«Математическая планета. Путешествие вокруг света»

Математическая планета. Путешествие вокруг света (fb2) - Математическая планета. Путешествие вокруг света (Мир математики - 40) 2970K скачать: (fb2) - (epub) - (mobi) - Микель Альберти

Микель Альберти «Мир математики» № 40 «Математическая планета. Путешествие вокруг света»

Посвящается Пилар

Предисловие

Каждый народ и каждая культура характеризуются присущими только им верованиями, ритуалами, представлениями о мире, социальной организацией. К таким же «особым приметам» относятся язык, литература, гастрономия, система торговли, технологии, архитектура и — почему бы и нет? — математика.

Мы рассматриваем эту науку как продукт, создаваемый западной культурой в специальных учреждениях — университетах и исследовательских центрах. Но профессионалы и любители занимаются математикой не только в научных учреждениях и не только в рамках академической среды.

История известной нам математики является частью европейского культурного контекста. Но опирается эта наука на неакадемические пласты, существовавшие задолго до нашей современной культуры. Исследователи-антропологи не углублялись в математические дебри, ограничиваясь простой фиксацией системы счисления и счета. Западные колонизаторы, прибывая на новые земли, также не слишком интересовались математикой коренного населения — они лишь видели, как туземцы применяют свои знания на практике в рамках своей культуры.

Говоря сейчас о математике, мы имеем в виду конкретные инструменты, возникшие у разных народов независимо друг от друга для решения практических задач. Все народы производят подсчеты и измерения, определяют местоположение и занимаются проектированием. Этноматематика охватывает весь перечень математических инструментов, созданных разными народами для решения определенных задач.

Эти задачи характерны для всех культур, и логично думать, что именно в них берет начало математическая мысль, присущая самым разным народам. Конечно, этноматематика очень далека от знакомой нам академической науки. Можно сказать, что она более сырая, неограненная и опирается не на строгие академические принципы и формальные доказательства, а скорее на практический опыт. И именно поэтому этноматематика не лишена логики.

В общих чертах цель нашего исследования заключается в том, чтобы пролить свет на туземную математику разных народов, описать способы ее применения, включить ее в систему формальных математических знаний, а затем развить и применить в образовательных целях. Где лучше всего знакомиться с примерами этноматематики? И как поступать с найденными образцами?

Чтобы ответить на эти вопросы, потребуется совершить математическое путешествие вокруг света, — путешествие, направленное в глубь времен и в разные культуры. Вы узнаете, что разные народы создали собственные системы счета и методы вычислений. Туземные приспособления для счета вроде инкских кипу и китайского абака стали прообразами современных вычислительных машин.

В архитектуре и орнаментации главную роль играет пространственная организация — как двумерная, так и трехмерная, поскольку она определяет строение узоров и принципы их повторения. Более того, по характерным геометрическим узорам можно легко идентифицировать народ или культуру — например, с помощью симметрии, которая с доисторических времен до наших дней является универсальной парадигмой выражения культуры на всем земном шаре.

Важнейшее значение в культурном контексте имеет игра, подразумевающая принятие, изучение и использование ряда правил, которые определяют логику игры и служат основой для обоснования ее результатов и происходящих во время игры действий. Именно игры отражают представления о случайности, присущие конкретной культуре.

Некоторые народы очень тесно включают математику в свою социальную жизнь. Наблюдая за неким ритуалом, мы можем считать увиденное театральной постановкой, танцем или геометрической картиной, но для непосредственных участников церемонии все их действия слиты в единое целое. Впрочем, в нашей книге мы не будем обсуждать, верит ли туземец в то, что занимается математикой. Мы поговорим о том, как выглядят действия туземца с нашей точки зрения.

В конце вы найдете ответы на заданные выше вопросы, связанные с этноматематикой. Человечество — это ведь математический вид, и вся математика нашего мира — по сути, не более чем этноматематика.

Работа над книгой была бы невозможной без помощи тех, кто изучает разные культуры и народы. Поэтому мы хотели бы поблагодарить госпожу Ибу Кетут за помощь в изучении даров, которые преподносят своим божествам туземцы острова Бали (Индонезия). Мы выражаем особую благодарность Камини Дандапани из Ченнаи (штат Тамилнад, Индия) за фотографии, которые помогают объяснить математические идеи, связанные с изображением узоров колам. Тесное сотрудничество и совместная работа с Долос Гиша и Жоаном Серра из L’art ORL Vitrall (Сабадель, Испания) помогли нам понять математические законы, действующие в мире витражей. Мы благодарны всем, кого упомянули выше, за то, что они помогли нам пролить свет на математические идеи и математическую деятельность, которая обычно протекает незаметно.

Глава 1 Этнические корни математики

Математика — спутница культуры

Слово «математика» во многих языках пишется с большой буквы. Эту дисциплину изучают во всем мире практически одинаковыми методами и почти по одной и той же программе. Во всех школах, институтах и университетах планеты учат и учатся считать, изучают теорему Фалеса и теорему Пифагора, решают задачи при помощи уравнений и систем уравнений и описывают самые разные явления с использованием математических моделей. Это представление о Математике охватывает и ее применение в других дисциплинах, более или менее тесно связанных с наукой.

В Математике используются все более сложные инструменты и устройства. Если Платон, решая задачи на построение, довольствовался линейкой и циркулем, то современная наука немыслима без передовых технологий, начиная от калькулятора и заканчивая сложнейшими компьютерными программами.

Математике присуща универсальность, всеобщность, но эта всеобщность прежде всего носит институциональный и априорный характер. Она формулируется в академических учреждениях и координируется посредством образовательных проектов. Грубо говоря, Математика, которую учат и преподают на востоке и западе, к северу и к югу от экватора, практически одинакова.

Но всеобщность Математики всех народов и культур мира проявляется и еще одним способом: развитие математических идей и методов происходит повсеместно.

С этой точки зрения математика представляет собой межкультурный феномен, и здесь ее следует писать уже с маленькой буквы. Автором этой идеи стал Алан Бишоп в 1991 году. Из его книги «Приобщение к математической культуре. Обучение математике с точки зрения культуры» («Mathematical Enculturation. A Cultural Perspective on Mathematics Education») мы узнали о том, какую роль играет математика как часть культуры и важнейший элемент механизма ее передачи.

Стереотип культурного человека, практически не знающего математики или избегающего этой строгой науки, должен уйти в прошлое. Понятие культуры неявно подразумевает множество контекстов, среди которых непременно найдется место и для математики. Да и может ли существовать народ или культура без нее? Конечно же, нет.

Культура — это совокупность знаний, которые накапливаются людьми с течением времени, характеризуют их образ жизни и помогают выживать. Группы людей, изолированные друг от друга, могут сформировать разные культуры. Эти различия проявляются в социальных связях, в архитектуре жилища, пищевых пристрастиях, механизмах выживания, мифах, страхах и так далее. Со временем в каждой культуре формируются системы общественной и политической организации, язык, представления о мире, ритуалы и верования, технологии и другие проявления, включающие музыку, танцы, орнаменты.

Все эти процессы происходили всегда и практически повсеместно, но Запад узнал о них лишь несколько веков назад. До XV века европейцам ничего не было известно об Американском континенте, и они едва ли представляли, что происходит за пределами региона, который сегодня называется Европой. О том, что находится за Индией, европейцы узнали только из рассказов Марко Поло, совершившего путешествие в Сипангу (ныне Китай). Они не знали ни об Океании, ни о Тихом океане. Остров-континент Австралия на самых первых картах назывался Terra Incognita — «неизвестная земля».

И тем не менее уже несколько тысяч лет назад все эти земли, неизвестные европейцам, были заселены людьми с собственными системами знаний. Эти люди общались на самых разных языках, некоторым даже была известна письменность. Они жили в домах, построенных при помощи орудий труда, позволявших обрабатывать природные материалы — дерево, бамбук, глину, листья и так далее. Часто эти люди проводили свободное время за игрой в камешки, которые определенным образом укладывались в углубления, проделанные в деревянных досках. Часто они путешествовали и торговали с соседями на суше и в открытом море.

Эти народы знали, как нужно жить. Никто не усомнится в том, что они умели охотиться, строить дома, готовить пищу, путешествовать по морю, творить, говорить и играть. А также им были известны счет, вычисления и измерения. Но если каждый народ способен создать собственные, присущие только ему проявления культуры, например систему верований, представления о мире, архитектуру, систему торгового обмена или искусство, разве не может таким же продуктом культуры оказаться и математика?

Математика, которую может создать народ или группа людей, называется этноматематикой. Этот термин придумал бразильский математик и преподаватель Убиратан д’Амброзио в конце 1980-х. В истории человечества существовало и существует множество народов и культур, и присущие им математические идеи превращают наш мир в мир этноматематики.

* * *

РОДИТЕЛИ ЭТНОМАТЕМАТИКИ

Связь между математикой и культурой была отмечена уже в первых антропологических исследованиях, среди которых выделяются труды Гэя и Коула о народе кпелле в Либерии. Однако само понятие «этноматематика» и совокупность знаний, которые сегодня объединены этим термином, определили профессора Алан Бишоп (Соединенное Королевство) и Убиратан д'Амброзио (Бразилия). Немалую роль также сыграли работы Паулуса Жердеса (Мозамбик), Марсии Ашер (США) и Клаудии Заславски (США).

Убиратан д’Амброзио родился в Сан-Паулу и получил степень доктора математики в местном университете. Затем он продолжил исследования на кафедре математики Брауновского университета города Провиденс, штат Род-Айленд (США).

Алан Бишоп — почетный профессор факультета преподавания австралийского Университета Монаша, однако свою научную карьеру он начал в Кембридже (Соединенное Королевство). Этот ученый — советник ЮНЕСКО в области преподавания математики, техники и науки.

Убиратан д'Амброзио.

* * *

Математика с большой буквы в том виде, в каком она известна в нашей культуре, уходит корнями глубоко в прошлое, на тысячи лет назад. Как и вся культура в целом, эта наука сформировалась на основе множества идей, созданных разными народами. Она включает заимствования у шумеров, древних египтян и греков, арабов, индийцев и китайцев, так что, по сути, вся наша Математика уходит корнями в этноматематику. Она представляет собой результат культурного обмена, происходившего в древние времена. Математика не появилась в каком-то конкретном месте в определенное время, а распространена по всей планете.

Достаточно выйти из дома, чтобы увидеть, как люди повсюду занимаются математикой, причем далеко не всегда используя для этого академические понятия и методы. Особенности артефакта, изображенного на фотографии, бросаются в глаза даже при беглом осмотре. И некоторые из них имеют математический характер.

Урна в городе Морелья испанской провинции Кастельон.

На фотографии изображена каменная стена, а рядом с ней расположен металлический предмет, в котором мы узнаем урну для мусора. Урна имеет цилиндрическую форму со скругленной нижней частью. Для красоты в ней проделаны два ряда отверстий: отверстия в верхней части урны имеют форму кругов, отверстия в нижней части — форму шестиугольников. Они находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, и на каждый круг приходится по два шестиугольника. Также на урну нанесены пометки мелом. Мы видим семь групп из четырех перечеркнутых параллельных линий.

Теперь, хорошо рассмотрев этот предмет, сформулируем некоторые гипотезы.

Во-первых, культура, способная создать подобный предмет, знакома с технологиями обработки металлов. Эти технологии позволяют формовать металлы и проделывать в них отверстия заданного вида, расположенные определенным образом.

Изображенный на фотографии предмет, по всей видимости, изготовлен не вручную, а механическим способом, так что возможны его точные копии. Надписи, напротив, сделаны от руки. Автор надписей, должно быть, досчитал до пяти как минимум семь раз, то есть подсчитал 35 единиц. Что именно он хотел сосчитать, мы никогда не узнаем. Также есть вероятность, что он не производил подсчеты, а чертил линии бессознательно — как мы порой неосознанно стучим ногой по полу в такт музыке, отсчитывая ритм.

Все эти предположения неизбежно основаны на сходстве культур. Мы узнаем в предмете на фотографии урну. Но кто это — «мы»? Жители города Морелья в провинции Кастельон, где сделана фотография? Испанцы? Европейцы? Узнает ли в этом предмете урну туарег из Мали, саам из Лапландии или собиратель риса с филиппинского острова Лусон? Скорее всего, нет. Они наверняка определили бы, что предмет изготовлен из металла, имеет форму цилиндра и в нем проделаны отверстия в форме кругов и шестиугольников. Они также смогли бы сосчитать, сколько отверстий каждого типа проделано в этом предмете, но, вполне возможно, использовали бы при этом совсем другие термины и числа, чем мы. Особенно если они обучались счету у старших членов семьи, а не у школьных учителей.

* * *

КОНЦЕНТРИЧЕСКИЕ ОКРУЖНОСТИ ВОЗРАСТОМ 6 ТЫСЯЧ ЛЕГ

Лос-Мильярес — это название археологического городища медного века, которое располагалось возле современной Альмерии (Испания) и дало название одноименной культуре, распространенной по всей южной части Пиренейского полуострова. На керамических изделиях, найденных в Лос-Мильярес, можно видеть геометрический орнамент. Так, на глиняной чашке, представленной на фотографии, изображены концентрические окружности, напоминающие глаза, и несколько параллельных равноудаленных лучей. Глаза, по всей видимости, были символом этой культуры, так как их можно увидеть на большинстве артефактов, найденных в городище.

Глиняная чашка из городища Лос-Мильярес в Альмерии.

* * *

Совсем другое дело — попытаться определить значение символов на следующей фотографии. Она была сделана у входа в подземное жилище в городе Галера в Гранаде. Представители нашей культуры узнают в этих символах цифры. Хотя рядом с ними не указано никакого знака действия, числа расположены так же, как при умножении столбиком — этот метод все мы изучали в школе. Речь и в самом деле идет об умножении, в чем можно убедиться, умножив 150 на 12,— результат, как и на фотографии, будет равен 1800.

Вход в подземное жилище в Гэлере (Гэанада).

А что вы скажете о следующей фотографии, на которой изображен фасад гостиницы Catalonia Plaza на площади Испании в Барселоне?

Рассмотрев ее, можно предположить, что каменные облицовочные плиты на фасаде были созданы на основе известного тождества, так как квадраты окон состав лены из двух квадратов разного размера и двух равных прямоугольников. Если а — сторона меньшего квадрата, b — сторона большего квадрата, то прямоугольники будут иметь размеры а х Ь, а все окно будет представлять собой квадрат со стороной а + Ь. Следовательно,

(а + b)2 = а2 + 2аЬ + Ь2.

Однако математические идеи той или иной культуры можно заметить не только в дизайне или архитектуре, но и во множестве других проявлений. Основные из них приведены в таблице.

Проявления культуры

1. Общение: Язык, письменность, символы

2. Верования: Философия, космология, религия, ритуалы, толкование снов

3. Окружение: Определение местоположения, флора, фауна, геология

4. Труд: Сельское хозяйство, животноводство, охота, рыболовство

5. Технологии: Орудия труда, ремесла, оружие, системы мер

6. Архитектура: Жилища, места отправления культа, могилы, поселения

7. Питание: Еда, питье, гастрономия

8. Одежда: Наряды, аксессуары

9. Обмен: Торговля, экономика, рынок, наследство

10. Искусство: Музыка, танец, литература, живопись, скульптура

11. Досуг: Игры, ставки, спорт

12. Отношения: Общественные отношения, родственные связи

Любая культура проявляется посредством определенных практик, которые мы будем называть культурными практиками. Во многих из них неявно присутствуют математические идеи, часто скрытые, или «замороженные», как говорит мозамбикский профессор Паулус Жердес. Раскрыв и «разморозив» эти идеи, мы сможем познакомиться с математикой разных народов и культур. Помимо этой тайной математики, в культурных практиках могут присутствовать и более очевидные математические идеи, которые можно выявить, если понять, как мыслят носители исследуемой культуры, частью которой является «тайная» и «явная» математика.

Чтобы обнаружить этноматематику культуры, можно следовать разными путями. Так как математике присущи объективность, строгость и точность в действиях с числами и фигурами, то, изучив культурные практики и проявления, для которых характерны эти черты, мы обнаружим сокрытые в этой культуре математические идеи.

Масштабные архитектурные сооружения древнего мира и их основные элементы (круг, квадрат, трапеция).

Ярче всего эти идеи проявляются в архитектуре, ремеслах, технологиях, торговле и играх. Заострив внимание на практиках, необходимых для проявления культурных феноменов, Алан Бишоп выделил шесть универсальных математических действий, общих для всех народов: счет, измерение, определение местоположения, проектирование, игра и объяснение. Там, где производятся подсчет, измерение, определение местоположения, проектирование или объяснение, там, где идет игра, возможно, претворяются в жизнь математические идеи, присущие конкретной группе, народу или целой культуре. Познать эти идеи — значит познать этноматематику.

Когда речь заходит об этноматематике, возникает вопрос: заслуживает ли эта дисциплина внимания или же она представляет собой всего лишь набор занимательных рассказов о путешествиях в экзотические уголки Земли? Чтобы ответить на этот вопрос, отметим несколько важных моментов. Некоторые народные математические практики не только упрощают решение традиционных задач, но и позволяют четче понять математические идеи, присущие исключительно научному миру.

Также следует учитывать, что этноматематика не пользовалась такой же благосклонностью исследователей, как академическая Математика с большой буквы. Как заметил профессор Жердес и его коллеги, западная колонизация в немалой степени затруднила развитие этноматематики и даже стала причиной ее замалчивания.

Наше понимание математики необязательно должно совпадать с пониманием индейца навахо, хиваро или маори. Возможно, что в этих культурах математика не имеет четких границ, и даже если подобные границы существуют, они необязательно будут в точности соответствовать границам нашей математики. Это же справедливо и для других проявлений культуры. Так, танцы в честь божества туземные народы считают молитвой или знаком признательности, а не обычным проявлением художественного творчества.

Когда мы говорим об этноматематике, то понимаем под математикой все то, что относится к ней в нашей культуре, все, что на самом базовом уровне характеризуется объективностью, строгостью, точностью, количественным и геометрическим выражением.

Камни, кости и глина

Математические идеи были присущи даже доисторическим народам. Конечно, мы не можем точно знать, о чем думали кроманьонцы, неандертальцы или их предки, но свидетельства их существования, дошедшие до наших дней, позволяют нам хотя бы предполагать, какие математические идеи они использовали.

В 2003 году в пещере Бломбос в ЮАР был обнаружен брусок охры возрастом примерно 72 тысячи лет с геометрическими узорами.

Петроглиф из пещеры Бломбос (ЮАР).

Узор имеет примерно 60 мм в длину, его ширина не превышает 2 мм. Он состоит из двух рядов треугольников, образованных параллельными прямыми. Воспроизведем этот узор, чтобы лучше понять его геометрическую подоплеку.

Возможно, неровная поверхность камня или недостаточно совершенная технология помешали автору точнее изобразить узор, который мы сегодня назвали бы треугольной сеткой.

По расположению линий можно сказать, что треугольники были нарисованы не по отдельности, а пересечением трех рядов параллельных отрезков. Первый ряд образуют три горизонтальных параллельных отрезка, второй — восемь параллельных отрезков, наклоненных влево, третий — девять параллельных отрезков, наклоненных вправо.

Мы никогда не узнаем, имел ли автор узора представление о том, что такое «прямая», «отрезок», «угол», «параллельность» или «симметрия». Мы также никогда не узнаем, был ли этот узор эмблемой или символом чего-то или кого-то, имел ли он какое-то практическое значение или попросту его автор таким образом утолял тягу к прекрасному. Однако действия древнего «живописца» говорят, что он (или она) сознательно или бессознательно руководствовался перечисленными математическими понятиями. Ему помешали ограничения, накладываемые реальностью, и отсутствие подходящих технологий, но, как бы то ни было, этот узор — свидетельство существования математической мысли еще в доисторические времена.

К намного более позднему периоду относится кость бабуина с зарубками, найденная в 1960 году на стоянке Ишанго в тогдашнем Бельгийском Конго (ныне Демократическая Республика Конго). Ее возраст оценивается примерно в 20 тысяч лет. Изначально считалось, что кость использовалась для счета, так как на ней в несколько рядов сделаны зарубки, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга.

Кость Ишанго в двух ракурсах (Брюссельский музей естественных наук).

На кость в три ряда нанесены зарубки, сгруппированные следующим образом.

Столбец А: 11 + 13 + 17 + 19 = 60.

Столбец В: 3 + 6 + 4 + 8 + 10 + 5 + 5 + 7 = 48.

Столбец С: 11 + 21 + 19 + 9 = 60.

В столбце А записаны простые числа от 10 до 20. Сумма чисел в ряду равна 60 — это число имело очень большое значение, так как выступало основанием системы счисления в культурах Месопотамии, на землях между реками Тигр и Евфрат, 15 тысяч лет спустя. 60 — очень удобное число, так как оно имеет 12 делителей, среди них — шесть первых натуральных чисел: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 10, 12, 15, 20, 30, 60. В столбце В записаны числа и кратные им (3 и 6, 4 и 8, 5 и 10). К этим числам приписано 7, чтобы общая сумма была равной еще одному числу, кратному 12, а именно 48. В столбце С записана последовательность нечетных (но не простых) чисел, которые в сумме также дают 60.

Случайно ли суммы чисел в трех столбцах равны 60, 48 и 60? Значит ли это, что тем, кто сделал зарубки, уже были известны понятия кратности и делимости, которые проявляются в парах чисел 3 и 6, 4 и 8, 5 и 10? Означает ли это, что авторы резьбы имели представление о неделимых, или простых, числах, в частности 3, 5, 7, 11, 13 и 19? Ответить на эти вопросы непросто, особенно если учесть, что зарубки имеют разную длину, а некоторые из них прерываются. Что означает прерывистая линия — одну единицу или две? А может, у того, кто сделал зарубки, просто дрогнула рука?

Наиболее вероятный математический феномен, который можно отметить при изучении зарубок на кости Ишанго, заключается в установлении соответствия «один к одному» между зарубками и какими-то другими объектами. Такое соответствие составляет основу счета.

Именно в этом заключается важнейшее отличие этих зарубок от петроглифа из южноафриканской пещеры Бломбос. Зарубки на кости Ишанго, по всей видимости, подчиняются не геометрической, а числовой закономерности. Петроглиф из пещеры Бломбос, напротив, описывается не числами, а законами геометрии.

Намного позже, чем южноафриканский петроглиф и конголезская кость с зарубками, на Европейском континенте было создано сооружение, в котором сочетаются числа и геометрия. Речь идет о мегалите Стоунхендж в долине Солсбери в Соединенном Королевстве. Стоунхендж имеет круговую структуру и состоит из четырех концентрических окружностей, образованных менгирами высотой в несколько метров, а сочетание дольменов и менгиров образует более сложную общую структуру.

Концентрические окружности Стоунхенджа (Соединенное Королевство).

Внешняя окружность мегалита диаметром 30 метров образована огромными камнями в форме прямых призм, которые сверху изначально были покрыты перекладинами. Внутри этой окружности расположена еще одна, состоящая из блоков меньшего размера, которые, в свою очередь, заключают в себе фигуру в форме подковы. Внутри этой подковы находится плита — алтарный камень. Стоунхендж, окруженный круглым рвом диаметром чуть больше 100 метров, был возведен примерно в 2500 году до н. э., хотя древнейшая часть сооружения датирована 3100 годом до н. э.

Цель строительства Стоунхенджа неизвестна. Среди приписываемых ему функций выделим три наиболее вероятных: место отправления культа, захоронение и астрономическая обсерватория. Следует отметить, что в те времена, когда был построен Стоунхендж, в дни летнего солнцестояния лучи солнца прочерчивали главную ось сооружения. На закате того же дня лучи солнца указывали ось так называемого Вудхенджа — памятника, расположенного неподалеку от Стоунхенджа, где были найдены многочисленные кости животных и другие предметы, которые, возможно, использовались во время религиозных или культовых церемоний.

Стоунхендж отличается от приведенных выше примеров тем, что имеет круглую форму. И все же существуют некоторые черты, которые роднят его с описанными выше культурными объектами: структура Стоунхенджа основана на ряде повторений, подчиняющихся общему закону, что придает сооружению особый характер. В петроглифе из пещеры Бломбос повторяются треугольники, на кости Ишанго — равноудаленные зарубки, в Стоунхендже — круги. Повторяющиеся круги Стоунхенджа образуют единую мощную структуру, так как имеют общий центр.

Можно пойти еще дальше и найти соотношение между диаметрами двух концентрических окружностей Стоунхенджа, которые равны примерно 30 и 24 м:

30 м/24 м = 5/4 = 1,25

Однако диаметры этих окружностей вполне можно принять равными 30,4 м и 24,1 м. В этом случае их соотношение будет таким:

Учитывая, что 1,26 — очень точное приближение кубического корня из 2, можно ли сделать вывод, что строителям Стоунхенджа были известны пропорции, а отношение диаметров окружностей действительно равно кубическому корню из 2?

Увы, никаких подтверждений этой гипотезы не существует.

Следует выделить три особенности Стоунхенджа: во-первых, он имеет уникальную геометрическую структуру, которая представляет собой ряд концентрических окружностей, во-вторых, в нем проявляется связь с астрономией, и, в-третьих, он служит примером того, как в сооружениях древней культуры проявляется геометрическая точность.

Еще до появления Стоунхенджа вавилоняне, жившие на землях между реками Тигр и Евфрат в Малой Азии почти за 2 тысячи лет до нашей эры, записывали свои мысли на глиняных табличках. Хотя использованные для этого петроглифы и имеют геометрический характер, их уже можно назвать знаками письменности. Многое из того, что нам известно о народах, населявших Месопотамию, — это не просто гипотезы, а результаты расшифровки древних записей.

В том же регионе примерно за 3 тысячи лет до нашей эры шумеры начали записывать слова с помощью идеограмм. Со временем эти идеограммы усложнялись, и спустя примерно тысячу лет из них образовалась система письма, которую мы сегодня называем клинописью. Клинопись начали использовать другие народы, и на ее основе был создан древний персидский алфавит.

