Квант
Основные статьи

О правильных многоугольниках, функции Эйлера и числах Ферма

Кириллов А. А.

2

  1. Пролог

Задачи на геометрические построения — один из самых популярных в школьной математике. Почти в каждом математическом кружке разбиаются такие задачи. Это, конечно, не случайно. История геометрических построений насчитывает несколько тысяч лет, и уже древние греки достигли здесь большого искусства. В качестве примера можно привести задачу Аполлония: построить округность, касающийся трех данных окружности *).

Многим, вероятно, известны три значенные задачи древности, оказывающиеся неразрешными: о квадрату круea, трисекции уела и увоенii куба **).

Но, пожалуй, самой красивой является задача о построении правильных многоугольников. Собственно говоря, это не одна задача, а целая серия задач: для каждого натурального числа n ≥ 3 требуется с помощью циркуля и линейки построить правильный n-угодный.

Есть ли какая-нибудь закономерность в распределении «кrasных» и «черных» чисел? Оказывается, есть; но найти ее довольно трудно. Эта закономерность имеет арфметическую природу; чтобы ее описать, нам придется временно оставить геометр-

*) См. статью «Инверсия и задача Аполлония» («Квант», 1971, № 8).

**) По поводу последних двух задач см. статью «Циркулем и линейкой» («Квант», 1975, № 6).

*) Способ построения циркулем и линейкой правильного семнадцатугольника впервые был открыт К. Ф. Гауссом в 1801 году. Этот способ описывается в статье «Дебют Гаусса» («Квант», 1971, № 1).

6

санная и три внешписанные окружности), причем все эти ответы равноправны, если формулировать задачу так: построить окружность, касающуюся трех данных прямых. Отличие вписанной окружности от внешисанных основано на понятии «между» (или «внутри») и недоступно пониманию нашей машины.

Разбранные примеры показывают также, что если задача на построение имеет несколько решений, то программа построения дает все эти решения. Это утверждение также справедливо в общем случае.

Почитательный пример: геометрическое построение одного из корней квадратного уравнения автоматически приводит к построению и второго корня.

Таким образом, мы приходим к следующему прин и пу.

Всякая задача на построение, разещая с помощью циркуля и линейки, имеет 2’ решение.

Строое доказательство этого утверждения дается теорией Галуа и не может быть изложено в этой статье. Однако само утверждение выглядает очень просто и в полное могло быть открыто математиками древности. Возникает вопрос, почему же это открытие было сделано лишь в прошлом вке, хотя многое подтверждающее примеры известны уже несколько тысячелетий? (Например, упоминавшаяся выше задача Аполлоння имеет 8 решения.)

Одна из возможных причины — отсутствие современной, «машинной» построовки задачи. Другая причина — рассмотрение каждой задачи в отдельности вместе с целью однотипных задач (вроде задач на построение правильного n-угольника для каждой n).

Возможно, эта тема привлечет внимание историков математики, и они полезнее обязывают нам приину этой «упущенной возможности».

  1. Правильные многоугольники

Вернемся к нашей основной задаче. Мы хотим знать, когда с помощью циркуля и линейки можно построить правильный n-угольник. Рассуждение предыдущего параграфа наводят на мысль — посмотреть, сколько решений имеет эта задача. Чтобы получить результаты ответ, нужно уточнить построовую задачи. А именно, нужно

Рис. 5.

фиксировать размер и положение правильного n-угольника (инначе, разумеется, число решений будет бесконечно, при условии, что есть хотя бы одно решение). Итак, будем считать, что наш n-угольник вписан в данную окружность о с центром O, и фиксированное положение A₀ одной его вершины. Требуется определить положения A₁, A₂, …, Aₙ−1 остальных вершин. Разумеется, достаточно найти положение точки A₁ — откладывая последовательную дуг A₀A₁, мы получим точки A₂, A₃, A₄ и т. д.

Проще всего эта задача решается при n = 6. Известно, что сторона правильного вписанного шестиугольника равна радиусу данной окружности. Поэтому нужно «программа» выглядить так (рис. 5):

  1. Циркулем построить из точки A₀ окружность ω₁ радиуса |OA₀|.
  2. Отметим точку A₁ пересечения окружности ω и ω₁.

Мы видим, что эта программа приводит к двум разным ответам, но соответствующие шестиугольники A₀A₁′A₂′A₃′A₄′A₅′ и A₀A₁′A₂′A₃′A₄′A₅′ отличаются лишь порядком номерации вершин.

Такая же ситuation наблюдается в случае n = 3 и n = 4. Более интересны случаи n = 5 и n = 10. Способ построения правильного пятугольника описан в статье A. Савина «Как нарисовать пятоконечную звезду» («Квант», 1976, № 1). Мы разберем здесь случай n = 10.

7

Рис. 6.

Если проведится биссектрису A1BA_1B угла OA1A0OA_1A_0, то образовашиеся треугольники OA1BOA_1B, BA1A0BA_1A_0 будут равноведренными (рис. 6), а треугольники OA1A0OA_1A_0 и BA1A0BA_1A_0 — подобными.

