Кіріспе

Тек қана түзу сызық пен ортасы белгілі бір шеңберді пайдаланудың әмбебаптығы. Эвклид геометриясы саласында Понселет-Штайнер теоремасы – дәстүрлі ережелерге қосымша шектеулер қойылатын, циркуль мен түзу сызық арқылы жүзеге асырылатын конструкцияларға қатысты бірнеше нәтижелердің бірі. Бұл теорема былай тұжырымдайды: түзу сызық пен циркульдің бірлескен көмегімен жүзеге асырылатын кез келген конструкция, егер бір шеңбер мен оның ортасы берілген болса, тек түзу сызықпен жүзеге асырылуы мүмкін. Бұл теорема «тотыққан циркульге» теңдестіріледі. Егер берілген және қажетті элементтер нүктелер (немесе түзу сызықтар) болса, циркуль мен түзу сызықтың бірлескен көмегімен аяқталуға болатын кез келген Эвклидтік конструкция, жазықтықта кемінде бір шеңбері мен ортасы бар болған жағдайда, тек түзу сызықпен аяқталуы мүмкін. Циркуль конструкцияны айтарлықтай жеңілдеткенімен, бірінші шеңбер салынғаннан кейін циркульдің функционалдық маңызы жоқ екені түсініледі. Барлық конструкциялар орындалуы мүмкін, бірақ шеңберлер мен олардың доғаларын циркульсіз салу мүмкін емес екені айқын. Циркульдің көмегімен анықталатын және конструкцияны бірегей анықтайтын барлық нүктелер, қиындықтарға қарамастан, циркульсіз де анықталуы мүмкін. Бұл циркульдің конструкция мақсаты үшін емес, эстетикалық мақсаттарда қолданылуы мүмкін екенін білдіреді. Басқаша айтқанда, барлық маңызды нүктелер анықталғаннан кейін, циркульді қажет болса, тек визуализациялық немесе көркемдік мақсаттар үшін доғаларды «толтыру» үшін пайдалануға болады, бұл конструкцияның қажетті қадамы емес. Дөңгелек доғаларын салуды елемеудің зияны жоқ. Осы теоремаға сәйкес, тек түзу сызықты пайдалана отырып, циркульдің көмегінсіз жүзеге асырылатын конструкциялар Штайнер конструкциялары деп аталады. Штайнер конструкциялары жазықтықта бұрыннан салынған кез келген шеңберлерді, олардың орталықтарымен немесе орталықтарызсыз қамтуы мүмкін. Сонымен қатар, геометрдің қолындағы жалғыз құрал түзу сызық болған жағдайда, жазықтықта бұрыннан бар кез келген ерекше пішіндер мен қисықтарды да қамтуы мүмкін. Понселет-Штайнер теоремасы шеңбердің және оның орталығының болуын талап етеді және бір шеңбердің циркульге тең екенін растайды.

