Плутарх (46/48-125/127 н. э.), историк

Метод исчерпывания и сейчас известен под таким названием. Само выражение «метод исчерпывания» было впервые введено бельгийским математиком Грегуаром де Сен-Венсаном (1584-1667), а затем распространилось повсеместно.

Чтобы использовать данный метод, мы вписываем многоугольник в криволинейную фигуру и описываем его вокруг нее. Это значит, что криволинейная фигура получается зажатой изнутри и снаружи. Теперь последовательно увеличиваем количество сторон у внутреннего многоугольника и у наружного, чтобы они как можно больше приближались по конфигурации к криволинейной фигуре. Метод исчерпывания, таким образом, можно считать общим понятием, которое раскладывается на две процедуры. 

— Исчерпывание: многоугольная фигура вписывается в криволинейную вплоть до исчерпывания последней, то есть так, чтобы осталось как можно меньше непокрытой площади. 

— Сжатие: многоугольная фигура описывается вокруг криволинейной вплоть до того, как останется как можно меньше лишней площади. 

Действительно, мы можем найти настолько близкий к площади криволинейной фигуры многоугольник, насколько пожелаем. Данное положение носит название «аксиома Архимеда» (хотя подобная мысль была определенным образом выражена уже в евклидовых «Началах»). В современных терминах это означает, что если вы берете отрезок любой длины и отнимаете от него больше половины, а от его остатка снова отнимаете больше половины и так далее, то можно получить отрезок сколь угодно малой величины.

Большой шаг вперед при использовании аксиомы Архимеда состоит в идее приближения. Греческие математики искали точные и абсолютные ответы, из чего и строились их методы. С аксиомой Архимеда же любой человек, желающий узнать, например, площадь некоей фигуры, может подойти к решению сколь угодно близко, хотя и не получит точного ответа. В методологии Архимеда этот прием занимал действительно большое место, так что он даже обосновал его точным геометрическим доказательством: если имеется криволинейная фигура, можно с помощью метода двойного доведения до абсурда доказать, что ее площадь равна значению, полученному методом исчерпывания. Логическая последовательность такова.

— Дана криволинейная фигура с площадью S.

— Предполагается, что ее площадь составляет Т (это и является предметом проверки).

— Следует доказать, что S = Т.

— Сначала доказывается, что не может быть S<T.

— Затем — что не может быть S>T.

— Поскольку S не может быть ни меньше, ни больше T, следовательно, S=T.

Невсис, что можно перевести с древнегреческого как «наклон», это техника геометрических построений. Она состоит в том, чтобы построить отрезок определенной длины между двумя кривыми так, что он (или его продолжение) пройдет через заданную точку. Речь идет о ручном построении: на линейке отмечаются две крайние точки отрезка, а затем линейка сдвигается, пока данные точки не лягут на соответственные кривые. Можно сказать, что это такой геометрический «счет на пальцах».

Под влиянием платоновского идеализма, который пронизывал греческую математику во времена Архимеда, все математические доказательства делились в соответствии с определенной иерархией, отражавшей их красоту и изящество. Если что-то можно было выполнить при помощи линейки и циркуля, надо было пользоваться только этими инструментами. Если нет, то задача «спускалась» на второй уровень, как, скажем, конические сечения. К невсису допускалось прибегать только в тех случаях, когда другое решение отсутствовало. Архимед использовал невсис во многих ситуациях, например в утверждениях 5-9 книги «О спиралях», но мы остановимся подробно на трисекции угла (см. рисунок), описанной им в утверждении 8 «Книги лемм».

Трисекция угла с помощью невсиса.

— Дан угол АВС, который следует разделить на три.

— Проводится окружность с центром В любого радиуса, которая пересекает луч В А в точке Р, а луч ВС в точке Q, луч ВС продолжается до прямой, пересекающей окружность в точке R.

