Декарт был прав

Великий математик, философ, физиолог, физик и лирик, неплохо владевший шпагой, Рене Декарт в заключительных строках своей книги с неоригинальным названием "Геометрия" сказал:

"И я надеюсь, что наши потомки будут благодарны мне не только за то, что я здесь разъяснил, но и за то, что мною было добровольно опущено, с целью предоставить им удовольствие самим найти это".

Потомки высоко оценили Декарта и эти его слова. Удовольствий он им оставил очень много. Наряду с тем, что ученый опустил по доброй воле, осталось еще много недоделанного и еще больше вовсе не сделанного по причинам самого объективного свойства. После всякого ученого, а после великого в особенности, остается "фронт работ" намного больший, чем был до него. Так что потомству грех жаловаться на великих предшественников.

Сомкнул навсегда свои веки Декарт, а его знаменитая система координат, так называемый координатный метод, составлявший основу геометрии Декарта, остался незавершенным. Координаты в его системе оказались неравноправными из-за того, что он пользовался только одной осью. Не было и четкого различия в знаках координат. А казалось бы, чего стоило старику провести еще парочку осей и поставить по концам плюсы и минусы! Однако этого он не сделал, и мы не можем быть к нему в претензии.

Сын знатного дворянина Декарт реформировал "чистую" математику, открыл связь между числом и пространственной формой, приложив алгебру к теории кривых линий. Началось быстрое развитие геометрии, и ее успехи вскоре распространились на все области, с нею смежные. Геометрия Декарта послужила необходимой предпосылкой для разработки Лейбницем и Ньютоном дифференциального исчисления - этого могучего аппарата современной математики.

Конические сечения древние геометры получали, орудуя на теле конуса с круговым основанием. Дело это нелегкое, и не зря предупреждал Эратосфен: "...не тщись конус трояко рассечь". Удивительное свойство этих трех кривых, получаемых при различных сечениях конуса (эллипс, парабола, гипербола), открыл Декарт: оказывается, все они, как и окружность, описываются сходными алгебраическими выражениями - уравнениями второй степени (их и называют кривыми второго порядка).

Декарт, разработавший область, никем, кроме Ферма, не тронутую со времен Аполлония, по праву считается создателем аналитической геометрии. Что же касается геометрии начертательной, то удовольствие самому открыть новую ветвь геометрии и честь называться создателем этой науки великий мыслитель оставил кому-нибудь из смышленых потомков.

Сын мелкого торговца Монж, произведенный в репетиторы кафедры математики в Мезьерской школе, занялся именно этим направлением. Удовольствие искать и находить он уже вкусил и потом не мог отказать себе в нем в течение всей своей большой и драматической жизни.

Нельзя сказать, чтобы Монж начал свою работу на совершенно пустом месте и что у него не было достойных предшественников и учителей. Их было предостаточно. Планы, составленные в горизонтальной проекции, известны еще по гробницам фараонов. Но это известно нам, людям двадцатого столетия. И мы знаем, что одним из первых европейцев, проникших внутрь самой большой пирамиды, был Гаспар Монж. Только сделал он это тридцать лет спустя, когда начертательную геометрию уже давно штудировали его ученики.

Известно также, что методы горизонтального и вертикального проецирования - "ихнографию" и "ортографию" - применяли древние греки. А живший задолго до Монжа первый русский настоящий академик, член Парижской академии наук Петр Романов, русский самодержец, ввел в кораблестроение и выполнял своими собственными руками при отменном качестве чертежи кораблей в трех проекциях, то есть в трех плоскостях: "на боку", "пол у широте" и "корпусе". Царь самолично занимался этим, "понеже в Голландии нет на сие мастерство совершенства геометрическим способом..."

