Введение
Конструкции, выполняемые циркулем и линейкой, могут быть выполнены только циркулем. В математике теорема Мора — Машерони утверждает, что любая геометрическая конструкция, которую можно выполнить с помощью циркуля и линейки, может быть выполнена только циркулем. Следует понимать, что под "любой геометрической конструкцией" подразумеваются фигуры, не содержащие прямых линий, поскольку очевидно невозможно провести прямую линию без линейки. Подразумевается, что линия определяется, если на ней заданы или построены две различные точки, даже если визуального представления линии не будет. Теорему можно сформулировать более точно следующим образом: Любая евклидова конструкция, в которой заданы и требуются точки (или окружности), может быть завершена только циркулем, если она может быть завершена как циркулем, так и линейкой вместе. Хотя использование линейки может значительно упростить конструкцию, теорема показывает, что любой набор точек, полностью определяющий построенную фигуру, может быть определен только циркулем, и единственная причина использования линейки — это эстетическое желание видеть прямые линии, что для целей построения функционально необязательно.
In mathematics, the Mohr–Mascheroni theorem states that any geometric construction that can be performed by a compass and straightedge can be performed by a compass alone. It must be understood that "any geometric construction" refers to figures that contain no straight lines, as it is clearly impossible to draw a straight line without a straightedge. It is understood that a line is determined provided that two distinct points on that line are given or constructed, even though no visual representation of the line will be present. The theorem can be stated more precisely as:
Any Euclidean construction, insofar as the given and required elements are points (or circles), may be completed with the compass alone if it can be completed with both the compass and the straightedge together. Though the use of a straightedge can make a construction significantly easier, the theorem shows that any set of points that fully defines a constructed figure can be determined with compass alone, and the only reason to use a straightedge is for the aesthetics of seeing straight lines, which for the purposes of construction is functionally unnecessary.
История
Результат был впервые опубликован Георгом Мором в 1672 году, но его доказательство оставалось незамеченным до 1928 года. Теорема была независимо открыта Лоренцо Маскерони в 1797 году и до повторного открытия работы Мора была известна как теорема Маскерони. Известно несколько доказательств этого результата. Доказательство Маскерони 1797 года в основном основывалось на идее использования отражения относительно прямой в качестве основного инструмента. Решение Мора было иным. Алгебраический подход использует изоморфизм между евклидовой плоскостью и вещественным координатным пространством. Таким образом, в 1990 году была доказана более общая версия теоремы. Также показана зависимость теоремы от аксиомы Архимеда (которая не может быть сформулирована на языке первого порядка).
Примечания и замечания
В данной статье будет использоваться следующая нотация. Окружность с центром в точке U, проходящая через точку V, будет обозначаться U(V). Окружность с центром U и радиусом, заданным числом r или отрезком прямой AB, будет обозначаться U(r) или U(AB) соответственно. В общих построениях часто существует несколько вариантов, приводящих к одному и тому же результату. Выбор варианта может быть сделан без потери общности. Однако, при использовании построения для доказательства возможности выполнения некоторой операции, нет необходимости описывать все возможные варианты, и для ясности изложения ниже будет представлен только один из них. Многие построения, в свою очередь, могут иметь различные формы в зависимости от того, используется ли инверсия окружности, и эти альтернативы будут приведены, если это возможно. Важно также отметить, что некоторые из построений, доказывающих теорему Мора–Машерони, требуют произвольного выбора положения точек в пространстве, например, нахождения центра окружности, если он изначально не задан (см. пример построения ниже). В некоторых подходах к построению, таких как геометрическое определение построимого числа, произвольный выбор положения точек может быть запрещен. Однако в таких подходах существуют различные построения, позволяющие избежать произвольного выбора положения точек. Следует также отметить, что построение окружности невозможно без циркуля, поэтому на практике нет оснований полагать, что центральная точка не может быть определена.
Некоторые предварительные конструкции
Для доказательства вышеуказанных построений №3 и №4, представленных ниже, также объясняются несколько необходимых промежуточных построений, поскольку они часто используются и на них делаются ссылки. Все эти построения выполняются только с помощью циркуля. Все представленные ниже построения опираются на №1, №2, №5 и любые другие построения, перечисленные ранее.
Теорема эквивалентности компаса (переклад круга)
Способность переносить или копировать окружность в новую точку является важнейшей в этих доказательствах и фундаментальной для установления истинности теоремы. Создание новой окружности с тем же радиусом, что и первая, но с центром в другой точке, – ключевая особенность, отличающая циркуль с изменяющимся разводом от современного жесткого циркуля. С жестким циркулем это тривиально, но с циркулем с изменяющимся разводом это вопрос возможности построения. Эквивалентность циркуля с изменяющимся разводом и жесткого циркуля была доказана Евклидом (Книга I, Предложение 2 «Начал») с использованием линейки и циркуля с изменяющимся разводом, когда он, по сути, строит копию окружности с другим центром. Эта эквивалентность также может быть установлена только с помощью циркуля с изменяющимся разводом, доказательство чего можно найти в основной статье.
