Текст книги "Красота в квадрате. Как цифры отражают жизнь и жизнь отражает цифры"

3. Любовные треугольники

Автор исследует треугольники. Призрачный мир древнегреческой геометрии приводит его сначала к колодцу, а затем на вершину самой высокой горы мира.

Роб Вудолл – коллекционер геодезических знаков. В этом он преуспел как никто другой. Геодезические знаки представляют собой бетонные сооружения высотой до пояса, которыми обозначаются базисные точки национальной геодезической сети, использовавшейся в свое время картографами и топографами. Если вы когда-либо бывали в сельских районах Великобритании, то наверняка видели эти сооружения. Они, как правило, расположены на вершинах холмов – как трофей в конце восхождения. За период с 1936 по 1962 год Управление геодезии и картографии установило более 6500 таких знаков, 6200 из них сохранились до настоящего времени. По посещению, или «коллекционированию», геодезических знаков проводятся соревнования. На счету 50-летнего Роба Вудолла уже 6155 знаков – другими словами, почти все[48]48
  Роб посетил 6177 геодезических знаков, расположенных в Великобритании, в том числе 45 полуразрушенных и 100 опрокинутых. Большинство геодезических столбов, которые Роб еще не видел, находятся на островах. Он издали видел два геодезических знака, размещенных на земле Министерства обороны, в том числе знак, установленный на территории базы обслуживания атомных подводных лодок в Кулпорте (Шотландия). Однако Робу не разрешили приблизиться к ним. Еще только четыре коллекционера смогли пройти 3000 геодезических знаков.


[Закрыть]. На данный момент он опережает ближайшего соперника почти на тысячу знаков.

В начале своего увлечения геодезическими знаками Роб раз в две недели устраивал экспедицию, уезжая из дома в пятницу вечером и возвращаясь в понедельник утром. Геодезические знаки размещены приблизительно в 5 километрах друг от друга, поэтому, действуя оперативно, Боб мог обойти примерно 50 знаков за одни выходные. При удачном стечении обстоятельств эти сооружения располагались у обочины дороги, где он мог припарковать автомобиль. Однако в большинстве случаев геодезические знаки находились вдали от дорог или пешеходных троп и были скрыты в зарослях можжевельника, куманики и прочих колючих кустов. Для того чтобы не возвращаться на работу с ободранными до крови руками, Боб стал брать с собой садовые ножницы.

Геодезические знаки – это реликвии нашего технологического наследства, такие же элементы ландшафта, как средневековые крепости или прямые римские дороги. Робу нравится их коллекционировать, поскольку благодаря этому он путешествует по красивым местам, удовлетворяя свою тягу к приключениям и получая от этого огромное удовольствие. Он совершал ночные переходы по фермерским полям, побывал на страусиной ферме и потратил три года на переговоры с одним землевладельцем, чтобы добиться у него разрешения посмотреть геодезический знак, расположенный на его земельном участке. Мне тоже нравятся геодезические знаки. Они олицетворяют собой величие треугольника – фигуры, которая изменила мир.

Числа появились около 8000 лет назад, а математика возникла в Египте примерно в 600 году до нашей эры.

Все началось с публичной демонстрации способа измерения высоты пирамид. Греческий мыслитель Фалес показал, как определить высоту Великой пирамиды в Гизе, не взбираясь на нее. Сначала он установил на земле шест, который вместе с тенью образовал две стороны треугольника, как показано на представленном ниже рисунке. Пирамида со своей тенью тоже создавала треугольник. Гениальность Фалеса состояла в том, что он понял: хотя эти два треугольника существенно разнятся по размерам, у них одинаковая форма, поскольку солнечные лучи падают параллельно друг другу. Это означало, что на основании высоты маленького треугольника можно рассчитать высоту большого. Если говорить в современных терминах, Фалес понял следующее:

Высоту шеста и длину его тени измерить не составляет труда. Расстояние от центра основания пирамиды до конца ее тени измерить непосредственно нельзя, поскольку этому мешает сама пирамида[49]49
  Практические аспекты предложенного Фалесом метода измерения высоты пирамид рассматриваются в статье: Thales’ Shadow’ by Lothar Redlin, Ngo Viet and Saleem Watson, in Mathematics Magazine, 2000. В частности, авторы демонстрируют, что солнечные лучи направлены перпендикулярно грани пирамиды два раза в день только весной и летом: один раз утром и один раз вечером.