Известно около двух тысяч символов клинописи, однако позднее использовалось не более 600. Далее представлены символы, которыми обозначались первые 39 чисел. По их форме четко видно, что вавилоняне использовали десятичную систему счисления.

Символы вавилонской системы счисления.

Однако вавилонская система счисления не сводилась к простой десятичной. На маленькой табличке YBC 729 изображен квадрат и две его диагонали. Рассмотрев рисунок, мы поймем, что вавилоняне использовали числа не только для счета.

Вавилонская глиняная табличка YBC 729.

Числа, приведенные на иллюстрации, могут обозначать длину отрезка, рядом с которым они записаны. Однако числа 42, 25 и 35, кажется, записаны далеко от стороны и диагонали квадрата. Каким соотношением связаны 30, 1, 24, 51, 10, 42, 25 и 35? Откуда взялись эти величины?

Предположим, что 30 единиц — это длина стороны с квадрата. Вычислим длину его диагонали D:

D = 30·√2 = 42,4264068…

Мы получили одно из чисел на табличке — 42. Однако вавилоняне использовали шестидесятеричную систему счисления. Переведем полученный результат в нее (необходимые действия можно выполнить на калькуляторе).

30·√2 —> 42°25′ 35,06".

Мы получили 42, 25 и 35. Можно смело предполагать, что тот, кто заказал или изготовил табличку, вычислил длину диагонали квадрата со стороной в 30 единиц и записал результат, найденный с удивительной точностью, в шести десятеричной системе счисления: 42°25′35″.

Осталось понять, откуда взялись числа 1, 24, 51 и 10. Что, если это частное, отношение между диагональю и стороной квадрата? Вычислим это отношение в шестидесятеричной системе счисления:

(D/c) = √2 — > 1°24′ 51,17".

Следовательно, число в шестидесятеричной системе, записанное над диагональю, — это приближенное значение квадратного корня из двух, вычисленное с удивительной точностью. Этот результат подтверждает предположение о том, что вавилоняне обладали знаниями геометрии и умели вычислять длину диагонали квадрата.

Как именно были получены указанные результаты, из таблички неясно. Из другой таблички под названием Плимптон 322 видно, что вавилонянам были знакомы пифагоровы тройки, и они умели вычислять пропорции между ними, то есть стороны прямоугольных треугольников и тригонометрические функции. Однако это вовсе не означает, что им была известна теорема Пифагора, не говоря уже о ее доказательстве. Как же тогда были получены приведенные выше результаты? Быть может, древние применяли итеративный метод, в котором последовательность приближений сходится к столь точному значению квадратного корня из 2?

Вавилонская система счисления имела один важный недостаток — в ней не было символа, обозначавшего ноль. Как отличить 106 от 16 без ноля? Изначально ноль обозначался пробелом, однако это не решало всех сложностей. Как отличить три пробела в записи числа 10 006 от двух пробелов в записи 1006? Вавилоняне решили эту проблему, дополнив запись числа разделительными символами, однако в результате арифметические действия намного усложнились.

Пирамиды и папирусы

За полторы тысячи лет до Стоунхенджа и почти за тысячу лет до глиняных клинописных табличек были воздвигнуты египетские пирамиды.

Расположение пирамид Гизы (Египет).

Возможно, что мы никогда не узнаем, как именно были построены эти сооружения, но сама их форма, расположение и размеры наводят на мысль, что в проекте не обошлось без математики. Пирамиды представляли собой усыпальницы фараонов, обладавших полной и безграничной властью над своими подданными.

Древнейшую из пирамид, ступенчатую пирамиду Джосера в Саккаре, спроектировал Имхотеп около 2700 года до н. э. Спустя примерно 500 лет в долине Гизы близ Каира были воздвигнуты три великие пирамиды Хеопса, Хефрена и Микерина. Характеристики пирамиды Хеопса таковы.

Форма: пирамида с квадратным основанием,

Грани: равнобедренные треугольники.

Высота: 147 м.

Длина стороны основания: 230 м

Угол наклона граней: 52°

Угол наклона ребер: 42°

Направление сторон основания: север — юг.

Зная длину стороны основания и высоту пирамиды, нетрудно вычислить углы наклона ее граней и ребер. Однако при этом мы воспользуемся методами тригонометрии, неизвестными древним египтянам. Как же им удалось придать пирамиде желаемую форму и размеры?

Для ответа на вопрос решим три математические задачи.

1. Как были изготовлены каменные блоки в форме прямых призм?

2. Как на земле отмечались прямые углы квадратного основания пирамиды?

3. Как были возведены треугольные грани под углом в 52°?

Чтобы изготовить из каменного блока неправильной формы прямоугольную призму, мастера сначала отмечали на нем прямую линию. Для этого они могли натянуть смоченную краской веревку подобно тетиве лука. Веревка указывала на неровной поверхности направление распила. Проверить направление можно было по деревянной рейке и визирной линии. Далее мастер выполнял эти же действия с другого края блока так, чтобы отмеченные линии были параллельны. Параллельность определялась на глаз. Этих линий было достаточно для того, чтобы сформировать первую плоскую сторону блока. Даже сегодня некоторые строители считают, что по визиру линии определяются точнее, чем с помощью натянутой веревки.

При помощи угольника аналогичные построения можно провести для следующей грани и так далее. Как видите, изготовить прямоугольный блок непросто, а потери материала у неопытного мастера могут достигать половины объема исходного блока.

Теперь, возможно, вы задумались, как мастера изготавливали угольники и обеспечивали перпендикулярность сторон? Этот вопрос приводит нас ко второй задаче — задаче о построении прямого угла на земле. Как египтяне 4 тысячи лет назад строили прямые углы?

Треугольник со сторонами длиной 3, 4 и 3 м называется египетским. Предполагается, что он использовался для построения прямых углов еще во времена фараонов и до сих пор по-прежнему применяется в разных странах мира, в частности в Испании, Аргентине и Швеции, пусть и в пропорционально уменьшенном виде (со сторонами 30, 40 и 50 см). Возможно, именно так египтяне размечали прямые углы основания великой пирамиды.

Еще один возможный метод построения — метод Евклида. Этот математик жил намного позже, спустя примерно 2 тысячи лет после того, как были построены великие пирамиды, но описанный им метод построения перпендикуляра к отрезку, возможно, был известен задолго до того, как Евклид привел его доказательство.

Это же можно предположить и о знаменитой теореме, носящей его имя. Египтяне 4 тысячи лет назад, возможно, действовали следующим образом. Вершина прямого угла в основании пирамиды помещалась в точке Р. Затем строилась прямая r, проходившая через Р в том же направлении, что и будущая сторона пирамиды. Далее на прямой r обозначались две точки Q и Q', равноудаленные от Р (эти точки можно отметить с помощью веревки). Наконец, при помощи той же веревки той же мерой PQ = PQ' (хотя могла использоваться и любая другая) строились две дуги окружности. Точка пересечения этих дуг располагалась на перпендикуляре к прямой, как показано на рисунке.

Питер Ходже и некоторые другие специалисты по строительству, изучавшие методы древних египтян, считают более вероятным иной способ. Одно из приводимых ими объяснений заключается в том, что в Древнем Египте прямой угол имел первостепенное значение и вряд ли связывался с окружностями. Вспомним, к примеру, что египетские фрески нарисованы поверх прямоугольных сеток, а многие здания, в том числе построенные значительно позже, также имеют форму прямоугольников.

Возможно, прямые углы строились следующим образом. Сначала, как и в предыдущем случае, через точку Р — будущую вершину квадрата — проводилась прямая r, на которой отмечались точки Q и Q', равноудаленные от Р. Затем на веревке s, одним концом привязанной к Р, отмечалась точка R. Когда расстояние RQ становилось равным RQ' веревка s располагалась перпендикулярно прямой r.

Иными словами, угол α становился прямым.

Этот метод основан на построении равнобедренного треугольника, в котором отрезок PR является высотой.

И наконец, как египтяне возвели грани пирамид под углом в 52 °? Смысл этого вопроса, сформулированного в терминах современной математики, состоит в следующем: как египтяне обеспечили нужный наклон граней пирамиды? Специалисты предполагают, что наклон определялся скорее как отношение между высотой и основанием пирамиды, а не как угол. Учитывая, что тангенс угла определяется именно как отношение высоты пирамиды к половине ее основания, получим

Значит ли это, что строители великой пирамиды стремились обеспечить именно такой угол наклона граней? Быть может, за основу был взят угол наклона ребер, равный 42°?

Но почему выбраны именно такие углы? Может быть, они как-то связаны с египетскими традиционными мерами длины и равнялись какому-то круглому числу пальцев, ладоней или локтей? Ответить на эти вопросы сложно, ведь соотношение этих мер и современных мер длины в разных источниках отличается. К примеру, египетский царский локоть, который использовался при строительстве пирамиды Хеопса, по всей видимости, был равен 52,4 см. В последующие тысячелетия локоть составлял от 31,6 до 51 см. Если считать, что царский локоть действительно имел указанную длину, то высота великой пирамиды составит 280 локтей, а длина стороны основания — 440 локтей. Соотношение между этими величинами равно 7/11.

Почему выбрано именно такое соотношение — также загадка. Мы можем однозначно утверждать лишь то, что в Древнем Египте эпохи пирамид существовали точные математические методы построения прямых, параллельных и перпендикулярных линий, и только благодаря им удалось построить эти впечатляющие монументы. К счастью, до наших дней дошли папирусы, из которых мы знаем, как египтяне решали математические задачи.

В древнеегипетской культуре использовалось иероглифическое письмо, которое можно увидеть на стенах гробниц фараонов. Со временем иероглифы изменились и возникло иератическое письмо, имевшее более символический характер. При помощи иератического письма, созданного в конце эпохи пирамид, фиксировались всевозможные стороны жизни и культуры Древнего Египта. Записи велись на папирусе. Из папирусных свитков мы знаем, что египтяне использовали десятичную систему счисления, а при решении геометрических задач и выполнении расчетов применяли дробные части единицы.

Из всех папирусов, дошедших до наших дней, один содержит множество математических задач — это папирус Райнда, найденный в Фивах в середине XIX века близ мавзолея Рамзеса II, также известный как папирус Ахмеса по имени переписчика, который указал, что всего лишь сделал копию более древнего текста неизвестного автора или авторов. Копия Ахмеса датирована примерно 1600 годом до н. э., оригинал же мог быть на 300 лет старше.

Папирус Ахмеса содержит 87 математических задач. Шесть первых посвящены делению чисел на 10, 16 задач посвящены суммам дробей, 18 — уравнениям, восемь — делению, 14 — вычислению объемов призм и усеченных пирамид, пять — вычислению площадей земельных участков и объемов тел вращения, а еще 15 относятся к экономике. Форма записи практически идентична той, что используется в современной математике, и если мы сравним папирус Ахмеса со школьными тетрадями, то не найдем между ними особых различий.

Папирус Ахмеса, один из древнейших математических текстов, дошедших до наших дней.

Египтяне также строили амбары цилиндрической формы и рассчитывали их вместимость через площадь круглого основания. Правило вычисления площади круга звучало так: «вычти из диаметра его девятую часть и возведи полученное число в квадрат».

В задаче 41 требуется вычислить объем амбара с диаметром основания 9 локтей и высотой 10 локтей. Результат определяется умножением площади основания на высоту. При вычислении площади основания применяется указанное выше правило. Девятая часть от 9 локтей равна 1 локтю. Разность между ними равна 8 локтям. Возведя это значение в квадрат, получим 64 квадратных локтя. Умножив это число на 10, получим 640 кубических локтей. Точный ответ таков:

Результат, полученный по методу древних египтян, больше истинного всего на 0,6 %. Расхождение вызвано неявно используемым в этой формуле значением π — это единственное отличие египетской формулы от современной. Некоторые историки высоко оценивают древний метод именно потому, что в нем фигурирует достаточно точное значение π. Если мы сравним египетскую формулу с известной нам формулой площади круга, то увидим, что в ней соотношение между длиной окружности и ее диаметром, то есть π, принимается равным 3,16:

Однако внимания заслуживают два вопроса, которые, возможно, даже важнее, чем точность при вычислении π. Египтяне определяли объем фигуры как произведение площади ее основания на высоту. Как они пришли к этой формуле? Какие мысли, не зафиксированные в египетских папирусах, привели их к этой формуле?

По одной из гипотез, древние связывали площадь круга с площадью неправильного восьмиугольника, вписанного в квадрат стороной в 9 единиц.

Если мы хотим получить прямоугольную фигуру, по площади примерно равную кругу, то очевидно, что вписанный квадрат слишком мал, а описанный квадрат слишком велик. Среднее арифметическое площадей этих квадратов — не слишком точная оценка реальной площади круга, так как в ней число π принимается равным 3. Между прочим, именно такое значение π несколько веков использовалось в Древнем Египте и Месопотамии. Однако достаточно понаблюдать за тем, как колесо совершает полный оборот, чтобы убедиться: отношение длины окружности к ее диаметру очевидно больше 3.

Учитывая, что площади, в отличие от расстояний, нельзя измерить по земле, площадь круга можно оценить следующим образом: построить окружность, измерить ее длину, после чего вычислить ее по формуле и сравнить полученные результаты.

Какую формулу следует применить для расчета длины? Разумно ли принять длину окружности равной среднему арифметическому периметров вписанного и описанного квадрата? Возможно, да. Однако мы сталкиваемся еще с одной проблемой: найти периметр квадрата, вписанного в окружность, без теоремы Пифагора нельзя.

По одной из гипотез, египтяне принимали эквивалентным окружности неправильный восьмиугольник. Чтобы построить его, они делили стороны квадрата длиной в 9 единиц на три части каждую, для чего на сторонах квадрата отмечалось восемь точек. Далее эти точки соединялись линиями, и получался неправильный восьмиугольник, площадь которого визуально неотличима от площади круга.

Площадь круга равна 63,6 кв. ед. Площадь неправильного восьмиугольника отличается от нее менее чем на 1 %:

Sk =92 — 4·(1/2)·32 = 81–18 = 63 кв. ед.

Еще одна гипотеза изложена в задаче папируса Ахмеса под номером 50. В ней площадь круглого поля диаметром 9 единиц принимается равной площади квадрата со стороной в 8 единиц. Автор папируса указывает, что подтверждение этого соотношения приводится в задаче 48. Задача 48 сопровождается рисунком, на котором изображен неправильный многоугольник, вписанный в квадрат. В центре обеих фигур записана цифра 8. Однако рисунок неточен: вписанный многоугольник имеет не восемь, а всего семь сторон, при этом одна из его сторон не полностью совпадает со стороной квадрата. Но здесь важно другое: почему египтяне думали, что круг диаметром 9 единиц эквивалентен квадрату со стороной 8 единиц?

С точки зрения современного человека площади этих фигур действительно схожи:

S8 = π·4,52 = 63,617… кв. ед.

Их подобие нетрудно видеть на рисунке.

Sквадрата = 82 = 64 кв. ед.

Как считают Робинс и Шут, ответ на этот вопрос заключался в том, как диаметр окружности связывался со стороной квадрата. Если соединить вершину квадрата с серединой его стороны, получится прямоугольный треугольник с гипотенузой, равной √80. Это значение весьма схоже с диаметром окружности, равным √81 = 9.

Любопытно, что если мы примем длину гипотенузы прямоугольного треугольника со сторонами 8 и 4 равной не √80, а 9, то получим еще более точное значение площади круга (64 ближе к 63,617, чем 62,83):

Неверная длина гипотенузы: 82 = 64 кв. ед.

Точное значение: π·4,52 = 63,617… кв. ед.

Точная длина гипотенузы: π·(√80/2)2 = 62,8318… кв. ед.

В любом случае ошибка будет меньше, если мы примем площадь круга диаметром 9 единиц равной 64 кв. ед., а не 63 кв. ед. (такова площадь неправильного восьмиугольника, рассмотренного ранее).

Неудивительно, что при решении этой задачи был выбран квадрат со стороной 9 единиц. Но почему именно 9? Если мы возьмем за основу квадрат со стороной в 3 единицы, то получим, что площадь восьмиугольника равна 7 кв. ед. Построить квадрат такой площади нельзя без использования иррациональных чисел. Площади квадратов со сторонами, например, 4 и 9 будут слишком далеки от реального значения. Возможно, для построения восьмиугольника египтяне брали за основу квадрат с длиной стороны, кратной 3. Но какое число, кратное 3, удобнее всего? Соотношение между площадью вписанного круга (Sо), площадью квадрата со стороной 3х и площадью вписанного неправильного восьмиугольника (S8) таково:

Чтобы построить квадрат, почти равный по площади восьмиугольнику, нужно найти число с такое, что с2  = 7х2. Для целых с это уравнение не имеет решений, однако можно найти приближенное значение с примерно = x√7, например с = 8. Именно его использовали египтяне, получая очень близкие результаты: 7х2 = 63,с2 = 64.

Рей Пастор и Бабини считают, что египтяне вывели правило по результатам действий с дробными частями единицы. Так как требуется вычесть из диаметра его девятую часть, возникает вопрос: какую дробную часть диаметра вида 1/n, где n — натуральное, необходимо рассмотреть, чтобы найти длину стороны эквивалентного квадрата? Пусть диаметр окружности D = 1. Вычтем из него дробь 1/n и вычислим, каким должно быть значение n, чтобы при возведении этой разности в квадрат получалось число, близкое к площади круга с диаметром 1.

Математика с большой буквы

Значительная часть известной нам сегодня математики создана на основе традиций, заложенных Евклидом в его «Началах». Этот труд не просто сборник задач и решений. В нем описано математическое мышление, которое принималось за образец вплоть до середины XX века, пока Бертран Рассел не пошатнул сами его основы.

Критики «Начал» не согласны уже с первой строчкой трактата, где приводится определение точки как чего-то, что не имеет частей. Сегодня точка определяется как элемент аффинного, или топологического пространства. Рассмотрим подробнее критику первого предложения, в котором идет речь о построении равностороннего треугольника. Это предложение часто рассматривается как иллюстрация парадигмы метода Евклида: оно представляет собой формулировку теоремы, которая доказывается на основе приведенных ранее аксиом. В доказательстве раскрывается метод, при помощи которого древние египтяне, возможно, размечали на земле прямые углы оснований своих пирамид.

В предложении 1 описывается построение равностороннего треугольника на данном отрезке. Пусть дан отрезок АВ. Нужно построить с помощью циркуля окружность радиуса АВ с центром в точке А. Далее аналогично строится окружность с центром в точке В. Две построенные окружности пересекутся в точках Р и Q. Эти точки будут находиться на одинаковом расстоянии от А и В. Следовательно, треугольники АВР и ABQ равносторонние.

Критики отмечают, что в доказательстве используется аксиома о непрерывности линий, отсутствующая среди евклидовых постулатов. Если эта аксиома не выполняется, то построенные окружности необязательно пересекутся. Следовательно, «Начала» — это не исчерпывающий математический трактат, а продукт культуры, в котором изложены все известные на определенный момент времени знания, заимствованные из разных культур. Некоторые даже осмеливаются заявлять, что именно «Начала» научили нас мыслить математически. Однако математическая мысль вовсе не ограничивается триадой «аксиома — теорема — доказательство», она может принимать и другие формы. Несмотря на то что в «Началах» описывается ряд алгоритмов, в частности алгоритм вычисления наибольшего общего делителя двух натуральных чисел, нельзя сказать, что алгоритмы действительно составляют часть математической мысли, описанной в этом трактате. В разделе «Начал», посвященном алгебре, мы не встретим описания итеративных процессов, в которых последовательность приближений, найденных по определенному алгоритму, сходится к решению задачи. Эти идеи возникли позже и характерны для китайской, арабской и индийской культур. Евдокс, который, возможно, был современником Евклида, применил схожий подход в своих работах, которые, однако, не упоминаются в «Началах». Архимед, живший на 100 лет позже Евклида, вероятно, первым применил метод последовательных приближений для вычисления площади круга и получил самый точный результат своего времени. Понятие последовательности и ее сходимости спустя почти 2 тысячи лет дали начало анализу бесконечно малых. Возникает вопрос, как Евклид рассматривал анализ бесконечно малых: как процесс или как идею?

Бертран Рассел пошел дальше и заявил, что математика выводится из логики. Однако этот факт вовсе не означает, что логика — суть математики. Мы каждый день принимаем решения, которые можно обосновать при помощи логики, но не рассматриваем их как логические задачи. Мы принимаем решения с учетом множества факторов, и логика — лишь один из них. Мы очень часто опираемся на опыт, интуицию, аналогии, советы и бесчисленное множество других доводов, которые по истечении времени можно рационально обосновать. Но мы не всегда рассуждаем исключительно рационально. Так и математическая мысль и сама математика не сводятся к одной лишь логике.

Метод последовательных приближений

Шульба-Сутры — единственный индийский математический текст ведического периода, то есть VIII–II веков до н. э. В нем приведены четкие методы построения алтарей квадратной или круглой формы для дома. Алтари, находившиеся в общественных местах, должны были иметь более сложную форму и содержать треугольники, ромбоиды и трапецоиды. В одном из таких алтарей элементарные многоугольники образовывали фигуру в форме птицы — возможно, это означало, что после жертвоприношения птица поднимет в небеса просьбу просившего.

Одна из задач заключалась в построении алтаря площадью в два раза больше данного. Эту простую геометрическую задачу можно решить на глаз и в численном виде. Второй способ предпочтительнее, если мы хотим заранее определить, сколько материала потребуется на изготовление алтаря. Первым способом решение находится мгновенно: достаточно построить квадрат на диагонали исходного. Полученный квадрат будет содержать ровно четыре половины исходного квадрата.

Численное решение основано на применении теоремы Пифагора или определении числа, которое при возведении в квадрат дает 2. В самом деле, какова длина стороны квадрата х, площадь которого в два раза больше площади квадрата со стороной с? Посмотрим:

Шульба-Сутры также содержат описание алгоритмического метода вычисления квадратного корня из 2 путем последовательных приближений. Согласно этому методу, нужно добавить к длине стороны ее треть, затем — четвертую часть трети и, наконец, вычесть 30-ю часть четвертой части трети стороны. Иными словами, обозначив через с длину стороны квадрата, который нужно удвоить, имеем:

Выполнив указанные операции, вы увидите, что полученный результат — прекрасное приближение квадратного корня из 2 с точностью до пяти знаков после запятой:

Позднее, в XV веке, к этому числу были добавлены еще два члена, и в результате оно стало равняться корню из 2 с точностью до семи знаков:

Откуда взялись эти цифры и число 34, в Шульба-Сутрах ничего не сказано. В них, как и во многих других математических текстах, зафиксированы лишь ответы, а не пути к решениям. Существует гипотеза, согласно которой индийский алгоритм вычисления корня из 2 основан на методе, известном еще вавилонянам. Мы уже показали, что им удалось с удивительной точностью вычислить длину диагонали квадрата, но нам ничего не известно о том, какой метод они при этом использовали и был он алгебраическим или геометрическим.

Как математики воссоздают творческий процесс решения задачи? Нужно провести некий воображаемый путь, выбрав в качестве начала точку, к которой пришел тот, кто решил задачу. Если мы узнаем, о чем думал автор решения, зафиксированного в Шульба-Сутрах, указанные дроби и числа обретут смысл.

Среди наиболее вероятных объяснений — теория индийского математика Датты, жившего в первой трети XX века. Начнем с того, что приближенное значение корня из 2 получается при помощи числовой последовательности, которая начинается с единицы (такова длина стороны квадрата):

{1, 1,33333, 1,41467, 1,4142157, 1,4142135 } — > √2.

Длина стороны квадрата и его площадь равны единице. Так как на первом шаге мы прибавляем к единице одну треть, разделим квадрат на три равные части. Получим три прямоугольника. Обозначим два первых прямоугольника через А и В и разделим третий прямоугольник на три равные части. Каждая из этих частей будет представлять собой квадрат. Обозначим верхний квадрат через С и разделим два нижних на четыре части каждый. Получим рисунок.

Имеем одиннадцать фигур (А, В, С и восемь маленьких прямоугольников). Расположим их вокруг исходного квадрата следующим образом.

Заполнив пустой угол, получим новый квадрат. Его площадь будет больше площади искомого удвоенного квадрата на величину площади этого пустого угла, так как площадь добавленных фигур равна исходному квадрату. Заметим, что если мы добавим к этой фигуре небольшой квадрат в углу, то площадь полученного квадрата будет в точности совпадать с той, что указана в Шульба-Сутрах:

Датта объясняет использование дроби 1/(3·4·34) с алгебраической точки зрения, свойственной скорее западной математике. По его мнению, пустой угол фигуры — это излишек, который распределяется между двумя ограничивающими его сторонами. Иными словами, этот пустой угол (его площадь равна 1/122) делится на два прямоугольника и новый пустой угол со стороной х, которые мы «отрежем» от верхней и правой боковой стороны фигуры:

Далее Датта заключает, что площадь нового пустого угла, квадратика со стороной х, пренебрежимо мала, и выполняется соотношение:

Возможно, именно так рассуждал индийский автор Шульба-Сутр, однако приведенные алгебраические методы и пренебрежение малыми величинами кажутся не слишком уместными при поиске все более точных значений. Чтобы поставить себя на место индийского автора и понять ход его рассуждений, нужно найти геометрическое обоснование этого необычного знаменателя, то есть числа 34. Разделим квадратный пустой угол со стороной 1/12 на столько частей, сколько раз этот квадрат укладывается на верхней и правой сторонах фигуры, то есть на 16 + 16 = 32 части. Отсечем от каждого из 16 квадратиков, расположенных вдоль стороны фигуры, полосу шириной 1/(12·32) и получим новый многоугольник, вписанный в квадрат. Длина стороны этого многоугольника будет равна:

Площадь этого квадрата намного ближе к искомому значению:

Число 34 по-прежнему не появляется. Поступим иначе: вместо того чтобы уменьшить стороны изображенного выше неправильного многоугольника, рассечем квадрат со стороной 1 + 1/3 + 1/12 вдоль верхней и правой стороны. На каждой из них маленький квадратик в углу укладывается ровно 17 раз.

