Josep Carrera - Трехмерный мир. Евклид. Геометрия

• Название: Трехмерный мир. Евклид. Геометрия
• Автор: Josep Carrera
• Издательство: ООО “Де Агостини”
• Жанр: Научпоп
• Год: 2015

Евклид Александрийский — автор одного из самых популярных нехудожественных произведений в истории. Его главное сочинение — «Начала» — было переиздано тысячи раз, на протяжении веков по нему постигали азы математики и геометрии целые поколения ученых. Этот труд состоит из 13 книг и содержит самые важные геометрические и арифметические теории Древней Греции. Не меньшее значение, чем содержание, имеет и вид, в котором Евклид представил научное знание: из аксиом и определений он вывел 465 теорем, построив безупречную логическую структуру, остававшуюся нерушимой вплоть до начала XIX века, когда была создана неевклидова геометрия.

---

Во «Второй аналитике» Аристотель пишет:

«Предположения — это суждения, при наличии которых получается заключение благодаря тому, что они есть. И геометр не предполагает нечто ложное, как это утверждали некоторые, указывая, что не следует пользоваться ложными положениями, а геометр как раз и допускает ложное, когда про линию, не имеющую в длину фута, говорит, что она имеет эту длину, или про начерченную линию, не являющуюся прямой, говорит, что она прямая. Однако геометр ничего не выводит на основании того, что линия такая, какой он сам ее назвал, но выводит посредством того, что он этим имел в виду. Далее, всякий постулат и всякое предположение берется или как нечто целое, или как часть; определения же — ни как то, ни как другое».

Аристотель установил метод построения научного рассуждения. Он кажется похожим на метод Платона, но это не так: Аристотель не делает различия между истинностью постулатов и истинностью, которая находится за пределами возможного познания. Есть истины, которые просто фиксируют факт существования и общие понятия с более широкой областью применения. Цепь рассуждений, подобно цепочке силлогизмов, идет от само собой разумеющейся истины к истине, доказываемой в теореме: у истины общих понятий и у истины теорем одна и та же природа. Однако Аристотелю требуются определения, в чем его мысль (ученика) опять расходится с представлениями Платона (учителя): необходимые и достаточные условия тесно связаны с терминами, применяемыми в определениях, и делают их правильными.

Философию науки — в частности, математики — Аристотеля можно представить в виде схемы.

СОДЕРЖАНИЕ «НАЧАЛ»

Принято считать, что Евклид написал 13 книг с общим названием «Начала». Они изложены на койне с использованием символов, обозначающих геометрические понятия, в частности точки, величины и числа. Впоследствии к ним были добавлены еще две книги: книга XIV Гипсикла (ок. 190-120 до н.э.) и XV — неизвестного автора, возможно Исидора Милетского. Первое из более тысячи изданий «Начал» было сделано Эрхардом Ратдольтом (1442-1528) в Венеции в 1482 году, почти через 30 лет после публикации Библии Гуттенберга. Эрхард напечатал вариант с комментариями итальянского ученого Джованни Кампано (1220-1296), который, в свою очередь, опирался на перевод, сделанный английским монахом Аделярдом Батским (ок. 1080-1160). В первых четырех книгах не упоминается теория отношений. Они посвящены планиметрии, а не дидактике, и тем не менее сильно различаются.

— Книга I считается основной. В ней содержатся 23 определения, пять постулатов и пять общих понятий. Главная тема книги — теория треугольников. Представлены основы техники танграма для доказательств и построений с линейкой и циркулем. В конце книги — определение прямоугольных треугольников как таких, которые попадают под теорему Пифагора. Показаны дедуктивные возможности метода доведения до абсурда.

— Книга II содержит геометрическую алгебру, точнее элементарные алгебраические преобразования вида (х ± у)² = х² + у² ± 2ху, х² - у² = (х + у)(х — у) и их производные, но не с числами, а с размерами (отрезками), требующими построения; геометрическое решение линейных уравнений второго уровня из «Данных»; построение золотого сечения и теорема косинусов, обобщение теоремы Пифагора для непрямоугольных треугольников (остроугольных и тупоугольных). В книге есть два определения, а в заключении — предложение 14, недостающее звено для квадратуры многосторонних фигур.

— Книга III: геометрия окружности; И определений.

— Книга IV: построение правильных многоугольников при помощи линейки и циркуля: равностороннего треугольника (а также в первом предложении книги I), квадрата (предложения 6 и 7), пятиугольника (предложение И), шестиугольника (предложение 15) и 15-угольника (предложение 16). Содержит семь определений.

Авторство книг V и VI приписывается Евдоксу Книдскому. Эти тома легли в основу теоремы Фалеса для прямых и площадей многосторонних фигур и для вычисления площадей и объемов.