[Закрыть]. Возможно, прежде чем делать расчеты, Фалес подождал, когда солнечные лучи будут направлены перпендикулярно грани пирамиды, так как в этот момент расстояние от центра пирамиды до ее грани равно половине длины стороны пирамиды. Учитывая, что в приведенном выше уравнении три значения были известны, Фалес смог вычислить оставшееся значение – высоту пирамиды.

Параллельные лучи солнца образуют два подобных треугольника: один создан пирамидой, а другой – шестом

Открытие Фалеса стало крохотным шагом для тригонометрии, науки о треугольниках, и огромным скачком для человечества. По мнению ученого, способ определять размер объекта логически вытекал из его свойств[50]50
  Не исключено, что египтяне обладали гораздо более обширными знаниями в области математики, чем принято считать, но установить это невозможно, поскольку об этом сохранилось слишком мало информации.


[Закрыть]. Это отличало мышление Фалеса от мышления египтян, которые проявляли выдающиеся способности в практических областях (таких как строительство пирамид), но при этом их математические знания значительно ограничивались эмпирическими правилами и треугольниками, существующими в реальной жизни. В расчетах Фалеса был задействован треугольник, являющийся абстракцией реальности, образованной солнечными лучами. Идеи Фалеса положили начало греческому рациональному мышлению, которое мы считаем основной западной математики, философии и науки.

Имя Фалеса также носит еще одно его открытие – теорема Фалеса, которая гласит, что треугольник, вписанный в полукруг, всегда прямоугольный[51]51
  Carl B. Boyer, A History of Mathematics, John Wiley & Sons, 1968.


[Закрыть]{10}10
  Уточнение: не просто вписаный в полукруг, а одна сторона треугольника равна диаметру круга. Прим. ред.


[Закрыть]. Кроме того, воспользовавшись дедуктивным методом, Фалес предсказал солнечное затмение 585 года до нашей эры, а также повышение урожайности оливковых деревьев в его родном городе Милете после нескольких неблагоприятных лет. Он скупил все оливковые маслобойни, какие только смог, по самым низким ценам и разбогател во время небывалого урожая оливок. Столетие спустя древнегреческий комедиограф Аристофан подшутил над великим мудрецом, введя в одну из пьес сцену, где Фалес упал в канаву, в задумчивости рассматривая звезды. Фалеса помнят не только как первого в истории математика и философа, но и как первого самого рассеянного ученого.

Во время устроенного в Гизе представления Фалес продемонстрировал, как посредством треугольника измерить расстояние от ближней точки до дальней без физического перемещения в дальнюю точку. Впоследствии треугольники стали использовать для измерения гораздо больших расстояний, чем высота пирамиды, что полностью изменило такие науки, как астрономия, навигация и картография. Но об этом мы поговорим позже. Иногда огромные расстояния можно измерить, просто понаблюдав за тенью, отбрасываемой вертикально установленным шестом в солнечный день. Спустя три столетия после того, как Фалес с помощью шеста и дедуктивной логики произвел впечатление на фараона, Эратосфен применил тот же метод для получения первой реалистичной оценки окружности Земли.

Эратосфен жил в Александрии, столице эллинистического Египта, где возглавлял крупнейшую в то время знаменитую Александрийскую библиотеку. Там же, в Александрии, он измерил угол падения солнечных лучей у верхушки вертикального шеста в полдень летнего солнцестояния. Оказалось, что этот угол составляет примерно пятидесятую часть полного круга. Эратосфену было известно, что в Сиене, самом южном городе Египта, есть знаменитый колодец, дно которого полностью освещается в полдень летнего солнцестояния, то есть в это время в этом месте Солнце совсем не отбрасывает тень. На основании этих двух фактов Эратосфен сделал вывод, что расстояние от Александрии до Сиены должно составлять пятидесятую часть окружности Земли.