Разрежем этот маленький квадратик на 34 полосы, а затем отсечем 17 полос из верхней и столько же — из правой стороны большого квадрата. Мы исключили излишек в форме маленького квадрата, длина стороны которого равна: 1/(12·34)

Полученная фигура вновь будет неправильным многоугольником, вписанным в квадрат. Длина стороны этой фигуры в точности равна приближенному значению, приведенному в Шульба-Сутрах.

По всей видимости, если мы отбросим 34 квадратика, это будет слишком много, если отбросим 33 — слишком мало, чем и объясняется чередование чисел 33 и 34 в последующих приближенных значениях, полученных по индийскому методу:

В продолжение рассуждений, параллельных индийскому методу, заметим: если разделить исходный квадрат не на три, а на пять частей, то первое приближение будет более точным.

Подобная схема рассуждений не вписывается в евклидову геометрию. Несмотря на всю ее логичность, эти рассуждения не основаны на аксиомах и не приводят к доказательству уже известного результата. Мы видим перед собой не теорему, доказательство и вывод, а поиск некоторого объекта, природу которого мы узнаем лишь по мере приближения к нему.

Математика как культурный феномен

Математическая мысль усложняется в культурах, которым известна письменность, и напрямую связывается с ней. Мы гораздо больше знаем о тех культурах, от которых до нас дошли письменные свидетельства.

В египетских пирамидах мы видим квадрат, а не круг. В Стоунхендже мы видим круг, а не квадрат. Быть может, форму квадрата должны были иметь монументы, имевшие отношение к загробному миру, подобно пирамидам? Быть может, круг имеет большее отношение к астрономии и ритуалам-, связанным с Солнцем и Луной?

Культуры, о которых мы рассказали в этой главе, давно прекратили свое существование. Математические идеи в них зародились намного раньше, чем возникла так называемая западная культура. Развитие этих идей носило локальный характер: все народы занимались математикой по-своему и независимо друг от друга решали практические задачи. Эта математика была этноматематикой.

Мы имеем некоторое представление о том, что такое математика, как она создается, и наше представление опирается на идею непрерывности пространства и времени. Но, по всей видимости, эта идея возникла лишь с появлением нашей культуры. А что происходит и происходило за ее пределами? В доколумбовой Америке существовали народы, создавшие важные математические знания. Этот процесс не прекращается в самых разных культурах с момента открытия нового континента и до наших дней — именно благодаря ему эти культуры смогли выжить и дойти до нас. Обо всем этом мы и поговорим дальше.

* * *

СЕЛЬСКАЯ МАТЕМАТИКА

В конце 1980-х годов профессор Гвида де Абреу изучила математические методы, которые применяли крестьяне на северо-востоке Бразилии. Расхождения между этими методами и сугубо академическими представлениями препятствовали внедрению новых аграрных технологий.

К примеру, площади треугольников крестьяне вычисляли как произведение среднего арифметического длин двух сторон треугольника на половину третьей, то есть по формуле (х + у)·z/ 4.

Этот метод имеет свои недостатки. Для равностороннего треугольника со стороной х площадь будет равна S = х2/2, что отличается от фактического значения, равного (х2√3)/4. Для прямоугольного треугольника с катетами длиной 30 и 40 метров и гипотенузой длиной 50 метров в зависимости от выбора сторон возможны три разных результата. Истинное значение площади составляет 600 м2, а значения, полученные по методу бразильских крестьян, равны: S1 = 800 м2, S2 = 875 м2, S3 = 675 м2.

В последнем случае мы вычислили среднюю длину двух больших сторон треугольника и получили наиболее точный результат. Возможно, так и следует действовать во всех случаях, тем более что этот метод, несомненно, намного удобнее применять на практике, чем тригонометрические расчеты. Кроме того, основой системы мер, которую использовали крестьяне, были единицы под названием брага, куб и конта. Брага, стандартная мера длины, составляла от 2 до 2,20 м и измерялась при помощи посоха. Куб определялся как площадь квадрата с длиной стороны в одну брагу, конта — как площадь квадрата с длиной стороны в 10 браг.

Глава 2 Как считать быстрее и лучше

Письменный счет и вычисления

Что бы вы подумали, если бы увидели на тротуаре бумажку с такими надписями?

Это свободная интерпретация шумерской таблички возрастом более 4600 лет, найденной в городище Шуруппак на территории Ирака. Как отмечает Джордж Ифра (Марракеш, 1947), эта табличка представляет собой древнейшую запись деления чисел. Математик и историк Джордж Ифра — автор объемных и очень подробных трудов о системах счисления во всем мире, созданных задолго до появления математической науки.

В табличке идет речь о разделе ячменя между несколькими людьми. В левом столбце указано исходное количество ячменя, которое нужно разделить: один амбар и семь сил (один амбар равнялся 1152 000 сил). В правом столбце приведены необходимые расчеты. Смысл текста на табличке таков: после того как амбар ячменя был разделен между несколькими людьми, каждому досталось по 7 сил. Всего было 164571 человек, 3 силы оказались лишними.

Числа на табличке записаны при помощи геометрических фигур. Маленький конус обозначал единицу, круг — 10 единиц, большой конус — 60 единиц, большой конус с отверстием — 600, большой круг — 3600, большой круг с отверстием — 36 000 единиц.

Делимое 1152000 раскладывается на степени 60 следующим образом:

1152 000 = 5·603 + 2·10·602.

Но вместо того, чтобы записать его в таком виде, автор таблички, который не умел представлять большие числа, применил самое большое число, известное в ту эпоху, то есть 36000. Если мы хотим записать число 1152000 при помощи кругов с отверстиями, нам потребуются 32 круга:

1152 000 = 32·36 000.

Разделив эти 32 круга на 7 частей, получим, что в каждой части будет по 4 круга и еще 4 круга окажутся лишними. Четыре круга, доставшихся каждому человеку, составляют частное и записаны в верхней правой части таблички. Четыре оставшихся круга представляют собой остаток от первого деления. Их нужно снова разделить на 7 частей. Так как остаток равен 4·36 000 сил, получим:

4·36 000 = 144 000 = 40·3600,

то есть 40 больших кругов без отверстий. Разделим их на группы по 7 и получим, что частное — 5 кругов, остаток — тоже 5 кругов. Оставшиеся круги, обозначающие 5·3600 единиц, делятся на большие конусы с отверстиями по 600 единиц:

5·3600 = 18 000 = 30·600.

Имеем 30 больших конусов с отверстиями, которые нужно разделить на семь частей. Частное равно 4, остаток — 2. Таким образом, остались 2 больших конуса с отверстиями, то есть 2·600 = 1200 единиц, которые снова нужно разделить на 7 частей. Для этого используем следующую единицу измерения — конус без отверстий, обозначающий 60 единиц:

1200 = 20·60.

Эти 20 конусов, в свою очередь, снова делятся на 7. Результат деления равен 2, остаток — 6. Таким образом, лишними оказались 6 * 60 = 360 единиц. Они обозначаются 36 шарами по 10 единиц каждый:

360 = 36·10.

* * *

ВЫЧИСЛЕНИЯ ШУМЕРОВ

На латыни слово calculus означало маленькие камни или кусочки глины, которые в зависимости от формы и размера обозначали разные величины. От этого слова произошло современное «калькулятор»». Шумеры использовали для обозначения величин не камни, а маленькие конусы и шарики, в которых проделывали отверстия. Современные врачи называют «calculus renalis» камни в почках — небольшие плотные образования, возникающие в результате кальцификации.

* * *

Результат деления 36 на 7 равен 5, остаток — 10 единиц, или, что аналогично, 10 маленьких конусов. Разделим их на 7 частей и получим последний остаток в 3 единицы, или 3 маленьких конуса. Все описанные выше действия приведены в таблице.

Фигурам, изображенным в верхней правой ячейке глиняной таблички, соответствуют числа в третьем столбце таблицы. Под этими фигурами на табличке изображены три маленьких конуса, обозначающие остаток от деления (им соответствует четвертый столбец таблицы). Разумеется, деление было проведено по всем правилам.

Древние египтяне, жившие в 2000 году до н. э., с легкостью выполняли умножение и деление на 10 — для этого им было достаточно заменить символы, обозначавшие цифры исходного числа, меньшими или большими символами соответственно.

На следующем рисунке в качестве примера показано, как записывались числа 48 и 480 (напомним, что египтяне писали справа налево).

При умножении на другие величины они использовали не алгоритм, подобный нашему, а последовательное умножение или деление на 2. Так, чтобы умножить 117 на 14, они записывали числа в два столбца. В левом столбце записывались последовательные степени двойки, в правом — числа, кратные 14. Запись прекращалась, когда следующая степень двойки превышала число, на которое умножалось 14, то есть 117.

Теперь нужно выбрать из правого столбца числа, которые в сумме дают 117:

1 + 4 + 16 + 32 + 64 = 117.

Следовательно, результат умножения равен сумме чисел из правого столбца, соответствующих этим слагаемым:

14 + 36 + 224 + 448 + 896 = 1638.

Действия, выполняемые в левой колонке, равносильны представлению большего из множителей в двоичной системе счисления:

117 = 1·26 + 1·25 + 1·24 + 0·23 + 1·22 + 0·21 + 1·20 = 1110 101 (в двоичной системе)

Это выражение определяет результат. Египтяне, жившие 4 тысячи лет назад, при умножении, по-видимому, неосознанно переводили числа в другую систему счисления. Их метод оказался успешным потому, что из левого столбца всегда можно выбрать числа таким образом, что их сумма будет равна требуемому числу. Иными словами, натуральное число всегда можно выразить в двоичной системе счисления.

Рассмотрим несколько примеров, показывающих, почему это так:

12 = 22·3 = 22·(2 + 1) = 23 + 22.

15 = 3·5 = (2 + 1)·(22 + 1) = 23·22 + 2 + 1.

Первые натуральные числа также обладают этим свойством:

1 = 20, 2 = 21, 3 = 21 + 20, 4 = 22, 5 = 22 + 1, 6 = 22 + 21, 7 = 22 + 21 + 20…

Если п — натуральное число, обладающее этим свойством, то следующее за ним число, n + 1, также будет обладать этим свойством. В самом деле, если n четное, то ни одно из составляющих его слагаемых не будет равно 20 = 1. Следовательно, именно эту степень двойки нужно будет добавить к n, чтобы получить следующее число, n + 1. Таким образом, n + 1 будет суммой степеней двойки. Если же n нечетное, то его разложение на сумму степеней двойки будет оканчиваться 20. Чтобы получить из n следующее число, n + 1, к нему нужно будет добавить единицу, то есть 20. Но в разложении этого числа уже есть одна единица, поэтому получим 20 + 20 = 1 + 1 = 2 = 21. Если слагаемое 21 уже фигурировало в разложении, мы получим новое слагаемое, равное 22 и так далее. Результат в любом случае будет представлять собой сумму степеней двойки.

Запишем первые 10 натуральных чисел в виде сумм степеней двойки, чтобы вы могли увидеть закономерность, которой они подчиняются.

Древние египтяне выполняли деление по схожему алгоритму, но в обратном порядке, то есть с помощью умножения. К примеру, при делении 92 на 9 они определяли число, на которое нужно умножить 9, чтобы получить 92. Сначала необходимо составить таблицу чисел. В левом столбце запишем последовательность степеней двойки, в правом столбце будем раз за разом удваивать 9, пока оно не превысит 92.

Теперь выберем из правого столбца числа, которые в сумме дают 92. Так как выбрать такие числа нельзя, 92 не делится на 9 нацело. Ближайшая сумма равна 18 + 72 = 90. Следовательно, результат деления равен 2 + 8 = 10 (сумме степеней двойки, соответствующих числам 18 и 72), остаток от деления равен 2.

Счет в разных регионах

Для счета необходимо дать величинам названия, а также предусмотреть символы для их обозначения. Сегодня символы, обозначающие цифры, являются практически универсальными и используются во всех уголках планеты. Названия чисел и слова, используемые при счете, также эквивалентны. Однако даже самый точный перевод не всегда может обеспечить соответствие исходных понятий.

Двести лет назад многие европейцы думали, что африканцы способны считать разве что до 10. Эту точку зрения опровергли некоторые торговцы XVIII века и исследователи-антропологи в XX столетии.

Можно было подумать, что народ кпелле, живший в центральной Либерии и Гвинее, не умел обращаться с числами только потому, что использовал для выполнения арифметических действий кучки камней. Однако в результате исследования, которое провели Гэй и Коул, оказалось, что кпелле точнее оценивают число камней в кучках разных размеров, чем студенты Йельского университета.

* * *

ЖЕСТЫ ДЛЯ ОБОЗНАЧЕНИЯ ЧИСЕЛ В АФРИКЕ

Зулусы — самый многочисленный народ Южной Африки. Они проживают преимущественно в Южноафриканской Республике, а отдельные группы зулусов встречаются в Зимбабве, Замбии и Мозамбике. Камба — язык семейства банту, на котором говорит народ камба, живущий в Восточной Африке, в частности в Кении и Танзании. В следующей таблице приведены жесты, которыми камба и зулусы обозначают числа от 1 до 10.

Число · Зулусы (Южная Африка) · Камба (Кения)

1 · Вытянутый левый мизинец · Вытянутый правый указательный палец

2 · Вытянутый мизинец и средний палец на левой руке · Вытянутый указательный и средний палец на правой руке

3 · Вытянутые мизинец, безымянный и средний пальцы · Вытянутые указательный, средний и безымянный пальцы правой руки

4 · Четыре вытянутых пальца · Пары «указательный — средний» и «безымянный — мизинец» правой руки, сложенные в виде буквы V

5 · Пять вытянутых пальцев · Пальцы правой руки, сложенные в кулак

6 · Вытянутый большой палец правой руки · Взяться за левый мизинец правой рукой

7 · Вытянутый большой и указательный палец правой руки · Взяться за мизинец и безымянный палец левой руки правой рукой

8 · Три вытянутых пальца правой руки · Взяться за мизинец, безымянный и средний палец левой руки правой рукой

9 · Четыре вытянутых пальца правой руки · Взяться правой рукой за четыре пальца левой руки

10 · Вытянуть все пальцы · Сжать в кулаки пальцы обеих рук

* * *

Для счета и вычислений мы используем десятичную систему счисления, которую выражаем устно и письменно. В нашем обществе взрослый человек, который считает на пальцах, вызывает удивление — так могут делать только дети в младших классах.

Мы записываем и произносим числа при помощи символов и слов, в которых также отражается десятичное основание нашей системы счисления. Все числа от 1 до 10 обозначаются разными символами и словами. Звучание чисел, больших 10, определяют фонетические корни. Например, числа с 11 до 19 произносятся так.

Аналогично обозначаются и последующие степени числа 10 — основания системы счисления. Первые слоги указывают, сколько степеней десятки нужно выбрать: тридцать (30), пятьдесят (50), двести (200), триста (300), четыре тысячи (4000), сто тысяч (100000). Выражение вида «семь тысяч триста пятьдесят два» неявно подразумевает представление исходной величины в виде суммы степеней 10:

7·1000 + 3·100 + 5·10 + 2.

Однако в рамках западной культуры имеются некоторые различия. Французы при устном счете для обозначения десятков от 60 до 90 используют в качестве основы число 20. Восемьдесят на французском произносится quatre-vingt, то есть «четыре раза по двадцать». Восемьдесят пять произносится quatre-vingt cinq, то есть

4·20 + 5.

Клаудия Заславски (1917–2006, Нью-Йорк) первой изучила туземные математические идеи и внесла вклад в создание этноматематики. В труде «Africa Counts» («Африка считает») она предвосхитила идеи, которые спустя много лет составили основу отдельной дисциплины — этноматематики (это название ей дал бразильский профессор Убиратан д’Амброзио). Заславски зафиксировала множество математических идей, свойственных африканским культурам: системы счисления, отличные от десятичной, методы счета на пальцах, геометрические узоры, используемые в строительстве и украшениях.

За пределами западной культуры при обозначении величин, которые нельзя показать на пальцах одной руки, в устной речи за основу берется число 5. В некоторых разновидностях языка банту (Центральная Африка) корень, обозначающий число 5, звучит как «тано» и входит в слова, обозначающие 6, 7, 8 и 9. Эти слова образуются прибавлением к корню «тано», обозначающему пять единиц, окончаний 1 (-мве), 2 (-вали), 3 (-тату) и 4 (-не). Таким образом, 6 называется тано-на-мве, 7 — тано-на-вали, 8 — тано-на-тату, 9 — тано-на-не.

В Гвинее-Бисау и Центральной Африке также используются пятеричные и двадцатеричные системы счисления, в которых 5 понимается как число пальцев на руке, 20 — число пальцев на руках и ногах. Таким образом, 10 называется «две руки», а 20 — «человек». Выражение «пять человек» обозначает число 100.

Традиционные обозначения чисел отражают мышление народа. Однако такие обозначения удобны при подсчете малых величин, но не при действиях с большими числами. Так, народ игбо, живущий на территории Нигерии, использует систему счисления по основанию 20. Квадрат 20 обозначается словом нну, квадрат 400 называется «нну кхуру нну», что означает «400 встречает 400».

Числа имеют первостепенное значение и в торговле, где нужно уметь измерять и взвешивать, производить расчеты и вести записи. Торговля невозможна без обмена и единицы стоимости. Так возникает необходимость в умножении и делении.

В Африке в качестве денежных единиц использовались раковины, коровы, соль, рабы и золото. Сегодня главная роль отводится банкнотам и монетам, хотя на местных рынках практикуется и натуральный обмен товарами.

Сто лет назад народ эве с побережья Гвинеи использовал в торговле раковины каури. Сорок раковин составляли единицу товарного обмена и назывались хока. Вдали от побережья хока равнялась уже не 40, а 35 раковинам. Эве быстро и умело перемножали числа: так, они брали 20 раз по 3 раковины, затем добавляли к ним 10 и получали 2 материковых хока: 20·3 + 10 = 70.

Значит ли это, что эве находили соотношение между береговой и материковой хока? Учитывая, что 20 — половина от 40, а 10 — четвертая часть 40, знали ли они, что три половины и четвертая часть береговой хока равнялись двум материковым хока? Более того, понимали ли они, что отношение между этими «валютами» равнялось 8:7 и, чтобы перевести цену из береговых в материковые хока, нужно было умножить ее на 7 и разделить на 8? Ответить на этот вопрос нелегко.

Система счисления народа йоруба (Нигерия)

Особого упоминания заслуживает удивительно сложная система счисления народа йоруба, живущего на территории Нигерии. Так, число 48 на языке йоруба дословно означает 20·3 — 10 — 2.

Йоруба используют двадцатеричную систему счисления, однако в отличие от подавляющего большинства культур числа в ней определяются вычитанием, а не сложением. Система счисления йоруба может показаться необычной и слишком сложной, однако это не единственная система счисления, основанная на вычитании — по такому же принципу была устроена римская система.

Как представить число в системе йоруба? Чтобы ответить на этот вопрос, сначала рассмотрим обозначения всех чисел до 20 — основания этой системы счисления. Числа от 1 до 10 обозначаются разными словами. Числа от 11 до 14 образуются прибавлением окончания — лаа к словам, обозначающим числа от 1 до 4. Вычитание используется начиная с числа 15: это и последующие числа обозначаются словами, которые буквально означают 20 — 5, 20 — 4, 20 — 3, 20 — 2 и 20 — 1. Число 20 обозначается новым словом; следующие числа, начиная с 21, обозначаются при помощи сложения, затем, начиная с 25, — вновь при помощи вычитания. Это правило циклически повторяется для всех последующих чисел. К примеру, 105 = 6·20–10 — 5, 315 = 400 — 20·4–5 (число 400 имеет особое название).

Укажем, как обозначаются некоторые большие числа.

Возможно, подобное представление чисел связано с подсчетом раковин каури: раковины при счете сначала объединялись в группы по 5, затем — в группы по 20. Пять групп по 20 раковин образовывали ряд из 100 раковин. Когда мы делим раковины на группы по 5, мы считаем от 1 до 5. Именно поэтому йоруба определяют числа 11, 12, 13 и 14 прибавлением единиц к 10. Однако эта версия не объясняет, почему число 15 определяется иначе.

Возможное объяснение заключается в том, что йоруба считали раковины на пальцах одной руки. Допустим, что мы держим в уме число 10 и последовательно разгибаем пальцы рук, чтобы отсчитать 11, 12, 13 и 14. Как отсчитать на пальцах этой же руки следующие числа до 20? Сначала разогнем пятый палец, а затем будем поочередно загибать пальцы до тех пор, пока не досчитаем до следующего десятка. Следовательно, числа, которые мы добавим к первому десятку, когда будем разгибать пальцы, мы отнимем от следующего десятка, когда будем загибать пальцы.

Таким образом, когда мы разогнем пятый палец, то будем представлять, что вычли 5 из 20: 20 — 5 = 15. Загнем один палец и получим 20 — 4 = 16, загнем еще один и получим 20 — 3 = 17. Когда мы загнем все пальцы, то начнем отсчет следующего десятка, то есть досчитаем до 20.

На рынке в Мозамбике

Методам счета за пределами академической среды посвящено множество исследований. Целью одного из них было узнать, как женщины каждый день выполняют сложение и вычитание в уме (чаще всего это происходит на рынках). Чтобы вычесть 5 единиц из 62, больше половины женщин на рынке в Мозамбике (Восточная Африка) сначала вычитали 2, а затем отнимали еще 3 от результата:

62 — 5 = (62 — 2) — 3 = 57.

Примерно треть опрошенных женщин вычитали 5 из 60, после чего прибавляли к результату две единицы:

62 — 5 = (60 — 5) + 2 = 57.

Меньшинство вычитало 10 из 62, после чего прибавляло к результату разность

62 — 5 = (62–10) + (10 — 5) = 57.

При умножении большинство женщин удваивали числа до тех пор, пока не получали приближенный результат. К примеру, они умножали 6 на 13 следующим образом (этот метод похож на египетский, описанный в начале этой главы):

Авторство всех этих методов подсчета неизвестно — так же как неизвестно, обучал ли женщин кто-либо считать именно таким способом. Возможно все описанные способы счета в уме составляют часть культурной традиции, связанной с ролью женщины в торговых отношениях.

В Нигерии также были зафиксированы алгоритмы вычислений в уме, схожие с приведенными выше. Так, сумма 18 + 19 вычислялась по следующим правилам:

18 + 19 = (18 — 1) + (19 +1) = 17 + 20 = 37

18 + 19 = (20 — 2) + (20 — 1) = 20 + 20 — (2 + 1) = 40 — 3 = 37.

При делении 45 на 3 полезно знать, что 21/3 = 7:

Эти методы позволяют понять, что одни и те же действия можно выполнять множеством способов, а математическое творчество довольно распространено.

В индийском автобусе

Город Ченнаи, ранее носивший название Мадрас, — столица штата Тамилнад на юго-востоке Индии. Водители автобусов в этой местности должны очень быстро вычислять в уме, чтобы определить, сколько денег должен заплатить каждый пассажир (сумма зависит от тарифов на разных участках пути), а в конце рабочего дня на основе дневного заработка они должны вычислить так называемую батта — свою заработную плату. Батта зависит от разновидности автобуса, числа поездок и дневной выручки.

Нирмала Нареш из Университета штата Иллинойс изучил методы, которые используют водители автобусов для вычисления батта и платы за проезд в зависимости от маршрута. При этом водители учитывают соотношение между индийской валютой рупией, ее сотой частью (пайсом) и различными банкнотами и монетами.

Улица Ченная в штате Тамилнад (Индия).

Далее изложены вычисления, которые совершает в уме водитель ченнайского автобуса, чтобы найти произведение 3·293 и 3,30·61:

3·293 = 3·300 — (3·7) = 900 — 21 = 879.

3,50·61 = 3·61 + (1/2)·61 = 183 + 30,50 = 213,5.

Как видите, водитель не выполняет умножение напрямую и не применяет школьные методы, а упрощает исходные числа, чтобы легче считать в уме. В первом случае он округляет 293 до 300. Умножить 300 на 3 в уме несложно, но полученный результат больше правильного на величину, в три раза большую, чем допущенная погрешность в 7 единиц. Чтобы получить правильный ответ, нужно вычесть из 900 три раза по 7. Во втором случае десятичная дробь 3,50 раскладывается на целую и дробную части, то есть на три единицы и одну половину. Далее 61 умножается на 3 — получаем 183. Остается добавить к этому числу половину от 61, то есть 30,5.

Эти вычисления в уме доказывают, что водители прекрасно умеют не только представлять числа в виде суммы, но и на практике применяют известное в академическом мире свойство дистрибутивности умножения относительно сложения. Хотя водители получили начальное математическое образование и учились считать в уме в школе, в повседневной жизни они применяют народные методы, которые отличаются от академических.

Разделение десятичной дроби на целую и дробную часть при умножении часто используется, когда нужно произвести вычисления в уме. Этот народный метод не изучается в школах, но встречается в разных частях света.

* * *

ВЫЧИСЛЕНИЕ КВАДРАТОВ В УМЕ

Так как (n ± 1)2 — n2 ± 2n + 1, квадрат целого числа можно вычислить в уме, зная квадрат предыдущего или следующего числа:

312  = 302 + 2·30 +1 = 900 + 60 + 1 — 961.

192  = 202 - 2·20 + 1 = 400 — 40 + 1 = 439.

Так как n2 = а2 + n2 — а2 = а2 + (n + а)·(n — а), квадрат целого числа также можно определить через произведение его суммы и разности с другими числами, которое несложно вычислить:

192  = 1 + (192 - 12) = 1 + (19+1)·(19-1) = 1 + 20·18 = 1 + 360 = 361.

372  = 9 + (372- З2) = 9 + (37 + 3)·(37 — 3) = 9 + 40·34 = 9 + 40·(30 + 4) = 9 + 40·30 + 40·4 = 9 + 1200 + 160 = 1369.

* * *

Торг: стратегия действий с числами в торговле

Торг был и остается общепринятой торговой практикой. Хотя в западном мире он практически ушел в прошлое, в других регионах торг по-прежнему сохраняется на традиционных рынках и в излюбленных туристами местах.