— Затем от точки Р проводится прямая STP таким образом, чтобы точка S лежала на прямой CQBR, а Т — на окружности, и при этом выполнялось условие ST = BQ = ВР = ВТ. (Эта операция как раз требует применения невсиса и линейки с разметкой.)

— Далее легко показать: так как треугольники STB и ТВР равнобедренные, то угол BST составляет треть от угла QBP, который требовалось разделить на три.

Издревле люди замечали, что все круги, в сущности, представляют собой одну и ту же фигуру, только разных размеров — больше или меньше. Было понятно, что пропорции у них одинаковы, то есть соотношение между длиной окружности и ее диаметром является величиной постоянной. А значит, если разделить длину окружности на ее диаметр, мы всегда получим одно и то же число, определенную постоянную к. Но что это за число? Данный вопрос занимал не только древнегреческих математиков, стоял он и перед мыслителями других культур.

Все окружности имеют одно и то же соотношение (к) длины окружности и диаметра.

Для нахождения этого соотношения потребовались целые столетия и океан чернил. Древние математики пытались обозначить упомянутую пропорцию соотношением целых чисел, так что одно за другим появлялись различные приближения, призванные точнее выразить данную величину. И только в начале XIX века было доказано, что искомое соотношение представляет собой иррациональное число, вот почему все попытки получить его делением натуральных чисел были столь бесплодны. Сейчас это число называется π (греческое «пи»):

длина окружности = π • диаметр

Приближение Архимеда настолько удачно, что оно не только использовалось на протяжении многих столетий, но и сегодня вполне пригодно для решения различных практических задач. Согласно его расчетам, соотношение длины окружности и диаметра выражается формулой L=3,14d.

В работе «Об измерении круга» отражены изыскания Архимеда в области соотношения длины окружности (L) и ее диаметра (d). Из утверждения 3 этого трактата следует, что длина окружности в 3,14 раз больше ее диаметра, то есть L = 3,14 d.

Если мы вспомним выражение, знакомое всем со школы (I = π • d), то увидим, что Архимед нашел значение я с точностью до второго знака после запятой, то есть у него π = 3,14. Это приближение использовалось все Средние века, а в некоторых случаях мы работаем с ним и сегодня, хотя и знаем, что на самом деле π — иррациональное число с бесконечным числом знаков после запятой.

Техника, которую применил Архимед для нахождения данного соотношения, была основана на методе исчерпывания, описанном выше. То есть он взял окружность и вписал в нее шестиугольник. Между периметром шестиугольника и окружностью осталось пространство, не покрытое шестиугольником. Затем он описал еще один шестиугольник вокруг окружности. Между периметром данного шестиугольника и окружностью осталось пространство, не покрытое окружностью. Естественно, из этого следует, что длина окружности больше периметра вписанного в нее шестиугольника и меньше периметра шестиугольника, описанного вокруг нее.

Можно провести аналогичное умозрительное построение, если использовать понятие площади, причем так будет даже нагляднее. Целью в таком случае будет вычислить площадь круга, ограниченного данной окружностью. Мы знаем, что эта площадь высчитывается по уравнению S = πr². Заметим, что если принять радиус за единицу (r = 1), то площадь будет равна π. Иначе говоря, если мы вычислим площадь окружности с радиусом 1, то получим число π. Архимед предполагал построить круг и как вписывать в него, так и описывать вокруг него правильные многоугольники, начиная с шестиугольника. Площадь круга S_c будет больше площади вписанного шестиугольника SH_p и меньше площади описанного SH_G (см. серые сегменты на рисунке 1). Этим методом невозможно точно определить площадь, но можно установить ее пределы: 2,5981 < S < 3,4641, то есть она больше площади маленького шестиугольника (2,5981) и меньше площади большого (3,4641). Гениальная находка Архимеда состояла в том, чтобы удвоить число углов многоугольника, доведя его до 12-угольника (рисунок 2). В данном случае значение площади круга лежит между двумя более близкими величинами, так что расчет становится более точным, поскольку площади обоих многоугольников приближаются друг к другу.