Os Três Problemas Gregos e Construções com ... - EACH - USP
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<strong>Os</strong> <strong>Três</strong> <strong>Problemas</strong> <strong>Gregos</strong> e <strong>Construções</strong> <strong>com</strong> Régua e Compasso<br />
V Seminário Nacional de História da Matemática<br />
Rio Claro, 14 de abril de 2003<br />
Resumo<br />
Carlos H. B. Gonçalves<br />
bgcarlos@usp.br<br />
Este trabalho é uma introdução à investigação que estamos conduzindo sobre a história dos três problemas clássicos de<br />
construção, a Duplicação do Cubo, a Quadratura do Círculo e a Trissecção do Ângulo. Esses problemas ocuparam um<br />
lugar central na matemática da Antiga Grécia. Diversas soluções foram apresentadas pelos geômetras gregos, utilizando<br />
cônicas e outras curvas <strong>com</strong>o a concóide e a quadratriz, mas nenhuma solução foi conseguida por meio apenas de régua<br />
e <strong>com</strong>passo. Somente no século XIX é que se demonstrou que esses três problemas não podem ser resolvidos <strong>com</strong> régua<br />
e <strong>com</strong>passo.<br />
Abstract<br />
This paper presents an introduction to the investigation we are conducting on the three classical problems of<br />
construction, the Cube Duplication, the Quadrature of the Circle and the Angle Trisection. These were central problems<br />
in the ancient Greek mathematics. Greek geometers succeeded in presenting a number of solutions to these questions,<br />
by means of conics e other curves such as the conchoid and the quadratix, but none of them was able to find a solution<br />
by means of straightedge and <strong>com</strong>pass alone. It was only in the 19 th century that these problems were shown not to<br />
admit a straightedge-and-<strong>com</strong>pass solution.<br />
I. História<br />
Para esboçar uma história dos três problemas de construção na Antiga Grécia, vamos examinar<br />
alguns testemunhos provenientes de estudiosos que estavam inseridos na tradição matemática da<br />
Grécia Clássica. Examinaremos textos de Téon de Smirna, Eutócios de Ascalon e Pápus de<br />
Alexandria, dentre outros. Nesses textos, encontram-se testemunhos a respeito dos três problemas e<br />
soluções que os antigos gregos descobriram. O estudo desses textos, do ponto de vista da<br />
investigação em história da matemática, possibilita analisar a posição dos três problemas no<br />
contexto grego; a relevância deles para o desenvolvimento da matemática grega; as dificuldades<br />
conceituais que os matemáticos gregos enfrentaram; as especificidades do pensamento matemático<br />
grego; e a reconstrução de conteúdos perdidos.<br />
Além do interesse direto para o historiador da matemática, estudos <strong>com</strong> esse enfoque – isto é, feitos<br />
através da leitura e exame de fontes primárias – têm se mostrado, na nossa experiência, estimulantes<br />
e enriquecedores na formação e aperfeiçoamento de professores de matemática de todos os níveis.<br />
Traduzimos os textos seguintes a partir da coletânea em grego [GMW].<br />
Quadratura<br />
Plutarco 1 , pensador do século I, faz a menção mais afastada no tempo que temos à nossa disposição<br />