Чертежи Петра I изображали не внешний вид предмета, а его теоретическое построение, причем в трех современных проекциях: "бок" - фронтальная проекция, "полуширота" - горизонтальная и "корпус" - профильная. А ведь метод Монжа, каким он вошел в историю и каким мы его знаем, состоит в прямоугольном проецировании на две (только на две, а не три!) взаимно перпендикулярные плоскости - горизонтальную и вертикальную. И если еще древние греки делали то же самое, то не был ли Петр I "святее самого папы римского", то есть не зашел ли он дальше самого Монжа? В чем же заслуга французского геометра, и не преувеличиваем ли мы ее?

Нет, не преувеличиваем. Первый камень в здание начертательной геометрии как науки заложил именно Монж, решив в Мезьере задачу дефилирования местности приемами, свойственными этой науке. Здесь же, в провинциальном Мезьере, он один сложил - камень за камнем - стены, своды и перекрытия этого здания и увенчал его куполом. Это может казаться чудом, но так оно и есть. Сошлемся на высказывание специалиста, советского ученого Бориса Николаевича Делоне.

"Подобно тому, как элементарная геометрия и посейчас излагается почти, как у Евклида, или аналитическая геометрия - близко к тому, как ее изложил Декарт, начертательная геометрия рассматривается и сейчас весьма близко к тому, как ее изложил Монж".

Многое сделали в подготовке строительного материала для будущей науки предшественники Монжа (не будем втуне перечислять заслуги Альберти, Дюрера, Дезарга, рассказ о которых студенты почти не глядя перелистывают во всех учебниках начертательной геометрии), многое потом добавили ученики и последователи Монжа, среди которых немало и русских имен. Здание впоследствии достраивалось и улучшалось, в нем появлялись новые пристройки и флигели, изменялась облицовка фасада, но стены Монжева сооружения остались неприкосновенными и, видимо, сохранятся в веках подобно египетским пирамидам с той лишь разницей, что пирамиды возвеличивали усопших фараонов, а творение Монжа - науку и разум человеческий.

Так в чем же научный подвиг Монжа? Что за необычный цемент он нашел, без которого камни, нарезанные стереотомистами, так и оставались камнями, а не возвысились величественным зданием?

Идея Монжа проста, и прийти она могла до него ко многим людям. Но реализация ее была делом нелегким. Нужно было иметь не только талант Монжа, но и огромное трудолюбие, чтобы не бросить работу на полпути и довести ее до конца.

Выполнять геометрические построения в трехмерном пространстве - дело бесперспективное: нет таких циркулей и линеек, которыми можно было бы вычерчивать в воздухе дуги и прямые линии и находить точки их встречи. Не прибегать же к веревкам, уподобляясь древним геометрам Египта, которых называли "натягивателями веревок"! Нерастяжимая нить еще приемлема на плоскости, ну - в крайнем случае - ограниченном свободном пространстве. Но ведь с веревкой не влезешь в толщу камня или другого материала, куда мысль человека должна проникнуть раньше резца.

Поскольку все тела природы, рассуждал Монж, можно рассматривать как состоящие из точек, прежде всего надо найти способ определения точки в пространстве. Но ведь пространство не имеет границ: все его части совершенно подобны, и ни одна из них не может служить объектом сравнения для того, чтобы указать положение точки. Какие же элементы выбрать, с чем соотносить ее положение?.. Разумеется, с наиболее простыми и удобными.

Из всех простых элементов, которые изучает геометрия, Монж последовательно рассмотрел: точку, не имеющую никаких измерений; прямую линию, имеющую только одно измерение; плоскость, имеющую два измерения. Как ни заманчиво было взять за основу точку или прямую, Монж отказался от них и пришел к парадоксальному на первый взгляд, но верному выводу: хотя плоскость - более сложный геометрический элемент, чем первые два, именно она дает возможность определить наиболее просто положение точки в пространстве!

Итак, плоскость! Проекция точки на плоскость - в этом ключ к решению проблемы. Если из точки опустить на плоскость перпендикуляр, то этой точке будет соответствовать одна-единственная проекция. Но если пойти обратно - от проекции... Уместно задать вопрос: будет ли ей соответствовать только одна, а именно заданная, точка пространства? К сожалению, нет.