Цель торга — прийти к соглашению относительно цены, которая устроит и продавца, и покупателя. Как правило, торг начинает продавец: он называет цену, которую должен заплатить покупатель. Часть игры заключается в том, что изначальная цена всегда завышена (порой — слишком завышена), и покупатель должен в ответ назвать другую, более низкую цену. При этом он не должен сбивать ее слишком сильно, чтобы продавец не почувствовал себя оскорбленным и не потерял интерес к покупателю.

Неписанное правило торга на традиционных рынках заключается в том, что справедливой ценой можно считать цену, равную половине первоначальной. Но это правило выполняется не всегда — порой продавец сам приглашает покупателя назвать цену первым.

Чаще всего цена при торге меняется на некоторую фиксированную величину, но покупатель и продавец могут договориться о скидке в процентах. Если покупателю предложили скидку в 5 %, ему не следует ожидать, что он сможет выторговать скидку в 50 %, то есть приобрести товар за полцены. В этом случае торг можно считать успешным, если покупателю удается удвоить названную скидку, то есть сбавить 10 % от цены. Скидки обычно предлагаются на довольно дорогие товары, так что даже небольшое изменение цены в процентном отношении предполагает существенную экономию, поэтому такой вид торга встречается не очень часто.

Наиболее простая математическая модель торга — это линейная модель. В ней цены, предлагаемые продавцом и покупателем, изменяются пропорционально. При всей своей простоте эта модель неточна: в реальной жизни предлагаемые цены увеличиваются и уменьшаются неравномерно, и по мере приближения к соглашению цена изменяется все меньше.

Более точной кажется модель, в которой графики изменения цены представляют собой кривые. Кривая цены, предлагаемой покупателем, С(х), будет возрастающей и выпуклой. Это означает, что покупатель будет называть все большую цену, увеличивая ее все меньше и меньше. К примеру, последовательность значений 20, 60, 100 и 140 соответствует первой, линейной модели, последовательность 20, 50, 70 и 75 — второй модели. Значения в этой последовательности возрастают, но разница между ними становится все меньше. Кривая продавца, V(x), напротив, будет убывающей, и разница между последовательными значениями также будет убывать.

Если считать, что результатом увеличения С(х) и уменьшения V(x) будет итоговая цена, получим параболические кривые, так как увеличение и уменьшение будут описываться производными исходных функций, V'(х) и С'(х). В случае с кривой покупателя производная положительна (С(х) возрастает), в случае с кривой продавца — отрицательна (V(х) убывает):

V(0) = В — начальная цена, предложенная продавцом. В результате получим две параболы разной кривизны, которые пересекаются в точке равновесия.

Однако мы не знаем, действительно ли участники торга рассуждают подобным образом. Быть может, они думают, что цену следует повышать или понижать обратно пропорционально разнице с исходной ценой? Если это так, то мы получим новую модель, в которой поведение продавца и покупателя описывается логарифмическими функциями — именно эти функции являются решениями дифференциального уравнения модели. Обозначив через V исходную цену, получим:

Постоянная k для покупателя положительна, для продавца — отрицательна.

Но на самом деле люди, предлагая свою цену, не вычисляют в уме подобные пропорциональные величины. Рассмотрим реальные данные, собранные автором по результатам торга с тремя продавцами, чей доход напрямую зависел от туристов.

Во всех трех случаях мы находились не на рынке, а в магазине. Я предлагал цену, не учитывая какие-то заранее обдуманные пропорции или соотношения. Ход моих рассуждений я объясню позже.

В третьем случае цены товаров были указаны на ценниках, что, как правило, служит признаком фиксированной стоимости. В моем случае цена, написанная на ценнике, равнялась 350. Не успел я спросить, действительно ли это окончательная цена, как продавщица сказала, что может сделать мне скидку.

«Какой будет скидка?» — спросил я. «Отдам за 300» — ответила продавщица.

Скидка была не слишком большой, и я понял: цены на ценниках были не окончательными, но достаточно близкими к реальным. В любом случае вещь не досталась бы мне очень дешево. Теперь настала моя очередь предложить цену. Цены ниже 200 показались мне слишком низкими, поэтому я предложил 200. Продавщица согласилась на 280. Ее предложение несколько охладило мой пыл — новая цена была всего на 20 меньше предыдущей. Я предположил, что в итоге мы сойдемся на 250, но не хотел завершать торг слишком быстро. Я предложил 230 — чуть больше, чем 225.

Продавщица предложила 260. В конце концов я сказал, что 250 — моя последняя цена. Продавщица настаивала на 260, но я не сдавался. В итоге вещь досталась мне за 250.

После торга я спросил продавщицу, какую максимальную скидку она была готова предложить. Продавщица ответила: 25 % и добавила, что такова максимальная скидка в ее магазине, а в других местах, например на рынке, скидка могла быть намного больше. Таким образом, я провел неплохую сделку: вещь стоимостью 350 досталась мне за 250. Скидка оказалась больше 28 %.

На основе этих практических результатов я составил новую математическую модель торга. В значениях, приведенных в таблице, скрыто какое-то равновесие, а также они очевидно сходятся к итоговой цене, которая устроит и покупателя, и продавца. Какому закону подчиняется это равновесие? Предложим гипотезу: каждая цена представляет собой среднее значение двух последних предложенных цен. Иными словами, если x0 — исходная цена, предложенная продавцом, x1 — первая цена, предложенная покупателем, то общий член числовой последовательности, образующейся в ходе торга, задается формулой:

Это не что иное, как среднее арифметическое двух последних цен, упомянутых в торге. Приведенное выражение очень похоже на формулу общего члена в последовательности Фибоначчи. Сравним результаты трех предыдущих торгов с этой моделью, которую будем называть моделью средней цены.

Живительное сходство. Следовательно, в туристических местах торг можно достаточно точно описать моделью средней цены. Но как определить, к какому значению стремится цена в этой модели? На какой цене сойдутся покупатель и продавец в подобных ситуациях? Рассмотрим начальные цены трех предыдущих торгов и посмотрим, что произойдет.

Что общего у этих чисел и пар начальных значений цен (45, 20), (80000, 40000) и (350, 200)? Если мы посмотрим на соответствующие графики, то заметим явное сходство.

Чтобы понять, что происходит, рассмотрим формулу общего члена в этой модели.

Предел X, к которому сходятся члены последовательности цен, определяется двумя исходными ценами — ценой продавца (x0) и ценой покупателя (x1):

Вычислим X для начальных значений в трех предыдущих примерах и покажем, к какому значению стремится итоговая цена.

Обратите внимание, что во всех трех случаях пятый член настолько близок к предельному значению, что продолжать торговаться не имеет особого смысла. Возможно, именно поэтому при торге покупатель и продавец редко меняют цену больше четырех-пяти раз. Как мы уже говорили, участники реальных торгов не руководствуются описанной моделью сознательно, но эта модель настолько близка к тому, как происходит торг в действительности, что остается только удивляться способности людей интуитивно оценивать числа в поисках равновесного значения.

Абак

Первым вычислительным устройством в истории были человеческие руки. Говоря в компьютерных терминах, руки были первым программным обеспечением в истории. На пальцах одной руки можно досчитать до 5, на пальцах двух рук — до 10, а если использовать пальцы ног, то и до 20. Но если обозначать фалангами пальцев единицы, а пальцами — степени 10, то можно досчитать до десяти миллиардов.

Впрочем, этот метод непрактичен, поэтому его никто не использует.

В различных культурах Европы и Азии руки служили не только для счета, но и для вычислений, особенно для умножения. Чтобы умножить 6 на 8 на пальцах, нужно действовать следующим образом. Сначала досчитаем до 6, разгибая пальцы на одной руке, то есть досчитаем до 5 и загнем один палец. Один палец останется загнутым, 4 — разогнутыми. Аналогичным образом досчитаем до 8 на другой руке.

Три пальца останутся загнутыми, 2 — разогнутыми. Загнутыми оказалось 1 + 3 = 4 пальца — это будут десятки. Перемножим число разогнутых пальцев: 4·2 = 8 — это будут единицы. Результат равен 40 + 8 = 48.

В этом методе сочетаются сложение в уме и простое умножение небольших чисел, меньших пяти. Говоря математическим языком, умножение чисел, меньших либо равных 10, сводится к умножению по модулю 5. Эта система используется в повседневной жизни и даже в научной среде в ряде стран, объединенных общими культурными связями: в Индии, Индонезии, Ираке, Сирии и Северной Африке.

Но для действий с большими числами этот метод не очень удобен. Конечно, его можно улучшить и применять для умножения любых чисел, даже довольно больших, но, как это часто бывает, теоретические улучшения вовсе не обязательно будут достаточно эффективными для практического использования. Так что для действий с большими числами все же лучше использовать вычислительные устройства.

В одном из стихов главы 27 трактата Лао-цзы «Дао дэ цзин» говорится: тот, кто умеет считать, не пользуется чоу. Чоу — это инструмент для счета, состоявший из деревянной доски и нескольких бамбуковых палочек. Чоу был создан в V–III веках до н. э., так что это приспособление можно назвать одним из древнейших инструментов для вычислений.

Чоу представлял собой доску размером 8 x 8 клеток, в которых помещались бамбуковые палочки, обозначавшие числа. Изначально число палочек соответствовало числу единиц (до 10), но затем была создана упрощенная система, в которой поперечно лежащие палочки обозначали 5 или 10 единиц. Таким образом, числа от 1 до 5 обозначались вертикально расположенными палочками, числа 6, 7, 8 и 9 — горизонтальной палочкой (она обозначала 5), под которой выкладывалось необходимое количество вертикальных палочек. Число 10 было представлено горизонтальной палочкой, последующие десятки — дополнительными горизонтальными палочками.

Для обозначения чисел 60, 70, 80 и 90 вертикальные палочки выкладывались сверху, чтобы отличить их от 6, 7, 8 и 9. Возникал вопрос: как расположить палочки для обозначения сотен, тысяч и последующих степеней 10? Китайцы решили эту задачу при помощи доски, столбцы которой обозначали различные степени 10.

В этой системе нулю соответствовала пустая клетка.

Представление чисел 6104 и 84 071 на чоу.

При умножении в уме вычислялись суммы и произведения небольших чисел, представленных в таблице. Суть этого метода, как и метода, применявшегося на африканских рынках, заключалась в разложении чисел на разряды и неявном использовании свойства дистрибутивности, которое в те времена еще даже не имело названия. К примеру, чтобы умножить 285 на 43, между строками, где записывались числа, следовало оставить пустую строку для промежуточных расчетов. Следующие действия выполнялись в уме.

Суть метода заключалась в разложении 285 и 43 на сотни, десятки и единицы:

285·43 = (200 + 80 + 5)·(40 + 3) = 40·200 + 40·80 + 40·5 + 3·200 + 3·80 + 4·5 = 12 255.

Эта же доска использовалась для решения уравнений и систем уравнений. Кроме того, считается, что именно доска чоу стала прообразом записи чисел в столбцы.

Некоторые считают чоу предшественником абака, который был изобретен намного позже, примерно в XIV веке, и до сих пор используется во всем мире, особенно в странах Юго-Восточной Азии (в Сингапуре и Таиланде) и Восточной Азии (в Китае, Корее и Японии).

Абак представляет собой вытянутый прямоугольник, как правило, изготовленный из дерева, с поперечной перекладиной и множеством вертикально расположенных спиц, на которые насажены семь деревянных шариков. Два шарика расположены над поперечной перекладиной, оставшиеся пять — под ней. Число спиц составляет от восьми до 20 и более.

Учитывая, что на каждой спице с помощью шариков обозначаются единицы от 0 до 10 и каждая спица соответствует степени 10, на абаке с 20 спицами можно представлять очень большие числа — до 1020 — 1.

Бамбук или дерево, из которых можно было изготовить инструменты для счета, подобные чоу и абаку, были доступны не во всех странах. Как вы уже знаете, шумеры несколько тысяч лет назад использовали для представления цифр и чисел камешки.

В Америке индейцы майя применяли систему счисления, схожую с китайской, и обозначали числа камнями. Также майя ввели особый символ для нуля. Намного южнее на Американском континенте можно встретить еще один необычный инструмент для счета, весьма непохожий на чоу и абак. Однако, подобно чоу и абаку, этот инструмент имел небольшие размеры и потому был очень удобным в переноске.

Речь — о кипу инков, первых приспособлениях для передачи информации о числах.

Кипу

Кипу — это пучки веревок, с помощью которых инки фиксировали числа. Анализ сохранившихся экземпляров позволяет понять, как именно производились подсчеты.

Абак содержит деревянные костяшки, надетые на рейку или спицу; в кипу же числа обозначались узлами. Каждый узел соответствовал цифре или числу в зависимости от положения на веревке и цвета.

Инкское кипу.

Как правило, кипу изготавливались из шерсти или хлопка. В жизни инков веревки играли важную роль: они применялись при постройке мостов, уплате податей, а также выполняли много других функций. Считается, что кипу использовались для фиксирования данных о налогах и урожае (это немного напоминает современные бухгалтерские записи), но истинное значение кипу так до конца и не расшифровано.

В кипу свой смысл имел способ, которым были завязаны узлы, а также их цвет и расположение относительно других узлов и веревок. Вытянутое кипу представляло собой канат, с которого свисало множество веревок. Кипу «расчесывались», то есть веревки отделялись друг от друга, чтобы можно было увидеть, какие узлы на них завязаны, как выглядит кипу в целом, и попытаться разгадать его смысл.

Инки не имели письменности, и среди всех артефактов инкской культуры, дошедших до наших дней, именно кипу напоминают письменность больше всего. Возможно, некоторые кипу имели не только математический смысл, но описывали события из истории и общественной жизни.

Главная веревка кипу была толще остальных, на нее навязывались другие, более тонкие, а на них уже вязались узлы. На эти тонкие веревки, в свою очередь, могли навязываться веревки третьего, четвертого и следующих порядков, образуя древовидную структуру. Число веревок могло доходить до нескольких сотен или даже тысяч штук. Некоторые веревки второго порядка расходились в противоположные стороны от главной. Когда кипу раскладывалось на плоскости так, чтобы главная веревка проходила вдоль горизонтальной оси, одни веревки второго порядка указывали вверх, другие — вниз. Тонкие веревки навязывались на главную на определенном расстоянии, чтобы кипу было легче прочесть. Аналогичным образом на них навязывались веревки второго и последующих порядков. Веревки также различались по цветам, так что кипу могли быть раскрашены во множество цветов. Если узлы обычно обозначали цифры, то цвета могли указывать контекст и помогали различать товары или группы людей, к которым относились цифры.

В кипу использовалась десятичная позиционная система счисления, подобная нашей. Американский математик и исследователь-этноматематик Марсия Ашер изучила множество кипу и разделила их узлы на три группы: простые, сложные и «восьмерки». Простой узел — простейшая разновидность узла, известная всем. Сложный узел был продолжением простого: если в простом узле на веревке делалась одна петля, то в сложном — две и более. В узле-«восьмерке» делались две петли в противоположных направлениях. В эту классификацию следует включить еще одну разновидность узлов — пустой, или отсутствующий узел, который обозначал ноль.

Будем обозначать узлы точно так же, как и профессор Ашер: жирной точкой — простой узел, маленьким крестом — сложный. Вместо буквы Е (первой буквы английского слова eight — «восемь») будем обозначать узлы-«восьмерки» буквой О. Узлы на каждой веревке объединены в группы по интервалам. Каждому интервалу соответствует целая степень 10, отсчитываемая от конца веревки.

На концах веревок простые узлы не завязывались. В принципе, можно было использовать сложные узлы и узлы-«восьмерки», однако обозначать единицу сложным узлом не имело особого смысла. Поэтому единицы, которые отмечались на концах веревок, обозначались «восьмерками». Представим несколько чисел на воображаемой кипу, применив указанные выше обозначения.

Кипу были средством записи чисел в десятичной позиционной системе. Использовались ли они как инструмент вычислений, неизвестно.

Глава 3 Божественная математика

Азиатская архитектура

На протяжении тысячи лет Средневековья в Европе почти не наблюдалось никакого прогресса, и только итальянское Возрождение и великие географические открытия вывели континент из летаргического сна. Благодаря путешественникам европейцы узнали, что за пределами Европы лежит множество других земель с несметными богатствами. Там живут неизвестные народы со своей собственной культурой, верованиями, картиной жизни. Там растут неизвестные растения, ткут диковинные ткани, создают поразительные узоры и образцы архитектуры. А значит, мы можем сказать сегодня, во всех этих новых странах существовала и математическая мысль.

Основой азиатской архитектуры той эпохи был буддизм — не просто религия, а целая жизненная философия, основанная на четырех истинах: существует страдание; причина страдания — желание; чтобы прекратить страдания, следует избегать желания; чтобы избежать желания, нужно следовать Восьмеричному Пути.

Большая ступа в индийской деревне Санчи — это буддийское религиозное сооружение I века до н. э. Ступы строились в разных целях: изначально они представляли собой гробницы, а позднее превратились в хранилища реликвий, к примеру костей или фрагментов тела Будды. Устанавливали ступы на священных местах или в память о важных событиях, и паломники обходили их по часовой стрелке.

Большая ступа в Санчи имеет форму полусферы диаметром примерно 40 метров. Как и все подобные сооружения, она увенчана кубом с длиной стороны почти 6 метров, стоящим на приплюснутой вершине полусферы. Над кубом возведен свод, образованный тремя круглыми камнями, которые уменьшаются в размерах. Эти камни нанизаны на ось, проходящую через их центры.

Мы не знаем, как архитекторам удалось придать Большой ступе такую форму. По одной из гипотез, они начертили большой круг основания при помощи длинной веревки, равной его радиусу. И действительно ли купол ступы имеет форму полусферы, как нам кажется? Его стены в точке касания с землей должны располагаться перпендикулярно ей, но в случае с Большой ступой это правило не выполняется.

Как архитекторы построили куб на вершине купола, ведь для этого нужно было уметь строить прямые углы? Может быть, индийские архитекторы использовали метод древних египтян? В те времена уже было известно, что треугольник, длины сторон которого пропорциональны 3, 4 и 5, прямоугольный, и это свойство применяется в современной архитектуре при вычерчивании прямых углов на земле в самых разных частях света — в Аргентине, Испании и Швеции. Еще один практический способ построения прямых углов выглядит так: нужно построить равнобедренный треугольник и соединить вершину, в которой сходятся две равные стороны, с серединой основания. Построенный отрезок будет высотой треугольника. Этот метод аналогичен описанному в главе 1, в части о построении прямых углов в основаниях египетских пирамид.

Большая ступа в деревне Санчи в индийском штате Мадхья-Прадеш.

Так или иначе, ступы постепенно принимали все более сложную форму. Ступа Боднатх в Непале также имеет форму полусферы, но ее основание представляет собой мандалу. Мандалы — геометрические изображения, связанные с астрологией и состоящие из концентрических фигур. Они обычно имеют круглую или квадратную форму и образованы концентрическими неправильными многоугольниками, построенными на основе квадрата.

В отличие от Большой ступы в Санчи ступа Боднатх оканчивается ступенчатым пирамидальным сводом, который образован 13 квадратами, лежащими друг на друге. Каждый из этих 13 уровней обозначает очередной этап на пути к нирване.

Ступа Боднатх в Непале. Внизу — план здания.

Свод над кубом — характерная особенность ступ и схожих с ними сооружений — дагаб. Они могут иметь форму круга (как ступа в Санчи), пирамиды (как ступа Боднатх) или конуса (как дагаба в шри-ланкийском Анурадхапуре). Заметим, что все эти геометрические фигуры кверху сужаются.

Возможно, именно остроконечные вершины этих сооружений вдохновили строителей пагод, в которых круг уступает место квадрату и правильным многоугольникам. Многоэтажные пагоды появились в Непале, но такие же храмы строились в Китае и Японии. Большая пагода Диких гусей в китайском Сиане датируется VII веком и имеет семь этажей квадратной формы. Пагода в храме Фогонг в Инсяне датируется XI веком и также имеет семь этажей в форме восьмиугольников.

Архитектура храма Боробудур на острове Ява (Индонезия) объединяет в себе сразу три образа: храм одновременно представляет собой ступу, мандалу и копию священной горы Меру — обиталища богов. Таким образом, этот храм, построенный в IX веке, одновременно и буддийский, и индуистский. По форме он напоминает ступу, так как состоит из нескольких уровней, образующих полусферу. Но эта полусфера не имеет единой структуры, а состоит из нескольких элементов меньших размеров, расположенных на террасах. А по расположению террас храм Боробудур — это еще и мандала. Первая терраса до сих пор находится под землей. 10 уровней оканчиваются ступой в форме колокола, на которой установлена статуя Будды.

Ступы храма Боробудур на индонезийском острове Ява. Внизу — план храма.

Скульптурный комплекс, высеченный в цельной скале, представляет собой своеобразный архитектурный диалог кругов и квадратов. Единственный ритуал, который может совершить паломник, — это обойти храм по периметру основания, представляющего собой квадрат стороной около 100 метров.

Числа, описывающие элементы храма, связаны неожиданными соотношениями. Во-первых, Боробудур представляет собой не одну большую ступу — три его верхних уровня состоят из множества мелких ступ, расположенных на восходящих окружностях рядами в 32, 24 и 16 ступ. Венчает сооружение большая ступа.

На каждой ступе установлена статуя Будды, а помимо них в храме можно увидеть еще 304 изображения основателя буддизма.

Барельефы на стенах располагаются рядами в 120, 128 и 72 изображения, всего их в храме 2700. Если с точки зрения геометрии центром диалога являются круг и квадрат, то с точки зрения арифметики главную роль в описании храма играют числа 2, 3, 5 и 7, которые служат основаниями или показателями степеней:

120 = 23·3·5

128 = 27

72 = 23·32

504 = 23·32·7.

Некоторые из этих чисел также можно выразить в виде произведения последовательных натуральных чисел:

120 = 4·5·6

72 = 8·9

504 = 7·8·9.

Также в храме Боробудур можно заметить, что некоторые круги делятся на 16, 24 и 32 равные части. Если построить квадрат, вписанный в круг, и провести его диагонали либо серединные перпендикуляры, то круг окажется разделен на четыре равные части. Серединные перпендикуляры и диагонали разделят круг на восемь равных частей. Быть может, архитекторы при расположении архитектурных элементов храма руководствовались именно этими линиями? В таком случае достаточно провести биссектрисы углов, пусть даже примерно, чтобы разделить круг на 16 частей, после чего повторить построение еще раз и разделить круг на 32 части.

Деление квадрата и круга на 2, 4 и 8 равных частей.

Чтобы разделить круг на 24 равные части, нужно разделить его на три либо на кратное трем число частей, к примеру на 6 или 12. Существует простой метод деления круга на 12 частей. Суть его такова. Сначала нужно построить круг, вписанный в квадрат. Для этого можно сначала провести окружность, а затем — четыре перпендикулярные касательные, которые и образуют квадрат. Далее стороны квадрата делятся на четыре равные части, и строится сетка. Наконец, каждая точка пересечения сетки с окружностью соединяется с диаметрально противоположной точкой. В результате круг оказывается разделен на 12 одинаковых секторов. Теперь, чтобы разделить круг на 24 равные части, достаточно провести биссектрисы в каждом секторе.

Деление круга на 12 равных частей.

Но эта модель возможна лишь при построениях на бумаге, а чтобы расположить 24 ступы среднего уровня храма Боробудур на одинаковом расстоянии друг от друга, архитектор мог измерить длину окружности и разделить ее на 24 равные части, то есть он работал с линией, а не с кругом.

Храм Ангкор-Ват в Камбодже, датируемый XII веком, — величайшее достижение кхмерской культуры и один из крупнейших храмов мира. Он расположен в нескольких километрах к северу от города Сиемреап. Ангкор-Ват в переводе означает «храм столицы». Основную роль в схеме сооружения играют квадраты и прямоугольники. Изначально храм должен был стать гробницей короля Сурьявармана II и местом поклонения индуистскому богу Вишну, хотя считается, что размеры, расположение, форма и скульптуры храма носят космологический смысл.

Ангкор-Ват сохранился до наших дней только потому, что был возведен из камня. Другие храмы и первые пагоды, построенные из дерева, со временем полностью исчезли в джунглях. Прямоугольная изгородь вокруг основного сооружения Ангкор-Вата представляет собой прямоугольник длиной 341 метр и шириной 270 метров.

Храм Ангкор-Ват в Камбодже. Внизу — план храма.

План храма Ангкор-Ват (Камбоджа).

Так как храм должен был стать прежде всего гробницей, он, как и подавляющее большинство подобных сооружений, обращен на запад. В его архитектуре воплощена индуистская космология, в которой в центре концентрических континентов, окруженных морем, находится гора Меру. Если войти в храм 21 июня, то можно увидеть, что центральная башня указывает путь, который Солнце проходит на небе.

Именно этот день древние индийцы считали первым днем года. Расстояние от входа в храм до центрального алтаря составляет 1728 хат (кхмерская единица измерения), что соответствует продолжительности первого золотого века Вселенной в индийской космологии — 1728 лет. Храм Ангкор-Ват донес до наших времен всю кхмерскую мудрость той эпохи. Он не только украшен искусными барельефами, но и служит великолепным воплощением различных математических понятий: мы видим в нем узоры, симметрию, параллельные и перпендикулярные линии, прямоугольники и квадраты, меры и числа.

Из Индии буддизм распространился по всей Азии, и в VI веке через Китай попал в Японию, где в то время уже существовал синтоизм — местная религия, в которой обожествлялись явления природы. Буддизм настолько гармонично дополнил систему верований японцев, что большинство из них исповедуют синтоизм и буддизм одновременно. Если в синтоизме рассматриваются скорее приземленные, практические вопросы (урожай, домашнее хозяйство, успешный труд), то буддизм посвящен более трансцендентным ритуалам, к примеру похоронным.

В большинстве областей Японии можно увидеть и синтоистские святилища, и буддийские храмы — их нетрудно отличить друг от друга по входной группе. Вход в синтоистский храм называется тории и представляет собой сооружение из двух вертикальных колонн, соединенных сверху двумя перекладинами. Тории традиционно изготавливаются из дерева и обычно окрашиваются в ярко-красный цвет.

Вход в синтоистское святилище Фусими Инари в Киото.

