Какие правильные многоугольники можно нарисовать "по клеточкам"? Очевидно, что прекрасно будут получаться квадраты, а какие именно квадраты? А как насчёт иных фигур?
В одной из прошлых заметок мы уже рисовали прямоугольники на регулярной квадратной решётке, а попутно познакомились с гауссовыми числами. При этом мы выясними, что внутри регулярной решётки содержится множество других подрешёток, тоже регулярных и тоже квадратных. Элементарными ячейками этих подрешёток и будут все возможные квадраты с вершинами, расположенными в узлах решётки. Их площади выражаются числами, которые могут быть представлены в виде суммы двух квадратов, либо сами являются квадратами натуральных чисел. Вот начало ряда таких чисел: 1, 2, 4, 5, 8, 9, 10, 13, 16, 17, 20, 25, 26, 29...
Таким образом, недоступными для построения останутся квадраты с площадью в 3, 6, 7, 11, 12, 14, 15, 18, 19, 21, 22, 23, 24, 27, 28, 30,... клеток. Все эти числа содержат в качестве множителя число, дающее остаток 3 при делении на 4.
Кстати, это обстоятельство позволяет имея нарисованный на бумаге рисунок, перерисовать его "по клеточкам", пропорционально увеличив его масштаб и используя одну и ту же сетку. Но масштаб увеличения, при этом, ограничен суммами двух квадратов.
А что с другими правильными фигурами: треугольниками, пятиугольниками и т.д.? Увы, кроме квадратов, вершины никакого другого правильного многоугольника в узлах квадратной решётки разместить не получится.
Доказать это утверждение, достаточно просто и элегантно можно, используя наши знания о подрешётках.
Предположим, что нам удалось построить правильный многоугольник с вершинами, расположенными в узлах квадратной решётки. Каждая из сторон многоугольника является генератором своей подрешётки, а это значит, что отрезки, равные стороне, и перпендикулярные сторонам, тоже должны попадать как на узлы подрешётки, так и на какие-то узлы основной решётки. Такие отрезки называются ассоциированными.
Рассмотрим отрезки, ассоциированные со сторонами многоугольника, и ориентированные в его внутреннюю часть. В силу симметрии, все концы внутренних отрезков должны сформировать такой же правильный многоугольник, но меньше исходного. Если мы станем применять это построение многократно, то рано или поздно, получим многоугольник с длиной стороны, не превышающей минимальное расстояние между узлами решётки, и таким образом, придём к противоречию.
В случае треугольника этот метод не уменьшает, а увеличивает фигуру. Однако, если бы мы могли построить правильный треугольник, то нам не составило бы труда сформировать из шести его копий правильный шестиугольник, а его, как мы уже доказали, построить невозможно.
Таким образом, все похожие на правильные многоугольники фигуры, нарисованные по клеточкам, могут быть лишь приближениями. Вот некоторые особо удачные приближения, вполне пригодные для рисования на уроке геометрии:
Конечно, нам остаются доступны различные равносторонние фигуры, но у них будут не равны друг другу все углы, так что правильными их назвать будет нельзя.
Невозможность существования правильных многоугольников с вершинами, расположенными в узлах регулярной квадратной решётки, само по себе, не сильно портит людям жизнь. Но это обстоятельство связано с ещё одним свойством решёток и гауссовых чисел, которое, начиная с восьмого класса, изрядно досаждает школьникам: несоизмеримость углов и тригонометрических функций — синусов косинусов и тангенсов.
Взгляните на таблицу значений тригонометрических функций для "хороших" углов. Кроме весьма особых 0°, 90°,180° и 270° нет ни одного столбца, не содержащего какой-нибудь иррациональный корень. Да и самых этих "хороших" углов очень мало: кроме тривиальных, только три: 30°, 45° и 60°. Наконец, и для этих углов синус и косинус не могут оказаться рациональными одновременно. Все же остальные углы мы не учим вовсе, потому что тригонометрия для них превращается в устрашающее нагромождение квадратных корней.
В тоже самое время, очень легко построить треугольник, в котором все тригонометрические функции принимают рациональные значения (как, например, в прекрасном "египетском" прямоугольном треугольнике со сторонами 3, 4 и 5), но тогда его углы оказываются несоизмеримыми с развёрнутым или прямым углом!
Почему это так, и как с этим можно было бы справиться, мы поговорим в следующей заметке, посвящённой рисованию по клеточкам.