Эратосфен рассуждал так. Во-первых, в то время уже знали, что Земля круглая: люди видели, что корабли уходят за горизонт, а Земля отбрасывает изогнутую тень на Луну во время лунного затмения. Во-вторых, Эратосфену было известно, что Сиена находится строго на юг от Александрии. С учетом этих двух фактов он смог нарисовать представленную ниже схему, на которой изображено поперечное сечение земного шара с севера на юг, проходящее через Александрию и Сиену, в полдень летнего солнцестояния. В этот момент солнечные лучи направлены через Сиену прямо в центр Земли, а в Александрии падают на шест под углом. Поскольку шест установлен вертикально, он также должен указывать на центр земного шара. Следовательно, можно нарисовать абстрактную геометрическую схему (рисунок справа), на которой параллельные линии изображают солнечные лучи, а пересекающая их линия проходит от вершины шеста к центру Земли.

В полдень летнего солнцестояния Солнце не отбрасывает тень в Сиене, но отбрасывает тень от шеста, установленного в Александрии. Угол, который образуют солнечные лучи с шестом, равен углу от центра Земли к этим двум городам

Одна из основных теорем греческой геометрии гласит, что лежащие накрест углы равны, а это значит, что линия, пересекающая две параллельные прямые, образует с ними равные углы. Следовательно, угол, который образует с лучами шест, равен углу в центре Земли. Эратосфен определил, что построенный шестом угол составляет пятидесятую часть полного круга, стало быть, и угол в центре Земли такой же. Получается, расстояние от Александрии до Сиены составляет одну пятидесятую окружности земного шара.

Выходит, что для того, чтобы вычислить окружность Земли, Эратосфену следовало просто умножить расстояние от Александрии до Сиены на пятьдесят. У греков уже была достаточно точная оценка этого расстояния – 5000 стадиев: его измерили бематисты (землемеры), шагомеры, определяющие расстояние и маршрут. (Эратосфену как создателю географии судьба подарила три географических факта, без которых его измерения были бы невозможны: египтяне расселились вплоть до Сиены, находящейся на Тропике Рака – самой северной широте, где Солнце не отбрасывает тень по крайней мере один раз в год; Сиена расположена строго на юг от Александрии; земля между этими двумя городами позволяла проложить более-менее ровную дорогу.) Один стадий в современной системе измерения равен 166 метрам. Таким образом, окружность Земли была рассчитана так: 166 метров × 5000 стадиев × 50, что составляет примерно 41 500 километров, всего на 1500 километров (около 4 процентов) больше правильного значения. На протяжении целой тысячи лет никому не удалось получить более точный результат, чем Эратосфен.

Сейчас город Сиена известен как Асуан. В нем до сих пор сохранился тот самый колодец, однако из-за безжалостного полуденного зноя, наступающего в день летнего солнцестояния, это место вряд ли станет Меккой для туристов.

Ко временам Эратосфена греческая математика уже прошла путь от первых идей Фалеса относительно треугольников до большого свода теорем о них вместе с доказательствами. Преобладание треугольника в греческом мышлении обусловлено тем, что все фигуры, построенные на основе прямых линий (квадраты, пятиугольники и т. д.), можно разбить на треугольники, а фигуры, образованные кривыми линиями (такие как окружности, эллипсы и параболы), – приближенно представить в виде треугольников.

Поскольку все треугольники делятся на прямоугольные (треугольники, в которых один угол прямой, или «четвертьоборотный»), древние греки ценили последние больше всего. На представленном ниже рисунке показано, как разбить треугольник на два треугольника поменьше с прямыми углами. Для этого необходимо провести перпендикуляр до самой большой стороны от противоположного угла треугольника. Когда мы начинаем изучать математику, нам рассказывают, что такое гипотенуза – самая длинная сторона прямоугольного треугольника, противоположная прямому углу. И сразу после этого объясняют теорему Пифагора (нижний рисунок), которая гласит:

В прямоугольном треугольнике квадрат гипотенузы равен сумме квадратов катетов[52]52
  В прошлом «две другие стороны» обозначались термином catheti (единственное число – cathetus), но в настоящее время в английском языке этот термин вышел из употребления. Однако в других языках он используется до сих пор: Kathete – в немецком языке, cateto – в испанском и португальском, катеты – в русском языке.


[Закрыть].

Прямоугольные треугольники

Теорема Пифагора

Теорема Пифагора стала одной из наиболее известных в математике по многим причинам, самая главная из которых состоит в том, что в ней речь идет о прямоугольном треугольнике – объекте планиметрии, не поддающемся упрощению.