Чем больше размеры тории, тем сложнее их внешний вид. Так, тории у входа в святилище Ицукусима на небольшом одноименном острове представляют собой три вертикальные плоскости, одна из которых располагается перпендикулярно двум другим, параллельным между собой. Если дополнить эти плоскости горизонталью моря π, куда погружена нижняя часть тории, то общая структура будет состоять из четырех плоскостей π1, π2, π3 и π, связанных следующими отношениями параллельности и перпендикулярности:

Эта структура состоит из 12 огромных деревянных столбов.

Большие тории святилища Ицукусима.

Чтобы попасть в комплекс синтоистских святилищ Фусими Инари в окрестностях Киото, нужно преодолеть свыше тысячи тории, расположенных на четырехкилометровой тропе, проложенной по холму. На некоторых участках тории отстоят друг от друга всего на несколько миллиметров. Эта череда ворот-плоскостей создает трехмерное пространство, призму из криволинейных, но параллельных друг другу стен, которая тянется вдоль холма к его вершине. Призма заканчивается, достигая предела — главного святилища.

Архитектура аборигенов Нового Света

Культура ацтеков зародилась в Северной Америке в I–VI веках нашей эры. Город Теотиуакан, церемониальный центр ацтеков, был построен согласно плану, описывавшему различные астрономические явления, и представлял собой модель небесной сферы. Центральная улица соединяла огромные ступенчатые пирамиды, на верши которых располагались храмы, где совершались человеческие жертвоприношения. Чтобы попасть в них, нужно было подняться по длинным лестницам.

Пирамиды ацтеков имели квадратное основание и состояли из четырех уровней. Крупнейшая и древнейшая пирамида указывала ось, вдоль которой садилось Солнце в день летнего солнцестояния. Она имела сторону основания длиной около 213 м и была более 60 м в высоту. Эта пирамида — единственная в Теотиуакане, имеющая наклонные грани, во всех остальных пирамидах грани уровней расположены вертикально.

Индейцы майя жили в одно время с ацтеками, но артефакты их культуры сохранились лучше. Как и ацтеки, майя сообразовывали архитектуру своих зданий с астрономическими наблюдениями. Они первыми в Америке открыли метод построения куполов. Пирамиды майя также имели ступенчатую форму и достигали 70 м в высоту. Однако их основания не имели форму идеальных квадратов. Пирамида Кукулькана в Чичен-Ице, известная как «замок», имеет квадратное основание и девять ступенчатых уровней, которые оканчиваются храмом в форме куба. К храму ведут четыре лестницы из 91 ступеньки, по одной лестнице на каждой грани пирамиды. Любопытно, что 4·91 = 364. Это почти равно числу дней в году, поэтому некоторые усматривают в лестницах пирамиды модель календаря.

Прибыв в Перу около 1300 года, конкистадоры обнаружили огромную империю инков, простиравшуюся вдоль всей горной цепи Анд. Их технологии были самыми совершенными во всей Мезоамерике — возможно, потому, что инки больше других народов уделяли внимание практическим вопросам. Уже в X веке им были известны методы изготовления тканей и выплавки золота и меди, оросительные системы и террасное земледелие.

В XIII веке столицей государства инков был город Куско, располагавшийся на «царском пути в горах» — окруженной стенами дороге длиной 6 тысяч километров, которая соединяла города империи. Увидев эту дорогу, испанцы не могли сдержать восхищения. Сооружения инков строились из огромных каменных блоков, уложенных с точностью до миллиметра.

Инки не испытывали особого пристрастия к прямым углам — так, окна и дверные проемы в их жилищах имели трапециевидную форму. Каменная кладка стен также не образовывала сетку из прямых углов, скорее наоборот — в ней можно увидеть самые разные углы, а каменная кладка выполнена столь искусно, что стала символом культуры инков. Для нее характерна удивительная параллельность линий: каждая грань каждого камня так точно стыкуется с соседней, словно мастер шлифовал их друг о друга до тех пор, пока они не стали идеально совпадать. Грани и ребра каменных блоков, невидимые для нас, параллельны, что, по всей видимости, было результатом искусной работы мастеров.

Инкская каменная кладка в Куско (Перу).

Исламская архитектура

Большая мечеть в Самарре (Ирак) была построена в IX веке и на протяжении столетий оставалась крупнейшей в мире. Сегодня от нее сохранились лишь остатки прямоугольной изгороди, стен мечети и впечатляющий минарет спиралевидной формы высотой 50 м. Изгородь мечети, как и других сооружений того времени, была построена так, что соотношение ее сторон составляло 3:2. Снаружи вдоль стен располагались 44 контрфорса в виде цилиндрических колонн. Колонны, расположенные вдоль боковых сторон, имели полукруглые основания, четыре угловые колонны — основания в форме трех четвертей круга.

В этой мечети мы находим те же геометрические элементы, что и в других храмах, — это прямоугольники, квадратное основание минарета, параллельные и перпендикулярные линии, вдоль которых располагаются колонны внутреннего двора.

Однако в мечети в Самарре круг и квадрат сочетаются, образуя спираль.

Спираль как символ встречалась уже в буддийских ступах (см. иллюстрацию в начале этой главы), однако минарет мечети в Самарре представляет собой спираль, устремленную в небо. Чтобы подняться на его вершину, нужно семь раз обойти вокруг центральной оси по винтовой лестнице. Угол наклона лестницы не постоянен — предпоследний виток наклонен сильнее прочих. Сама лестница представляет собой не цилиндр, а конус, и сходится к вершине.

План мечети в Самарре (Ирак).

Подняться на минарет непросто: на винтовой лестнице нет перил, идти по внешней части ступеней опасно, и у некоторых может закружиться голова. Подниматься ближе к центру лестницы безопаснее, и в этом случае становится заметной любопытная особенность всех винтовых лестниц: в отличие от обычных ступеней, имеющих постоянный наклон независимо от того, по какой их стороне мы идем, наклон винтовых лестниц меняется, хотя все их ступени одинаковы. Связано это с тем, что ступени винтовой лестницы во внешней части шире. Каждая ступенька отстоит от предыдущей на одинаковую высоту (расстояние по вертикали), однако расстояние между соседними ступеньками по горизонтали во внешней части увеличивается. При этом отношение расстояний по вертикали и по горизонтали уменьшается, и наклон становится меньше, но длина пройденного пути возрастает. Таким образом, если подниматься по внутренней части винтовой лестницы, путь будет короче, но тяжелее, а если пойти по внешней части, путь окажется длиннее, но потребует меньше усилий.

Священные подношения

До сих пор мы говорили о математических идеях, имеющих отношение к культовым сооружениям. Далее мы рассмотрим вопрос, крайне важный во всех религиях, — вопрос жертвоприношений. Все верующие обращаются к своему богу или богам в молитвах и в большинстве регионов совершают подношения — пищу или подарки, чтобы утихомирить гнев божества, успокоить демонов или злых духов или попросить об удаче в делах.

Если и есть в мире место, где вся жизнь вращается вокруг религии, так это индонезийский остров Бали. В то время как в остальной Индонезии преобладает ислам, жители Бали унаследовали от индийцев индуизм. На острове повсеместно расположены бесчисленные храмы и алтари самых разных размеров. Здесь не найдется ни одного дома, где не было бы алтаря. Алтари и храмы строятся на святых местах и в потенциально опасных участках, к примеру на пересечениях дорог или автомагистралей.

День жителя Бали начинается с сесажена. Это непродолжительный ритуал, который, как правило, выполняют женщины три раза в день перед едой. Они произносят молитву и ставят на пол рядом с домашним алтарем, у входа в дом или на перекрестке подношения — еду, приготовленную накануне. Эти подношения называются «чана» и представляют собой крошечные порции вареного риса, немного мяса, печенье, цветы, благовония и святую воду. На этот импровизированный банкет, пользуясь случаем, всегда слетаются птицы.

* * *

ДЕНЬГИ И МАТЕМАТИКА

Банкноты всех стран имеют одно общее свойство: они должны быть очень хорошо защищены от подделки. Для этого в бумагу внедряются металлические элементы, на которых могут быть записаны идентификационные коды. На катарской банкноте в 1 динар можно увидеть цепочки сплетенных друг с другом многоугольных узлов, обладающие симметрией восьмого порядка, и парусник, воспроизведенный в двух местах с сохранением всех пропорций. Симметрией обладают арки, изображенные на банкноте, и их опоры, волны и сабли, на которые они опираются, а неправильный шестиугольник белого цвета, изображенный на денежной купюре, получается отсечением углов квадрата.

На монетах Брунея изображены спиралевидные узоры, типичные для народов, живущих в джунглях Борнео. Первое, с чем мы сталкиваемся за границей, — это местная математика, зафиксированная на монетах и банкнотах страны.

Аверс катарской банкноты в 1 динар и брунейская монета в 10 сен.

* * *

Подношение божеству следует совершать со всем старанием. Боги заслуживают уважения, и оно должно проявляться не только в общении с ними, но и в том, как и в какой посуде подносятся дары. Емкости для подношений изготавливаются из нежных листьев банана и коксовых пальм, которым заранее придаются определенная форма и размеры.

Чана в ритуале сесажен на острове Бали (Индонезия).

Эти емкости могут иметь самые разные формы — наиболее популярные вы можете видеть на фотографии. Эти формы появились не случайно. Каждый день женщины всех возрастов складывают и сплетают из листьев коробочки и конверты для даров. Но как женщинам удается складывать коробочки квадратной формы и сворачивать конверты с заданным углом?

К счастью, нам не нужно высказывать гипотезы и делать предположения — мы располагаем информацией из первых рук. Чуть дальше вы сами увидите, как именно женщины с острова Бали складывают эту квадратную посуду.

Сначала они нарезают нежные листья кокосовой пальмы на полоски одинаковой ширины вдоль волокон. Приняв за единицу измерения расстояние от конца указательного пальца до большого пальца, они делают на листе четыре пометки. Затем лист складывается так, чтобы последняя метка совпала с первой. Несколько листов банана, нарезанных на полоски того же размера, складываются в большой лист, который вставляется внутрь четырехугольного листа кокосовой пальмы. Посуда готова.

1. Мерка.

2. Полоски листьев кокосовой пальмы с четырьмя отметками.

3. Листья сгибаются.

4. Полоска бананового листа длиной в одну единицу.

5. Несколько полосок банановых листьев складываются и образуют дно посуды.

6. Дно укладывается в посуду. Посуда готова.

Женщины знают, что посуда имеет квадратную форму: во-первых, это очевидно, во-вторых, посуда сложена из четырех равных частей, что, однако, обеспечивает равенство всех четырех сторон, но не равенство углов. Если быть точным, то посуда имеет форму ромба, а квадрат получается только после вставки банановых листьев.

Так как полоски банановых листьев по длине равны стороне квадрата, высота ромба становится равной его стороне, и он принимает форму квадрата. Из бесконечного множества всех возможных ромбов (четырехугольников с равными сторонами) только один является квадратом и, более того, имеет наибольшую площадь.

Описанный выше метод сам по себе не гарантирует правильность решения. Однако женщина, складывая посуду, применяет на практике следующую теорему: ромб, высота которого равна его стороне, — квадрат.

Доказать эту теорему несложно. Высота определяет прямоугольный треугольник, в котором угол, противолежащий высоте, будет углом ромба. Так как катет этого прямоугольного треугольника (высота ромба) равен его гипотенузе (стороне ромба), длина второго катета равна нулю. Высота и сторона ромба параллельны.

Следовательно, две стороны, сходящиеся в вершине, перпендикулярны — это отличительное свойство квадрата.

Из таких же полосок меньших размеров, подготовленных должным образом, изготавливается множество узоров, которые прилагаются к подношениям. Они также образованы из геометрических фигур, а некоторые из них напоминают цветы и складываются посредством сгибов и поворотов полосок на одинаковые углы.

На рисунках ниже показан процесс изготовления посуды из прямоугольника, вырезанного из бананового листа. Длина этого прямоугольника должна быть примерно в два раза больше его ширины. На нем отмечаются центр и серединный перпендикуляр, после чего прямоугольник складывается так, что его нижние углы накладываются друг на друга. В результате верхняя сторона приобретает форму кривой и образуется «карман», куда и складываются подношения.

Серединный перпендикуляр, отмеченный на прямоугольном банановом листе формата 2:1.

Первый сгиб вдоль диагонали прямоугольника.

После второго сгиба вдоль диагонали получается конверт, куда вкладываются подношения.

Иными словами, нужно согнуть прямоугольник вдоль нижних частей двух диагоналей, как показано на рисунке ниже. Так как в полученном прямоугольном треугольнике один катет в два раза длиннее другого, тангенс угла сгиба будет в два раза больше соотношения между катетами.

Однако описанный способ далеко не единственный, и в зависимости от местных обычаев или способностей мастера посуда может принимать самую разную форму. Кроме того, подобным образом складывается не только посуда, но и декоративные украшения, например спираль из тонких волокон листьев. Четыре сплетенных волокна, которые образуют спираль, изображенную на фотографии, имеют ширину 3 мм.

Ее витки направлены вокруг оси. Спираль опирается на ось только в начальной и конечной точке. Углы при вершинах спирали почти прямые и образуются скручиванием волокна на пол-оборота до сгиба. Волокна листьев переплетены, как показано на следующей схеме. Угол а определяет угол между двумя последовательными вершинами (он равен 180° — α) и число секторов на каждом обороте спирали.

Будем повторять аналогичные действия, и поверхность примет следующий вид.

Плетеная спираль, вид сверху.

В Японии верующие вешают у входов в синтоистские святилища и алтари деревянные таблички, на которых записывают свои пожелания и просьбы. Студенты просят об успешной сдаче экзамена, семьи и супружеские пары — о счастливом браке, а коммерсанты — об удаче в делах.

В XVII–XVIII веках в Японии можно было видеть удивительный математический феномен: на алтарях вешались сайгаку — большие деревянные таблички с математическими задачами, как правило по геометрии. Одни из них были простыми, другие, напротив, очень сложными. Эти задачи придумывали и решали монахи, самураи и представители других социальных групп. Древнейшая сайгаку датирована 1691 годом и хранится на алтаре Гион в городе Киото. Последняя сайгаку была найдена в 2005 году в алтаре Убара в городе Тояма и датируется 1879 годом.

Хотя задачи сайгаку решаются по большей части евклидовыми методами, сами эти таблички как разновидность неакадемической математической деятельности, связанная с культурной традицией, подтверждают важность культурного контекста, в котором сплавляются воедино математика и творчество. При этом сама творческая деятельность, то есть формулировка задач и поиск решений, носит ярко выраженный этноматематический характер.

Таблички у входа в храм Хида Кокубундзи в Такаяме.

Чаще всего в сайгаку речь идет о вписанных геометрических фигурах. К примеру, требуется определить отношение радиусов трех окружностей, касающихся друг друга и вписанных в еще одну, большую окружность; определить размеры квадратов, вписанных в равносторонний треугольник; вписать ряд окружностей в эллипс или ряд сфер в большую сферу.

В 1781 году Фудзита Садасуке написал книгу «Математика в деталях» и помог своему сыну Каджену подготовить первую книгу, посвященную сайгаку. Она получила название «Священная математика» и была опубликована в 1789 году. В книге Фудзиты Садасуке приведен простой вариант задачи, где нужно найти расстояние между двумя точками, в которых окружности, касающиеся друг друга, касаются прямой.

Обозначив радиусы окружностей через R и r, искомое расстояние — через d и применив теорему Пифагора, имеем:

(R — r)2 + d2 = (R + r)2 => d = √(R·r)

Интерес вызывает не задача сама по себе, а ее связь с пифагоровыми тройками.

Тройка целых чисел называется пифагоровой, если эти числа удовлетворяют теореме Пифагора, то есть квадрат одного из них равен сумме квадратов двух других. К примеру, пифагоровыми являются тройки (3, 4, 3), (6, 8, 10), (5, 12, 13) и (119, 120, 169). Пифагорова тройка называется примитивной, если два меньших числа в ней взаимно простые. Примитивными являются тройки (3, 4, 3), (5, 12, 13) и (119, 120, 169), но не (6, 8, 10), так как 6 и 8 — четные числа.

В еще одной задаче из книги Садасуке требуется доказать, что тройка чисел (а, b, с) пифагорова, если p и q одновременно не являются нечетными и удовлетворяют следующим соотношениям:

а = 2pq

b = p2 — q2

c = p2 + q2.

Значение а очень похоже на ответ к предыдущей геометрической задаче. Чтобы значение а было ответом к предыдущей задаче, необходимо, чтобы квадратные корни радиусов R и r были целыми числами. Допустим, что это в самом деле так: R = р2, r = q2. Предположим, что разность R — r равна другому целому числу, s.

Тогда следующая тройка чисел будет примитивной пифагоровой тройкой:

2pq = d

р2 — q2 = R — r

p2 + q2 = R + r.

Таким образом, алгебраическая задача о пифагоровых тройках эквивалентна геометрической. По всей видимости, таков традиционный японский метод определения примитивных пифагоровых троек. Наконец, еще в одной задаче требуется найти все примитивные пифагоровы тройки для радиуса r <= 41. Решения этой задачи таковы:

(3, 4, 5), (5, 12, 13), (8, 15, 17), (7, 24, 25), (12, 35, 37), (20, 21, 29), (9, 40, 41).

Если мы построим между двумя описанными выше окружностями еще одну, то получим интересную задачу — она приводится в сайгаку 1873 года, подвешенной на алтаре Катаямахико в префектуре Окаяма. Каким отношением связаны радиусы трех окружностей, касающихся друг друга и прямой, на которую они опираются?

И вновь к решению нас приведет теорема Пифагора. Пусть радиусы окружностей удовлетворяют соотношению r1 > r2 > r3 которое мы узнаем, применив теорему Пифагора. Для этого выделим треугольник, образованный вершинами окружностей и радиусами, которые проведены к общей касательной к окружностям.

Мы получим новые прямоугольные треугольники, в которых можно применить теорему Пифагора. Обозначив через d1 и d2 основания прямоугольных треугольников с гипотенузами r1 + r3 и r2 + r3 получим:

(r1+ r2)2 = (r1 — r2)2 + (d1 + d2)2

(r1+ r3)2 = (r1 — r3)2 + d12

(r2 + r3)2 = d22 + (r2 — r3)2

Выразив d1 и d2 из второго и третьего равенства и подставив полученные выражения в первое равенство, имеем:

Полученное соотношение является двойственным к теореме Пифагора, что можно заметить, записав квадратные корни как степени с дробным показателем:

Как найти значения трех радиусов, удовлетворяющих этому соотношению?

Имеет ли задача тройки целых или рациональных решений? Если мы рассмотрим числа, обратные квадратам натуральных чисел, то получим окружности, обладающие следующими свойствами:

Они будут иметь вид, представленный на рисунке.

Божественные розы

Соприкасающиеся окружности стали источником вдохновения не только для средневековых японских монахов и самураев, но и для архитекторов европейских готических соборов. Эта композиция, в которой главная роль отведена кругу, представляет собой символ христианства той эпохи. Важнейший элемент художественной выразительности в готике — роза и различные решетки. Их узоры представляют собой огромный круг диаметром несколько метров, в который вписаны другие круги и ряды окружностей. В большинстве случаев все эти фигуры соприкасаются между собой, а также касаются большого круга. Роза в церкви Санта-Мария-дель-Пи в Барселоне составлена из кругов, куда вписаны четыре соприкасающихся круга, которые также касаются круга, описанного вокруг них.

Фрагмент розы в церкви Санта-Мария-дель-Пи в Барселоне.

Все элементы этих геометрических роз имеют свое символическое значение. Оригинальные рисунки и витражи соборов на протяжении веков не раз реставрировались, и лучше всего дух оригинала удалось сохранить в Шартрском соборе и соборе Парижской Богоматери. Женское начало традиционно связывается с ночью, Луной, прошлым и оттенками синего цвета. В Шартрском соборе женское начало представлено в розе на северном фасаде, в центре которой изображена дева Мария. Мужское начало, напротив, связывается с южной стороной, Солнцем, настоящим, желтым и красным оттенками. Именно поэтому изображение Христа в Царствии Небесном расположено в центре розы на южном фасаде собора.

Геометрия также составляет основу символических изображений персонажей.

Подобие форм или пропорции указывают на связи между деталями изображений, в которых каждый элемент играет свою роль. Не случайно и то, что розы делятся на 6, 8, 12, 16 или 24 круговых сектора или же представляют собой последовательность концентрических окружностей.

В испанском городе Сабадель в провинции Барселона есть мастерская, которая занимается исключительно витражами в свинце. Сначала мастера выполняют рисунок на бумаге в масштабе 1:10, а затем изготавливают витраж в натуральную величину. Раньше переход от чертежей к витражам выполнялся на глаз и при помощи пантографа, но сегодня в этом процессе используются новые технологии. Проектор позволяет воспроизвести выполненные на бумаге непрозрачные фигуры в натуральную величину на другой плоской поверхности.

Чтобы придать витражам желаемую форму, между соседними стеклами нужно оставлять зазор в 1,2 мм. Вместо того чтобы проводить линию с нужным зазором параллельно контурам фигуры, мастера используют ножницы с тройным лезвием, и необходимый зазор получается автоматически.

Ножницы с тройным лезвием обеспечивают нужный зазор постоянной ширины в 1,2 мм.

Два элемента рисунка соединяются с нужным зазором в 1,2 мм.

Перенос кривых также осуществляется автоматически с помощью гибкого лекала — резиновой полоски с металлическим сердечником, сохраняющей придаваемую ей форму. Гибкое лекало позволяет легко преобразовать дуги окружностей объемных фигур в отрезки той же длины на плоскости.

Гибкое лекало сохраняет придаваемую ему форму.

Еще одна геометрическая задача, с которой сталкиваются витражисты, заключается в воспроизведении пропорциональных кривых. Эта задача решается при помощи циркуля, как показано на следующей странице. Кривые пропорциональны, если заключенный между ними отрезок перпендикуляра, пересекающего обе кривые, имеет постоянную длину.

Циркуль указывает расстояние между двумя соответствующими точками пропорциональных кривых.

Циркуль указывает такое же расстояние между двумя другими точками пропорциональных кривых.

Обход кривых, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, при помощи циркуля.

Пропорциональны ли две параллельные кривые? Параллельны ли две пропорциональные кривые?

В случае с ломаными линиями понятия параллельности и пропорциональности эквивалентны, так как любая ломаная есть часть многоугольника, а стороны подобных многоугольников параллельны. Это же верно и для дуг окружности. В таких случаях мысленное представление параллельных и пропорциональных кривых одинаково. Впрочем, если мы рассмотрим предельный случай, то заметим, что интуитивные представления о параллелизме и пропорциональности отличаются. К примеру, две следующие кривые параллельны в том смысле, что перпендикуляр, проведенный к первой из них в любой ее точке, будет перпендикуляром и ко второй, а часть этого перпендикуляра, заключенная между кривыми, всегда будет иметь одинаковую длину — иными словами, эти кривые располагаются на одинаковом расстоянии друг от друга. Но ни одна из них не является уменьшенной или увеличенной копией другой, как в случае с пропорциональными кривыми.

Кривая, параллельная данной, не сохраняет углы исходной кривой.

На следующем рисунке можно четко увидеть, чем отличается исходная кривая или ломаная от линии, параллельной ей и расположенной на определенном расстоянии. Существуют две траектории, или кривые, параллельные углу прямоугольника, — внешняя и внутренняя. На внешней траектории угол исчезает, на внутренней образуется петля.

Внутренняя и внешняя параллели углу прямоугольника.

Продолжение описанной выше задачи можно увидеть в решетке церкви Сан-Феликс в городе Сабадель: в каждую из четырех внутренних окружностей вписано еще по четыре окружности.

Фрагмент розы в церкви Сан-Феликс в городе Сабадель в провинции Барселона.

Вы видите окружность, в которую вписаны четыре окружности меньшего размера, касающиеся друг друга. Их центры определяют квадрат. В каждую из четырех окружностей вписано еще четыре окружности по такой же схеме. Если мы продолжим неограниченно вписывать окружности по этому правилу, получим последовательность. Общее число окружностей в этой последовательности, С(n), будет определяться как сумма степеней 4:

C(n) = 1 + 4 + 42 + 43 +… + 4n = (4n+1- 1)/3

Однако мастеров интересовало не столько число окружностей, сколько соотношение между их радиусами. Если мы обозначим через R радиус большой окружности, то радиусы r четырех вписанных в нее окружностей будут равны:

2R = 2r + 2r√2 = > r = R/(1 + √2)

Подобная задача приведена в последней из обнаруженных на сегодняшний день сайгаку (мы уже говорили, что эта табличка была найдена в городе Тояма в 2005 году). Задача заключается в том, чтобы определить соотношение между r — радиусами восьми окружностей, расположенных в форме кольца и вписанных в другую, большую окружность, и R — радиусом большой окружности. В обобщенном варианте задачи требуется найти соотношение радиусов в случае, когда в большую окружность вписано не четыре и не восемь, а n окружностей, расположенных в форме кольца. Применив методы тригонометрии, получим решение:

Как видите, в Средние века математическая мысль существовала не только в Старом Свете. Архитектурные стили в самых разных частях мира строятся на диалоге круга и квадрата, поскольку эти геометрические фигуры играют главную роль во всех культовых сооружениях. На основе круга и (или) квадрата, параллельных и перпендикулярных прямых построены египетские пирамиды, вавилонские зиккураты, храмы, мавзолеи и другие религиозные сооружения.

Также на основе квадратов и кругов создаются самые разные трехмерные фигуры — полусферы буддийских ступ в Индии и Непале, увенчанные кубами, ступенчатые пирамиды доколумбовой Америки и даже спираль, устремленная в небо, в исламских мечетях Ближнего Востока.

Способ выражения верований — важнейшая часть культуры. Архитектура придает отношениям человека с богами осязаемую форму, и в религиозной архитектуре особую роль играет математика. В некоторых культурах математика также определяет обряды для верующих всех социальных групп. Например, на острове Бали женщины каждый день изготавливают емкости для подношений богам в форме различных геометрических фигур. При этом островитяне на практике воплощают математические идеи, воспринятые от родителей. Это знания, передаваемые из поколения в поколение, не связаны с формальной академической средой.