1 Plutarco de Chaironea (c.45--c.125).
a respeito do assunto. Encontra-se em um de seus escritos, De exilio, em que ele liga Anaxágoras 2 ,<br />
filósofo do século V a.C., ao problema da quadratura do círculo:<br />
Nenhum lugar tira a alegria de um homem, nem a virtude nem a sabedoria. Assim é que<br />
Anaxágoras esboçou a quadratura do círculo na prisão.<br />
Outra referência ao problema da quadratura do círculo é encontrada na <strong>com</strong>édia As Aves, de<br />
Aristófanes 3 :<br />
METON. Eu, colocando aqui minha régua nessa curva, ali meu <strong>com</strong>passo---entende?<br />
PEISTHETAIROS. Não entendo.<br />
METON. Com a régua reta medirei, pondo-a aqui, a fim de que o círculo torne-se, para ti, um<br />
quadrado.<br />
O fato de o problema da quadratura ser mencionado em uma <strong>com</strong>édia nos parece mostrar que o<br />
assunto era popular na Atenas do século V a.C.<br />
O próximo trecho é de Proclo 4 , filósofo e matemático do século V, no Comentário sobre o Livro I<br />
dos Elementos de Euclides. A respeito da proposição 45, que pede a construção de um<br />
paralelogramo <strong>com</strong> um ângulo dado e <strong>com</strong> área igual à área de uma figura dada, ele diz:<br />
Duplicação<br />
E penso que os antigos, levados a partir desse problema, investigaram também a quadratura do<br />
círculo. Pois se é encontrado um paralelogramo igual a qualquer polígono, é também digno de<br />
investigação se não é possível mostrar as figuras retilíneas iguais às contidas por curvas.<br />
O trecho seguinte é de Téon de Smirna 5 , pensador que viveu na primeira metade do século II. Fala<br />
de Eratóstenes 6 e da duplicação do cubo.<br />
Eratóstenes, em sua obra intitulada Platônico, diz que, tendo o deus emitido um oráculo ao povo<br />
de Delos, ordenando que para uma remoção da praga deveriam construir um altar o dobro do<br />
existente, os arquitetos caíram em muita perplexidade procurando <strong>com</strong>o se deve tornar um sólido o<br />
dobro de outro sólido, e foram perguntar sobre isso para Platão. Este disse-lhes que o deus ordenou<br />
isso ao povo de Delos não porque precisasse de um altar duplicado, mas, propondo a tarefa,<br />
porque recriminasse os gregos que não se preocupavam <strong>com</strong> matemática e faziam pouco caso de<br />
geometria.<br />
O próximo texto é um pedaço de uma suposta carta de Eratóstenes para o rei Ptolomeu III 7 . Foi<br />
preservada por Eutócios de Ascalon 8 , que viveu no <strong>com</strong>eço do século VI, no seu Comentário à obra<br />
‘Sobre a Esfera e o Cilindro’, de Arquimedes.<br />
Eratóstenes saúda rei Ptolomeu.<br />
2 Anaxágoras de Clazomene (m.428 a.C).<br />
3 Aristófanes (c.447/6--c.386/380).<br />
4 Proclo de Constantinopla (411--485).<br />
5 Téon de Smirna (c.70 -- c. 135). Smirna é hoje Izmir, na Turquia.<br />
6 Eratóstenes de Cirene (c.276 -- c.194).<br />
7 Ptolomeu Euergetes, (m. 221 a.C). Foi rei do Antigo Egito de 246 a 221.<br />
8 Eutócios de Ascalon (c.480 -- c.540). Ascalon é hoje Ashqelon, na Palestina.
Dizem que um dos antigos poetas trágicos apresentou Mino preparando um túmulo para Glauco, e<br />
sabendo que era em todas as direções de 100 pés de medida, disse:<br />
Tomaste pequeno um leito de um túmulo real;<br />
seja o dobro, e do belo não desviarás<br />
dobrando cada aresta do túmulo rapidamente.<br />
E parece ter <strong>com</strong>etido um erro; pois tendo sido dobrados os lados o plano torna-se o quádruplo, e o<br />
sólido o óctuplo. E procurava-se junto aos geômetras algum modo de alguém dobrar o sólido dado<br />
permanecendo na mesma forma, e chamava-se esse mesmo problema duplicação do cubo; pois<br />
tendo sido suposto um cubo procuravam dobrá-lo. Tendo todos estado em dificuldade por muito<br />
tempo, primeiro Hipócrates de Quios 9 concebeu que caso se encontrem de duas linhas retas, das<br />
quais a maior é o dobro da menor, dois meios proporcionais para tomar em contínua proporção,<br />
estaria duplicado o cubo, de modo que o quebra-cabeças foi transformado em outro não menor do<br />
que ele. E depois de um tempo dizem que algumas pessoas de Delos impulsionadas por um<br />
oráculo ordenando duplicar um dos altares caíram no mesmo quebra-cabeças, e os que foram<br />