Когда Солнце отбрасывает тень от шеста, образуется прямоугольный треугольник, как мы помним из истории о Фалесе. Однако, когда Солнце движется по небу, изменение угла падения солнечных лучей не вызывает пропорционального изменения длины тени. Если угол увеличивается с постоянным приращением (как на представленном ниже рисунке), то приращение длины тени с каждым разом становится все больше, поэтому в конце дня мы видим, как тени буквально ползут по земле. Астрономы, не говоря уже о производителях солнечных часов, очень хотели понять взаимосвязь между углом падения солнечных лучей и длиной тени. Но у древних греков не было инструмента, который бы помог им ответить на этот вопрос: при всех их геометрических знаниях, существовавшая на то время система представления чисел была чрезвычайно громоздкой. Для того чтобы продвинуться дальше в изучении треугольников, древним грекам требовалась более эффективная система записи дробных чисел.

Солнечные лучи, падающие под равными углами, отбрасывают тени разной длины

Греческая система счисления произошла от египетской, которая подразумевала запись чисел двумя способами[53]53
  Florian Cajori, A History of Mathematical Notations, Dover, 1993.


[Закрыть]. Вырезая числа на дереве или высекая на камне, египтяне использовали иероглифы. Каждая степень десяти от единицы до миллиона была представлена специальным символом: 1 – вертикальная линия, 10 – перевернутая буква U, 100 – спираль, 1000 – цветок лотоса со стеблем, 10 000 – слегка изогнутый палец, 100 000 – головастик, 1 000 000 – человек на коленях с поднятой к небу головой[54]54
  Georges Ifrah, The Universal History of Numbers, John Wiley & Sons, 2000.


[Закрыть]. Любое число записывалось посредством повторения этих символов; например, число 3 141 592 выглядело бы так.

Для записи чисел на папирусе египтяне применяли менее сложную систему иератического письма, которая больше подходила для использования ручки и чернил. Они ввели специальные символы для обозначения цифр и чисел, кратных 10. Таким образом, вместо утомительного изображения числа 7 в виде семи вертикальных линий египтяне применяли один символ . Переход от представления чисел в виде повторяющихся иероглифов к их записи с помощью символов был важным шагом вперед.

В случае записи чисел с помощью иероглифов для обозначения дробей над числом размещался символ рта , для того чтобы обозначить обратную величину – подобно тому, как мы ставим 1 над линией дроби. Например, дробь 1/3 изображалась как , а 1/10 – как . В системе записи чисел посредством иератического письма для обозначения дроби над числом ставилась точка; например, дробь 1/7 выглядела так: . Египтяне использовали только единичные дроби, поэтому им приходилось разбивать дроби с числителем больше 1 на сумму единичных дробей, например 2/5 – на 1/3 + 1/15 и 2/101 – на 1/101 + 1/202 + 1/303 + 1/606. Сжатое значение египетских сумм единичных дробей напоминает нашу систему десятичных дробей, в которой, например, число 0,234 представляет сумму дробей 2/10 + 3/100 + 4/1000, хотя египетская система была не настолько эффективной и гибкой, как наша[55]55
  Самая гибкая система с использованием единичных дробей – бинарная система, в которой дроби образуются так: половина, половина половины, половина половины половины и т. д., или, … В этой системе любая дробь может быть записана в виде комбинации единичных дробей. В 1911 году египтолог Георг Мюллер написал, что в ходе исследований открыл невероятно живописное древнее изображение первых шести единичных дробей бинарной системы. На представленном ниже рисунке изображен символ «око Гора», каждый элемент которого соответствует одной из этих дробей: левая часть роговицы – , зрачок – , бровь – и т. д.; остальные фрагменты представляют дроби, и. Шестьдесят три возможные комбинации фрагментов «ока Гора», отличных от нуля, позволяют выразить любую дробь от до. Помимо волнующего изображения «око Гора» имеет и не менее волнующую историю: это мистический символ Гора – бога с головой сокола, глаз которого был разделен на шесть частей его дядей и впоследствии снова собран воедино. К сожалению, после целого столетия принятия в 2002 году миф о глазе Гора был развенчан Джимом Риттером, который заявил об отсутствии каких бы то ни было доказательств того, что фрагменты «ока Гора» символизируют единичные дроби. Jim Ritter, Closing the Eye of Horus: the Rise and Fall of Horus-Eye Fractions, Under One Sky: Astronomy and Mathematics in the ancient Near East, 2002.