Тарих

Х ғасырда парсы математигі Әбу әл-Вафа Бужжани (940–998) бір түзу сызық және белгілі бір ашылуы бар циркуль, яғни «тотыққан циркуль» деп аталатын циркульді пайдаланып геометриялық құрылымдарды қарастырды. Мұндай құрылымдардың практикалық маңызы болған сияқты, өйткені оларды 15 ғасырдың соңында Еуропада Леонардо да Винчи мен Альбрехт Дюрер қолданды. 16 ғасырдың ортасында циркульдің ашылуы тұрақты, бірақ кездейсоқ деп есептелді және Евклидтің қанша құрылысын алуға болатыны мәселесі ең маңызды болды. Ренессанс дәуірінің математигі Лодовико Феррари, Никколо Фонтана Тартальяға қарсы «математикалық бәсекеде» Героламо Карданоның шәкірті ретінде, «Евклидтің барлығын» (яғни, Евклидтің «Элементтерінің» алғашқы алты кітабындағы түзу сызық пен циркульді пайдалану арқылы жасалатын құрылымдарды) түзу сызық пен тотыққан циркульді пайдаланып жасауға болатынын көрсетті. Он жыл ішінде Кардано, Тарталья және Тартальяның шәкірті Бенедетти қосымша шешімдер жинағын тапты. Келесі ғасырда бұл шешімдер 1673 жылы Георг Мохр өзінің шешімдерін қамтитын (анонимді және голланд тілінде) «Euclidis Curiosi» еңбегін жариялағанға дейін ұмытылды. Мохр бұрынғы нәтижелердің бар екенін естіген және бұл оны мәселені зерттеуге итермеледі. «Евклидтің барлығын» түзу сызық пен тотыққан циркульді пайдаланып жасауға болатынын көрсету, барлық түзу сызық пен циркульді пайдалану арқылы жасалатын құрылымдарды түзу сызық пен тотыққан циркульді пайдаланып жасауға болатынын дәлелдеумен бірдей емес. Мұндай дәлелдеме үшін түзу сызық пен циркульдің қандай құрылымдар жасауға қабілетті екенін формалдау қажет болды. Бұл негізді Жан Виктор Понселет 1822 жылы Мордың Мор-Машерони теоремасы бойынша жұмысына сүйене отырып жасады. Ол сондай-ақ, түзу сызық пен тотыққан циркульдің түзу сызық пен циркульге тең екенін болжады және оны дәлелдеуге тырысты, сонымен қатар тотыққан циркульді бір рет қана пайдалану жеткілікті екенін айтты. «Бір орталыққа ие түзу сызық пен бір шеңбер, түзу сызық пен циркульге тең» деген нәтижені Якоб Штайнер 1833 жылы дәлелдеді. Бір орталық құрылғаннан кейін, жағдай Понселет-Штайнер теоремасының бастапқы гипотезасына қайтадан келеді. Осы жағдайлардың әрқайсысында екінші шеңберден басқа да қосымша ақпарат бар. Екі шеңбердің концентрлі болуы, екі шеңбердің белгілі қиылысу нүктелерінің болуы, үшінші шеңбердің болуы немесе орталық сызықтағы немесе радикалдық осьтегі нүктенің болуы – бұл екінші шеңбердің болуынан тыс қосымша ақпаратты құрайды.

Понцелет-Штайнер толық дөңгелек доғасыз

Басқа нұсқада, толық шеңбер мүлдем қажет емес. 1904 жылы Франческо Севери кез келген кішкентай доғаның (шеңбердің), орталықпен бірге жеткілікті екенін дәлелдеді. Бұл құрылым, бірінші шеңбер толық аяқталмас бұрын, кез келген нүктеде тоқтатылады, бірақ ол басталғаннан кейін, жазықтықта шеңбер доғасының үздіксіз бөлігін салуға мүмкіндік береді, сонымен қатар барлық құрылымдар орындалуы мүмкін. Осылайша, Понселе-Штайнер теоремасын гипотезалайтын шарттар, шеңбер доғасының толықтығына қатысты ғана әлсіреуі мүмкін, бірақ Штайнер теоремасы бойынша орталыққа қатысты емес. Теорема, тек түзу және доғаны қолдана отырып, доғаның мөлшері мен орналасуына қарамастан, түзу сызық пен шеңбердің қиылысу нүктелерін Штайнер құрылымы арқылы көрсетеді. Бұл құрылымда шеңбер доғасының орталығы қолданылмайды. Штайнер теоремасы мен Понселе-Штайнер теоремасы дәлелдегендей, Евклидтің барлық құрылымдарын орындау үшін орталық қажет болғанымен, осы доғаның шеңберімен түзуді қиыстыру үшін орталық қажет емес. Осы құрылымды, доғаны және доға шеңберінің орталығын пайдаланып, жоғарыда аталған Понселе-Штайнердің барлық құрылымдарын орындауға болады, бірақ оңайырақ емес. Сондай-ақ, бұрын айтылған сценарийлердің әрқайсысында, шеңбер орталығы алынып тасталған жағдайда, Севери теоремасына сәйкес, шеңбер қиылыстарының толықтығы қажет емес, егер қиылысу нүктелері бар жерде шеңбер қиылыстары болмаса, онда олар нақты көрсетілуі керек. Яғни, егер екі шеңбер доғасының қиылысу нүктелерін екі доға арқылы тікелей табу мүмкін болмаса, оларды беру қажет. Шеңбер доғасының толықтығы осы жағдайда артық.