enviados para os geômetras junto a Platão na Academia julgaram conveniente encontrar <strong>com</strong> esses<br />
o que era procurado. E fatigando-se aplicaram-se e procuraram tomar dois meios proporcionais de<br />
dois dados e Arquitas de Tarantum 10 diz ter encontrado através dos semi-cilindros, e Eudoxo 11<br />
através das chamadas linhas curvas; e aconteceu a todos eles ter resolvido o problema<br />
teoricamente, e trabalhar <strong>com</strong> as mãos para cair em uma manipulação não puderam exceto em<br />
pequeno grau o Menaecmo 12 e isso <strong>com</strong> dificuldade. E foi encontrada por nós uma solução<br />
mecânica fácil, <strong>com</strong> a qual encontraremos de dois dados não somente dois meios, mas quantos se<br />
peçam.<br />
O trecho seguinte também é da mesma obra de Eutócios:<br />
Sobre a Síntese da Proposição 1<br />
Isso tendo sido tomado, uma vez que por análise as coisas do problema progrediram para ele<br />
(Arquimedes), tendo a análise ido parar em dever-se encontrar dois meios proporcionais em<br />
contínua proporção <strong>com</strong> duas dadas (grandezas), disse na síntese: “Tenham sido encontrados.” O<br />
encontrar deles por ele não encontramos de todo escrito, e temos topado <strong>com</strong> escritos de muitos<br />
homens célebres anunciando esse problema, dos quais rejeitamos o escrito de Eudoxo de Cnido,<br />
uma vez que ele diz no preâmbulo tê-lo encontrado através de linhas curvas, e na demonstração<br />
além de não ter usado linhas curvas, também, encontrando uma proporção dividida, usou-a <strong>com</strong>o<br />
contínua. Assim era descabido supor, o que digo a respeito de Eudoxo, e também a respeito dos<br />
ocupados moderadamente <strong>com</strong> a geometria. Então a fim de que se torne manifesto o pensamento<br />
dos homens que vieram a nós, o modo da descoberta de cada um será escrito a seguir.<br />
A Proposição 1 é a primeira proposição do Livro II de Sobre a Esfera e o Cilindro, de Arquimedes,<br />
cujo enunciado é<br />
Dado um cone ou um cilindro, encontrar uma esfera igual ao cone ou ao cilindro.<br />
Igual significa, nesse contexto, de mesmo volume.<br />
Síntese é o raciocínio a partir dos dados originais de um problema. Contrapõe-se a análise, que é o<br />
raciocínio a partir da suposição de o problema estar resolvido. Na Proposição 1 em questão,<br />
Arquimedes supõe o problema resolvido e raciocina por análise, reduzindo o problema inicial à<br />
determinação de dois meios proporcionais. Na síntese, apenas diz “Tenham sido encontrados” os<br />
dois meios proporcionais, mas não indica <strong>com</strong>o foram encontrados.<br />
9 Hipócrates de Quios (c.470 -- c.410).<br />
10 Arquitas de Tarantum (c.428 -- c.350). Tarantum é hoje Tarento, na Itália.<br />
11 Eudoxo de Cnido (c.408--c.355).<br />
12 Menaecmo (f.c.350 a.C).
Logo em seguida, Eutócios passa a descrever <strong>com</strong>o diversos matemáticos resolveram o problema de<br />
encontrar dois meios proporcionais.<br />
Trissecção e Classificação dos <strong>Problemas</strong> de Construção<br />
O trecho seguinte menciona o problema da trissecção, em um contexto bastante interessante, o da<br />
classificação dos problemas de construção. Vê-se que a classificação dos problemas de acordo <strong>com</strong><br />
o tipo de solução que exigem, <strong>com</strong>o, por exemplo, saber se uma construção pode ser feita <strong>com</strong><br />
régua e <strong>com</strong>passo, é um tema que ocupa os estudiosos da matemática há muitos séculos. No trecho<br />
de Pápus 13 , matemático do século IV, os problemas são classificados em planos, sólidos ou lineares.<br />
<strong>Os</strong> geômetras antigos que desejavam cortar o ângulo retilíneo dado em três iguais ficaram<br />
perplexos por esta razão. Dizemos que há três gêneros dos problemas de geometria, e alguns deles<br />
são chamados planos, outros sólidos e outros lineares. Então os possíveis de resolver por meio de<br />
reta e periferia de círculo seriam chamados, apropriadamente, planos; pois as linhas por meio de<br />
que esses problemas são solucionados têm a gênese em um plano. Certos problemas se resolvem<br />
tendo sido tomada para a solução uma das secções do cone ou mais, e esses têm sido chamados<br />