[Закрыть].

Во времена Евклида древние греки уже использовали систему счисления, основанную на египетском иератическом письме: 27 числам соответствовали 27 различных символов – букв греческого алфавита[56]56
  В полном виде греческая система обозначения чисел выглядела так:


[Закрыть]. Например, число 444 записывалось как υµδ, поскольку символом υ обозначалось число 400, символом µ – 40 и δ – 4. Дроби описывались словами, скажем, «одиннадцать частей в восьмидесяти трех» или отображались в виде простых дробей с числителем и знаменателем, во многом напоминавших современную форму, такую как 11/83, хотя у греков сохранилось исторически сложившееся пристрастие к единичным дробям. Египетская и греческая системы представления чисел не годились для астрономии, поскольку для отслеживания движения планет необходимо рассчитывать малейшие доли углов, а простые и единичные дроби слишком громоздки для этого.

В Месопотамии, однако, применялась гораздо более гибкая система представления чисел. В Вавилоне использовалась позиционная система счисления, в которой значение каждой цифры зависело от ее позиции в числе. Современная числовая система – это десятичная позиционная система счисления. Например, в числе 123 цифра 3 находится в разряде единиц, цифра 2 – в разряде десятков и цифра 1 – в разряде сотен. Большим преимуществом позиционной системы счисления является то, что с ее помощью можно записывать дроби. В нашей системе счисления такие дроби называются десятичными. Например, в числе 0,56 цифра 5 находится в разряде десятых, а цифра 6 – в разряде сотых.

Вавилоняне применяли шестидесятеричную систему счисления, то есть в ее основу было положено число 60. (В вавилонской системе числа записывались в виде комбинации двух символов – вертикального клина и горизонтального клина .) До сих пор неизвестно, почему вавилоняне выбрали именно число 60 в качестве основания позиционной системы, хотя, возможно, это объясняется тем, что шестьдесят – минимальное число, которое делится на 1, 2, 3, 4, 5 и 6, а это упрощало решение ряда арифметических задач. Вавилоняне расширили свою систему представления чисел на дроби. У них не было специального «шестидесятеричного» символа, подобного нашей десятичной запятой, поэтому значение разрядов приходилось определять по контексту. Например, число 123 могло означать также, что цифра 1 находится в разряде единиц, цифра 2 – в разряде шестидесятых, а цифра 3 – в разряде 3600-х. Позиционные дроби значительно превосходят простые дроби, как мы знаем по собственному опыту применения десятичных дробей. Для их записи требуется меньше символов, и с ними проще делать расчеты. Вавилоняне умели извлекать корень из двух до трех шестидесятеричных разрядов, или с точностью около 0,000008 от истинного значения – поразительный результат для того периода. Легкость, с которой вавилоняне делили углы на более мелкие части, позволила им добиться выдающихся для своего времени успехов в астрономии.

Вавилоняне поделили круг на 360 градусов. Возможно, такое разбиение было связано с зодиакальным кругом, который состоял из 12 знаков зодиака и 36 декан (деканальных божеств), или с тем, что 360 – это примерное количество дней в году. Не так давно появилось еще одно предположение: число 360 выбрано потому, что, как показано на рисунке ниже, в окружность вписывается шесть равносторонних треугольников и каждый из углов в ее центре разделен на 60 частей, как того требуют шестидесятеричные дроби. Безусловно, все эти причины дополняли друг друга, и вавилонская система счисления оказалась чрезвычайно долговечной.

Во II столетии до нашей эры древние греки заимствовали вавилонские дроби, используемые до сих пор. Градус по традиции был разделен на 60 более мелких частей, каждая из которых обозначалась как pars minuta prima («часть мелкая первая») и состояла, в свою очередь, тоже из шестидесяти мелких частей, позиционируемых как pars minuta secunda («часть мелкая вторая»). От этих латинских выражений произошли слова минута и секунда, или единицы времени, – самые известные реликвии, доставшиеся нам от древней шестидесятеричной системы счисления.