Ұзартылған, босатылған немесе неузистік конструкциялар

Құрылыс ережелерін одан әрі шектеудің орнына, шектеулерді жеңілдетуді зерттеуге бірдей қызығушылық бар. Бұлар кейде кеңейтілген құрылымдар деп аталады, себебі олар рұқсат етілген құралдар жиынтығын кеңейту арқылы құрастырылатын нәрсені кеңейтеді. Бұл құрылымдар сондай-ақ неусис құрылымдары (грек тілінен) деп аталады, өйткені олар компас пен түзу сызықтан басқа құралдарды қолданады немесе дәстүрлі парадигманың шектеулерін жеңілдететін босатылған құрылымдар болып табылады. Геометрияшылар дәстүрлі құрылыс ережелеріне қосымша шектеулер қойылған кезде (мысалы, тек компас, тек түзу сызық, тотыққан компас және т.б.) не құрастыруға болатынын және қалай құрастыруға болатынын зерттегендей, дәстүрлі құрылыс ережелеріне тән табиғи шектеулер жеңілдетілген кезде қандай құрылымдардың бұрын мүмкін болмағандай құрастырылатынын да зерттеді. "Не құрастыруға болады", "оны қалай құрастыруға болады", "қандай ең аз дәстүрлі ережелер бұзылуы керек", "қандай ең қарапайым құралдар қажет", "қай түрлі құралдар эквивалентті", "жаңа парадигма дәстүрлі құрылымдарды қалай жеңілдетеді" және т.б. сияқты сұрақтар қойылады. Мысалы, кездейсоқ бұрышты дәстүрлі компас пен түзу сызық ережелерін қолдану арқылы үш бөлікке бөлу мүмкін емес, бірақ эллипстің жазықтықтағы қосымша құралына рұқсат берілген кезде үш бөлікке бөлу құрастырыла бастайды, өзі эллипс құрастырылмайды. Бұрышты үш бөлікке бөлу, текшенің көлемін екі еселеу, шеңберді шаршыға айналдыру, куб түбірін табу және т.б. сияқты дәстүрлі шешілмеген мәселелер, тек түзу сызық пен компасты қолдану арқылы мүмкін емес екені дәлелденгендіктен, кеңейтілген құралдар жиынтығын қолдану арқылы шешілді. Жалпы, құрастырылатын аяқты кеңейту үшін зерттелген нысандарға мыналар кіреді: жазықтықтағы құрастырылмаған "қосымша" қисықтар, соның ішінде кез келген конустық қималар, циклоидтар, лемнискаттар, лимасондар, Архимед спиралі, Эйлер спиралі, кез келген трисектристер немесе квадратрикстер және басқалар. Компас пен түзу сызықтан басқа физикалық құралдар, әдетте, неузеистер деп аталады, олар Tomahawk, белгіленген және қос жиекті түзу сызықтар, градуировкаланған сызықтар, тік бұрышты сызықтар, байланыстар, эллипсографтар, француз қисықтары және басқалар сияқты нақты құралдарды қамтиды. Оригамидің математикалық және геометриялық зерттеуінен алынған қағазды бүктеу техникалары. Ежелгі геометрияшылар компас пен түзу сызық құрылымдарын (жазық құрылымдар деп белгілі) идеалды және басым деп санады. Одан кейін олар шеңберден басқа жазықтықтағы конустық қималарды қолдануды қамтитын қатты құрылымдарды артық көреді. Содан кейін олар жазықтықтағы кездейсоқ тегіс қисықтарды қолдануды және ең аз дәрежеде неузеистерді (қосымша физикалық қол құралдарын) қолдануды жақтырады. Батыс әлемінің ежелгі геометрияшылары қағазды бүктеуді қарастырған болуы күмәнді. Неусис немесе неусис құрылымы термині ежелгі геометрияшылар қолданған нақты құралға немесе әдіске де қатысты болуы мүмкін. Градуировкаланған сызық ерекше, себебі ол метриканы анықтайды, геометрияның алгебралық қарастырылуына, Декарттық графиктерге жол ашады және сегменттердің пропорционалдығы үшін стандартты бірлікті енгізеді.