Будем считать прямую OA0OA_0 числовой осью, на которой точка OO соответствует нулю, а точка A0A_0 — единицу. Пусть точка BB соответствует числу xx. Тогда мы получаем уравнение:

x1−x=1x или x2+x−1=0.\frac{x}{1-x} = \frac{1}{x} \text{ или } x^2 + x - 1 = 0.

Решив это уравнение, мы найдем точку BB. Искомая точка A1A_1 найдется как точка пересечения данной окружности ω\omega с окружностью с центром в точке A0A_0 и радиусом длины xx. Таких точек две — и мы получаем два решения: точки A1′A'_1 и A1′′A''_1 (рис. 6).

Но у нашего квадратного уравнения два корня: x1=−12+52x_1 = -\frac{1}{2} + \frac{\sqrt{5}}{2} и x2=−12−52x_2 = -\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{5}}{2}. Второй корень отпuisателен и по этой причине вроде бы не годится. Однако не будем спешить «отбрасывать» этот корень, а попробуем понять его геометрический смысл.

Восстановим рисунок 6, считая, что точка BB находится не справа, а слева от точки OO. Мы получим рисунок 7. Это дает для искомой точки A1A_1 еще два возможных положения: A1′′A''_1 и A1′A'_1.

Итак, мы пришли к четырем различным возможностям для точки A1A_1.

В результате получаются два разных десятиугольника: выпуклый и звездчатый, причем на каждой из них возможно две разные нумерации вершин (см. рисунки 6 и 7).

Заметим, что с «точки зреня» циркуля и линейки звездчатый десятиугольник ничего не хуже выпуклого.

Возможно возражение: у выпуклого многоугольника несмежные стороны не пересекаются, а у звездчатого — пересекаются. Но это возражение отпадает, если мы стороны будем называть не отрезок между двумя вершинами (поняття «между» у нас нет!), а всего прямую. Тогда правильный чертеж «выпуклого» десятиугольника будет иметь вид, лишь размер отличнойся от «взездчатого» (рис. 8).

Аналогичная ситuation возникает в случае пятнутrogольков. Здесь тоже имеется 4 решения, приводящих к двум различным пятнутrogолькам (рис. 9, а, б) с двумя различными нумерациями вершин на каждой.

8

Теперь, не решая явно задачи на построение произвольного правильного nn-угольника, попробуем установить, сколько у нее различных решений. (Напомним, что мы считаем заданным окружность ω\omega и точку A0A_0 на ней.) Обозначим через xx длину дуги A0A1A_0A_1. Точка A1A_1 является решением задачи (с точки зреня циркуляя), если, откладывая дуг длины xx от точки A0A_0 последовательно nn раз, мы вернемся в исходную точку A0A_0, а откладываем меньше число раз — не вернемся.

Последняя оговорка существует. Иначе в случае, например, n=6n=6 нам пришлось бы назвать «правильным вписанным шестугольником» дважды пройденный треугольник, или трижды пройденный диаметр, или даже шесть раз повторенную точку A0A_0.

На языке арифметики, принимая длину всей окружности за единицу, нашей условие можно формularовать так: число nxnx — целое, а числа xx, 2x2x, 3x3x, …, (n−1)(n-1) xx — не целые. Если n=10n=10, то в качестве xx можно взять, например, 1/10. Но это не единственный возможный выбор. Можно взять xx также равным 3/10, 7/10 или 9/10.

Это соответствует тем четырем решениям, которые мы раныше нашли геометрическим способом. Заметим, что если взять в качестве xx число 11/10 (или 13/10, 17/10, …), то новых геометрических решений мы не получим: положение точки на окружности зависит от самого числа x=knx = \frac{k}{n}, а от остатка, который дает kk при делении на nn.

Ясно, что несократимые дроби mn(m<n)\frac{m}{n}(m<n) и только они обладают тем свойством, что k⋅mnk \cdot \frac{m}{n} попадает в целое число (в начальном точку окружности) лишь при k=nk=n. Таким образом, каждое число, меньше nn и взимо проектием с ним, дает решение задачи о правильном nn-угольнике, и мы получаем, что число различных решений этой задачи дается функцией Эйлера (см. п. 2)! В частности,

φ(3)=φ(4)=φ(6)=2,\varphi(3) = \varphi(4) = \varphi(6) = 2,
φ(5)=φ(10)=4,\varphi(5) = \varphi(10) = 4,

что согласуется с результатами, полученными выше геометрическим путем.

Вспомним теперь, что всякая разрешная задача на построение с помощью циркуля и линейки должна быть 2l2^l различных решений (см. п. 3), мы получим удобное необходимое условие для разрешности задачи построения правильного nn-угольника.

Правильный nn-угольник допускает построение циркуля и линейкой молко моеda, коеда φ(n)=2l\varphi(n) = 2^l для некоморого целого ll.

(Например, правильный семиугольник построить невозможно, так как число φ(7)=6\varphi(7) = 6 не является степенью двойки.)

Необходимость этого условия мы построались объяснить. То, что оно является также и достаточно,— от-