Имея в своем распоряжении подходящую систему счисления, древнегреческий астроном Гиппарх приступил к составлению таблицы данных о соотношении сторон треугольника. Он делал это на основе хорды – отрезка, соединяющего две точки окружности и названного так потому, что он напоминает туго натянутую струну лука{11}11
  Одно из значений английского слова «chord» – «струна». Прим. пер.


[Закрыть]. Каждая хорда с центром окружности образует треугольник, как показано на рисунке ниже

Если длина окружности постоянна, то углам с вершиной в ее центре соответствуют хорды разной длины. Гиппарх составил таблицу углов, кратных 7,5 градуса, с указанием длины хорд. Во II столетии нашей эры астроном Птолемей развил эту идею, создав таблицу хорд для окружности с радиусом 60 единиц, в которой была приведена длина хорд, соответствующих углам с интервалом в полградуса от 0 до 180 градусов, с точностью до третьего шестидесятеричного разряда. Таблицы хорд Гиппарха и Птолемея оказались бесценны для западных астрономов, рассматривавших Землю и другие небесные тела как вершины космических треугольников. Таким образом, треугольник стал первым телескопом за всю историю человечества, сделав внеземные объекты доступными для измерения.

В Индии в середине первого тысячелетия нашей эры астрономия процветала по той же причине, что и в Вавилоне: у индийцев тоже была позиционная система счисления, позволяющая им эффективно описывать как очень большие, так и очень малые числа. На самом деле индийская система счисления даже превосходила вавилонскую, поскольку основывалась на десятках, что было более удобно, чем группы по шестьдесят цифр. Кроме того, индийцы считали ноль полноправным числом, а не символом-заполнителем незначащих разрядов чисел, как вавилоняне. Индийские астрономы также пользовались таблицами длин сторон треугольников. Однако вместо хорд они их составили для полухорд. Как показано на верхнем рисунке, полухорда – это сторона прямоугольного треугольника, в котором радиус окружности представляет собой гипотенузу, а другая сторона – часть биссектрисы, перпендикулярной хорде. Концепция полухорд удобнее для расчетов, поскольку, как мы уже знаем, любой треугольник делится на прямоугольные треугольники. Позиционная система счисления индийцев и их знания о длине сторон треугольников получили распространение в арабском мире и со временем достигли Европы. Система представления чисел с помощью цифр от 0 до 9, которые мы используем в наше время, так же как и выбор полухорд, берет свое начало в индийской системе счисления.

В VI столетии до нашей эры Фалес уловил суть самого важного свойства треугольников, лежащего в основе всего, что мы о них знаем, в частности, что при равных углах отношения их сторон не меняются.

А теперь представим, что мы перенеслись на две тысячи лет вперед, в то время, когда математики изобрели три новые концепции, основанные на этом свойстве: синус, косинус, тангенс.

SOH-CAH-TOA!{12}12
  SOH-CAH-TOA – мнемоническое правило для запоминания формул определения синуса, косинуса и тангенса. Прим. пер.


[Закрыть]

Тем, кто забыл это мнемоническое правило, хочу напомнить формулы:

Синус, косинус и тангенс – это тригонометрические функции, применяемые по отношению к прямоугольным треугольникам, таким как треугольник на представленном выше рисунке. Синус угла α – это отношение противолежащего катета к гипотенузе; косинус угла α – отношение прилежащего катета к гипотенузе; тангенс угла α – отношение противолежащего катета к прилежащему.

Если понадобится увеличить изображенный на рисунке треугольник до нужного размера, пропорции между сторонами останутся неизменными, а это значит, что синус, косинус и тангенс угла α, которые принято записывать как «sin α», «cos α» и «tan α»{13}13
  В русской математической литературе принято обозначение тангенса как tg α. Прим. ред.


[Закрыть], представляют собой постоянную величину. Тригонометрические функции – это своего рода идентификационный код, описывающий форму прямоугольных треугольников: она зависит от внутренних углов, поэтому, если они неизменны, не изменяются и значения синуса, косинуса и тангенса.

При внимательном рассмотрении приведенных выше рисунков связь между синусом и полухордой становится очевидной. Синус угла β представляет собой отношение противолежащей стороны к гипотенузе, которое равно отношению полухорды к радиусу. Если радиус равен 1, тогда синус угла β – это и есть полухорда.

