дифференциальным и интегральным исчислением. И около середины семнадцатого века, некоторое время до того, как Ньютон и Лейбниц представили π рядами степеней, английские математики Валлис и лорд Броункер, предшественники Ньютона в определенном смысле, преуспели в представлении π бесконечным рядом чисел, объединенных первыми четырьмя правилами арифметики. Таким образом был открыт новый метод вычисления. Валлис обнаружил, что четвертая часть π представлена более точно регулярно сформированным произведением
2/3 × 4/3 × 4/5 × 6/5 × 6/7 × 8/7 × 8/9 × и т. д.
чем дальше продолжается умножение, и что результат всегда получается слишком малым, если мы останавливаемся на правильной дроби, но слишком большим, если мы останавливаемся на неправильной дроби. Лорд Броункер, с другой стороны, представляет рассматриваемое значение непрерывной дробью, в которой все знаменатели равны 2, а числители — нечетные квадратные числа. Валлис, которому Броункер сообщил свой элегантный результат без доказательства, продемонстрировал его в своей «Арифметике бесконечных».
Вычисление π едва ли могло быть продвинуто дальше этими результатами, чем Лудольф и другие довели его, хотя, конечно, более трудоемким способом. Однако ряды степеней, полученные с помощью дифференциального исчисления Ньютона и Лейбница, предоставили средство вычисления его до сотен десятичных знаков.
#Другие вычисления.#
Грегори, Ньютон и Лейбниц затем обнаружили, что четвертая часть π была равна в точности
1 - 1/3 + 1/5 - 1/7 + 1/9 - 1/11 + 1/13 - …
если мы представим этот ряд, называемый рядом Лейбница, бесконечно продолженным. Этот ряд действительно удивительно прост, но не приспособлен для вычисления π по той причине, что для получения π с точностью до нескольких десятичных знаков приходится учитывать слишком много членов. Однако исходная формула, из которой выводится этот ряд, дает другие формулы, которые превосходно приспособлены для практических вычислений. Эта формула представляет собой общий ряд:
α = a - 1/3_a_^3 + 1/5_a_^5 - 1/7_a_^7 + …,
где α — длина дуги, соответствующей любому центральному углу в круге радиуса 1, а a — тангенс этого угла. Из этого мы выводим следующее:
π/4 = (a + b + c + …) - 1/3(a^3 + b^3 + c^3 + …) + 1/5(a^5 + b^5 + c^5 + …) - …,
где a, b, c… — тангенсы углов, сумма которых равна 45°. Определяя, таким образом, значения a, b, c…, которые равны простым и удобным дробям и удовлетворяют только что упомянутому условию, мы получаем степенные ряды, приспособленные для вычисления π. Первым, кто с помощью рядов такого описания добавил дополнительные десятичные знаки к прежним 35 знакам в числе π, был английский арифметик Абрахам Шарп, который, следуя инструкциям Галлея, в 1700 году вычислил π до 72 десятичных знаков. Чуть позже Мэчин, профессор астрономии в Лондоне, вычислил π до 100 десятичных знаков; подставив в приведенный выше ряд a = b = c = d = 1/5 и e = -1/239, то есть используя следующий ряд:
π/4 = 4. [1/5 - 1/3.5^3 + 1/5.5^5 - 1/7.5^7 + …] - [1/239 - 1/3.239^3 + 1/5.239^5 - …]
#Вычисление π до многих десятичных знаков.#
В 1819 году Лани из Парижа превзошел вычисления Мэчина, определив двумя разными способами первые 127 десятичных знаков π. Затем Вега получил 140 знаков, а гамбургский арифметик Захариас Дазе дошел до 200 знаков. Последний использовал в своих расчетах не ряд Мэчина, а ряд, полученный путем подстановки в приведенный выше общий ряд a = 1/2, b = 1/5, c = 1/8. Наконец, в недавнее время π было вычислено до 500 знаков.
#Идея точности, достижимой с помощью приближенных значений π.#
Вычисление до стольких десятичных знаков может служить иллюстрацией совершенства современного метода по сравнению с теми, что применялись в древности, но в остальном оно не имеет ни теоретической, ни практической ценности. О том, что вычисление π, скажем, до 15 десятичных знаков более чем удовлетворяет самым тонким требованиям практики, можно судить по конкретному примеру степени точности, достижимой таким образом. Представьте себе круг, описанный с центром в Берлине, окружность которого проходит через Гамбург; тогда пусть окружность этого круга будет вычислена путем умножения его диаметра на значение π с точностью до 15 десятичных знаков, а затем представьте, что она действительно измерена. Отклонение от истинной длины даже в столь большом круге не могло бы составить и 18-миллионной доли миллиметра.
