Углубление · Неразрешимые задачи ← M3
Углубление к модулю M3

Неразрешимые задачи.

Три задачи древности математики пытались решить две тысячи лет: разделить угол на три части, удвоить куб, превратить круг в равновеликий квадрат — циркулем и линейкой. Ответ оказался неожиданным: это невозможно. И невозможность строго доказана.

3 задачидревности
2000 летпопыток
∄доказано
IMPOSSIBILE∄ построениядоказано✗ квадратура круга — невозможна
№ 00Три задачи

Великие задачи древности

Греки оставили потомкам три знаменитые задачи на построение. Они выглядят просто, и поколения математиков верили, что решение вот-вот найдётся. Но красота этой истории в том, что верный ответ — «решить нельзя», и чтобы его получить, пришлось создать новую математику.

Иногда величайшее открытие — доказать, что чего-то сделать нельзя. — дух истории
✗
В чём суть

Что именно требовалось

Каждую задачу можно сформулировать в одну строку — и в каждой за простотой прячется непостроимое число.

⅓Трисекция угла

Разделить произвольный угол на три равные части. (Пополам — легко; на три — нельзя в общем случае.)

∛2Удвоение куба

Построить ребро куба вдвое большего объёма — то есть отрезок длиной $\sqrt[3]{2}$.

○□Квадратура круга

Построить квадрат, равновеликий данному кругу, — то есть отрезок длиной $\sqrt{\pi}$.

∎
Почему нельзя

Язык построимых чисел

Ключ к разгадке — понять, какие длины вообще можно построить. Оказывается, лишь те, что получаются из единицы операциями +, −, ×, ÷ и извлечением квадратного корня.

Каждое такое число — корень уравнения, степень которого есть степень двойки. Дальше задачи рушатся одна за другой:

• Удвоение куба требует $\sqrt[3]{2}$ — корень кубического уравнения, степени 3. Тройка — не степень двойки. Значит, число непостроимо (Ванцель, 1837).

• Трисекция произвольного угла тоже сводится к кубическому уравнению — и по той же причине невозможна.

• Квадратура круга требует $\sqrt{\pi}$. Но $\pi$ — трансцендентное число: оно вообще не является корнем никакого многочлена с целыми коэффициентами (Линдеман, 1882). Тем более его нельзя построить.

2ᵏКритерий построимости

Длина построима ⟺ её можно выразить через $+,-,\times,\div,\sqrt{\;}$ из единицы; степень соответствующего уравнения — степень двойки. Кубический корень и трансцендентное $\pi$ под него не подходят.

№ 04Чему учит

Невозможность — тоже знание

Эти три задачи — урок не о неудаче, а о силе математики. Чтобы доказать, что построения не существует, понадобилось перевести геометрию на язык алгебры и теории чисел и научиться рассуждать о всех возможных построениях сразу. Так из «школьной» задачи на циркуль и линейку выросли целые разделы математики.

И вывод для нас прост: знать границы инструмента — часть мастерства. Понимать, что можно построить, а что нет, — такое же ценное умение, как и само построение.

Понять предел инструмента — значит овладеть им до конца. — смысл трёх задач
№ 05Связи

Куда дальше