Всем точкам, лежащим на проецирующем луче, а их бесконечное множество, будет соответствовать эта проекция. Значит, одна проекция точки еще не определяет ее положения в пространстве. Чертеж надо чем-то дополнить, чтобы сделать его обратимым. Но чем - не числовой же отметкой, указывающей расстояние от точки до ее проекции! Задачу надо решать геометрически...

Возьмем вторую плоскость, решил Монж, и опустим на нее перпендикуляр из заданной точки. Получится вторая проекция. А двух проекций вполне достаточно, чтобы определить положение точки относительно двух избранных плоскостей.

Итак, если принять прямоугольное (ортогональное) проецирование, то проекцией точки, резюмирует Монж, надо называть основание перпендикуляра, опущенного из точки на плоскость. И если мы имеем в пространстве две заданные плоскости и на каждой из них нам даны проекции точки, положение которой надо зафиксировать, то тем самым точка будет вполне определена!

Эти две плоскости проекций могут, вообще говоря, составлять любой угол. Но если он будет тупым, то перпендикуляры к ним встретятся под очень острым углом, что внесет большую неточность. Поэтому, сделал вывод Монж, две плоскости следует выбирать перпендикулярными между собой. А чтобы можно было изображать обе проекции на одном листе и выполнять на нем все построения, надо развернуть вертикальную плоскость вокруг линии ее пересечения с горизонтальной так, чтобы обе они совместились.

Так сформировался метод ортогонального проецирования, или метод Монжа, принятый впоследствии во всех странах мира.

Предшественники Монжа знали обе проекции, попеременно пользовались ими... Именно попеременно - то одной, то другой. Этим и ограничили они возможности чертежа. Надо было объединить обе проекции в единый взаимосвязанный комплекс (эпюр, как стали называть такой чертеж после Монжа) подобно тому, как выражения, содержащие "икс", и выражения, содержащие "игрек", объединены в уравнении линии в аналитической геометрии. Вот чего недоставало геометрии синтетической!

Не стоять на одной ноге и не переминаться с ноги на ногу, а прочно опереться на обе одновременно - вот что надо было сделать, чтобы поднять груз, казавшийся до Монжа непосильным. Прочно опираясь на две взаимосвязанные проекции, геометр начал укладывать камень за камнем в стены нового здания. Он работал с упоением. Чем выше росли стены и чем выше поднимался вместе со стенами их строитель, тем более широкий горизонт открывался перед ним...

Оказывается, на комплексном чертеже можно делать все: построить точку, линию, геометрическую фигуру заданных размеров, даже несколько фигур, заставить их пересекаться, можно их вращать, находить точки и линии пересечения, определять натуральную величину углов и отрезков. Две проекции вполне определяют любой объект и позволяют, не пользуясь образцами и моделями, спроектировать новое сооружение, избежав тех "великолепных нелепостей", когда балка не дотягивается до стены, а лестница повисает в воздухе.

Несколько лет назад Гаспар уже испытывал такое чувство. Но тогда фантазия влекла его неизвестно куда. Он строил воздушные замки, ничего не зная о трудностях и тонкостях дела, неизбежных даже при постройке курятника. На этот раз он вооружен плодотворной и проверенной идеей, вооружен научным знанием. И его столь же пылкая, как и в юности, фантазия ведет вперед, сверяясь по надежному компасу. И строит он не воздушные замки, а науку.

Компас - инструмент малый, но если бы его не было, Америка не была бы открыта, говаривал академик А. Н. Крылов, который очень высоко ценил и постоянно пропагандировал среди морских инженеров творческий стиль великого французского геометра, теснейшую связь в его работах науки с практикой, с потребностями промышленного развития страны.

Внутренний компас Монжа всегда направлял его на те именно теоретические вопросы, прямого и точного ответа на которые настоятельно требовала практика эпохи промышленной революции. Начертательная геометрия Монжа была той теорией, без которой практика уже начинала задыхаться.

