円積問題のソースを表示

[[Image:Squaring the Circle J.svg|right|thumb|円積問題：この図の円と正方形は等積である。この図を[[コンパス]]と[[定規]]だけで（有限回の手続きにより）作図することは不可能である。]]
'''円積問題'''（えんせきもんだい）とは古代の幾何学者たちによって定式化された「与えられた長さの半径を持つ円に対し、[[定規とコンパスによる作図|定規とコンパスによる有限回の操作]]でそれと面積の等しい正方形を作図することができるか」という問題である。英語では'''円の正方形化''' (えんのせいほうけいか、squaring the circle) とも呼ばれる。

この問題は有理数体から出発して、[[可換体|体]]のある元の平方根を追加して新しい体を得るという操作の有限回の繰り返しで[[円周率]]を含むような体が得られるか、と言い換えることができる。[[1882年]]に、円周率が[[超越数]]であることが示されたことにより、円積問題は実現不可能だと証明された。

一方、コンパスや定規以外の道具を用いて円を正方形化することや、コンパスと定規のみを用いて近似的な解を作図する方法が多く知られている。

== 歴史 ==
[[Image:Squaring the circle.jpg|right|350px|円積法]]
[[Image:Hipocrat arcs.svg|right|thumb|200px|部分的な解がいくつか発見されたこともあり、長年にわたって円積問題への肯定的な見込みが抱かれていた。上図では、影の部分の面積と三角形ABCの面積が等しい（[[ヒポクラテスの定理|ヒポクラテスの三日月]]）。]]
与えられた円に対し、それに近い面積の正方形を近似的に求める方法は[[バビロニア数学|バビロニアの数学者]]にも既に知られていた。[[紀元前1800年]]頃のエジプトの[[リンド数学パピルス]]には、直径が {{mvar|d}} の円の面積は {{math|{{sfrac|8<sup>2</sup>|9<sup>2</sup>}} ''d'' <sup>2</sup>}} 、即ち {{math|{{sfrac|64|81}} ''d'' <sup>2</sup>}} だと記載されている<ref group="注">円周率を256/81=3.160493…とした場合に相当する。</ref>。[[シュルバ・スートラ]]には{{仮リンク|インド人数学者の一覧|en|List of Indian mathematicians|label=インドの数学者}}による近似の手法（精度は劣るが）が記録されている。また、インドの数学者たちは与えられた正方形に対して、それに近い面積の円を近似的に作図する方法も与えている<ref>O'Connor, John J. and Robertson, Edmund F. (2000). [http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/HistTopics/Indian_sulbasutras.html ''The Indian Sulbasutras''], [[MacTutor History of Mathematics archive]], [[St Andrews University]].</ref>。

[[古代ギリシア]]で円の正方形化に最初に取り組んだのは、イオニア学派の[[アナクサゴラス]]だとされている。[[キオスのヒポクラテス]]は円積問題に取り組む過程で、いくつかの三日月形（2つの円弧で囲まれた領域）の正方形化を達成している。[[ソフィスト]]の[[アンティポン]]は、円に内接する正多角形に注目した。多角形は正方形化できるので、円の内接多角形の辺の数を倍々に増やして円を正多角形で埋めつくせば円と同じ面積の正方形を求められると彼は主張した。それに対する懐疑的な見方は当時から存在し、[[ロドスのエウデモス]]は、"magnitudes cannot be divided up without limit, so the area of the circle will never be used up." （「数量というものは無限分割不可能なのであり、故にその円の面積は決して尽くされはしないのだ」）と反論した<ref>{{cite book
|last = Heath
|first = Thomas
|year = 1981
|title = History of Greek Mathematics
|publisher = Courier Dover Publications
}}. 日本語訳は{{Cite book|和書
|author = T・L・ヒース
|authorlink = T・L・ヒース
|others = [[平田寛]]・[[大沼正則]]・[[菊池俊彦]]訳
|year = 1998
|month = 5
|title = ギリシア数学史
|edition = 復刻版
|publisher = 共立出版
|isbn = 4-320-01588-6
}}</ref>。円積問題は[[アリストパネス]]の喜劇『[[鳥 (アリストパネス)|鳥]]』の中にまで登場している。

正方形化を[[定規とコンパスによる作図|定規とコンパスだけを使って作図する問題]]として提示したのは[[キオス]]の[[オイノピデス]]が最初だと考えられている。[[ジェームズ・グレゴリー]]は、1667年に「''Vera Circuli et Hyperbolae Quadratura''（円と双曲線の正方形化）」において、円積問題は不可能だと証明しようとした。結果的に彼の証明は間違っていたが、円積問題に対して初めて[[円周率]] ([[π|{{π}}]]) の代数的な性質に基づいた議論を試みたものになった。1882年に[[フェルディナント・フォン・リンデマン]]が円周率の[[超越数|超越性]]を証明したことで、円積問題が不可能であることの厳密な証明が得られた。