Человек, уважающий богов, не действует наобум. Он со всем тщанием подходит и к строительству храмов, и к посуде для подношений — если есть в жизни место совершенству, то именно в сфере религии. В свете всего вышесказанного можно утверждать, что совершенство во всех культурах связывается с геометрией, а математические идеи, созданные в разных культурах и описывающие эту взаимосвязь, объединяются понятием «этноматематика».

Глава 4 Как геометрия делает красивое прекрасным

Нельзя сказать, что использование геометрии само по себе делает вещи красивее. Но в названии этой главы мы хотим подчеркнуть, что во всех культурах высоко ценились качественно сделанные вещи, а качество во многих случаях достигалось именно благодаря математической точности. Именно в этом смысле Эрнст Гомбрих говорит о роли геометрии в искусстве в своей книге «Чувство порядка», посвященной декоративно-прикладному творчеству.

Действуйте геометрически

Аэропорты всего мира за несколько лет превратились в настоящие торговые центры. В них можно найти буквально все: киоски, аптеки, бары, рестораны, магазины часов, одежды, подарков и электроники. Пассажирам, ожидающим вылета, доступны самые разные товары.

Но магазинами дело не ограничивается: в некоторых аэропортах, в частности в сингапурском аэропорте Чанги, пассажиры могут посетить бесплатные выставки.

В одном из вестибюлей аэропорта были установлены панели экспозиции под названием «Go Geometric» («Действуйте геометрически»). В выставке подчеркивалась связь культуры и геометрии. Кроме того, посетителям предлагалось самим создать или воссоздать геометрические узоры, которые можно встретить в образцах архитектуры и декоративно-прикладного искусства народов Азии.

Выставка «Go Geometric» в сингапурском аэропорту Чанги.

На одном из стендов можно было напечатать на бумаге марку с особым узором — бесконечным узлом, одним из символов Будды. Этот узел так назван, потому что представляет собой линию, которую можно провести, не отрывая карандаша от бумаги. Обычно он используется в украшении самых разных предметов — так, его упрощенная версия украшает тарелку, изображенную на иллюстрации.

Стенд выставки в аэропорту Чанги и описи бесконечного узла на бумаге.

Почему этот узел называется бесконечным? Очевидно, потому, что он представляет собой циклическую линию. Если мы пройдем вдоль нее, начиная из любого места, то в конце концов вернемся в начальную точку. Эта линия непрерывная и замкнутая. Форма узла определяется сеткой, на которой он изображен, и расположением самой линии узла относительно сетки.

Две фигуры называются топологически эквивалентными, если одну из них можно получить из другой путем непрерывной деформации (без разрезов), и число отверстий в фигуре при этом не меняется. Так, топологически эквивалентны кольцо и рама картины. Аналогично, топологически эквивалентными являются бесконечный узел, изображенный выше, и следующая фигура. Кроме того, обе эти фигуры обладают осевой симметрией второго порядка (относительно поворота на 180°).

* * *

ТОПОЛОГИЯ

Топология — раздел математики, изучающий формы, но не размеры, то есть не длины, углы, площади или объемы. С точки зрения топологии все объекты мягкие и деформируемые. Если путем непрерывной деформации, то есть без разрезов и склеек, двум объектам можно придать одинаковую форму, такие объекты называются топологически эквивалентными. К примеру, все многоугольники топологически эквивалентны кругу. Это же можно сказать о многогранниках и сфере. Топологически эквивалентными также являются футболка и лист бумаги с четырьмя отверстиями. В топологии определяющим свойством фигуры является число ее отверстий. Кольцо топологически эквивалентно чашке, так как и кольцо, и чашка имеют одинаковое число отверстий, в отличие от стакана, в котором отверстий нет. Точно так же эквивалентными будут ложка и вилка, так как в них нет отверстий.

Цилиндр и кольцо топологически эквивалентны.

* * *

Цикл, обладающий осевой симметрией второго порядка, проходит через три вершины сетки на каждой стороне квадрата. Это же верно и в случае, когда на каждой стороне находится всего одна вершина.

Если число вершин сетки на каждой стороне квадрата четное, имеем другую разновидность цикла, с осевой симметрией четвертого порядка (относительно поворота на 90°).

За исключением случая, когда на каждой стороне располагается всего одна вершина, различные циклы такого типа (обладающие осевой симметрией четвертого порядка) можно определить для любого числа вершин на стороне квадрата, как четного, так и нечетного. Для сетки размером 4 x 4 это будут две вершины, для сетки размером 7 x 7 — три.

Если число вершин сетки на каждой стороне квадрата четное (сетка состоит из нечетного числа клеток), то не существует цикла, проходящего через все вершины и подобного исходному узлу.

Чтобы получить бесконечный узел, проходящий через все вершины сетки, нужно, чтобы число вершин на каждой стороне квадрата было нечетным, или, что аналогично, число клеток сетки — четным.

Теорема 1: Если сетка состоит из четного числа клеток, полученный узел будет бесконечным, подобно исходному, и будет обладать осевой симметрией второго порядка (относительно поворота на 180°).

Теорема 2: Для любого числа клеток сетки n2  при n = 2·k или n = 2·k + 1 определимы k циклов с осевой симметрией четвертого порядка.

Ранее мы показали, что в сетке из 49 клеток (n = 7 = 2·3 + 1) можно определить три цикла, обладающих осевой симметрией четвертого порядка. В сетке из 16 клеток (16 = (2·2)2) можно определить два таких цикла.

Вариации на тему симметрии

Геометрические узоры встречаются повсеместно и практически у всех народов. Первые геометрические петроглифы появились еще в древнейшие времена — их примеры найдены в пещере Бломбос (ЮАР) или в Раскрашенной пещере на Канарских островах (Испания). Узоры, созданные еще до нашей эры в Древнем Египте, Древней Греции и Византии, имеют более формальный характер. Уже в нашу эру римляне использовали геометрические узоры в мозаиках (расцвет этого вида искусства наблюдался в Венеции до начала эпохи Возрождения). В то же время был создан чисто геометрический римско-византийский узор, обладающий самоподобием (в этом он схож с фракталами).

Римско-византийский узор (ок. 700 года).

Основу этого узора составлял квадрат, разделенный на 16 клеток. Диагонали делят каждую клетку на два равнобедренных прямоугольных треугольника. Один из них окрашивался в серый цвет, другой делился на четыре подобных ему треугольника. Один из этих маленьких треугольников окрашивался в светло-серый цвет, три оставшихся вновь делились на четыре равнобедренных прямоугольных треугольника. Далее каждый из этих трех треугольников окружался еще тремя, таким образом получалось 3·3·16 = 9·16 = 144 новых треугольника. Эти действия могли повторяться бесконечно. На каждом этапе число треугольников утраивалось.

Этот узор обладает зеркальной симметрией вида cm, определяемой параллельными осями симметрии вдоль восходящих диагоналей каждой клетки.

Но есть культура, в которой искусство рисования геометрических узоров достигло поистине невероятных высот. Арабские узоры и мозаики встречаются на территории от Марокко до Индии и от Испании до Танзании. Их удивительную симметрию можно увидеть не только в мечетях, дворцах и медресе, но и в гостиницах, аэропортах и на самолетах. Исламские узоры берут начало в арабских узорах, созданных до 1000 года нашей эры.

Арабский узор (ок. 1200 года)

Этот арабский узор, которым можно целиком замостить плоскость, образован повторением шестиугольника с осевой симметрией относительно поворота на 60°. Основу узора составляет сетка из равносторонних треугольников, сочетание которых и образует основную фигуру, или лейтмотив.

Некоторые узоры отличаются тем, что построены на треугольных, а не прямоугольных сетках, поэтому обладают осевой симметрией относительно поворота на 60° и 120°. Прямой угол в узорах также присутствует, но играет второстепенную роль. В исламской культуре геометрия узоров усложнилась с появлением двойных линий — лент, сплетающихся в виде узлов. Эти узоры двумерны, но мастера, умело играя с особенностями нашего восприятия, создают эффект трехмерности. Равносторонние треугольники сетки образуют бесконечное множество составных фигур, среди которых выделяются шести- и двенадцатиконечная звезда, как в архитектурном ансамбле Альгамбра в Гранаде.

Узор в Альгамбре времен династии Насридов (Гранада, Испания, IX век).

* * *

СИММЕТРИЯ И НЕВОЗМОЖНЫЕ МИРЫ

Мы знаем, что стороны улиц наших городов представляют собой параллельные прямые. Но мы не удивляемся, когда видим, как вдали, на горизонте, эти прямые сходятся в одной точке. Из-за особенностей нашего зрения далекие предметы кажутся нам меньше. Сочетание симметрии и технологий может порождать новые миры — невозможные, но отчасти реалистичные. Достаточно взять любую фотографию, отразить ее половину по вертикали или горизонтали и приложить к оригиналу. На двойном изображении мы увидим две параллельные улицы, симметричные друг другу.

Улица в японском городе Канадзава и симметричная ей.

* * *

К сожалению, о том, как были выполнены мозаики Альгамбры, и о том, как строились правильные девятиугольники в то время, известно очень немногое (в XVIII веке Гаусс доказал, что построить правильный девятиугольник при помощи циркуля и линейки невозможно). Остается лишь строить догадки. Впрочем, далее вы увидите, что в некоторых культурах для рисования узоров до сих пор используют те же методы, что и в далеком прошлом.

Индийские орнаменты колам

Каждое утро женщины с юга Индии, особенно из штатов Тамилнад и Керала, проводят у дверей своих домов ритуал: они рисуют на земле рисовой мукой или мелом ряд геометрических фигур, которые затем могут раскрашивать в яркие цвета. Эти фигуры — колам — отличаются большим разнообразием и могут иметь вид как маленьких и простых изображений цветов, так и сложнейших геометрических узоров.

Колам — это не просто искусство. Линии и фигуры в нем обычно строятся на сетке точек, заранее размеченных на земле. Кроме того, колам состоят из меньших фигур, как правило, симметричных и повторяющихся по заданной схеме, которая также определяется формой исходной сетки из точек. На фотографии изображен колам с двумя перпендикулярными осями симметрии, начерченный на основе восьмиугольной сетки из точек.

Женщины рисуют колам в городе Ченнаи, штат Тамилнад (Индия).

Как правило, узоры колам рисуют женщины, вместе с другими работами по дому. Но иногда к ним присоединяются и мужчины — просто для эстетического удовольствия.

Только в одном случае колам должен рисовать мужчина — во время особого ритуала, посвященного богине-матери Бхагавати в штате Керала. Этот ритуал называется Бхагавати севаи, и проводить его может только жрец-мужчина, который и должен нарисовать особый колам — падман (лотос).

Существует два основных вида узоров колам. К первому относятся узоры, подобные изображенному на предыдущей странице. Они состоят из двумерных фигур, заполняющих сетку из точек. Узоры второго типа состоят из одной или нескольких непрерывных линий, которые проходят через все точки сетки и образуют одну или несколько фигур.

Все колам начинаются с построения на земле сетки из точек, расположение которых зависит от свободного места. Колам могут заранее изображаться на бумаге, особенно если речь идет об очень сложных узорах или фигурах больших размеров. Проводить линии, соединяющие точки, нужно без ошибок — исправления не допускаются. Узоры колам не имеют особых названий и обозначаются по принципу подобия — «звезда», «лотос», «кокосовая пальма», «повозка» и так далее. Линии, соединяющие точки, имеют форму восьмерок, или знака бесконечности.

Колам, составленный из элементов меньшего размера, изображенных одной линией.

Сходство со знаком бесконечности не случайно — в этом регионе непрерывные линии подобной формы обозначают бесконечный цикл жизни: рождение, расцвет, увядание.

Тщательно изучив боковые кривые на изображенном выше коламе, мы увидим, в каких случаях их можно изобразить одной линией. Четыре боковые фигуры представляют собой прямоугольники и изображены на сетках точек размерами 2 x 7. Все точки соединены одной линией. Аналогично можно соединить точки в сетках размерами 2 х 3 и 2 х 5.

Но провести такую линию на сетке 2 х 4 не удастся. В этом случае потребуются две линии, симметричные по вертикали и горизонтали.

Можно ли соединить все точки сетки одной линией, зависит от того, сколько столбцов в сетке — четное это или нечетное число. Пронумеруем столбцы слева направо и увидим, что кривая на сетках размером 2 х З, 2 х 5 и 2 х 7 проходит через столбцы под номерами: {1, 2, 3}, {1, 2, 4, 3} и {1, 2, 4, 6, 7}. Для четного числа столбцов подобное невозможно.

Чтобы построить непрерывную линию, проходящую через все точки сетки двух строк А и В и N столбцов (где N нечетное, то есть имеет вид N = 2·k + 1), нужно следовать алгоритму:

N = 2·k + 1:

к четное: {А(1), В(2), А(4), В(6), …, А(2·k), В(N)};

к нечетное: {А(1), В(2), А(4), В(6), …, А(2·k), A(N)}.

Некоторые колам образованы одной кривой, подобно бесконечному узлу, но большинство узоров состоят из нескольких линий.

Колам из трех линий.

Этот колам образован тремя кривыми. Две из них одинаковы: одна получается из другой поворотом на 90°. Обе эти кривые симметричны относительно поворота на 180°. Третья кривая образует фигуру, симметричную относительно поворота на 90°. Она построена на двойной сетке из 25 точек, которые расположены в виде двух квадратов размерами 3 х 3 и 4 х 4, причем первый находится внутри второго.

Колам.

Традиция изображать колам на юге Индии насчитывает несколько веков, и ее истоки, возможно, лежат в культурах Центральной Африки. В этих узорах математическая мысль состоит не столько в симметричности итоговых фигур, сколько в четких методах построения. Именно женщины являются хранителями многовековой традиции и математических знаний, которые ежедневно используются в домашнем хозяйстве. Методы изображения колам передаются от матери к дочери, совершенствуются и достигают таких высот, что ими восхищаются математики всего мира.

Лозоплетение

В одиннадцатой главе трактата «Дао дэ цзин» отмечается, что полезность колес, сосудов и окон проистекает из их пустоты. В самом деле, люди с доисторических времен стремятся отделить небольшие участки бесконечного пространства, которое нас окружает, создавая границы: для колеса нужна окружность, для сосуда — сферическая поверхность, для окна — плоская стена с отверстием в нем.

В разные годы были созданы самые разные плоские и криволинейные поверхности из бесконечного множества материалов и бесконечным множеством способов. Чаще всего для создания поверхностей и объемных тел применялось плетение волокон растений — этим методом создаются как плоские поверхности — циновки рогожи, стены и крыши домов, так и объемные фигуры — корзины, клетки, загоны для птицы и мячи для игры в сепактакрау (разновидность волейбола в Юго-Восточной Азии, но игра происходит не руками, а ногами).

Творческие способности и умения мастеров со всего света заслуживают восхищения как с художественной точки зрения, так и с точки зрения технологий. Паулус Жердес, исследователь этноматематики из Мозамбика, изучил узоры и формы, применяемые мастерами плетения из лозы. Среди геометрических задач, связанных с лозоплетением, выделяется следующая: каким должен быть угол сгиба, если нужно обернуть один прут вокруг другого прута такой же толщины? Ответ — 60° — определяется при помощи тригонометрических расчетов. На практике этот угол определяется складыванием лозы вдвое, как показано на рисунке.

Богатство орнаментов в лозоплетении.

Мячи для игры в сепактакрау

Мячи для игры в сепактакрау во всей Юго-Восточной Азии изготавливаются из ротанга, который также используется для изготовления мебели. Ротанг напоминает ивовый прут, но в сечении эти стебли ротанговой пальмы не округлые, а плоские. Ротанг гибкий, но очень прочный, и сломать его нелегко даже при ударах ногами, как во время игры в сепактакрау.

Мастер демонстрирует мяч для игры в сепактакрау.

Мастера, изготавливающие плетеные мячи, не используют никаких схем и не проводят никаких вычислений, но наблюдая за ними во время работы, сложно поверить, что почти идеальную сферу можно изготовить без помощи математики.

Впрочем, математика все же используется, хоть и не в явной форме.

В математике сфера определяется как множество точек, расположенных на одинаковом расстоянии от точки, называемой центром. Однако при изготовлении мячей для игры в сепактакрау это определение бесполезно. Суть метода плетения идеальных мячей (если пренебречь неизбежными погрешностями и неровностями самого ротанга) заключается не в определении центра и радиуса сферы, а построении многогранника постоянной кривизны. Мастер начинает работу с того, что сплетает пять стеблей ротанга в форме как можно более правильного пятиугольника. Затем мастер выбирает несколько вершин пятиугольника и продевает в них новые стебли. Концы этих стеблей связывают, и получается окружность, определяющая диаметр мяча.

Постепенно по ходу плетения появляются пятиугольные грани — сначала как промежутки между прутьями, которые постепенно заполняются. По сути, полученный мяч по форме представляет собой икосаэдр с отсеченными вершинами — пирамидами с пятиугольным основанием. Разрезав эти пирамиды горизонтально пополам, получим 20 пятиугольных отверстий. Закрыв эти отверстия гранями, имеем полуправильный многогранник — усеченный икосаэдр, имеющий 60 вершин, 90 ребер и 32 грани (20 из них имеют форму шестиугольников, 12 — форму пятиугольников). Именно этот многогранник и плетет мастер. Ротанг распрямляется, и в результате мяч обретает постоянную кривизну. Пересечения трех стеблей из пучков в шесть стеблей определяют 20 шестиугольных граней мяча.

Убедитесь в этом сами.

Шары темари

Японские шары темари имеют китайское происхождение. Изначально их изготавливали из оленьих шкур для придворных, которые использовали темари для игр. Когда придворные дамы начали ткать шары из шелка, темари обрели новую роль и стали использоваться в качестве украшений. Даже проводились конкурсы на лучший шар темари с самым сложным узором и искусным сочетанием цветов.

Искусство плетения шаров темари восходит к 1000 году нашей эры и передается из поколения в поколение, от матери к дочери. Со временем темари становились все более популярными, возникали новые техники их изготовления. С появлением резиновых мячей интерес к темари надолго угас, но сегодня это традиционное искусство вновь обрело былую популярность, и в Японии даже организованы специальные общества, посвященные темари.

Японские шары темари.

В центре темари находится шар из пенопласта или мягкого пластика, куда удобно втыкать булавки. Узоры на ткани шаров преимущественно геометрические и отличаются невероятной сложностью.

При изготовлении шаров темари очень полезной оказывается раздвоенная линейка в форме буквы V с углом раствора в 72°, которая, по сути, представляет собой две линейки с соединенными концами. Этот инструмент нужен потому, что большинство узоров темари представляют собой замощения сферы, основанные на додекаэдре. Это означает, что мастерам нужно работать с правильными пятиугольниками и системой из пяти радиальных осей. Если мы разделим полный круг (360°) на пять частей, то получим угол раствора линейки — 72°.

Одна из первых задач, которую требуется решить при изготовлении темари, касается разделения поверхности шара на восемь равных частей. Для этого нужно воспользоваться основным различием между плоскостью и криволинейной поверхностью, то есть сферой. На плоскости сумма углов треугольника всегда равна 180°, а на сфере она может составлять 270°.

Поверхность темари делится на восемь частей следующим способом. Сначала на шаре булавкой отмечается произвольная точка. Затем вокруг шара оборачивается лента так, что она проходит через отмеченную точку дважды. Далее эта точка отмечается на ленте, и лента обрезается. Так определяется длина окружности шара. Теперь лента складывается пополам так, и на ней отмечается место сгиба. Затем лента сгибается еще раз, и метки ставятся на каждой из ее половин. Таким образом отметки на ленте указывают ее четверть, половину и три четверти длины.

Теперь нужно приколоть ленту к шару булавкой и обвязать ее вокруг шара. Воткнем в шар еще одну булавку посредине ленты. Эта булавка укажет «южный полюс», предыдущая — «северный полюс». Повернув шар так, чтобы лента располагалась перпендикулярно оси, проходящей через полюса, воткнем булавки туда, где находятся отметки на ленте. Таким образом, в шар будет воткнуто в общей сложности шесть булавок, которые укажут вершины шести равносторонних сферических треугольников. Однако углы этих треугольников будут равны не 60, а 90°. На поверхности сферы углы равносторонних треугольников прямые. Три перпендикулярные оси (большие круги), определяемые этими шестью булавками, делят поверхность сферы на восемь равных частей.

Эти оси могут стать основой для простого узора из цветных нитей. Отметив другие меридианы или параллели, мы разделим сферу на большее число частей, как показано на фотографии слева на стр. 115. В узоре на этом шаре выделен экватор шара, а из полюсов проведены меридианы так, что образуется 24 двуугольника (по 12 каждого цвета) в 15° каждый. Остальные два шара, изображенные на фотографии, разделены на пятиугольные грани, подобные додекаэдру.

Основой для узора на шаре темари может быть не только додекаэдр, но и любое другое платоново тело.

* * *

МУЗЫКА ГАМЕЛАНА

Гамеланы, народные оркестры островов Бали и Ява (Индонезия), состоят из одного или двух больших гонгов, двух барабанов, как минимум четырех пар тарелок, двух групп маленьких гонгов по 8-14 в каждой и флейт. Наиболее характерная секция гамелана — металлические ксилофоны разных размеров, состоящие из 7-12 брусков, на которых играют специальными молоточками.

Композиции, исполняемые гамеланами, делятся на ярко выраженные циклические секции, описываемые степенями двойки. Эти секции состоят из 2, 4, 8, 16 или 32 тактов. Степени двойки также определяют скорость исполнения: орнаментирование исполняется в 4 или 8 раз быстрее основной мелодии, а та, в свою очередь, в 4 или 8 раз быстрее, чем упрощенные версии мелодии. Удвоение скорости исполнения способствует сохранению ритма и придает музыке характерную динамичность.

* * *

Салфетки и оригами

Во всех ресторанах крупнейшего архипелага мира, Индонезии, бумажные салфетки складывают особым образом. В любом индонезийском варунге салфетки складываются своим способом, но официантки во всех ресторанах, от запада Суматры до востока Папуа, умеют складывать салфетки в характерном индонезийском стиле.

Стол в индонезийском варунге.

Схема складывания салфеток в трех разных кафе.

Квадратная салфетка складывается так, что линии сгиба делят прямой угол при одной из ее вершин на три равные части. Таким образом получается симметричный четырехугольник с прямым углом, углом в 30° и двумя углами в 120°.

Салфетка, сложенная в индонезийском стиле.

Долгое время я думал, что официанты складывают салфетки так же, как я, то есть прикладывают угол салфетки к середине противоположной стороны:

Схема складывания салфетки, в которой угол накладывается на серединный перпендикуляр так, что нижняя вершина остается на своем месте.

Получится прямоугольный треугольник. Один из его катетов равен половине гипотенузы, следовательно, угол этого треугольника равен 30°. Когда мне довелось увидеть, как официантки складывают салфетки, я решил, что мое предположение справедливо — они явно прикладывали угол салфетки к середине противоположной стороны.

Однако я ошибался. Расспросив официанток, я понял, что они в самом деле применяли геометрический метод, но далекий от моих предположений, — они старались согнуть салфетку так, чтобы разделить угол при вершине в соотношении 1:2. Вместо того чтобы прикладывать угол салфетки к середине противоположной стороны, они прикладывали сторону к центру салфетки, не складывая ее. Иными словами, они проводили биссектрису оставшейся части угла, полученного при сгибе. Этот метод был внешне неотличим от моего, и я смог понять разницу, только тщательно расспросив официанток.

Математическая идея, на которой основан этот метод, такова: 3 = 1 + 2. Обозначив через R оставшуюся часть угла, полученного при сгибе А, получим:

90° = R + 2·A.

Так как мы хотим, чтобы согнутый угол совпадал с оставшимся углом, прямой угол салфетки окажется разделен на три части:

Проекция математических идей заключается в том, чтобы при помощи математики объяснить события, которые необязательно имеют математическую природу либо действительно описываются математически, но не так, как кажется. Не стоит пытаться математически объяснить мысли и действия других людей, иначе легко попасть в неловкое положение: человек, который нам покажется несведущим в математике, может оказаться гораздо более компетентным, чем многие вокруг.

Глава 5 Этноматематика в повседневной жизни

Народная логика

Даяки (Борнео)

Альфред Рассел Уоллес был британским натуралистом, который в середине XIX века объехал Малайский архипелаг. Современник Дарвина, Уоллес изучал флору и фауну Зондских островов и разработал теорию эволюции, весьма схожую с дарвиновской. Его труд «Путешествие на Малайский архипелаг» представляет собой одновременно отчет о результатах исследования и документальное свидетельство о жизни и обычаях некоторых племен и народов региона. Встречи с местными жителями, описанные натуралистом, помогают понять некоторые способы их мышления.

Уоллес упоминает о встрече с членами племени даяков, жившего во внутренней части острова Борнео. В то время охота за головами была чрезвычайно распространенным обычаем среди племен Юго-Восточной Азии, но туземцам были не чужды доверие и честность. Сегодня в Юго-Восточной Азии, особенно в Малайзии, Таиланде и Индонезии, достаточно часто местные жители утвердительно отвечают на вопросы, если не знают на них ответа. Уоллес отмечает, что получить от даяков точную информацию и узнать их личное мнение было непросто. Даяки считали: если они скажут, что чего-то не знают, то случайно могут солгать! Следовательно, в разговоре с даяками крайне важно знать, известен ли им предмет разговора.

Полный подсчет (Индонезия)

Уоллес посвящает целую главу рассказу о том, как раджа острова Ломбок (входит в архипелаг Зондских островов) проводил перепись населения. С точки зрения математики перепись заключается в том, чтобы установить взаимно однозначное соответствие между натуральными числами и жителями области или региона — сосчитать их. Раджа хотел определить, сколько у него подданных, причем ему нужна была не статистическая оценка, а именно точное количество. Размер податей на Ломбоке зависел от численности населения, при этом налог должен был уплатить каждый житель острова, так что раджа хотел знать, сколько денег он получит от подданных.