"...Надо расширить,- писал позднее Монж,- знание многих явлений природы, необходимое для прогресса промышленности..." Почему мы прибегаем к более позднему высказыванию ученого, а не к его словам мезьерского периода, станет ясно позднее. А сейчас покажем цели начертательной геометрии, как их понимал Монж.

"Эта наука имеет две главные цели. Первая - точное представление на чертеже, имеющем только два измерения, объектов трехмерных, которые могут быть точно заданы.

С этой точки зрения - это язык, необходимый инженеру, создающему какой-либо проект, а также всем тем, кто должен руководить его осуществлением, и, наконец, мастерам, которые должны сами изготовлять различные части.

Вторая цель начертательной геометрии - выводить из точного описания тел все, что неизбежно следует из их формы и взаимного расположения. В этом смысле - это средство искать истину; она дает бесконечные примеры перехода от известного к неизвестному; и поскольку она всегда имеет дело с предметами, которым присуща наибольшая ясность, необходимо ввести ее в план народного образования. Она пригодна не только для того, чтобы развивать интеллектуальные способности великого народа и тем самым способствовать усовершенствованию рода человеческого, но она необходима для всех рабочих, цель которых придавать телам определенные формы; и именно, главным образом, потому, что методы этого искусства до сих пор были мало распространены или даже совсем не пользовались вниманием, развитие промышленности шло так медленно".

Так писал, повторяем, позже создатель этой науки о ее целях. До Монжа была стереотомия - свод трудноусвояемых правил и приемов решения различных практических задач, который прежде занимал три тома. После Монжа - лишь один том "Начертательная геометрия" всего с пятьюдесятью тремя рисунками, дающий методы решения всех этих и других задач. Мало того, он - и средство "искать истину", средство познания нового.

"Если алгебраист,- пишет Ф. Араго,- при каждой задаче, относящейся к умножению, делению, извлечению корней, будет объяснять правило знаков, то он попадет на ту самую дорогу, которой ходили старые стереотомисты. Монж прочистил этот хаос, показав, что графические решения геометрических задач, касающихся тел с тремя измерениями, основываются на небольшом числе правил, изложенных им с чудесной ясностью. После того ни один самый сложный вопрос не остался исключительным достоянием людей с высшими способностями... Трактат Монжа о начертательной геометрии сделался столь же популярным, как басни Лафонтена".

Араго не преувеличивает. Книга Монжа завоевала такую популярность, какой потом не обрела ни одна из книг, написанных популяризаторами этой науки, не говоря уже о некоторых более поздних учебниках, изложенных в духе последователей Аристотеля, которые считали, что если в изложении предмета нет "величественной темноты", то это - не наука. Иначе не солидно будет, иначе не поймут, что начертательная геометрия небесполезна и в век ЭВМ. Думается, что подобные заботы Монжу не нужны, поскольку ему и его методу забвение не грозит даже в эпоху машинной графики и дисплеев.

Насколько просто и ясно излагал свой метод Гаспар Монж и в своих лекциях, можно видеть из высказывания Лагранжа, который после одной из них сказал: "Не слыхав Монжа, я и не знал, что хорошо знаю начертательную геометрию".

О популярности лекций Монжа и его замечательного трактата свидетельствуют многие высказывания современников. Но пришла эта популярность не в то время, когда геометр жил в Мезьере, а много лет спустя. Нам пришлось забежать вперед, чтобы показать, насколько важный вклад в науку сделал репетитор математики, трудясь в полном одиночестве над искусством резки камней в небольшом провинциальном городе.

Обладая необычайно развитым пространственным воображением, глубокими познаниями в различных областях и незаурядными способностями к изобразительному искусству и инженерной графике, Монж рационализировал шаг за шагом приемы геометрических построений, уточнял правила, подводил под них теоретическую основу. Предложенная им рациональная техника работы, чрезвычайно удобная и экономная, позволила унифицировать чертежи, привести их к единым способам построения. Теперь уже небольшой комплекс уточненных и взаимно согласованных на новой методической основе правил не представлял особой сложности для изучения. Единожды усвоив метод работы, можно было применять эти правила безошибочно...