sólidos; pois para a construção são necessárias superfícies de figuras sólidas, digo cônicas,<br />
forçosamente. E um terceiro gênero de problemas restou, o chamado linear; pois outras linhas<br />
diferentemente das citadas são tomadas na construção, tendo a gênese mais intrincada e <strong>com</strong> mais<br />
restrições, engendradas a partir de superfícies menos determinadas e de movimentos de<br />
intersecção. Essas são as linhas encontradas nos chamados lugares em superfícies, diferentes e<br />
mais intrincadas, das quais muitas foram encontradas por Demétrio de Alexandria em suas<br />
Considerações Lineares e por Fílonos de Tuania a partir de plektóides entrelaçadas e de outras<br />
superfícies de todos os tipos, tendo em relação a elas muitas e admiráveis propriedades . . . Pois<br />
ainda não eram conhecidas deles as secções do cone, e por isso ficaram perplexos; posteriormente,<br />
então, através das cônicas trissectaram o ângulo, depois de ter necessitado para a solução a nêusis<br />
abaixo.<br />
<strong>Os</strong> problemas planos são os que se resolvem pelo uso de retas e circunferências apenas. São os<br />
problemas que admitem solução <strong>com</strong> régua e <strong>com</strong>passo. <strong>Os</strong> problemas sólidos são resolvidos <strong>com</strong> o<br />
auxílio das cônicas. Pápus os chama sólidos porque as cônicas são obtidas de objetos sólidos, a<br />
saber, as superfícies cônicas. O terceiro tipo de problemas é o dos lineares, assim chamados porque<br />
dependem de outras linhas (<strong>com</strong> o sentido de curvas) para a sua solução 14 .<br />
II. Soluções<br />
Duplicação do Cubo<br />
O problema da duplicação do cubo pode ser reduzido ao problema de encontrar dois meios<br />
13 Pápus de Alexandria (c.290 -- c.350)<br />
14 A palavra usual para régua é kanôn. O significado primeiro dessa palavra é vara reta, usada, portanto, para traçados<br />
retos e não para medir segmentos. É a palavra para reta que aparece no texto de Aristófanes citado acima. Dessa idéia<br />
de retidão derivou nossa palavra cânone.<br />
O <strong>com</strong>passo é referido <strong>com</strong>o diabètes. É um substantivo derivado do verbo grego diabàino , que literalmente significa<br />
fazer um movimento de afastar os pés, que é o movimento de abrir o <strong>com</strong>passo. No grego clássico, bàino toma o<br />
significado de andar. Pode-se inferir que o <strong>com</strong>passo grego diabètes não tinha uma estrutura muito diferente do nosso<br />
<strong>com</strong>passo.<br />
Outra palavra interessante é tòrnos, que dá origem à nossa palavra torno e que em grego significava tanto torno <strong>com</strong>o<br />
instrumento de carpinteiro para desenhar círculos, provavelmente um pino na ponta de um fio, <strong>com</strong>o o <strong>com</strong>passo que<br />
muitos professores usam hoje em dia para desenhar circunferências na lousa.
proporcionais entre dois números dados, isto é, à interpolação geométrica de dois termos entre dois<br />
números dados. Vimos nos textos acima que Hipócrates de Quios é tido <strong>com</strong>o o primeiro<br />
matemático a fazer essa redução. O raciocínio é direto.<br />
Imagine que temos um cubo de aresta a . Queremos encontrar dois números x e y tais que a<br />
seqüência ( a , x,<br />
y,<br />
2a)<br />
seja uma progressão geométrica. Dessa forma, os números x e y seriam os<br />
dois meios proporcionais entre a e 2 a .<br />
Assim, podemos escrever<br />
Concluímos que<br />
⎛ a ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ x ⎠<br />
3<br />
=<br />
a<br />
x<br />
x<br />
y<br />
a<br />
x<br />
=<br />
x<br />
y<br />
=<br />
y ⎛ a ⎞<br />
⇔ ⎜ ⎟<br />
2a<br />
⎝ x ⎠<br />
y<br />
2a<br />
3<br />
=<br />
1<br />
2<br />
⇔ 2a<br />
Interpretando o resultado, vemos que x é a medida da aresta de um cubo cujo volume é o dobro do<br />
volume do cubo inicial.<br />
Evidentemente, os gregos não conduziram um raciocínio nos termos que acabamos de apresentar.<br />
Na verdade, nada se sabe de <strong>com</strong>o mostraram que o problema da duplicação do cubo se reduz ao de<br />
encontrar dois meios proporcionais.<br />
Apareceram posteriormente muitas soluções para o problema de determinar dois meios<br />