— Книга V имеет важнейшее значение для понимания древнегреческой геометрии в период Академии. Содержит 18 определений, среди которых особенно выделяются определения соотношения и пропорции. Устанавливает, для каких величин верна теория отношений.

— Книга VI содержит теоремы Фалеса, то есть теоремы о катетах прямоугольного треугольника, из которых выводится теорема Пифагора. Это очень важная книга. Одно из четырех ее определений, вероятно, не принадлежит Евклиду.

Книги VII, VIII и IX относят к пифагорейской школе, хотя есть и другие мнения. В этих книгах содержатся начала арифметики на основе теории частей или рациональных чисел.

— В книге VII определяется, что единица не является числом: согласно этой концепции «все, что есть, есть единица»; даются определения части и простого числа, основы деления, алгоритм и лемма Евклида. В книге 22 определения, последнее из которых — определение совершенного числа. Эти определения используются во всех трех книгах, посвященных арифметике.

— Книга VIII посвящена изучению непрерывных пропорций натуральных чисел — геометрических прогрессий со знаменателем 2.

— Книга IX содержит важную теорему о существовании бесконечного числа простых чисел, необходимую (и, возможно, достаточную) для установления основной теоремы арифметики.

— В книге X встречаются отсылки к Феодору и Теэтету. В ней рассматривается несоизмеримость и приводится классификация иррациональных линий. Это самая длинная, самая техническая и устаревшая из всех книг Евклида. Содержит 16 определений, не все из которых принадлежат Евклиду, и фигуры, используемые для построения Платоновых тел в книге XIII.

— В книге XII описывается метод исчерпывания. Это название было в свое время предметом споров, но в итоге осталось в веках. С его помощью вычисляется площадь круга и объемы пирамиды, конуса и шара. Это сложная книга; труднейшие задачи, изложенные в ней, решил только гениальный Архимед. Ее основное содержание приписывается Евдоксу.

— В книге XIII описывается построение пяти Платоновых тел — тетраэдра, гексаэдра (или куба), октаэдра, додекаэдра и икосаэдра — и доказывается, что существуют только они. Октаэдр и икосаэдр, построение которых, видимо, не рассматривалось пифагорейской школой, были построены Теэтетом в Академии.

Математика как наука началась, когда некто, возможно какой-то грек, сформулировал предложения о чем-то, не описывая никаких особенностей этого нечто.

Альфред Норт Уайтхэд (1861-1947)

Всего в 13 книгах Евклида содержится 140 основных положений (130 определений, пять постулатов и пять общих понятий) и 465 вытекающих из них предложений (93 задачи и 372 теоремы), а также 19 поризмов и 16 лемм.

Книга XIV была написана Гипсиклом Александрийским во II веке до н. э. Самые важные ее результаты — установление соотношений между площадями и объемами Платоновых тел.

Авторство небольшой книги XV предположительно принадлежит Исидору Милетскому, составившему ее в VI веке. В ней рассматривается вписывание некоторых правильных многоугольников в другие.

Предложения одной книги часто зависят от предложений предыдущих (см. таблицу ниже). Книги VII, VIII и IX не зависят от других, поскольку при их чтении можно обойтись без остальных частей, введя нужные определения.

Остальные же построены вокруг двух концептуальных основ: книги I и книги V. Можно сказать, что в них собраны достижения, предшествовавшие Академии и последовавшие за ней. Книги с X по XIII сильно связаны с обоими источниками.

Книга I Самостоятельная Книга II Опирается на книгу I Книга III Опирается на книгу I, а также на предложения 5 и 6 книги II Книга IV Опирается на книгу I, на предложение II книги II и на книгу III Книга V Самостоятельная Книга VI Опирается на предложения 27 и 31 книги III, а также на книги I и V Книга VII Самостоятельная Книга VIII Опирается на определения из книгУ и VII Книга IX Опирается на предложения 3 и 4 из книги II, а также на книги VII и VIII Книга X Опирается на предложения 44 и 47 из книги I, на книгу II, на предложение 31 из книги III, на книги V и VI, на предложения 4, 11, 26 из книги VII, на предложения 1, 24, 26 из книги IX КнигаХI Опирается на книгу I, на предложение 31 из книги III, на предложение 1 из книги IV, на книги V и VI Книга XII Опирается на книги I и III, на предложения 6 и 7 из книги IV, на книги V и VI, на предложение 1 из книги X и на книгу XI Книга XIII Опирается на книгу I, на предложение 4 из книги II, на книги III, IV, V, VI, X и XI

Взаимосвязь разных книг «Начал».