Согласно этимологии слова «синус», оно пришло к нам из Индии. На санскрите полухорда обозначалась как jya-ardha, или «половина тетивы». Арабы транслитерировали это слово как jiba – лишенное смысла слово, звучащее почти как jaib – «пазуха», или «углубление». При переводе арабских текстов на латынь термин jaib был переведен как sinus, что означало складку тоги над грудью женщины. В английском языке это слово трансформировалось в sine.

Ниже представлена небольшая тригонометрическая таблица. Углам с изящными значениями не всегда соответствуют столь же изящные значения тригонометрических функций. При величине угла от 0 до 90 градусов значение синуса находится в пределах от 0 до 1, косинуса – от 1 до 0, а тангенса – от 0 до бесконечности. Первые тригонометрические таблицы были составлены в XV–XVI веках с использованием геометрических и математических методов, что подготовило почву для золотого века треугольника.

При отсутствии необходимых технических приспособлений можно применить новые математические инструменты. Например, если мы хотим измерить высоту дерева, мы решаем эту задачу при помощи прямоугольного треугольника, как показано ниже.

Если Р – это точка на земле, с которой видна верхушка дерева, а α – угол наблюдения, то:

Эту формулу можно преобразовать в следующее уравнение:

h = d × tan α

Как правило, такие уравнения записываются так:

h =d tan α

Топографу эпохи Возрождения следовало измерить угол α с помощью транспортира и визира, после чего ему лишь оставалось найти в тригонометрической таблице значение tan α. Расстояние d он мог измерить посредством мерной ленты или куска веревки. Вот и весь секрет того, как вычислить высоту дерева, не отрываясь от земли.

Для того чтобы определить высоту горы, необходимо нарисовать два треугольника (как показано выше), поскольку добраться до угла треугольника, расположенного прямо под вершиной горы, невозможно. Топограф решает эту задачу путем наблюдения за вершиной горы из двух точек, каждая из которых образует прямую линию с вершиной под углами α и β. Кроме того, он измеряет расстояние d между этими двумя точками. Высоту горы можно рассчитать с помощью значений tan α, tan β и d (в Приложении 3 показано, как это сделать).

Тригонометрия (или наука о соотношении сторон треугольника) повлияла на развитие таких областей, как навигация и военное дело, позволив морякам и солдатам измерять расстояния до объектов, к которым они не могли приблизиться без риска утонуть или быть убитыми. Кроме того, тригонометрия помогла арабскому ученому аль-Бируни превзойти результат Эратосфена в определении окружности Земли. В XI веке нашей эры, когда аль-Бируни жил в крепости у Соляного Кряжа в Пенджабе, он случайно нашел место, географические характеристики которого идеально подходили для измерения высоты горы. Она была высокой и выходила на плоскую равнину. Все складывалось как нельзя лучше для реализации этого намерения посредством тригонометрии, поэтому аль-Бируни так и поступил. Но затем, вместо того чтобы собрать вещи и уйти, он взобрался на вершину горы и измерил угол между горизонтальным направлением взгляда и горизонтом, обозначенный на рисунке ниже как θ. Далее аль-Бируни соединил точку встречи горизонта с землей и точку на вершине горы, в которой он стоял, с центром Земли, образовав прямоугольный треугольник. Затем он вычислил радиус Земли, умножив высоту горы на отношение (доказательство можно найти в Приложении 3). Выполнив необходимые расчеты, аль-Бируни получил значение радиуса Земли, равное 6335 километрам, что дает окружность 39 800 километров – всего на 0,5 процента меньше правильного значения и почти в десять раз точнее, чем оценка Эратосфена.

Измерение радиуса Земли по методу аль-Бируни

Соотношение сторон треугольника стало настоящим открытием для архитекторов, астрономов, артиллеристов, ученых и мореплавателей. К тому же это послужило толчком к формированию абстрактной математики, позволяющей по-новому взглянуть на классические геометрические концепции, такие как теорема Пифагора, которая гласит, что:

a²+b²= c²,

где c – гипотенуза, a и b – два катета.

