Глава 3 Божественная математика

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 ?, куда погружена нижняя часть тории, то общая структура будет состоять из четырех плоскостей ?₁, ?₂, ?3 и ?, 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° — ?) 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».