Путеводитель для влюбленных в математику Шейнерман Эдвард

Глава 15

Окружности

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

Математики избегают туманных определений, им подавай точность! Окружность – это множество точек на плоскости, равноудаленных от некоторой точки[160]. 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.

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 x + y = 1 удовлетворяют некоторые, но не все точки плоскости. Скажем, точка с координатами (1, 0) удовлетворяет уравнению, потому что 1 + 0 = 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 x + y = 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 x + y = 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) + (y – b) = r.

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).

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:

d₁ d₂ = |AB| |CD| + |BC| |AD|.

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

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 .

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?[161] 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[162].

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[163] опубликовал сверхсложное доказательство, включающее теоретические выкладки и массу вычислений. Независимые эксперты дотошно изучили доказательство Хэйлса и не обнаружили там никаких погрешностей.

Если вы начертит 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[164] 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 k_1, k_2, k_3, 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[165].

Решение Декарта в 1930-е годы заново открыл Фредерик Содди[166]. 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.

Я завершу эту главу теоремой, доказанной Блезом Паскалем[167].

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[168].

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: 23

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 .

Соотношение покрытой кругами площади к общей площади равно

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[170]).

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?

«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[171] 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 многоугльники.

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[172]. 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).

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[173].

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[174], 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[175], 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!

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;

2E = 2 30 = 60 = 3 20 = rV;

2E = 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.