Кіріспе

Компас пен сызғышпен орындалатын конструкцияларды тек компаспен орындауға болады. Математикада Мохр-Машерони теоремасы былай гластейды: компас пен сызғышпен орындалатын кез келген геометриялық конструкцияны тек компаспен орындауға болады. Мұндағы "кез келген геометриялық конструкция" дегеніміз – түзу сызықтар жоқ фигуралар, себебі сызғышсыз түзу сызық салу мүмкін емес. Егер сол түзуде екі түрлі нүкте берілген немесе салынған болса, сызықтың визуальды бейнеленуі болмаса да, түзу анықталады деп түсініледі. Теореманы дәлірек былай айтуға болады: берілген және қажетті элементтер нүктелер (немесе шеңберлер) болған жағдайда, кез келген евклидтік конструкцияны компас пен сызғышпен бірге аяқтау мүмкін болса, оны тек компаспен аяқтауға болады. Сызғышты пайдалану құрылысты едәуір жеңілдеткенімен, теорема салынған фигураны толық анықтайтын нүктелер жиынтығын тек компаспен анықтауға болатынын көрсетеді, ал сызғышты пайдаланудың жалғыз себебі – түзу сызықтарды көрудің эстетикалық қанағаттануы, бұл құрылыстың өзі үшін функционалдық тұрғыдан қажет емес.

Тарих

Нәтижені алғаш рет 1672 жылы Георг Мор жариялаған, бірақ оның дәлелі 1928 жылға дейін көлеңкеде қалды. Теореманы Лоренцо Маскерони 1797 жылы тәуелсіз түрде ашқан, және Мордың еңбегі қайта жарияланғанға дейін бұл теорема Маскерони теоремасы деп аталды. Нәтижеге қатысты бірнеше дәлелдер белгілі. Маскеронидің 1797 жылғы дәлелі негізінен түзу бойындағы керісуді маңызды құрал ретінде пайдалану идеясына негізделген. Мордың шешімі басқаша болды. Алгебралық тәсіл Эвклид жазықтығы мен нақты координаталық кеңістік арасындағы изоморфизмді қолданады. Осылайша, теореманың күштірек түрі 1990 жылы дәлелденді. Бұл теореманың Архимед аксиомасына тәуелділігін де көрсетеді (осы аксиоманы бірінші реттік тілде тұжырымдау мүмкін емес).

Жазбалар мен ескертулер

Осы мақалада келесі белгілеулер қолданылады. Ортасы U нүктесінде орналасқан және V нүктесінен өтетін шеңбер U(V) деп белгіленеді. Ортасы U және радиусы санмен, r немесе сызық кесіндісімен көрсетілген шеңбер U(r) немесе U(AB) деп белгіленеді. Жалпы құрылымдарда бірдей нәтижеге әкелетін бірнеше түрленулер жиі кездеседі. Мұндай түрленуде жасалған таңдау жалпылық қағидасын бұзбай жасалуы мүмкін. Дегенмен, қандай да бір нәрсені жасауға болатынын дәлелдеу үшін құрылым қолданылған кезде, осы түрленулердің барлығын сипаттау қажет емес, және түсіндірудің айқындығы үшін төменде тек бір түрлену ғана беріледі. Бірақ көптеген құрылымдар шеңбер инверсиясын қолдана ма, қолданбай ма, соған байланысты әртүрлі формада келеді, және мүмкіндігі болса, осы баламалар көрсетіледі. Мохр-Машерони теоремасын дәлелдейтін төмендегі кейбір құрылымдар кеңістікте нүктелерді кездейсоқ орналастыруды қажет ететінін ескеру маңызды, мысалы, шеңбердің ортасын табу, егер ол бұрыннан берілмеген болса (төмендегі құрылымды қараңыз). Кейбір құрылымдық үлгілерде, мысалы, құрастырылатын санның геометриялық анықтамасында, нүктелерді кездейсоқ орналастыруға тыйым салынуы мүмкін. Алайда, мұндай үлгіде, мысалы, кездейсоқ нүктелерді орналастыру қажеттілігін жоятын түрлі құрылымдар бар. Сондай-ақ, компассыз шеңбер салу мүмкін емес екенін атап өткен жөн, сондықтан орталық нүктенің болмауына практикалық себептер жоқ.

Кейбір алдын ала конструкциялар

Жоғарыдағы #3 және #4 конструкцияларды дәлелдеу үшін, олар жиі қолданылатындықтан, төменде бірнеше қажетті аралық конструкциялар түсіндіріледі. Бұл конструкциялардың бәрі тек компас арқылы жасалады. Төмендегі барлық конструкциялар #1, #2, #5 және олардан бұрын тізімделген кез келген конструкцияларға негізделген.

Компас теңдестік теоремасы (дөңгелек аудармасы)

Дөңгелекті жаңа ортаға аудару немесе көшіру мүмкіндігі осы дәлелдемелерде маңызды рөл атқарады және теореманың дұрыстығын анықтауға негіз болады. Алғашқысымен бірдей радиусы бар, бірақ басқа нүктеде ортасы орналасқан жаңа шеңбер құру – құлау компасты қазіргі қатаң компастан ерекшелейтін басты белгі. Қатаң компас үшін бұл оңай шаруа, ал құлау компас үшін бұл құрылыс жасау мүмкіндігінің мәселесі. Евклид (Элементтер кітабының I-ші бөлімі, 2-ші теоремасы) түзу сызық пен құлау компасты қолданып, құлау компастың және қатаң компастың эквивалентті екенін дәлелдеді, ол, мәні бойынша, басқа ортасы бар шеңбердің көшірмесін жасайды. Бұл эквиваленттілікті тек (құлау) компас арқылы да көрсетуге болады, оның дәлелі негізгі мақалада келтірілген.

Сызық арқылы нүктесін көрсету

Сызық сегменті және осы сегмент анықтайтын түзуде жатпайтын C нүктесі берілген. Осы түзуге қарастырылғанда C нүктесінің бейнесін салу керек. Орталығы A және орталығы B болатын екі шеңбер салыңыз, екеуі де C нүктесі арқылы өтеді. Екі шеңбердің екінші қиылысу нүктесі D, C нүктесінің түзуге қарастырылған бейнесі болады. Егер 1=C=D болса (яғни екі шеңбердің жалғыз ғана қиылысу нүктесі бар болса), онда C өзінің бейнесі болып табылады және түзуде жатады (бұл болжамға қайшы), ал екі шеңбер іштей жанасады.

Сызық қимасының ұзындығын ұзарту

Берілген сызық кесіндісі бойынша, сызықта B нүктесі сызық кесіндісінің ортасы болатындай С нүктесін табыңыз. D нүктесін A(B) және B(A) шеңберлерінің қиылысы ретінде салыңыз. (∆ABD – теңқабырғалы үшбұрыш.) E ≠ A нүктесін D(B) және B(D) шеңберлерінің қиылысы ретінде салыңыз. (∆DBE – теңқабырғалы үшбұрыш.) Соңында, C ≠ D нүктесін B(E) және E(B) шеңберлерінің қиылысы ретінде салыңыз. (∆EBC – теңқабырғалы үшбұрыш, ал B нүктесіндегі үш бұрыш A, B және C нүктелерінің бір түзудің бойында жатқанын көрсетеді.) Бұл құралымды, кез келген оң бүтін n үшін сызық кесіндісінің ұзындығы = n⋅ сызық кесіндісінің ұзындығы болатын Q нүктесін табу үшін қажет болғанша қайталап жасауға болады.

Екі қатарлас емес сызықтардың қиылысуы (құрылыс No 3)

Берілген параллель емес түзулер мен , олардың қиылысу нүктесін X табыңыз. Егер екі шеңбер (іштей) жанасса, онда , және түзу де жанасады.

Дөңгелектің орталығы тура сызықпен қатар түседі

C ортасы түзуде жатқан C(D) шеңбері берілгенде, шеңбер мен түзудің қиылысу нүктелері P және Q нүктелерін табыңыз. A(D) және C(D) шеңберлерінің екінші қиылысу нүктесі ретінде D' ≠ D нүктесін салыңыз. C(DD') және D(C) шеңберлерінің қиылысу нүктесі ретінде F нүктесін салыңыз. (F – CD'DF параллелограмманың төртінші төбесі.) C(DD') және D'(C) шеңберлерінің қиылысу нүктесі ретінде F' нүктесін салыңыз. (F' – CDD'F' параллелограмманың төртінші төбесі.) F(D') және F'(D) шеңберлерінің қиылысу нүктесі ретінде M нүктесін салыңыз. (M нүктесі жатыр.) P және Q нүктелері F(CM) және C(D) шеңберлерінің қиылысу нүктелері болып табылады. Осылайша, түзу сызғыш пен циркульмен жасалатын барлық негізгі салулар, түзуді нақты сызу мүмкін емес, тек екі нүктемен анықталады деп түсінген жағдайда, тек циркульмен ғана жасауға болады.

Компаспен байланысты шектеулер

Ренессанс дәуірінің математиктері Лодовико Феррари, Героламо Кардано және Николо Фонтана Тарталья сияқтылар 16 ғасырда кез келген сызғыш пен циркуль құрастыруды тек сызғыш пен өзгермейтін ені бар циркульмен (яғни, қозғалмайтын циркульмен) жасауға болатынын көрсетті. Компас теңдестігі теоремасы жоғарыда аталған құрастырулардың барлығында қашықтықты өлшеуге және ауыстыруға қолданылатын, енін өзгерте алатын қазіргі заманғы циркульді, беттен көтергенде өзінен-өзі жиырылатын, қашықтықты тікелей ауыстыруға жарамсыз "жиырылатын циркульмен" алмастыруға болатынын көрсетеді. Шындығында, Евклидтің бастапқы құрастырулары жиырылатын циркульді пайдаланған.

Компастан басқа шектеулер

Маскеронидің нәтижесіне сүйеніп, 1822 жылы Жан Виктор Понселе осыған ұқсас бір идеяны болжады. Ол, түзу сызық пен циркуль көмегімен жасалатын кез келген құрылысты тек түзу сызықпен ғана жасауға болады деп ұсынды. Бірақ бір ғана талап бар: ортасы белгілі бір шеңбер берілуі керек. Бұл тұжырым, қазір Понселе-Штайнер теоремасы деп аталады, он бір жылдан кейін Якоб Штайнер дәлелдеді. 1904 жылы Франческо Севери берген дәлелдеме толық шеңберді талап етуді жеңілдетеді және ортасы берілген кез келген шеңбердің кішкентай доғасы да жеткілікті екенін көрсетеді. Сонымен қатар, егер орталық сызықта немесе олардың арасындағы радиалдық осьте нүкте берілсе, доғаның бөліктерінің орнына орталықтың өзі алынып тасталуы мүмкін, егер ол екінші концентрлі немесе қиылысатын шеңбер, үшінші шеңбер немесе қиылыспайтын екінші шеңбер сияқты басқа жеткілікті нәрсемен алмастырылса.