Отражает точку через линию
Имея отрезок прямой и точку C, не лежащую на прямой, определяемой этим отрезком, постройте образ точки C при отражении относительно этой прямой. Постройте два круга: один с центром в точке A и один с центром в точке B, оба проходящие через точку C. Точка D, отличная от C, точка пересечения этих двух кругов, является отражением точки C относительно данной прямой. Если C = D (то есть существует единственная точка пересечения двух кругов), то точка C является своим собственным отражением и лежит на прямой (что противоречит исходному условию), и эти два круга внутренне касаются друг друга.
D, the other point of intersection of the two circles, is the reflection of C across the line If 1=C = D (that is, there is a unique point of intersection of the two circles), then C is its own reflection and lies on the line (contrary to the assumption), and the two circles are internally tangential.
Расширение длины отрезка линии
При заданном отрезке прямой найдите точку C на этой прямой, такую что B является серединой отрезка . Постройте точку D как пересечение окружностей A(B) и B(A). (∆ABD – равносторонний треугольник.) Постройте точку E ≠ A как пересечение окружностей D(B) и B(D). (∆DBE – равносторонний треугольник.) Наконец, постройте точку C ≠ D как пересечение окружностей B(E) и E(B). (∆EBC – равносторонний треугольник, и три угла при B показывают, что точки A, B и C лежат на одной прямой.) Эту конструкцию можно повторять столько раз, сколько необходимо, чтобы найти точку Q, такую что длина отрезка равна n⋅ длине отрезка для любого положительного целого числа n.
Пересечение двух непараллельных линий (конструкция No 3)
Учитывая непараллельные прямые и , найдите их точку пересечения, X. Если два круга касаются внутренне, то , и прямая также касается этих кругов.
Центр круга коллинеен с линией
Если задан круг C(D), центр которого C лежит на прямой , найдите точки P и Q – точки пересечения круга и прямой. Постройте точку D' ≠ D как вторую точку пересечения кругов A(D) и C(D). Постройте точку F как пересечение кругов C(DD') и D(C). (F – четвертая вершина параллелограмма CD'DF.) Постройте точку F' как пересечение кругов C(DD') и D'(C). (F' – четвертая вершина параллелограмма CDD'F'.) Постройте точку M как пересечение кругов F(D') и F'(D). (M лежит на .) Точки P и Q являются точками пересечения кругов F(CM) и C(D). Таким образом, показано, что все основные построения, которые можно выполнить с помощью линейки и циркуля, можно выполнить только циркулем, при условии, что понимается, что линию нельзя буквально нарисовать, а можно лишь определить двумя точками.
Ограничения, связанные с компасом
Математики эпохи Возрождения Лодовико Феррари, Джероламо Кардано и Николо Фонтана Тарталья и другие в XVI веке показали, что любую конструкцию с помощью линейки и циркуля можно выполнить, используя только линейку и циркуль фиксированного раствора (то есть, "заржавевший" циркуль). Теорема об эквивалентности циркулей демонстрирует, что во всех вышеупомянутых конструкциях привычный современный циркуль с изменяемым раскрывом, который можно использовать для переноса расстояний, можно заменить "сгибающимся циркулем" – циркулем, который схлопывается каждый раз, когда его поднимают от бумаги, и, следовательно, не может быть непосредственно использован для переноса расстояний. Фактически, в оригинальных построениях Евклида использовался именно сгибающийся циркуль.
Ограничения, исключающие компас
В 1822 году Жан Виктор Понселет, вдохновленный результатом Маскерони, выдвинул гипотезу, являющуюся вариацией той же темы. Он предположил, что любое построение, выполнимое с помощью линейки и циркуля, можно выполнить только с помощью линейки. Однако есть одно условие: необходимо предоставить один круг с указанным центром. Это утверждение, ныне известное как теорема Понселе — Штайнера, было доказано Якобом Штайнером одиннадцать лет спустя. В 1904 году Франческо Севери предложил доказательство, которое смягчает требование о предоставлении полного круга, показывая, что любая достаточно малая дуга этого круга, при условии, что центр известен, также является достаточной. Кроме того, сам центр можно опустить вместо части дуги, заменив его чем-то эквивалентным, например, второй концентрической или пересекающейся окружностью, третьей окружностью или второй непересекающейся окружностью, при условии, что задана точка на центральной линии или на радиальной оси между ними.