Он повелел найти способ, чтобы люди пересчитали себя сами, и от переписи не скрылся бы никто. При этом раджа понимал: нельзя просто приказать членам всех семейств пересчитать друг друга. Перепись нужно было провести так, чтобы люди не догадались, что это перепись, и тем более не поняли, для чего она нужна, — только так можно было обеспечить точность результатов.

Раджа решил воспользоваться культурным контекстом. Он созвал всех вождей, священников и князей и сообщил им, что видел во сне великого духа вулкана. Тот велел, чтобы раджа по горным тропам поднялся к вершине вулкана и получил там весть от духа. Так и было сделано. Раджа отправился на встречу с духом, а процессия из знатных вельмож ожидала его у подножия. Спустя три дня правитель вернулся и передал вождям и жрецам слова духа.

Тот предвещал, что населению острова угрожают ужасная чума и болезни, и для спасения нужно точно следовать указаниям духа. Дух приказал изготовить двенадцать священных крисов (кинжалов с волнистым клинком, распространенных в Юго-Восточной Азии) — по числу деревень. Для изготовления клинков каждая деревня должна прислать пучок серебряных игл — по одной игле на человека.

В случае если деревню поразят болезни, раджа отправит туда выкованный для нее крис. Если число присланных игл действительно соответствовало количеству жителей, болезнь немедленно отступит, но если деревня прислала неточное число игл, священный кинжал окажется бессильным. Так и было сделано. Когда на какую-то из деревень обрушивалась беда, жителям посылали один из священных кинжалов.

Если несчастья прекращались, значит кинжал возымел силу. Если же беды продолжались, значит люди выслали радже неверное число иголок.

Нет никаких сомнений, что точность результатов переписи удалось обеспечить благодаря знаниям местных верований и посредством косвенных угроз. Свою роль сыграла и логика, согласно которой невиновные объявлялись виноватыми: если все было хорошо, это была заслуга божества, если же дела шли плохо, в том была вина человека. В этом случае люди оказывались виновны в том, что неверно провели подсчеты.

Народ кайова (США)

Североамериканские индейцы известны во всем мире благодаря знаменитым вестернам. В культуре белого человека люди считаются хозяевами земли, на которой живут, царями природы, которую они меняют, как им захочется. Мир и Вселенная в некотором роде находятся в распоряжении человека и должны подчиняться его желаниям. В культуре индейцев мир воспринимается совершенно иначе. С их точки зрения человек принадлежит миру и земле, а его отношения со Вселенной должны быть гармоничными и равноправными. Животные, холмы и долины, реки и озера — все наделено жизненной силой, которую следует уважать. Природа священна и заслуживает высочайшего почтения.

Значит ли это, что логика белого человека и логика индейца отличаются? Возможно, что в некоторых аспектах это и в самом деле так, однако различные философские взгляды необязательно означают различия в логике. Далее приведена адаптированная версия рассказа индейцев кайова об одном любопытном персонаже-обманщике, которого мы назовем С.

С. повстречался с неизвестным Икс. Тот сказал С.:

— Я тебя не знаю. Но я о тебе слышал. Ты — тот, кто всех обманывает.

— Да, это я. Но я оставил снадобья дома и не могу обмануть тебя.

— И что с того? Если ты обманщик, то можешь обмануть меня и без твоих снадобий.

— Нет, без них не могу. Были бы они у меня с собой, я бы обманул тебя. Если хочешь, одолжи мне коня, я отправлюсь на поиски, найду снадобья, вернусь и обману тебя.

— Я одолжу тебе коня. Но ты должен вернуться со снадобьями.

С. вскочил на коня и поскакал вдаль. Отъехав подальше, он незаметно ударил коня, чтобы тот остановился.

С. вернулся к Иксу и сказал:

— Твой конь не хочет скакать. Быть может, он меня боится? Одолжи-ка мне свою шляпу.

Икс одолжил ему шляпу, но конь вновь остановился. Тогда С. сказал Иксу:

— Этот конь меня боится. Дай-ка мне твою куртку.

Затем С. таким же манером выпросил у индейца попону и кнут. Отъехав подальше, С. обернулся и сказал Иксу:

— Я забрал все твои вещи. Я уже обманул тебя, и мне не нужно никакого снадобья.

Этот рассказ вполне можно считать лекцией по логике. Проанализируем некоторые выражения с точки зрения формальной логики. Начнем с того, что дадим определение обманщику. Если лжец — это тот, кто никогда не говорит правду, то обманщик иногда говорит правду, а иногда — нет. С. говорит правду, когда признается, что обманывает всех, но лжет, когда говорит, что ему нужно снадобье и что он оставил его дома.

Противоречит ли это тому, что С. говорит дальше, то есть что без снадобий он не может обманывать? Это логическая импликация:

р: нет снадобья => q: не могу обманывать.

Составив таблицу истинности для этой импликации, мы увидим, что ее результатом всегда будет «истина», за исключением одного случая — когда предпосылка верна (1), а следствие ложно (0).

Икс, собеседник С., по-видимому, знает об этом, когда говорит, что для обмана не нужно никакого снадобья, то есть импликация, выраженная С., ложна. В этом и состоит суть рассказа и его логики. С., тем не менее, настаивает, что без снадобий он не может обманывать. Доверчивость Икса становится причиной дальнейших событий.

Родственные отношения

Симметрия проявляется не только в том, что можно увидеть. Она неявно присутствует и в жизни общества, особенно в отношениях родства или свойства. Равенство людей, связанных родственными отношениями, нельзя понять без симметрии. Отсутствие симметрии в отношениях между родителями и детьми определяет их социальное неравенство. Если А — отец или мать В, то В не может быть отцом или матерью А. Для братьев и сестер подобное отношение не выполняется: если X — брат или сестра Y, то Y — брат или сестра X. Братья и сестры принадлежат к одному и тому же поколению, а следовательно, их предки и остальные члены общества, по крайней мере предположительно, должны обращаться с ними одинаково: в равной мере предоставлять им приют, питание и поддержку, обучать, наделять их правами и обязанностями.

В академической математике отношения изучаются потому, что на их основе определяются социальные классы. Члены класса характеризуются наличием общих черт. Рассмотрим в качестве примера отношение, определяемое выражением «старше, чем». Допустим, что субъект А связан с субъектом В, и запишем А ~ В, что означает «А старше В». Какими свойствами обладает это отношение? Начнем с того, что ответим на вопрос: связан ли субъект А сам с собой? Иными словами, выполняется ли отношение

А ~ A?

Нет, так как человек не может быть старше самого себя. Это отношение не обладает рефлексивностью. Если субъект А связан с субъектом В, то связан ли В с А?

Иными словами, если А ~ В, то В ~ А?

Это также неверно, так как если «А старше В», то не может быть, что «В старше А». Следовательно, это отношение не является симметричным. Если субъект А связан отношением с В, а тот — с субъектом С, что можно сказать об отношении между первым и третьим субъектами? Верно ли, что если А ~ В и В ~ С, то А ~ С?

На этот раз ответ — да, так как если «А старше В» и «В старше С», то «А старше С», таким образом, отношение обладает транзитивностью. Можно сделать вывод: отношение «старше, чем» не является рефлексивным и симметричным, но обладает свойством транзитивности.

Пример рефлексивного, симметричного и транзитивного отношения — отношение «быть одного возраста с». Оно очевидно обладает рефлексивностью, так как любой человек будет одного возраста с самим собой. Оно симметрично, так как если А одного возраста с В, то В одного возраста с А. Оно также транзитивно: если А одного возраста с В, а В одного возраста с С, то А и С одного возраста.

Большинство отношений, обладающих рефлексивностью, симметричностью и транзитивностью, являются отношениями эквивалентности, поэтому совокупности субъектов или элементов, связанных такими отношениями, называются классами эквивалентности.

Классы эквивалентности — это то, с чем каждый день имеют дело все люди (хотя при этом они используют не термины, а обычные слова). Когда мы говорим «яблоко», то имеем в виду вид фруктов, но говорим о нем как о классе эквивалентности на множестве всех фруктов. Если мы говорим «ранетка», то имеем в виду класс эквивалентности на множестве яблок. «Является яблоком» и «является ранеткой» — отношения эквивалентности на множестве фруктов и яблок соответственно.

Существуют ли отношения эквивалентности среди родственных связей? В следующей таблице приведены свойства, которыми обладают отношения кровного родства и свойства (выделены серым цветом). Пол людей в таблице не учитывается, то есть отношения «является братом» и «является сестрой» равнозначны.

Так как никакое из этих отношений не обладает всеми тремя свойствами, то ни одно из них не является отношением эквивалентности. Ближайший кандидат — отношение «быть братом»: оно симметрично и транзитивно, но не обладает рефлексивностью.

В нашей культуре геометрической моделью структуры родства является генеалогическое дерево. На нем изображены отношения кровного родства и брака. На следующем дереве браки обозначены горизонтальными линиями.

Отношения между дедами, отцами, сыновьями и внуками, связывающие разные поколения, составляют вертикальную ось системы. Отношения кровного родства на уровне каждого поколения, то есть отношения, обозначенные на схеме горизонтальными линиями, — это связи между родными и двоюродными братьями и сестрами. Отношения свойства — это связи между супругами и их родственниками.

Совокупность отношений кровного родства и свойства определяет другие отношения, которые на генеалогическом древе обозначены диагоналями. Это родственные связи между дядьями и племянниками, тестями, тещами, невестками и зятьями.

Если говорить о поле, наша система обладает двойственностью в том смысле, что в несимметричных отношениях (таких большинство) присутствуют дополняющие элементы. В отношениях между родными и двоюродными братьями и сестрами, между супругами и их родственниками дополняющие элементы необязательны. Если А — родной или двоюродный брат, супруг или родственник супруга В, то В — родной или двоюродный брат, супруг или родственник супруга А. Но в асимметричных отношениях дело обстоит иначе:

дед — внук

отец — сын

тесть — зять

дядя — племянник.

Генеалогическое древо — геометрическая модель отношений родства в том виде, в каком они понимаются в нашей культуре. Теперь составим алгебраическую модель отношений кровного родства (за исключением родных и двоюродных братьев, дядей и племянников), охватывающую пять поколений (деды, отцы, наше поколение, дети и внуки). Представители различных поколений обозначены числами: 0 обозначает поколение, к которому принадлежит читатель, отрицательные числа — предшествующие поколения (-1 — отцы, — 2 — деды), положительные числа — последующие поколения (1 — дети; 2 — внуки).

Будем предполагать, что читатель принадлежит к поколению 0. Тогда операция (—1) * (1) означает «дед моего внука», то есть я, то есть 0. Проведя аналогичные рассуждения, заполним таблицу.

Операция *, определенная в этой таблице, эквивалентна сумме цифр в соответствующем столбце и строке. Композиция отношения с самим собой обозначается символом (°) и может представлять собой исходное либо какое-то другое отношение.

Отец ° отец = дед.

Сын ° сын = внук.

Брат ° брат = брат.

Родственные отношения народа варяпири (Австралия)

Варлпири — аборигены, живущие в Австралии. Сложная структура их родственных отношений определяет модели поведения, взаимоотношений, общественной и политической организации, а также проведение ритуалов. Для варлпири, как и для других народов, все сущее связано между собой в единой картине мира, определенной мифологическими предками, которые сотворили горы и реки, флору и фауну и дали всему названия. Предки варлпири также указали, что является священным и какие ритуалы и церемонии следует проводить.

Структура родственных отношений варлпири описывается рядом правил. Каждый абориген принадлежит к одной из восьми групп. Так, группа, к которой принадлежат дети от брака, отличается от групп, к которым принадлежат родители, и определяется по материнской линии. Если мы обозначим группы числами от 1 до 8, то дочь женщины из группы 4 будет принадлежать группе 2, ее дочь — группе 3, дочь последней — группе 1. Аналогично определяются взаимосвязи между группами 5, 6, 7 и 8. Следовательно, по материнской линии существует два непересекающихся цикла четвертого порядка, {1, 4, 2, 3} и {3, 7, 6, 8}.

Циклы, определяемые по материнской линии в структуре родственных отношений австралийских аборигенов варлпири.

Еще одно правило заключается в том, что браки не могут заключаться в пределах одной группы. В следующей геометрической модели структуры родства браки обозначены пунктирными линиями.

Браки в структуре родственных отношений варлпири.

Так как группы, к которым принадлежат мужчины, определяются на основе женских, то если мужчина из группы 1 женится на женщине из группы 5, их сын будет принадлежать к группе 7. Следовательно, он женится на женщине из группы 3, а сын от их брака вновь будет принадлежать к исходной группе 1. По отцовской линии определено четыре цикла второго порядка: {1, 7}, {2, 8}, {3, 6} и {4, 3}.

Циклы, определяемые по отцовской линии в структуре родственных отношений варлпири.

Таким образом, имеем два цикла четвертого порядка по материнской линии и четыре цикла второго порядка по отцовской линии, которые в сумме охватывают все восемь групп структуры родственных отношений. Упомянутые восемь групп могут объединяться разными способами и образовывать множества, для которых определяются различные аспекты жизни в обществе. К примеру, группы, описывающие права наследования, отличаются от групп, описывающих допустимые браки или объединения для проведения каких-либо работ.

Формальное математическое описание этой структуры есть не что иное, как практическое применение понятия, которое в теории групп называется группой изометрии восьмого порядка. Чтобы проиллюстрировать эту идею, покажем, как изометрии квадрата образуют группу изометрии восьмого порядка.

Изометрия — это преобразование, не изменяющее форму и размер объектов.

На плоскости определены три изометрических преобразования: параллельный перенос, поворот и отражение (осевая симметрия). Параллельный перенос попросту меняет положение фигуры, поворот заключается во вращении фигуры вокруг неподвижной точки, называемой центром, отражение представляет собой осевую симметрию относительно отрезка. Какие из этих преобразований можно применить к квадрату так, чтобы результат преобразования совпадал с исходной фигурой?

Наименьший угол поворота, при котором квадрат остается неизменным, равен 90°. Такой поворот представляет собой преобразование четвертого порядка:

* * *

ГЕОМЕТРИЯ В ИЗМЕРЕНИИ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ

Осознаем ли мы что-то так же четко, как ход времени? Сегодня время измеряется в секундах, минутах, часах, днях, месяцах, годах и единицах, кратных и дробных указанным. Не так давно расстояния также измерялись по времени в пути. Для измерения интервалов времени меньше дня или ночи мореплаватели изготавливали различные приспособления. Одним из них был пустой кокос с небольшим отверстием в нижней части. Кокос помещался в таз с водой, постепенно наполнялся и полностью погружался в воду примерно за один час.

Еще одно из таких устройств применяется до сих пор — это песочные часы. В идеальном варианте песчинки падают одна за другой через узкое отверстие, соединяющее два стеклянных конуса. Это наводит на мысли о времени как о дискретной величине, которую можно измерить отдельными песчинками. Однако мы представляем время как непрерывную величину, которая описывается движением радиуса окружности, закрепленного одним концом в ее центре. Измерение времени тесно связано с окружностью и ее делением на 60 частей. Эту систему мы унаследовали от народов Месопотамии и используем как для определения времени, так и для ориентирования в пространстве.

* * *

если мы выполним его четыре раза, то любая фигура вернется в исходное положение.

Если мы обозначим его через I (тождественное преобразование), то четыре возможных поворота будут обозначаться так: G41, G42, G43 и G44 = I. Квадрат также остается неизменным при отражении (зеркальной симметрии) одного из следующих видов: (а) вертикальном; (Ь) горизонтальном; (с) относительно восходящей диагонали; (d) относительно нисходящей диагонали. Все эти виды симметрии имеют порядок, равный двум: если мы применим их дважды к одной и той же фигуре, то получим исходную фигуру. Обозначив через S указанные разновидности зеркальной симметрии, получим: SH, SF, SD1 и SD2. Композиция любого из этих преобразований с самим собой будет тождественным преобразованием I:

Sн°Sн = I, Sv°Sv = I, SD1°SD1 = I у SD2°Sd2  = I

Все подобные преобразования будут принадлежать группе восьмого порядка, и в этом — их сходство со структурой родственных отношений у варлпири. Два цикла четвертого порядка по материнской линии соответствуют поворотам четвертого порядка, четыре цикла второго порядка по отцовской линии — четырем видам зеркальной симметрии, также второго порядка.

Возможно, варлпири не знают, что их структура родственных связей соответствует объекту, который в западной математике называется группой изометрии восьмого порядка. Однако варлпири определили аналогичное понятие самостоятельно и выстраивают социальные, политические, религиозные и родственные отношения в соответствии с ним. Конечно, система отношений варлпири не является результатом практического применения западной математики. Аборигены использовали эту изометрическую систему задолго до того, как на западе были описаны подобные отношения.

Равновесные ставки

Азартные игры существуют во всех культурах и представляют собой один из видов социального взаимодействия. Ставки делаются на один из множества возможных исходов некоторого события, которое, по крайней мере отчасти, является случайным, то есть его результат нельзя достоверно предсказать заранее. К подобным событиям относятся скачки, игра в кости и множество других азартных игр. Сам факт участия в игре означает, что игрок знаком с ее правилами и ограничениями и, кроме того, понимает, что исход игры является случайным. Именно элемент случайности так привлекает к игре людей. Большие суммы выигрываются при ставках на исходы, маловероятные как в математическом, так и в социальном смысле (когда никто или почти никто не ставит на такой исход).

Одинаково ли понимается случайность во всех странах мира? Ответить на этот вопрос нелегко. В некоторых культурах считается, что случайность находится в руках богов и представляет собой выражение их воли. Чтобы узнать волю богов, верующие бросают камни, кости или изучают внутренности животных. В других культурах случайность сводится к количественной оценке возможных исходов, определяемой на основе составных элементов события, как, например, в лотереях или игре в кости.

Так или иначе, азартные игры встречаются практически повсеместно и не зависят от преобладающей доктрины — детерминизма или недетерминизма.

На следующей фотографии изображены две игральные кости с индонезийского острова Ломбок. Они в действительности представляют собой волчки, на которых нарезаны четыре грани, как на игральных кубиках. Во время игры волчки вращаются и падают на одну из четырех граней. Однако не все грани волчка различны — на двух противоположных гранях изображена монета, на двух других — инкрустированы кусочки перламутра. При броске любой из этих двух костей возможны всего два исхода. Обозначим их П (перламутр) и М (монета).

Игральные кости с острова Ломбок (Индонезия).

На одной из игральных костей на гранях М выгравирована еще одна фигура — медный выпуклый диск. Равновероятны ли возможные исходы? Изучив форму игральных костей, можно предположить, что нет: одни грани тяжелее других, поэтому вероятность выпадания граней отличается. Но окончательный ответ можно получить только одним способом: раскрутить игральную кость несколько раз и зафиксировать результаты. Из 20 бросков М выпало только в двух случаях. Тот, кто ставит на М, будет выигрывать редко. После нескольких бросков становится понятно, что эта игральная кость не удовлетворяет основному требованию азартной игры — возможные исходы неравновероятны. Делать ставку в такой игре нет смысла, так как исход можно предугадать с уверенностью в 80 %.

Дадду (Индонезия и Малайзия)

Дадду — азартная игра в кости, в которую играют в Индонезии, а также в Малайзии, где она называется селебор. В дадду играют двумя одинаковыми кубиками, грани которых раскрашены следующим образом.

В игре участвуют четыре игрока, которых мы обозначим А, В, С и D. Кости переходят от игрока к игроку по часовой стрелке. Возможны три исхода: оттонг (выигрыш: В), мате (проигрыш: П) или эланг (переход хода: X).

Игру начинает игрок А. Если А выигрывает (В), то бросает кости снова. Если А проигрывает (П) или же не выигрывает и не проигрывает (X), то ход переходит к В. Если В выигрывает (В), то А проигрывает, если В проигрывает (П), А выигрывает (В). Если В не выигрывает и не проигрывает (X), кости возвращаются игроку А. Игра продолжается до тех пор, пока один из двух игроков, А или В, не проиграет. Далее в игру вступает С, и победитель играет с ним. После того как в этой паре определится победитель, он играет с D, и так далее. Игра может продолжаться бесконечно — условия ее завершения определяют сами игроки. Игроки делают ставки, как правило, равной величины.

Вероятности того, что первый игрок выиграет (В), проиграет (П) или передаст кости следующему игроку, равны:

Построим дерево вероятностей:

В этой игре вероятность выигрыша А постепенно устанавливается в районе 50 %.

Здесь основную роль играет соотношение трех вероятностей:

P(B) = 5/36 = P(П) => p = q.

P(X) = 26/36 => r = 1 — 2p

Вероятность выигрыша А по ходу игры постепенно приближается к 50 %:

Бола адил (остров Нуса Лембонган)

В эту азартную игру играют на вогнутой квадратной доске размером 7 х 7 = 49 клеток. Игроки бросают шарик на доску так, что он несколько раз отскакивает от краев и останавливается в углублении одной из клеток, которая и будет выигрышной. Центральная клетка имеет номер 20. В остальных 48 клетках нарисованы фигуры (круг, треугольник или крест) разных цветов (черного, желтого, зеленого или красного).

Фигуры одного цвета располагаются на диагоналях, как показано на следующей фотографии.

Доска для игры в бола адил.

Каждая фигура каждого цвета повторяется на доске четыре раза. Следовательно, на 48 клетках изображены 16 кругов (4 черных, 4 красных, 4 желтых и 4 зеленых), 16 треугольников и 16 крестов. Ставки делаются на дополнительной доске размером 3 х 4 = 12 клеток, пронумерованных от 1 до 12.

Доска для ставок в игре бола адил.

Если клетка угадана верно, ставка умножается на 10. Можно ставить на одну или более клеток — в этом случае на 10 умножается не вся ставка, а лишь ее часть, соответствующая клетке, где остановился шарик. Предположим, что игрок поставил 30 тысяч рупий, разделив ставку между клетками под номером 4 (черный треугольник) и 8 (черный круг). Если шарик остановится на клетке, где изображен черный круг, игрок получит 130 тысяч рупий — в 10 раз больше, чем ставка в этой клетке (15 тысяч рупий). Вероятность выигрыша при ставке на каждую клетку равна:

P = 1/49 = 2,04%

Если шарик останавливается в центральной клетке под номером 20, все ставки уходят в банк. При ставках игроки не учитывают этот исход, так как клетки в таблице для ставок имеют номера от 1 до 12. С точки зрения игрока, ставящего на одну из 12 клеток, вероятность выигрыша равна:

Р = 1/12 = 8,33 %.

Однако реальная вероятность несколько меньше, так как в таблице ставок не учитывается возможный выигрыш банка:

Р = 4/49 = 8,16 %.

Рассмотрим таблицу ставок и попытаемся ответить, в каком случае выигрыш вероятнее: если мы поставим на два числа по горизонтали или по вертикали? Какая комбинация выиграет с большей вероятностью — 1–2 или 1–5? Комбинация 1–2 выигрывает, если выпадает красный или зеленый треугольник. Комбинация 1–5 выигрывает, если выпадает треугольник или круг красного цвета. Так как красных треугольников столько же, сколько зеленых (по 4), и столько же, сколько черных кругов и черных треугольников (по 4), вероятность выигрыша будет одинаковой:

Р(1,2) = Р(1,5) = 8/49 = 16,3 %.

Игроки понимают, что ставить на единственный исход слишком рискованно, и чаще ставят сразу на два числа.

Несколько вопросов, связанных с игрой, имеют отношение к доске, на которую бросают шарик. Первый вопрос касается формы самой доски: почему она квадратная? Второй вопрос имеет отношение к числу клеток: почему размер доски равен 7 x 7? Почему доска не имеет форму прямоугольника, треугольника, шестиугольника или круга? Разве нельзя играть на квадратной доске, разделенной на 25, 36 или 100 клеток?

Форма доски влияет на траекторию движения шарика, которая определяется направлением броска и отскоками от краев доски. Вопрос о форме доски относится к геометрии, вопрос о числе клеток — к алгебре. Теоретически возможны неслучайные броски, например когда траектория шарика представляет собой квадрат, соединяющий середины сторон доски. Такая траектория возможна в случае, когда мы бросаем шарик из любой точки над одной из сторон доски под углом в 45° к ней.

Но все это лишь теория — благодаря вогнутой форме клеток всякий раз, когда шарик не прокатывается точно по центру клетки, он отклоняется от траектории. В результате траектория оказывается случайной, и исход броска предугадать нельзя. Именно поэтому траектории, подобные ломаной линии, изображенной на доске серого цвета на рисунке ниже, невозможны.

Смоделировать траекторию шара на доске чисто математическими методами нельзя, для этого следует учесть физические факторы, в частности силу трения и силы, обусловленные вогнутой формой клеток, под действием которых траектория шарика при прохождении над клеткой меняется. Необходимость учитывать множество переменных крайне усложняет задачу, и можно считать, что исход игры является случайным.

Вопрос о числе клеток на доске, как мы уже говорили, относится к алгебре. Так как дано три фигуры и четыре цвета, образующие 12 сочетаний, и к ним нужно добавить еще одну клетку (когда шарик попадает на нее, все ставки уходят в банк), число клеток С должно быть на единицу больше числа, кратного 12:

Учитывая, что доска должна иметь квадратную форму, С также должно быть квадратом натурального числа. Искомый результат достигается, если мы рассмотрим квадраты чисел, кратных 6, увеличенные или уменьшенные на единицу:

(6·λ ± 1)2 = 36·λ2 ± 12λ + 1 = 12λ·(3λ ± 1) + 1 = 1 + число, кратное 12.

Число клеток на доске может быть и другим, но в этом случае вероятность выигрыша будет либо слишком низкой (при С > 49), либо слишком высокой (С = 25).

Игра кпелле

В своей книге «Африка считает» Клаудия Заславски описывает игру, распространенную в народе кпелле. Игра начинается с того, что 16 камушков раскладываются в два ряда по восемь. Один из игроков загадывает камень, после чего другой игрок должен угадать, какой камень выбрал первый. Для этого он может не более четырех раз спросить, в каком из двух рядов находится выбранный камень. После каждого ответа второй игрок может переставлять камни из ряда в ряд.

Камни необязательно должны быть одинаковыми — для удобства их можно раскрашивать в разные цвета.