Трудно составить представление о степени точности, обеспечиваемой 100 десятичными знаками. Но следующий пример, возможно, даст нам некоторое понятие об этом. Представьте себе сферу, построенную с центром в Земле, и вообразите, что ее поверхность проходит через Сириус, который находится на расстоянии 134,5 миллиона миллионов километров от нас. Затем представьте, что эта огромная сфера настолько плотно набита микробами, что в каждом кубическом миллиметре присутствуют миллионы миллионов этих крошечных анималькулей. Теперь представьте, что все эти микробы извлечены и распределены поодиночке вдоль прямой линии так, что каждые два микроба находятся друг от друга на таком же расстоянии, как Сириус от нас, то есть 134,5 миллиона миллионов километров. Представьте длинную линию, таким образом зафиксированную всеми микробами, как диаметр круга, и вообразите, что его окружность вычислена путем умножения его диаметра на π с точностью до 100 десятичных знаков. Тогда даже в случае круга такой огромной величины вычисленная таким образом окружность не отличалась бы от реальной окружности на миллионную долю миллиметра.
Этого примера достаточно, чтобы показать, что вычисление π до 100 или 500 десятичных знаков совершенно бесполезно.
#Любопытный метод профессора Вольфа.#
Прежде чем мы закончим эту главу об оценке π, мы должны упомянуть метод, менее плодотворный, чем любопытный, который профессор Вольф из Цюриха использовал несколько десятилетий назад для вычисления значения π до 3 знаков. Пол комнаты разделен на равные квадраты, чтобы напоминать огромную шахматную доску, и игла, равная по длине стороне каждого из этих квадратов, бросается наугад на пол. Если мы теперь вычислим вероятности того, что игла упадет так, что окажется целиком внутри одного из квадратов, то есть не пересечет ни одной из параллельных линий, образующих квадраты, то результат вычисления этой вероятности окажется в точности равным π - 3. Следовательно, достаточное количество бросков иглы в соответствии с законом больших чисел должно дать значение π приблизительно. На самом деле профессор Вольф после 10 000 испытаний получил значение π, верное до 3 десятичных знаков.
#Математики теперь стремятся доказать неразрешимость проблемы.#
Сколь бы плодотворным ни был исчисление Ньютона и Лейбница для оценки π, проблема превращения круга в квадрат, имеющий точно такую же площадь, нисколько не продвинулась благодаря этому. Валлис, Ньютон, Лейбниц и их непосредственные последователи отчетливо осознавали это. Квадратуру круга невозможно было решить; но также нельзя было доказать, что проблема неразрешима с помощью циркуля и линейки, хотя все были убеждены в ее неразрешимости. В математике, однако, убеждение оправдано лишь тогда, когда оно подкреплено неопровержимым доказательством; и на смену попыткам решить квадратуру приходят теперь попытки доказать невозможность решения этой знаменитой проблемы.
#Вклад Ламберта.#
Первый шаг в этом направлении, сколь бы малым он ни был, сделал французский математик Ламберт, который в 1761 году доказал, что π не является ни рациональным числом, ни даже квадратным корнем из рационального числа; то есть ни π, ни квадрат π не могут быть точно представлены дробью, знаменатель и числитель которой являются целыми числами, какими бы большими эти числа ни были. Доказательство Ламберта действительно показало, что спрямление и квадратура круга не могут быть выполнены тем конкретным способом, которым была продемонстрирована их невозможность, но оно все же не исключало возможности того, что проблема может быть решена каким-то другим, более сложным способом и без привлечения иных средств, кроме циркуля и линейки.
#Условия доказательства.#
Продвигаясь медленно, но верно, далее стремились обнаружить существенные отличительные свойства, отделяющие задачи, решаемые с помощью циркуля и линейки, от задач, построение которых элементарно невозможно, то есть с использованием только постулатов. Небольшое размышление показало, что элементарно решаемая задача всегда должна обладать свойством, при котором неизвестные линии в относящейся к ней фигуре связаны с известными линиями фигуры уравнением, для решения которого требуются только уравнения первой и второй степени, и которые могут быть расположены так, что общие меры известных линий будут фигурировать только как целые числа. Из этого следовало сделать вывод, что если бы квадратура круга и, следовательно, его спрямление были элементарно решаемы, то число π, представляющее отношение неизвестной окружности к известному диаметру, должно было бы быть корнем некоторого уравнения, возможно, очень высокой степени, но в котором все фигурирующие числа являются целыми; то есть должно было бы существовать уравнение, состоящее целиком из целых чисел, которое было бы верным, если бы его неизвестная величина была приравнена к π.
