Kvadratura kruhu
Kvadratura kruhu je úloha sestrojit k danému kruhu čtverec o stejném obsahu, a to pouze pomocí pravítka a kružítka. Je to jeden ze tří nejslavnějších antických konstrukčních problémů (zbylé dva jsou zdvojení krychle a trisekce úhlu; souhrnně jsou nazývány Tři klasické problémy antické matematiky). Tyto problémy byly formulovány již v 5. století př. n. l. a odolávaly po dlouhá staletí všem pokusům o vyřešení, než bylo v 19. století dokázáno, že jsou geometricky neřešitelné. Od nejstarších dob se však užívala různá přibližná řešení.
Přesné zadání úlohy
editovatObecné zadání úlohy kvadratura kruhu zní v jazyce moderní matematiky takto:
Nalezněte obecnou euklidovskou konstrukci, pomocí níž bude možné v konečném počtu kroků zkonstruovat čtverec o stejném obsahu, jako má daný kruh.
Poněkud méně formálně:
Klíčová je podmínka, že to má být euklidovská konstrukce, čili používat jen pravítka a kružítka.
Historie
editovatProblém je zřejmě tak starý jako geometrie sama a zaměstnával matematiky po celá tisíciletí. Ačkoli jeho neřešitelnost byla spolehlivě dokázaná až roku 1882, už starověcí geometři měli velmi dobrou představu o jeho špatné uchopitelnosti. Hlavní překážkou je použití kružítka a pravítka bez stupnice. Pokud použijeme například pravítko se stupnicí, nebo třeba něco, co umí nakreslit Archimédovu spirálu, pak není příliš obtížné se s úlohou vypořádat.
Důkaz neřešitelnosti
editovatOznačme a stranu čtverce a r poloměr kruhu. Řešíme problém . Pokud zvolíme kruh o poloměru r = 1, pak , a tedy .
Řešení vyžaduje geometrické sestrojení čísla . Problém je, že toto číslo je transcendentní. Neboli není algebraické, a tudíž nemůže být ani sestrojitelné. Transcendentnost čísla byla dokázána roku 1882 Ferdinandem von Lindemannem. Pokud by někdo měl vyřešit kvadraturu kruhu, musel by k tomu nutně nalézt algebraickou hodnotu , což není možné. Nicméně je možné sestrojit čtverec s obsahem libovolně blízkým obsahu daného kruhu.
Pokud se původní zadání oslabí v tom, že se povolí nekonečný počet kroků při konstrukci, je kvadratura také možná. I když kvadratura kruhu není uskutečnitelná v Euklidově prostoru, je možná v Gaussově-Bolyaiově-Lobačevského prostoru.
Přibližná řešení
editovatÚloha obsahu kruhu, kterou můžeme chápat jako předchůdce kvadratury kruhu, se vyskytuje i v praxi, kde většinou vystačíme s přibližným řešením, které může být i velmi blízké přesné hodnotě řešení. Nejjednodušší přibližné řešení nahrazuje kruh nepravidelným osmiúhelníkem (viz obr.), jehož plocha je zřejmě 7, ač plocha kruhu o poloměru 1,5 je asi 7,07. Takto odhadnuté pí má hodnotu 28/9 neboli 3,111... . Chyba přiblížení je přibližně -1,2 %.
Staroegyptský Rhindův papyrus, datovaný kolem 1650 př. n. l., vyjadřuje poměr obsahu kruhu a opsaného čtverce jako 64/81, což odpovídá hodnotě pí 256/81, neboli přibližně 3.16.
Podstatně lepší přiblížení nalezl Archimédés (287-212 př. n. l.), který místo obsahu kruhu hledal jeho obvod. Přibližoval se k němu posloupností pravidelných mnohoúhelníků o stále větším počtu stran a správně předpokládal, že obvod kruhu musí ležet mezi obvodem vepsaného a opsaného mnohoúhelníka. Jeho výsledný údaj byl, že obvod kruhu je větší než 3+10/71 a menší než 3+10/70, což odpovídá hodnotě čísla mezi 3,1408 a 3,1428, přibližně tedy 3,1419. Chyba jeho přiblížení činí méně než 0,05 % a je tedy pro většinu praktických použití zanedbatelná. Roku 1685 objevil polský matematik Adam Kochanski poměrně jednoduchou euklidovskou konstrukci, která odpovídá hodnotě čísla asi 3,141533... a je tedy ještě o dva řády přesnější.
Po objevu analytické geometrie v 17. století (Pierre de Fermat, René Descartes) se přibližné hodnoty čísla začaly hledat pomocí nekonečných řad a počátkem 18. století bylo známo na 100 desetinných míst. Dnes je k dispozici v téměř libovolné délce, takže úloha kvadratury kruhu ztratila praktický význam a už v 17. století byli matematici přesvědčeni, že není řešitelná. Kvadratura kruhu se však stala tak populární, že další a další laici hlásili, že úlohu vyřešili. Francouzská akademie se proto roku 1775 usnesla, že nadále nebude zkoumat žádné zprávy o vyřešení tří klasických problémů matematiky, stejně jako zprávy o sestrojení perpetua mobile.
Frazém
editovatFrazém „kvadratura kruhu“ má význam „nemožnost“, „nesplnitelný úkol“, „sotva splnitelný úkol“. (Příklad: Víme, že je to trochu kvadratura kruhu, ale je třeba se o to pokusit.)
Odkazy
editovatLiteratura
editovat- HOLCOVÁ, Iveta. Symbolika kruhu a spirály – jejich výtvarná interpretace. České Budějovice, 2019. 86 s. Diplomová práce. Ved. práce doc. Lenka Vojtová Vilhelmová, ak. mal. Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích. Pedagogická fakulta. Katedra výtvarné výchovy. Přístup také z: https://dspace.jcu.cz/handle/123456789/40617 Archivováno 11. 8. 2023 na Wayback Machine.
Související články
editovatExterní odkazy
editovat- Obrázky, zvuky či videa k tématu kvadratura kruhu na Wikimedia Commons
- (anglicky) Interactive Mathematics Miscellany and Puzzles
- (anglicky) Math World
- (česky) ScienceWorld
- Slovo v kostce