Чтобы одержать победу, нужно правильно переставлять камни после каждого ответа на вопрос. Допустим, что первый игрок выбрал камень под номером 13, но мы этого не знаем. Мы видим два ряда камней и спрашиваем: в каком ряду выбранный камень? Первый игрок ответит: в нижнем. Поменяем местами камни, стоящие на нечетных местах.

Повторив вопрос, мы узнаем, что теперь выбранный камень находится в верхнем ряду. Так как ранее камень располагался в другом ряду, мы знаем, что он принадлежит группе {9, 11, 13, 13}. Теперь переставим половину камней из этой группы, к примеру поменяем местами

Наш соперник ответит, что камень по-прежнему находится в первом ряду. Следовательно, он выбрал камень под номером 13 или 13. Переставим один из двух этих камней, например поменяем местами 13 и 5.

Выбранный нашим противником камень оказался во втором ряду, следовательно, мы можем ответить: камень номер 13.

Стратегия игры заключается в том, чтобы после каждого ответа менять местами в два раза меньше камней: сначала четыре, затем два и, наконец, один. Ответ на четвертый вопрос укажет решение. Эта стратегия работает потому, что исходные шестнадцать камней в начале игры уже разделены на два ряда. Когда противник говорит, в каком ряду находится выбранный камень, мы сразу же исключаем половину камней. Следовательно, если наша стратегия гарантирует, что после каждого ответа число вариантов уменьшается вдвое, мы обязательно придем к единственному решению:

16/2 = 8 —> 8/2 = 4 —> 4/2 = 2 —> 2/2 = 1

Геометрические жилища

Несколько десятков тысяч лет назад человек решил покинуть природные укрытия и найти себе приют под крылом геометрических форм. Вместо того чтобы жить в пещерах, он обработал доступные природные материалы, придав им постоянную форму, и построил себе жилье. Форма жилища постепенно усложнялась.

Большинство современных домов представляют собой многогранники, чаще всего — прямоугольные призмы. Десятки и сотни семей в городах всего мира живут в колоссальных гексаэдрах, установленных вплотную друг к другу. Люди также живут или до недавнего времени жили в домах, где в явном или неявном виде присутствовал круг — дома имели форму цилиндра, конуса и даже сферы. Основная характеристика обитаемого гексаэдра — прямые углы: стены домов должны быть перпендикулярны земле и друг другу. Помещения в домах, а также большинство предметов мебели воспроизводят такую же модель. Многие столы, стулья, шкафы, стеллажи и кровати имеют форму гексаэдров, благодаря чему они идеально располагаются в любом месте комнаты. Более мелкие предметы, например лампы, отличаются большим разнообразием форм.

Также характерной особенностью народов и культур является объединение жилищ в группы. В некоторых культурах жилища располагаются в форме прямоугольника или круга, в других — не подчиняются какой-либо закономерности.

Примеры жилищ круглой формы можно встретить во всем мире. Коническую форму имеют дома трулли в итальянском Альберобелло на юго-востоке Италии, шалаши у многих африканских народов, типи североамериканских индейцев или дома народа кумби с острова Флорес и народа атони с острова Тимор. Иглу эскимосов, построенные из льда, имеют форму полусферы. В других жилищах цилиндрическая форма сочетается с конической крышей — подобная конструкция типична для многих регионов Африки, например такие дома строит народ кикуйю, живущий в Кении.

Клаудия Заславски объясняет, как строятся традиционные дома народа джагга, живущего на склонах горы Килиманджаро. Сначала на помощь зовут самого высокого человека среди всех знакомых. Он ложится на землю и вытягивает руки в стороны. Радиус будущего дома будет составлять 2–3 размаха его рук. Это расстояние откладывается на веревке, которую привязывают к колышку. Затем, держа конец веревки в руках, совершают полный оборот вокруг колышка и чертят на земле окружность. Высота дверей будет равна размаху рук человека, ширина — длине окружности его головы, измеренной при помощи веревки.

Хотя принято считать, что типи североамериканских индейцев имеют коническую форму, они, по сути, представляют собой многогранники и в действительности имеют форму пирамиды. Несколько длинных кольев, воткнутых в землю в форме круга (они определяют вершины многоугольника достаточно правильной формы), сходятся в вершине хижины. Эти колья — ребра пирамиды — накрываются шкурами. Типи можно легко разобрать и перенести на новое место.

Типи — традиционное жилище североамериканских индейцев.

Коническую форму типи придает крыша. Традиционные дома на индонезийских островах Флорес и Тимор представляют собой идеальные конусы, так как их коническая крыша опускается почти до самой земли. На самом деле эта крыша имеет пирамидальную форму, но она покрыта листьями, которые сглаживают ее очертания.

В африканских культурах дома в селениях и сообществах обычно располагаются в зависимости от их формы: прямоугольные жилища — в форме вытянутого прямоугольника, круглые дома — в форме окружности или эллипса.

Дверные косяки и внутренние стены некоторых традиционных африканских жилищ украшены орнаментами. На шкурах, покрывающих индейские типи, также изображают символы и узоры, служащие отличительным признаком племени.

Строить дома из льда непросто: эскимосы для этого используют ледяные блоки, укладывая их в форме полусферы. Однако купол иглу представляет собой геликоид: его радиус уменьшается по мере приближения к вершине, а размеры блоков, напротив, становятся больше.

План древнего Багдада представляет собой идеальный круг. Халиф аль-Мансур повелел построить этот город в VIII веке. В центре Багдада находились дворец халифа и мечеть. В двойной стене из необожженного кирпича, окружавшей город, были проделаны четверо ворот — по четырем сторонам света. Багдад был не единственным круглым городом на Ближнем Востоке. Возможно, аль-Мансур взял за образец более ранние города, в частности Гор (ныне Фирузабад), основанный царем Ардаширом из династии сасанидов в Иране в I веке.

Особый случай — народ тораджи с индонезийского острова Сулавеси. Их традиционные дома имеют прямоугольную форму и четко делятся на три уровня, однако характерный внешний вид им придает крыша, напоминающая седло. Важнейшей особенностью домов тораджи является их расположение, а также социальные и культурные функции. Дом в этой культуре — не просто жилище. Все традиционные дома тораджи обращены на север, поэтому во всех селениях дома расположены параллельными рядами. Против каждого дома — один или несколько амбаров для хранения риса. Торцы амбаров обращены на юг. В центре поселения находится площадь, на которой проводятся ритуалы и церемонии. У каждой семьи есть свой дом, где проходят семейные встречи и где находятся тела умерших до похорон.

План поселения тораджи (остров Сулавеси, Индонезия).

Размеры традиционных домов и амбаров тораджи определяют заранее в соответствии с соотношением 7:3. Строитель Мархин Мадои в своих заметках объяснил, как рассчитываются размеры домов.

Определение размеров традиционного жилища тораджи.

Это объяснение станет понятнее, если учесть ряд моментов, не указанных в заметках строителя:

Ширина = 300 см

7 — 1 = 6

6·22 см = 132 см => 300–132 = 168 => 168 /6 = 28

28 + 22 = 50

Элементы фасада: 50 + 150 + 300 + 150 +50 = 700 см.

Он приводит такие же рассуждения при расчете размеров сооружения шириной 4 м, но на этот раз использует значение в 24, а не 22 сантиметра:

Ширина = 400 см

6·24 см = 144 см => 400–144 = 256 => 256/6 = 42,6

42,6 + 24 = 66,5 (sic!)

Элементы фасада: 66,5 + 200 + 400 + 200 + 66,5 = 933

Наиболее понятное объяснение основано на том, что и дом, и амбар имеют прямоугольную форму, а длины их стен описываются соотношением 7:3. На этом прямоугольнике строится сетка размером 14 х 6 клеток. 14 длинных элементов фасада группируются так: 14-3 + 6 + 3 + 1. Если постройка имеет ширину 3 м, ее длина должна равняться 7 м.

x/300 см = 14/6 => x = 700 см

Это означает, что клетки сетки представляют собой квадраты со стороной 30 см. Длины 14 секций двух фасадов будут иметь размеры:

30 + 130 + 300 + 130 + 30 см.

Аналогично для ширины в 4 м. Следовательно, общая длина составит 9,33 м.

Элементы фасада будут иметь следующую длину:

66,6 + 200 + 400 + 200 + 66,6 см.

Народ хиваро населяет часть джунглей Амазонии на юго-востоке Эквадора в Южной Америке. Одна из характерных особенностей культуры хиваро — дома округлой формы. Хотя они имеют квадратное основание, полуокружности, расположенные вдоль двух противоположных сторон домов, придают им вытянутую форму, как показано на рисунке. Высота дома определяется высотой коньковой балки — горизонтальной перекладины, которая служит центральной осью крыши.

Дом хиваро — это не просто место, где можно укрыться от дождя или хранить вещи и орудия труда. Как и дома тораджи в Индонезии, на другом конце света, дома хиваро представляют собой масштабную модель мира. Внутри они разделены на две части — для мужчин и женщин, согласно их роли, отведенной им в культуре хиваро.

В то же самое время в устройстве дома проявляются роли, которые должны исполнять члены семьи в обществе. В этой концепции центральный столб, подпирающий крышу, помимо очевидной практической функции, символизирует связь между землей и небом, верхним и нижним миром. Вокруг этого столба проходят традиционные празднования.

Технологии и математическая мысль

Сегодня в большинстве стран мира главным рабочим инструментом во многих сферах стал компьютер — разница состоит лишь в используемом программном обеспечении: представителям каждой профессии нужны собственные программы, очень часто узкоспециализированные. Использование компьютера является практически обязательным. Его роль так велика, что многие пользователи научились работать с ним самостоятельно, а некоторые даже сами пишут подпрограммы и скрипты, упрощающие работу.

Многие специалисты используют электронные таблицы Excel. Нет такой профессии, в которой не требовалось бы составлять отчеты, готовить счета, подводить баланс или вычислять члены пропорции. Часто человек, обучаясь работать с электронными таблицами, спустя много лет после окончания института вновь сталкивается с математикой. При этом представители многих профессий (например, в области дизайна или кулинарии) в студенческие годы даже не видели компьютеров.

Кладка кирпичей

Кладка — это конструкция из кирпичей, уложенных между двумя столбами или стенами. При качественной кладке предполагается, что от пола до потолка уложится целое число рядов кирпичей (то есть кирпичи не придется обрезать по высоте), при этом швы (раствор, скрепляющий кирпичи) должны иметь одинаковую ширину.

Эта задача решается умножением и делением. Ширина шва обычно составляет 1 см, но так как кирпичи нельзя ни сжать, ни расширить, размеры кладки можно изменить, только меняя ширину швов, — при необходимости можно прибавить или убавить 1 мм.

На практике кладка выполняется следующим образом. Нужно измерить высоту кирпича (h) и толщину шва (j) и сделать на деревянной рейке отметку на расстоянии d = h + j от одного из ее концов. Далее на рейке делаются отметки, соответствующие следующим значениям, вычисленным на калькуляторе: [d] + d, [d + d] + d, [d + d + d] + d, … Эта рейка с метками, нанесенными на одинаковом расстоянии, послужит шаблоном при кладке. Отметки нужны для того, чтобы не измерять значение d для каждого ряда кирпичей. Каменщики считают, что если результат вычислений имеет вид 5,8 см, то откладывать такое значение с помощью рулетки весьма неудобно. Намного удобнее отложить его один раз на деревянной рейке.

Наши рассуждения проиллюстрированы на следующем рисунке. Исходные данные таковы: Н (высота просвета), h (высота кирпича), х (высота шва) и n (число рядов кирпичей в кладке). Значение х обычно принимается равным примерно 1 см, но, как мы уже говорили, допустимы отклонения ±1 мм.

Расположение кирпичей в кладке.

Должно выполняться следующее соотношение:

С помощью электронных таблиц искомые значения (число кирпичей и толщина шва) определяются автоматически. В представленной ниже таблице Н = 3 м, h = 5 см. Выделены значения, ближайшие к тем, что используются в строительстве.

Новые функции, новые графики

Перед миром сегодня стоят вовсе не те проблемы, что несколько десятков или сотен лет назад. Одна из проблем современности — состояние окружающей среды. Ученые определили, что если мы не ограничим выбросы СO2, то климат на нашей планете ухудшится. Решить эту проблему сложно, ведь выбросы СO2 определяются не только работой промышленности, но и повсеместным использованием автомобилей, которые, как правило, оснащены двигателем внутреннего сгорания.

Производители транспортных средств работают над тем, чтобы автомобили наносили все меньший ущерб окружающей среде, и в этом достигнуты определенные успехи. В автомобильных каталогах часто приводятся специальные графики, объясняющие покупателям, насколько экологичен их будущий автомобиль. Эти графики выглядят следующим образом.

Сравнение объемов выбросов и мощности новых моделей автомобилей (обозначены белыми кругами) и моделей прошлых лет (обозначены серыми кругами).

Оптимальная модель имеет большую мощность и небольшой объем выбросов и отмечена в верхней левой части графика. Наихудшая модель, напротив, имеет малую мощность и большой объем выбросов СO2; такой автомобиль будет отмечен в нижней правой части графика. В представленной ситуации новые модели лучше предыдущих, так как их мощность выше, а объем выбросов — меньше (облако белых кругов располагается выше и левее облака серых кругов). С другой стороны, каждая новая модель по отдельности лучше предыдущей (все белые круги располагаются левее или выше серых, обозначенных теми же буквами).

Эпилог

Мы начали наш рассказ с описания геометрических характеристик южноафриканского петроглифа, созданного несколько десятков тысяч лет назад. С тех времен и до наших дней на Земле жило бесчисленное множество народов, имевших собственные представления о мире и о жизни, свои верования и ритуалы, архитектуру, то есть, по сути, ряд проявлений культуры.

Одна из общих черт всех народов — желание изготавливать качественные орудия труда и предметы обихода и воспроизводить их, и это желание тесно связано с математической мыслью. Профессор Алан Бишоп выделил шесть универсальных математических действий, общих для всех народов и связанных с проявлениями культуры: счет, измерение, определение местоположения, проектирование, игра и объяснение.

Во время нашего путешествия вокруг света мы в большей или меньшей степени осветили все эти действия. Можно сделать вывод: счет, измерение, определение местоположения, проектирование, игра и объяснение присутствуют во всех культурах, но часто претворяются в жизнь посредством разных идей, символов, приемов и технологий. В этом смысле следует особо отметить, что за границами западного мира математика не отделяется от культурного контекста, в котором она находится.

При постройке домов тораджи (Индонезия), буддийских ступ (Индия, Непал) или ступенчатых пирамид (Мексика) задействованы математика и математическая мысль, но не сами по себе, а для достижения высшей цели, ведь все эти жилища, храмы и мавзолеи выполняют особую социальную и культурную функцию.

Выделение области знания под названием «математика» — относительно новая идея, неизвестная во многих традиционных культурах. На западе искусство отличают от декоративно-прикладного творчества, архитектуру — от инженерного дела и религии. Но в других регионах подобных различий не существует, и если мы попытаемся выделить математические идеи, которые неявно присутствуют в неком проявлении культуры, то его авторы сочтут подобные действия искажением истинного смысла их творчества.

Мужчины и женщины во многих народах делают подношения богам, чтобы продемонстрировать им свое почтение или обратиться с просьбой. Все эти ритуалы проходят по определенным правилам, которые соблюдаются со всей строгостью. На острове Бали (Индонезия) подношения укладывают в особую посуду, изготовленную из банановых листьев и листьев кокосовой пальмы, которым зара нее придается особая геометрическая форма. Эту посуду изготавливают женщины, и искусство ее складывать передается по женской линии из поколения в поколение.

Нечто похожее происходит в штатах Керала и Тамилнад на юге Индии, где местные жители рисуют особые узоры под названием колам.

Счет и вычисления известны во всем мире, но разные культурные контексты способствуют созданию народных методов счета и вычислений в уме, которые широко применяются в торговле. Продавцы на африканских рынках и водители автобусов в Индии создали собственные методы умножения и деления, не требующие бумаги и карандаша. В некоторых из них применяются алгебраические свойства, изученные в школе или заимствованные в научном мире, но другие методы рождаются прямо на месте.

Существует ли хоть одна культура, в которой не проявляется интерес к симметрии? Симметрия присуща человеку, и, возможно, именно поэтому многие вещи, сделанные его руками, как правило, обладают симметрией — дома во всем мире, храмы, многие города, спланированные заранее, орнаменты, орудия труда и так далее. Мы живем в симметричном мире, и даже самые передовые течения в дизайне не могут избежать всеобщей власти симметрии, которая традиционно считается признаком красоты. Симметрия и равновесие тесно связаны, поэтому несимметричное просто не может быть красивым.

Ни одному народу не удалось остаться в стороне от логики и азартных игр. При этом если логика народа, которой подчиняются социальные связи, проявляется в известных всем структурах родства, то игры представляют собой модели мира, полного неопределенности, в которых главную роль играет риск. Жажда выигрыша и страх поражения движут всеми людьми, и воссоздать эти силы в контролируемых условиях помогает случайность. Мы не знаем, существует случайность на самом деле или она представляет собой лишь меру нашего незнания, но азартные игры не имели бы смысла без фактора неопределенности, который в конечном итоге служит количественным выражением риска. При создании источников случайных событий свою роль вновь играет математика. Классические игральные кости представляют собой кубы (вероятности выпадания всех шести граней одинаковы), но игральные кости в игре бола адил имеют другую геометрическую форму. Геометрия, в этом случае симметрия, порождает случайные ситуации, которые помогают участникам игры понять и принять случайность.

Наблюдая за игрой, нельзя не задуматься о том, какие математические идеи лежат в ее основе. Стремление узнать их равнозначно стремлению познать мир. По чему мы решили искать математические идеи за пределами нашей культуры? Да потому, что в этом незнакомом для нас пространстве происходят самые разные события, и знания о них могут обогатить нас. Официантки всего Малайского архипелага складывают салфетки, деля прямой угол при одной из вершин на три равные части. Но при этом они используют не геометрический подход, заимствованный из академической математики, а более практичные и эффективные народные методы.

Этноматематика знакомит нас с другими народами, культурами, приемами, орудиями труда и техниками и тем самым способствует обогащению наших собственных математических знаний, ведь при взаимодействии культур всегда рождаются новые идеи и принципиально новые математические задачи.

По внешнему виду тысячелетнего петроглифа можно только предположить, какие математические идеи вдохновляли его автора. Но проверить наши гипотезы невозможно, ведь мы не можем задать вопрос автору петроглифа, мы не знаем, какие орудия труда он использовал. Предположения о том, какие математические знания необходимы для создания культурного артефакта, например при резьбе по дереву или ткачестве, будут более достоверны, если мы понаблюдаем за тем, как работают мастера, за их методами, технологиями и даже языком.

Но может случиться и так, что, даже внимательно наблюдая за ними, мы составим неправильную математическую модель их действий. Именно так произошло в примере со складыванием салфеток: видимые действия оказались неотличимы от тех, что необходимы для реализации математической модели, предложенной автором.

Чтобы не допустить подобных ошибок, следует больше расспрашивать людей, просить их подробно объяснить интересующий нас процесс. И только в этом случае (и то с оговорками) мы сможем понять, как именно они рассуждают.

Некоторые животные создают настоящие архитектурные шедевры. Пчелы, пауки, птицы и навозные жуки способны создавать шестиугольные соты, правильные геометрические узоры или шары практически идеальной формы. Если понаблюдать за ними, то можно посчитать, что эти соты, паутина, гнезда и навозные шарики тоже представляют собой воплощение математических идей. Однако между животными и человеком существует принципиальное различие: животных нельзя расспросить, следовательно, мы можем лишь выдвигать гипотезы, описывающие их поведение.

Допустим, мы получили новые математические знания. Что с ними делать?

Один из возможных ответов на этот вопрос звучит так: мы можем расширить обе математические культуры — народную, где эти знания возникли, и чужую, представитель которой выявил новые для себя знания. Такое обогащение происходит постоянно, причем в обоих направлениях: математические идеи могут переходить из неакадемического контекста в академический и наоборот. В этом и заключается важность образования. Принадлежать к определенной культуре — значит владеть ее характерными особенностями, знать язык, обычаи, жизненную философию, ритуалы и верования, способы обмена, жить в домах, построенных по определенным правилам, питаться определенной едой, участвовать в играх, а также (почему бы и нет?) естественным образом изучать математику этой культуры. Мы показали, что не существует культуры без математики.

Наш мир становится все более глобальным, и главной движущей силой в нем являются технологии. Да, технологии невозможны без математики, но это вовсе не означает, что за пределами нашего мира, полного самых разных технологий, не существует математики, которую мы могли бы изучить. У каждого народа и в каждой культуре пытливый человек может найти немало интересного. На страницах этой книги мы лишь немного познакомили вас с этноматематикой, и наша математическая одиссея на этом заканчивается.

Библиография

ASCHER, М., Ethnomathematics. A multicultural View of Mathematical Ideas, Nueva York, Chapan & Hall/CRC, 1998.

BISHOP, A., Enculturacion matematica. Las matematicas desde una perspectiva cultural, Barcelona, Editorial Paidos, 1999.

DATTA, B., The Science of the Sulbas: A Study in Early Hindu Geometry, Calcutta University Press, 1932.

GOMBRICH, E.H., El sentido del orden. Estudio sobre la psicologia de las artes decoratiuas, Barcelona, Editorial Debate, 2004.

HlDETOSHI, F., ROTHMAN, T., Sacred Mathematics. Japanese Temple Geometry, Nueva Jersey, Princeton University Press, 2008.

HODGES, P., Como se construyeron las piramides, Edition ampliada у anotada por Julian Keable, Madrid, Tikal Ediciones, 1994.

HONOUR, H., Fleming, J., A World History of Art, Londres, Laurence King Ltd., 1991.

IFRAH, G., Historia universal de las cifras. La inteligencia de la humanidad contada por los numeros у el calculo, Madrid, Editorial Espasa Calpe, 1997.

NARESH, N., Workplace Mathematics of the Bus Conductors in Chennai, India, Ph.D., Illinois State University, 2008.

REY-PASTOR, J., BABINI, J., Historia de la Matematica, Barcelona, Editorial Gedisa, 1983.

ROBINS, G., SHUTE, C., The Rhind Mathematical Papyrus, Londres, British Museum Publications, 1990.

ZALAVSKY, C., Africa Counts. Number and Pattern in African Cultures, Chicago, Lawrence Hill Books, 1973.

* * *

Научно-популярное издание

Выходит в свет отдельными томами с 2014 года

Мир математики

Том 40

Микель Альберти

Математическая планета. Путешествие вокруг света

РОССИЯ

Издатель, учредитель, редакция:

ООО «Де Агостини», Россия

Юридический адрес: Россия, 105066, г. Москва, ул. Александра Лукьянова, д. 3, стр. 1

Письма читателей по данному адресу не принимаются.

Генеральный директор: Николаос Скилакис

Главный редактор: Анастасия Жаркова

Выпускающий редактор: Людмила Виноградова

Финансовый директор: Полина Быстрова

Коммерческий директор: Александр Якутов

Менеджер по маркетингу: Михаил Ткачук

Менеджер по продукту: Яна Чухиль

 Для заказа пропущенных книг и по всем вопросам, касающимся информации о коллекции, заходите на сайт , по остальным вопросам обращайтесь по телефону бесплатной горячей линии в России:

8-800-200-02-01

Телефон горячей линии для читателей Москвы:

8-495-660-02-02

 Адрес для писем читателей:

 Россия, 600001, г. Владимир, а/я 30, «Де Агостини», «Мир математики»

 Пожалуйста, указывайте в письмах свои контактные данные для обратной связи (телефон или e-mail).

 Распространение:

 ООО «Бурда Дистрибьюшен Сервисиз»

УКРАИНА

Издатель и учредитель:

ООО «Де Агостини Паблишинг» Украина

Юридический адрес: 01032, Украина, г. Киев, ул. Саксаганского, 119

Генеральный директор: Екатерина Клименко

Для заказа пропущенных книг и по всем вопросам, касающимся информации о коллекции, заходите на сайт , по остальным вопросам обращайтесь по телефону бесплатной горячей линии в Украине:

0-800-500-8-40

Адрес для писем читателей: Украина, 01033, г. Киев, a/я «Де Агостини», «Мир математики»

Украïна, 01033, м. Кiев, а/с «Де Агостiнi»

БЕЛАРУСЬ

 Импортер и дистрибьютор в РБ:

 ООО «Росчерк», 220037, г. Минск, ул. Авангардная, 48а, литер 8/к,

тел./факс: (+375 17) 331-94-41

Телефон «горячей линии» в РБ:

+ 375 17 279-87-87 (пн-пт, 9.00–21.00)

Адрес для писем читателей:

Республика Беларусь, 220040, г. Минск, а/я 224, ООО «Росчерк», «Де Агостини», «Мир математики»

 КАЗАХСТАН

 Распространение:

 ТОО «КГП «Бурда-Алатау Пресс»

 Издатель оставляет за собой право увеличить рекомендуемую розничную цену книг. Издатель оставляет за собой право изменять последовательность заявленных тем томов издания и их содержание. 

Отпечатано в соответствии с предоставленными материалами в типографии:

Grafica Veneta S.p.A Via Malcanton 2

35010 Trebaseleghe (PD) Italy

Подписано в печать: 03.09.2014

Дата поступления в продажу на территории России: 21.10.2014

Формат 70 х 100 / 16. Гарнитура «Academy».

Печать офсетная. Бумага офсетная. Печ. л. 5.

Уcл. печ. л. 6,48.

Тираж: 28 900 экз.

© Miquel Alberti, 2011 (текст)

© RBA Collecionables S.A., 2011

© ООО «Де Агостини», 2014 *

ISBN 978-5-9774-0682-6

ISBN 978-5-9774-0735-9 (т. 40)

Оглавление

Предисловие

Глава 1 Этнические корни математики

Глава 2 Как считать быстрее и лучше

Глава 3 Божественная математика

Глава 4 Как геометрия делает красивое прекрасным

Глава 5 Этноматематика в повседневной жизни

Эпилог

Библиография Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg