הכפלת הקובייה

הכפלת הקובייה היא אחת מהבעיות הגאומטריות של ימי קדם. הבעיה נוסחה על ידי היוונים הקדמוניים, ונשארה פתוחה במשך מאות שנים, עד שהוכחה במאה ה-19 כבלתי-פתירה באמצעות תורת גלואה.

הבעיה היא: "כיצד ניתן להכפיל נפח של קובייה נתונה באמצעות סרגל ומחוגה?" כלומר, בהינתן מקצוע של קובייה, כיצד ניתן לבנות את המקצוע של הקובייה הכפולה ממנה בנפחה. בעיה זאת שקולה לבניית המספר הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \sqrt[3]{2}} .

היסטוריה

הבעיה מבוססת על סיפור לפיו באתונה פרצה מגפה. לשאלת התושבים כיצד ניתן לעצור אותה, ענתה האורקל שעליהם להכפיל את נפח המזבח של אפולו, שצורתו הייתה קובייה. התושבים ניסו לעשות זאת על ידי הכפלת אורך המקצוע, אך פתרון זה הוא שגוי משום שלמעשה הוא מכפיל את נפח הקובייה פי 8. באופן כללי, אם מגדילים את המקצוע פי הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle a} , אז נפח הקובייה גדל פי הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle a^3} . לכן כדי להכפיל את נפחה של קובייה יש להגדיל את הצלע פי הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \sqrt[3]{2}} . לאחר שהבינו את הבעיה, הם ניסו למצוא דרך לבנות קובייה כפולה בנפחה, אך ללא הצלחה.

התפתחות חשובה בחיפוש הפתרון התרחשה כאשר מצא היפוקרטס מכיוס ניסוח חילופי: נתון קטע, יש למצוא שני קטעים כך שהראשון ממוצע גאומטרי של הקטע הנתון ושל השני, ואילו השני ממוצע גאומטרי של הראשון ושל קטע כפול מהקטע הנתון. כלומר, אם נתון קטע באורך a, יש למצוא r ו-s כך ש: הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle a:r=r:s=s:2a\ } . קל לראות ש-הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle {s \over r} = \sqrt[3]{2}} . הוא ומנכמוס הראו גם שניתן לפתור בעיה זאת על ידי מציאת חיתוך של פרבולה והיפרבולה או שתי היפרבולות.

בשנת 1837 הוכיח פירה וונצל ש-הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ \sqrt[3]{2}} איננו שייך לשדה המספרים הניתנים לבנייה, ולפיכך הבעיה איננה פתירה.

הוכחה

ניתן להראות שכל המספרים הניתנים לבנייה שייכים לשדה המהווה הרחבה מממד הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle 2^n} (כאשר n הוא מספר טבעי כלשהו) של שדה המספרים הרציונליים, כיוון שחיתוך של שני ישרים משאיר את המספר באותו הממד, ואילו חיתוך של ישר עם מעגל או שני מעגלים יוצר הרחבה ריבועית. נניח בשלילה ש-הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \sqrt[3]{2}} ניתן לבנייה בסרגל ומחוגה, אז הוא צריך להיות שייך לשדה כאמור (נסמן אותו ב-F). שדה זה חייב להכיל את השדה הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mathbb{Q} (\sqrt[3]{2})} , שהוא הרחבה ממד 3 של שדה המספרים הרציונליים. לכן מתקיים:

הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle [F:\mathbb{Q}] = [F:\mathbb{Q} (\sqrt[3]{2})][\mathbb{Q} (\sqrt[3]{2}):\mathbb{Q}]}

הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle 2^n = [F:\mathbb{Q} (\sqrt[3]{2})]\cdot 3}

זה בלתי אפשרי, כי 3 איננו גורם של הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle 2^n} . סתירה.