Если α – это угол между сторонами b и c, тогда:

Другими словами, a = c sin α, а b = c cos α. Мы можем подставить эти значения в уравнение Пифагора:

(c sin α)² + (c cos α)² = c²,

которое можно преобразовать так:

c² (sin α)² + c² (cos α)² = c²

и привести к следующему виду:

(sin α)² + (cos α)² = 1

Прекрасно! Теперь у нас есть компактная формула, демонстрирующая, как можно вычислить синус по косинусу и наоборот без необходимости рисовать треугольник. Это простейшее из уравнений, которые называют тригонометрическими тождествами – уравнениями, включающими в себя тригонометрические функции. Принято считать, что арабский математик ибн-Юнус (современник аль-Бируни) вывел следующую формулу:

Она имела огромное значение, хотя математикам понадобилось пять сотен лет, чтобы понять почему. Уравнение ибн-Юнуса позволяет заменить такую трудную математическую операцию, как умножение, на более простое действие – сложение.

Представьте, что нам нужно умножить 0,2897 на 0,3165.

Оба числа находятся в диапазоне от 0 до 1, стало быть, есть такие углы, для которых эти числа являются косинусами. Определить, какие именно углы соответствуют данным значениям, помогут тригонометрические таблицы. Вот эти углы:

cos 73,160° = 0,2897

cos 71,548° = 0,3165

Следовательно, мы можем записать уравнение так:

0,2897 × 0,3165 = cos 73,160° × cos 71,548°

Приведенное выше тождество говорит о том, что эта формула эквивалентна следующему уравнению:

Обратившись к таблицам, получим тождество:

Это и есть результат умножения чисел 0,2897 и 0,3165, причем очень точный. Умножьте их с помощью калькулятора, округлите произведение до четвертого десятичного знака, и получите 0,0917.

Приведенный выше способ умножения чисел может показаться слишком сложным, но в конце XVI столетия он был самым легким. Вместо того чтобы расписывать операцию умножения в столбик, что требует больших усилий и времени, достаточно просто посмотреть в сборник тригонометрических таблиц, сложить два числа, найти их разность, снова посмотреть в таблицы, сложить два числа и разделить их на два. Этот метод обозначается термином простаферезис (prosthaphaeresis), который образован от греческих слов, означающих сложение и вычитание, – prosthesis и aphaeresis.

Метод простаферезиса вдохновил шотландца Джона Непера на поиск еще более эффективного способа преобразования умножения в сложение, что в 1614 году привело к открытию логарифма. Вместо умножения двух чисел теперь можно было сложить их логарифмы. Логарифмы Непера существенно упростили процесс умножения, из-за чего метод простаферезиса утратил популярность. Тем не менее на протяжении нескольких десятилетий триумфа прямоугольный треугольник – квинтэссенция геометрии – играл двойную роль в качестве невидимого оружия арифметики.

Хотя треугольники, несомненно, весьма полезны по отдельности, в командной игре они особенно эффективны. Если нарисовать сеть треугольников (как показано на рисунке ниже) и измерить в ней все углы, то достаточно определить точную длину одной линии, чтобы рассчитать длину всех остальных линий сети. Предположим, нам известна точная длина линии, выделенной жирным; обозначим ее как l. Тригонометрическое тождество, которое принято называть теоремой синусов, дает нам формулу расчета длины двух других сторон треугольника:

где α – угол, противоположный жирной линии, β и γ – два других угла треугольника. Поскольку все углы в треугольниках сети известны, на основании длины каждой очередной линии можно вычислить длину двух других линий – и так далее, пока не будет известна длина каждой линии сети. Этот метод применим к любым треугольникам, а не только к прямоугольным.

В 1533 году голландский математик Гемма Фризиус понял, что метод триангуляции как нельзя лучше подходит для картографии, поскольку измерять углы гораздо легче, чем большие расстояния[57]57
  Eli Maor, Trigonometric Delights, Princeton University Press, 1998.


[Закрыть]. Его идея состояла в том, чтобы выбрать точки на местности так, чтобы от каждой из них было видно две других, и построить таким образом сеть треугольников. Он измерил углы между точками с помощью теодолита – круглого транспортира на подставке. Определив длину базисной линии, Гемма Фризиус смог рассчитать все остальные расстояния, используя тригонометрические таблицы, а затем нарисовал точную карту местности.