如何把圆等面积地变成正方形?

作者: 白德凡

来源: 环球科学

发布日期: 2022-02-12

数学家们通过不断探索和研究,最终找到了一种方法,可以将一个圆分割成有限数量的碎块,并将这些碎块重新拼接成一个面积相等的正方形,从而解决了困扰数学家数千年的“化圆为方”问题。

如何把圆等面积地变成正方形?这个问题困扰了数学家数千年。直觉告诉我们,给定一个圆,一定存在一个面积与之相等的正方形。可是这个正方形要怎样画出来呢?这个“化圆为方”的问题困扰了数学家几千年,他们先是证明了,仅靠尺规作图无法实现化圆为方,后来又思考:能否将圆分割成有限数量的碎块,再把这些碎块拼接成正方形呢?现在真的有数学家实现了这一点。

大约在公元前450年,古希腊数学家阿那克萨哥拉提出了一个有趣的几何问题:只用直尺和圆规,能否作出一个与给定圆面积相等的正方形?这个看似简单的“化圆为方”问题成为了尺规作图领域的一道经典题目,在此后的2000多年里,许多数学家都尝试解答,但都没能成功。这个问题之所以难以解答,在于它不仅是一个几何学问题,还是一个代数学问题。

在尺规作图问题中,给定若干角度或线段长度,其实质是给出了若干实数;而只用无刻度的直尺和圆规作图这条规则,保证了作出的角度或线段的长度,是给定实数的和、差、积、商、平方根的组合。由此,每个尺规作图问题其实都对应着一个代数问题。

回到化圆为方问题。假设给定的圆的半径为单位长度1,易知圆的面积为π,而面积与之相等的正方形,边长应为√π。

问能否用尺规做出这个边长的正方形,其对应的代数学问题是:已知1,能否通过有限次加减乘除和开方运算,得到√π?这个问题直到1882年才得到了最终的答案。德国数学家费迪南德·冯·林德曼证明了,π(及其平方根)是超越数,即它不是任何有理系数多项式方程的根,也就无法通过有限次的代数运算得到。所以那个等价的代数学问题无解,于是,尺规作图下的化圆为方问题也就无解了。

尺规作图无法化圆为方,可要是抛开尺规作图的限制呢?1925年,波兰裔美籍数学家阿尔弗雷德·塔尔斯基提出了另一个版本的化圆为方问题:能否将给定圆分割成有限数量的碎块,再将这些碎块重新拼接成一个正方形?碎块不能有剩余,拼接成的正方形也不能有缺口,圆和正方形的面积要相等。

这个版本的问题少了尺规作图的限制,但是要求不仅正方形的面积要和给定圆相等,构成它的每个部分也要来自给定圆——这更接近“化圆为方”的字面意义。而且在两个版本的问题中,允许的操作次数都是有限的,因此新的化圆为方问题依然是一个难题。

塔尔斯基提出的问题在1990年有了答案。匈牙利数学家米克洛什·拉茨科维奇给出了证明:圆可以被分割重组成正方形。

但是这种分割方式不是通常的剪刀能剪出来的,分割出来的碎块都拥有极其复杂的不规则形状。拉茨科维奇把这个几何问题转换成了一个图论问题,他用两种不同的顶点集合画了一个图——一个顶点集合对应于圆,另一个对应于正方形——然后在两个顶点集合之间建立了一一对应关系。最终他证明了,把一个圆分割成最多10^50块,就可以将它们拼接成正方形,甚至不需要旋转这些碎块。

然而拉茨科维奇的证明并没有终结新的化圆为方问题。实际上,他只是做了存在性证明,也就是证明了化圆为方是可行的,但是没能给出具体的操作方式,也没能给出每个碎块的形状。为了直观地理解化圆为方的过程,数学家仍然需要回到几何学,给出每个碎块形状的明确描述。

时间来到2016年,英国兰开斯特大学的卢卡什·格拉博夫斯基以及华威大学的安德拉斯·马泰、奥列格·皮库尔科发表了一篇论文,给出了分割圆的具体方法。在他们的证明中,分割圆得到的碎块,大多数都有明确的形状。他们还发现,这些碎块拼接在一起其实不能构成一个完整的正方形,仍然有一些小的“缝隙”需要额外的碎块来填充。但是这些碎块是如此之小,以至于它们并没有面积,数学家称之为“零测度的集合”。

一年后,马克斯和现在在加拿大多伦多大学的斯潘塞·昂格尔做出了改进,给出了第一个真正有效的化圆为方的方法。他们把圆分割成多达10^200块,重新拼接成了正方形,而且不会留下零测度的缺口。这些碎块的形状仍然非常复杂,尽管它们在数学上有明确的描述,但是很难可视化。

这给了数学家继续改进化圆为方方法的空间。马泰、皮库尔科和加拿大维多利亚大学的乔纳森·诺埃尔在本月发布的一篇预印本论文中,将圆分割成了同样约10^200块,但形状更为简单、更易可视化的碎块,并重组成了正方形。数学家仍然想进一步简化这些碎块,尤其是减少碎块的数量。马克斯做了一些计算机实验,表明可以只用22个碎块就能完成化圆为方的过程,他甚至认为这个数字还能减小,尽管没有给出证明。

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