== 不可能性の証明 ==
与えられた円と等しい面積の正方形を作図するためには、単位長さに対して {{math|1={{sqrt|{{π}}}}}} の長さを作図することが必要となる。{{π}} が[[代数的数]]（[[代数方程式]]の解となる[[複素数]]）ではなく[[超越数]]であることを示すことによって円積問題の不可能性が示される。実際、作図可能な数は代数的数になるので、円の正方形化が可能ならば円周率は代数的数だということになってしまう。円の正方形化の可能性は'''正方形の円化'''の可能性と同値なので、こちらの不可能性も示されたことになる。

[[ヨハン・ハインリッヒ・ランベルト]]は、[[1768年]]の論文で {{π}} が[[無理数]]であることを証明し、さらに、当時はまだ超越数の存在すら証明されていなかったが、{{π}} は超越数だろうと予想している。{{π}} が超越数であることは[[1882年]]に[[フェルディナント・フォン・リンデマン]]によって証明された。

制限を緩めて、コンパスや定規を仮想的に無限回使うことを認めたり、ある種の[[非ユークリッド空間]]で作図することを認めたりした場合には、円積問題の作図は可能になる。例えば、[[ユークリッド空間]]では正方形化は不可能な一方、[[カール・フリードリヒ・ガウス|ガウス]]・[[ボヤイ・ヤーノシュ|ボヤイ]]・[[ニコライ・ロバチェフスキー|ロバチェフスキー]]が提唱した[[双曲幾何学]]の空間では正方形化が可能となる。

== 近代の近似作図法 ==
円積問題の作図は不可能だが、{{π}} にごく近い数を構成することで、与えられた円の面積を任意の精度で''近似する''正方形を作図することは可能になる。与えられた有理数の長さを持つ線分を作図するのには初等的な原理しか必要としない一方、このような方法による作図は得られる近似精度に比べて効率の悪い煩雑なものになりがちである。

円積問題の作図が不可能だと証明された後にも、円の正方形化の'''[[数学的な美|美しい]]'''近似法（つまり、同程度の精度の近似法のうちで特に単純なもの）を見つけることに精力を傾ける数学者がいた。

近代の近似作図法として、[[アーネスト・ウィリアム・ホブソン]]が[[1913年]]に考案したものが挙げられる。これは比較的正確な作図法で、{{π}} の近似値として3.14164079….（小数点以下4桁まで正確である）を用いるものである。

小数点以下6桁まで正確な次の近似値を用いた作図が、1913年にインドの数学者[[シュリニヴァーサ・ラマヌジャン]]、[[1963年]]に[[C・D・オールズ]]、[[1966年]]に[[マーティン・ガードナー]]、[[1982年]]には[[B・ボールド]]によって、それぞれなされている：
:<math>\pi \approx \frac{355}{113} =3.1415929203539823008\dots</math>
シュリニヴァーサ・ラマヌジャンは、[[1914年]]、小数点8桁まで正確な近似値
:<math>\pi \approx \left( 9^2 +\frac{19^2}{22} \right)^{\tfrac{1}{4}} =\sqrt[4]{\frac{2143}{22}} =3.1415926525826461253\dots</math>
を用いた作図を見出した。

[[ロバート・ディクソン]]は、[[1991年]]、小数点以下4桁の精度にすぎないが[[コハニスキの近似]]といわれる次の近似を用いて作図した<ref>[http://mathworld.wolfram.com/KochanskisApproximation.html Kochanski's Approximation -- from Wolfram MathWorld]</ref>：<!--
:<math>\pi \approx \frac{6}{5} (1+\varphi )</math> and <math>\sqrt{\frac{40}{3} -2\sqrt{3} \ }</math> -->
:<math>\pi \approx \sqrt{\frac{40}{3} -2\sqrt{3}\ } =3.141533\dots</math>

== 喩えとしての用法 ==
円の正方形化が不可能だと数学的に証明されても、それを認めようとせず、何年も解法を求め続けた数学者も多かった。[[トマス・ホッブズ]]も死ぬまでの24年間もの間、解法を得たと信じたため、否定した[[ジョン・ウォリス]]を非難し続けた。英語圏では、''square the circle''（円を四角にする）という言葉を、不可能なことを企てる人の喩えとして用いる<ref>[https://ejje.weblio.jp/content/square+the+circle square the circle [[weblio]]]</ref>。

== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}
=== 注釈 ===
{{Notelist2}}
=== 出典 ===
{{Reflist}}

== 関連項目 ==
*[[リンデマンの定理]]
*[[インディアナ州円周率法案]] - 円積問題の（誤った）解法が法律化されそうになった事件。
* [[立方体倍積問題]]、[[角の三等分問題]] - 本問題とともに[[定規とコンパスによる作図#不可能な作図|三大作図問題]]として知られる。

== 外部リンク ==
* {{Kotobank}}

{{数学}}

{{Normdaten}}
{{DEFAULTSORT:えんせきもんたい}}
[[Category:代数学]]
[[Category:平面図形]]
[[Category:円周率]]
[[Category:数学に関する記事]]
[[Category:アナクサゴラス]]