proporcionais. Eutócios atribui -- provavelmente de maneira equivocada -- a solução seguinte a<br />
Platão.<br />
Trata-se de um mecanismo, indicado na figura<br />
pelas hastes fixas AB , AE e EF . A haste<br />
restante CD é móvel e desliza paralelamente a<br />
AB pelos pontos C e D . Tomamos um<br />
triângulo retângulo GIH , tal que GI é o dobro<br />
de IH . Com o auxílio do mecanismo, podemos<br />
determinar os pontos J e K nos<br />
prolongamentos de GI e HI , <strong>com</strong>o indica o<br />
esquema acima.<br />
O resultado é que os triângulos retângulos HIJ , JIK e KIG são semelhantes, de forma que<br />
3<br />
= x<br />
ou seja, JI e KI são dois meios proporcionais inseridos entre HI e GI .<br />
HI<br />
JI<br />
Portanto, dado um cubo de aresta HI , o cubo de aresta JI terá o dobro de seu volume.<br />
=<br />
JI<br />
KI<br />
=<br />
KI<br />
GI<br />
3
Quadratura do Círculo<br />
Em seguida, leremos uma solução para o problema da quadratura do círculo do terceiro tipo<br />
mencionado por Pápus, através da curva chamada quadratriz. Esta solução, segundo Eutócios, é<br />
devida a Dinostratus 15 e a Ni<strong>com</strong>edes 16 , independentemente. Alguns autores atribuem a descoberta<br />
da curva a Híppias 17 , que pode tê-la usado para retificar e para quadrar o círculo.<br />
Considere o quadrado ABCD . Apliquemos um<br />
movimento de rotação ao segmento AB , em torno do<br />
ponto A e <strong>com</strong> um ângulo de o<br />
90 no sentido horário, de<br />
forma que a imagem do movimento seja o segmento<br />
AD . A figura mostra alguns passos intermediários desse<br />
movimento.<br />
Apliquemos ao segmento BC um movimento de<br />
translação, levando-o a AD .<br />
Suponhamos que a rotação seja feita <strong>com</strong> velocidade<br />
angular constante e a translação <strong>com</strong> velocidade linear<br />
constante, de forma que os dois segmentos cheguem à<br />
posição AD simultaneamente.<br />
A cada instante, desde o início até o final dos movimentos, determinamos a intersecção dos dois<br />
segmentos movimentados, do que resulta a curva de extremidades B e E da figura. Tal curva é<br />
uma quadratriz.<br />
A quadratura do círculo pode ser feita a partir do seguinte resultado:<br />
Sendo l BD o <strong>com</strong>primento do arco de circunferência de extremidades B e D , vale a relação<br />
l BD<br />
=<br />
AB<br />
Em outras palavras, a seqüência ( AE, AB,<br />
l BD ) é uma progressão geométrica.<br />
Assim, dada uma circunferência, construímos sua quadratriz --- mecanicamente ---, obtendo o<br />
segmento correspondente AE . Como AB é o raio da circunferência, basta encontrarmos um<br />
número l tal que ( AE , AB,<br />
l)<br />
constituam uma progressão geométrica. Como l é um quarto de<br />
circunferência, podemos agora construir um triângulo retângulo satisfazendo o seguinte teorema,<br />
devido a Arquimedes<br />
Qualquer círculo é igual a um triângulo retângulo em que um dos catetos é igual ao raio e o outro é<br />
igual à circunferência.<br />
Tendo o triângulo, construímos um quadrado de mesma área e o círculo terá sua quadratura<br />
concluída.<br />
15 Dinostratus (c.390--c.320).<br />
16 Ni<strong>com</strong>edes (c.280--c.210).<br />
17 Híppias de Elis (c.460--c.400). Elis fica no Peloponeso.<br />
AB<br />
AE
Trissecção do Ângulo<br />
Esta solução, por nêusis, é reportada por Pápus. Não sabemos quem a concebeu primeiro.<br />
Seja ∠ABC o ângulo dado, isto é, o ângulo que<br />
queremos dividir em três partes congruentes.<br />
Completemos o retângulo ABCD . Tomemos E na<br />
semi-reta DA de forma que a medida de EF seja o<br />
dobro da medida de AB .<br />
Pode-se demonstrar que o ângulo ∠ FBC tem medida<br />
igual a um terço do ângulo dado.<br />
Para isso, considere o ponto médio de EF , indicado no desenho por G . Como o triângulo FAE é<br />
EF<br />
retângulo, concluímos que AG = = AB , i.e., o triângulo BAG é isósceles. Assim,<br />
2<br />
m<br />
Bibliografia<br />
m<br />
( ∠ABC ) = m ( ∠DAB)<br />
= m ( ∠ABE)<br />
+ m ( ∠AEB)<br />
=<br />
( ∠ BGA) + m ( ∠AEB)<br />
= m ( ∠GAE)<br />
+ 2m<br />
( ∠AEB)<br />
= 3m<br />
( ∠AEB)<br />
= 3m<br />
( ∠FBC)<br />
[GMW] Thomas, Ivor., Greek Mathematical Works, Loeb Classical Library, 2 volumes,<br />
Cambridge-Massachusetts, London, 1998.