#Окончательный успех профессора Линдемана.#
С начала этого века усилия ряда математиков были направлены на то, чтобы доказать, что π в целом не является алгебраическим, то есть что оно не может быть корнем никакого уравнения, имеющего целые числа в качестве коэффициентов. Но математике пришлось сделать огромные шаги вперед, прежде чем появились средства для осуществления этого доказательства. После того как французский академик, профессор Эрмит, оказал важную подготовительную помощь в своем трактате «Sur la Fonction Exponentielle», опубликованном в семьдесят седьмом томе «Comptes Rendus», профессор Линдеман, в то время из Фрайбурга, ныне из Кёнигсберга, наконец, в июне 1882 года, преуспел в строгом доказательстве того, что число π не является алгебраическим [52], предоставив тем самым первое доказательство того, что задачи спрямления и квадратуры круга с помощью только алгебраических инструментов, таких как циркуль и линейка, неразрешимы. Доказательство Линдемана последовательно появлялось в отчетах Берлинской академии (июнь 1882 г.), в «Comptes Rendus» Французской академии (том 115, стр. 72–74) и в «Mathematischen Annalen» (том 20, стр. 213–225).
[52] Для пользы моих читателей-математиков я представлю здесь наиболее важные шаги доказательства Линдемана, М. Эрмит, чтобы доказать трансцендентный характер
e = 1 + 1/1 + 1/1.2 + 1/1.2.3 + 1/1.2.3.4 + ….
разработал соотношения между определенными интегралами (Comptes Rendus Парижской академии, том 77, 1873 г.). Исходя из установленных таким образом соотношений, профессор Линдеман сначала доказывает следующее положение: если коэффициенты уравнения n-й степени являются действительными или комплексными целыми числами, а n корней этого уравнения z{1}, z{2}, …, z{n} отличны от нуля и друг от друга, невозможно, чтобы
e^z{1} + e^z{2} + e^z{3} … + e^z{n}
было равно a/b, где a и b — действительные или комплексные целые числа. Затем показывается, что также между функциями
e^{rz{1}} + e^{rz{2}} + e^{rz{3}} + … e^{rz{n}},
где r обозначает целое число, не может существовать никакого линейного уравнения с рациональными коэффициентами, отличными от нуля. Наконец, получается прекрасная теорема: если z является корнем неприводимого алгебраического уравнения, коэффициенты которого являются действительными или комплексными целыми числами, то e^z не может быть равно рациональному числу. Теперь в действительности e^{t√-1} равно рациональному числу, а именно -1. Следовательно, π√-1, а значит и само π, не может быть корнем уравнения n-й степени, имеющего целые числа в качестве коэффициентов, а значит, и такого уравнения, имеющего рациональные коэффициенты. Последним упомянутым свойством, однако, π обладало бы, если бы квадратура круга с помощью циркуля и линейки была возможна.
#Вердикт математики.#
«Невозможно с помощью циркуля и линейки построить квадрат, равный по площади данному кругу». Таковы слова окончательного решения спора, который так же стар, как история человеческого разума. Но племя квадратурщиков круга, не обращая внимания на вердикт математики, этого самого непогрешимого из судей, никогда не вымрет, пока невежество и жажда славы будут соединены.
ГЕРМАН ШУБЕРТ. КРИТЕРИЙ ИСТИНЫ.
ДИССЕРТАЦИЯ О МЕТОДЕ ВЕРИФИКАЦИИ. Современная наука покоится на признании той истины, что всякое знание есть утверждение фактов. Формулировка законов природы — это не что иное, как всестороннее описание определенных видов природных процессов. Законы природы — это обобщения фактов. Точно так же любая философская теория является, или, с современной точки зрения, должна быть, просто систематизированным представлением фактов. Факты — это фундамент, к которому мы должны спускаться повсюду.
Признание этой максимы называется, весьма уместно, позитивизмом; и я полагаю, что в принципе все современные мыслители могут и, возможно, соглашаются с этим. Философ-католик может считать фактами некоторые вещи, которые, например, ученый из еретической Англии таковыми не считает; тем не менее, именно из фактов, или того, что считается фактами, каждый выводит свое представление о мире.
Естественно, что диапазон индивидуального опыта должен быть очень ограниченным по сравнению со знанием, которое необходимо для приобретения адекватного представления о мире, в котором мы живем. Мы в значительной степени должны полагаться на утверждения о фактах, которые мы сами не наблюдали. Чтобы обогатить и расширить наш собственный опыт, мы должны впитывать опыт других. Иногда мы можем, а иногда не можем проверить то, что нам сказали. Например, то, что камни падают через пустое пространство со скоростью 32,18 английских фута в конце первой секунды, может быть проверено экспериментом, т. е. эксперимент может быть повторен при тех же обстоятельствах. Но исторические данные, такие как то, умер ли Будда под фиговым деревом или был ли Христос распят при Понтии Пилате, не могут быть проверены экспериментом. Исторические данные — это утверждения не общих истин, а единичных фактов, которые, если они вообще принимаются, должны приниматься на веру. Авторитет может быть слабым или сильным; он может быть достаточно сильным, чтобы быть практически эквивалентным уверенности, что случается, например, когда рассматриваемый факт в своих прямых последствиях ощутимо влияет на нашу жизнь, и его причинно-следственная связь может быть таким образом прямо и несомненно прослежена.