Введение

Книга 2005 года, переформулирующая плоскостную геометрию. «Божественные пропорции: Рациональная тригонометрия к универсальной геометрии» – книга 2005 года, написанная математиком Норманом Дж. Уайлдбергером, посвященная предложенному альтернативному подходу к евклидовой геометрии и тригонометрии, известному как рациональная тригонометрия. В книге предлагается заменить традиционные базовые величины тригонометрии – евклидово расстояние и измерение угла – на квадрат расстояния и квадрат синуса угла соответственно. Это логически эквивалентно стандартному изложению (поскольку новые величины могут быть выражены через стандартные и наоборот). Автор утверждает, что его подход обладает определенными преимуществами, например, позволяет избежать использования иррациональных чисел. Книга была издана Уайлдбергером самостоятельно через его издательство Wild Egg. Формулы и теоремы, представленные в книге, признаются корректными математическими результатами, однако заявления о практическом или педагогическом превосходстве в основном продвигаются самим Уайлдбергером и вызвали неоднозначные отзывы.

Обзор

Основная идея «Божественных пропорций» заключается в замене расстояний на квадраты евклидовых расстояний, которые Вайлдбергер называет квадрансами, и замене измерения углов на квадраты их синусов, которые Вайлдбергер называет размахом между двумя прямыми. «Божественные пропорции» определяют оба этих понятия непосредственно из декартовых координат точек, определяющих отрезок прямой или пару пересекающихся прямых. Определенные таким образом, они являются рациональными функциями этих координат и могут быть вычислены непосредственно без необходимости извлекать квадратные корни или использовать обратные тригонометрические функции, требуемые при вычислении расстояний или измерения углов. Для Вайлдбергера, сторонника финизма, эта замена имеет заявленное преимущество – избегать понятий пределов и актуальной бесконечности, используемых при определении действительных чисел, которые Вайлдбергер считает необоснованными. Это также позволяет аналогичным концепциям быть расширенными непосредственно от рациональных чисел к другим числовым системам, таким как конечные поля, с использованием тех же формул для квадрансов и размаха. Кроме того, этот метод позволяет избежать неоднозначности, связанной с двумя смежными углами, образованными парой прямых, поскольку оба угла имеют одинаковый размах. Утверждается, что эта система более интуитивно понятна и легче обобщается с двух на три измерения. Однако в обмен на эти преимущества теряется аддитивность расстояний и углов: например, если отрезок прямой разделен на две части, его длина равна сумме длин этих двух частей, но объединение квадрансов частей более сложно и требует извлечения квадратных корней.

Организация и темы

"Божественные пропорции" разделены на четыре части. В первой части представлен обзор использования квадранции и спреда вместо расстояния и угла, а также обосновываются их преимущества. Во второй части формализуются утверждения, сделанные в первой части, и строго доказываются. Вместо определения линий как бесконечных множеств точек, они определяются своими однородными координатами, которые могут быть использованы в формулах для проверки принадлежности точек линиям. Подобно синусу, косинусу и тангенсу, они заменяются рациональными эквивалентами, называемыми "крест" и "скрут", и в "Божественных пропорциях" разрабатываются различные аналоги тригонометрических тождеств, включая варианты теоремы Пифагора, закона синусов и закона косинусов. В третьей части развивается геометрия треугольников и конических сечений с использованием инструментов, разработанных в двух предыдущих частях. Хорошо известные результаты, такие как формула Герона для вычисления площади треугольника по его сторонам или теорема о вписанном угле в формулировке, что углы, опирающиеся на одну и ту же хорду окружности из разных точек окружности, равны, переформулируются в терминах квадранции и спреда и, таким образом, обобщаются на произвольные числовые поля. Наконец, в четвертой части рассматриваются практические применения в физике и геодезии, а также разрабатываются расширения для многомерного евклидова пространства и полярных координат.

Аудитория

"Божественные пропорции" не требует от читателей серьезной математической подготовки, однако обилие длинных формул, частое обращение к конечным полям и (после первой части) упор на математическую строгость могут стать препятствием для широкой математической аудитории. Книга в основном предназначена для преподавателей и научных работников в области математики. Тем не менее, она может быть интересна и студентам математических специальностей, а наличие упражнений позволяет использовать её как основу для учебного курса.

Критический прием

Особенностью книги, которая вызвала наиболее положительную реакцию у рецензентов, стало расширение результатов в геометрии расстояний и углов на конечные поля. Рецензент Лора Уизвелл сочла эту работу впечатляющей и была очарована результатом о том, что наименьшее конечное поле, содержащее правильный пятиугольник, равно… Майкл Хенле называет расширение геометрии треугольника и конических сечений на конечные поля, представленное в третьей части книги, «элегантной теорией большой общности», а Уильям Баркер также положительно отзывается об этом аспекте книги, называя его «особенно новым» и потенциально открывающим новые направления исследований. Уизвелл задается вопросом, сколько из представленных без указания авторства детальных результатов на самом деле являются новыми. В связи с этим Майкл Хенле отмечает, что использование квадрата евклидова расстояния «часто оказывалось удобным в других областях», например, в геометрии расстояний, статистике методом наименьших квадратов и выпуклой оптимизации. Джеймс Франклин указывает, что для пространств трех и более измерений, традиционно моделируемых с помощью линейной алгебры, использование «распространения» (spread) по «Божественным пропорциям» не сильно отличается от стандартных методов, использующих скалярное произведение вместо тригонометрических функций. Преимущество методов Уайлдбергера, отмеченное Хенле, заключается в том, что, поскольку они основаны только на простой алгебре, доказательства легко понять и легко проверить с помощью компьютера. Однако он предполагает, что утверждения книги о большей простоте общей теории основаны на ошибочном сравнении, в котором квадранция и «распространение» сопоставляются не с соответствующими классическими понятиями расстояний, углов и синусов, а с гораздо более широким набором инструментов классической тригонометрии. Он также отмечает, что для студента с научным калькулятором формулы, избегающие квадратных корней и тригонометрических функций, не представляют особой проблемы, а Баркер добавляет, что новые формулы часто требуют большего количества отдельных вычислительных шагов. Хотя многие рецензенты считают, что сокращение времени, необходимого для обучения студентов тригонометрии, было бы весьма кстати, Пол Кэмпбелл сомневается в том, что эти методы действительно ускорят процесс обучения. Джерри Леверша придерживается открытой позиции, написав, что «будет интересно увидеть учебники, предназначенные для школьников, которые Уайлдбергер обещал выпустить, и контролируемые эксперименты с участием студентов в качестве подопытных». Однако по состоянию на 2020 год эти учебники и эксперименты так и не были опубликованы. Уизвелл не убеждена в том, что в традиционной геометрии есть фундаментальные недостатки, которые эти методы позволяют избежать. Соглашаясь с Уизвелл, Баркер отмечает, что могут быть и другие математики, разделяющие философские сомнения Уайлдбергера относительно бесконечности, и что эта работа должна представлять для них большой интерес. Наконец, вопрос, поднятый многими рецензентами, – это инерция: если предположить, что эти методы лучше, то достаточно ли они хороши, чтобы оправдать значительные индивидуальные усилия по переизучению геометрии и тригонометрии в этих терминах, а также институциональные усилия по переработке школьной программы для их использования вместо классической геометрии и тригонометрии? Хенле, Баркер и Леверша заключают, что книга не представила убедительных аргументов в пользу этого, но Сандра Арлингхаус видит в этой работе возможность для таких областей, как ее математическая география, «которые относительно мало связаны с традиционной институциональной жесткостью», продемонстрировать потенциал такой замены.