Сергей Бобров - ВОЛШЕБНЫЙ ДВУРОГ

• Название: ВОЛШЕБНЫЙ ДВУРОГ
• Автор: Сергей Бобров
• Издательство: Детская литература
• Жанр: Математика
• Год: 1967

В этой книге в занимательной форме рассказывается немало интересного для тех, кто любит точные науки и математику. Читатель узнает о развитии математики с ее древнейших времен, о значении математики в технике, а особенно об одной из важнейших отраслей математики - так называемом математическом анализе. На доступных примерах читатель познакомится с элементами дифференциального и интегрального исчислений. В книге также говорится о неевклидовых геометриях и о той, которая связана с открытиями великого русского геометра П. П. Лобачевского. Читателю предлагается немало занимательных задач, многие из которых сопровождаются подробным разбором.

-

Для среднего и старшего возраста.

---

1, 2, 3, 4, 5, ... ,n,

и ясно, что сумма их будет равна в каждой полосе

(n + 1)n / 2

- 349 -

по правилу суммы арифметической прогрессии. Раз это так, то ясно, что сумма всех полос доски будет равна

(n + 1)n2 / 2

Теперь рассмотрим, каковы будут суммы "по гномонам". Ясно, что сумма чисел энного гномопа будет

n2+ (1 + 2 + 3 + ... + n-1).

Эту сумму можно записать еще иначе, то есть:

n2+ n(n + 1) / 2

и окончательно:

2/3n2 - (1/2)n

Теперь я буду давать в этой формуле числу и значения 1, 2,3... и до n включительно. Суммы тогда будут равны по окончательному написанию:

3/2 • 12 - 1/2 • 1

3/2 • 22 - 1/2 • 2

3/2 • 32 - 1/2 • 3

.........

.........

3/2 • n2 - 1/2 • n

Сложив все это столбиком, получаю для всех полос:

3/2 • S2 - 1/2 • S

где S2 есть сумма квадратов первых и натуральных чисел, а S - сумма их первых степеней. Приравнивая, как и ранее, сумму "по прямым" сумме "по гномонам", получаю:

3/2 • S2 - 1/2 • S = n2(n + 1) / 2

- 350 -

а отсюда определяю, чему равняется S2 и после ряда несложных переделок, которые, конечно, ты и сам не откажешься выполнить, получаю сумму квадратов первых и натуральных чисел, которая будет:

S2 = (2n + 1)(n + 1)n / 6.

Советую тебе еще написать в клетках шашечницы пифагорову таблицу умножения и по ней найти, чему равна сумма кубов первых n чисел. Если же ты напишешь в клетках квадраты чисел пифагоровой таблицы, то сможешь найти и сумму пятых степеней. Однако нам пока это все, кроме суммы квадратов, не понадобится. Приступим теперь к вопросу об интегрировании. Допустим, что нам дана парабола, уравнение которой будет:

y = х2,

и нам нужно эту функцию проинтегрировать, или найти площадь, ограниченную параболой от начала координат до точки с абсциссой b, то есть площадь, ограниченную отрезком самой параболы, отрезком оси абсцисс и ординатой в точке х = b.

Для этого мы сначала делим интервал (то есть отрезок абсциссы) от нуля до b на n равных частей. Длина каждой такой части будет

h = b / n

Вся площадь теперь разбита на трапецоиды, ширина каждого из которых равна, как уже указано, b/n, а вышину мы определяем, согласно уравнению кривой, для последовательных точек параболы, как

h2, h22h2, 32h2, ... , n2h2,

ибо ясно, что если х равен h, то у будет равен h2 и так далее.

Но если это так, то площади последовательных прямоугольников, которыми мы заменяем наши трапецоиды, будут равны

hh2, h22h2, h32h2, ... hn2h2.

- 351 -

Видно, что сумма прямоугольников больше, нежели сумма трапецоидов, но при безграничном увеличении числа и искомая площадь будет пределом суммы прямоугольничков, то есть пределом следующего выражения:

h(h2 + 22h2 + 32h2 + ... + n2h2) = h3(12 + 12 + 22 + 32 + ... + n2) = b3/n3(12 + 12 + 22 + 32 + ... + n2)

А так как шахматная доска уже объяснила нам, что сумма первых и квадратов натурального ряда равна

(2n + 1)(n +1)n / 6

то мы, подставляя это выражение в предыдущую формулу, после некоторых несложных переделок получим:

b3/6 (1 + 1/n)(2 + 1/n)

Спрашивается: что будет с этим выражением, если число и будет неограниченно возрастать? Ясно, что дробь 1/n будет неограниченно приближаться к нулю и ею мы можем пренебречь.

В таком случае предыдущее выражение в пределе обратится в

b3/3

что и является результатом нашего интегрирования. Знай, что это один из первых интегралов, полученных человеком, что человека этого звали Архимед и что он рассуждал примерно так, как и мы.

И тут Величайший Змии вырос снова перед ними. Он взглянул на Илюшу, и мальчику показалось, что это могущественное чудовище даже улыбнулось!

- 352 -

Схолия Семнадцатая,

в которой Илюша припоминает разные разности из предыдущих схолий, оставшиеся не совсем ясными, а Радикс рассказывает ему об истории надгробного камня Архимеда, погибшего от меча римского грабителя, о спирали Архимеда.

Затем следует масса любопытнейших подробностей о веретенах, о шотландском сыре, о фокусах, которые придумали древнегреческие геометры, о том, как в старину индусы решали кубические уравнения, как в шестнадцатом веке бедный мальчик-заика учился на кладбище грамоте, а также почему у квадрата такая большая площадь и что по этому поводу думает касательная; о битве за высоту над городом Клермоном. А затем Илюша присутствует при волшебном опыте, который поясняет, что такое прямая линия и какие чудеса с ней случаются при ее путешествиях в мировом пространстве. Вслед за этим Илюша и Радикс видят нечто чрезвычайно странное... Но пока это еще страшный секрет, который, может быть, раскроется в будущем...

- Ну, теперь ты доволен? - спросил Радикс.

- Да, - сказал Илюша, - я узнал массу интересных вещей. Теперь я, кажется, понимаю, почему так уважают Архимеда и как велико могущество Змия. Но только у меня есть еще вопросы.

- Ну что ж! Давай твои вопросы. Может быть, как-нибудь вдвоем разберемся.

- 353 -

- Помнишь, ты где-то, кажется в Схолии Одиннадцатой, перечислял мне титулы Величайшего Змия? Так вот, я хотел тебя спросить о них. О площадях я теперь понял: путем интегрирования можно получить площадь любой криволинейной фигуры. С объемами я тоже как будто сообразил. Это, вероятно, делается путем суммирования бесконечно тонких слоев тела, как Демокрит считал объем конуса?

- Правильно. А сейчас мы можем закончить вывод формулы для объема конуса, о которой мы толковали в Схолии Пятнадцатой. Если рассечь конус плоскостью, проходящей через его ось, то получится треугольник. Из рассмотрения этого треугольника ты убедишься в том, что радиус основания цилиндрика, отстоящего на расстояние h от вершины, определится при помощи пропорции:

r/R = h/H

где R - радиус основания, а H - высота конуса. Отсюда

r = (R/H)h

и площадь основания цилиндрика будет

πr2 = π(R2/H2)• h2

Теперь предположим, что мы делим высоту конуса на n частей.

Тогда высота каждого цилиндрика будет H/n, а последовательные расстояния оснований цилиндриков от вершины конуса, то есть радиусы этих оснований, будут

h, 2h, 3h,... nh.

Поэтому сумма объемов этих цилиндриков равна

π(R2/H2)• H/h (h2 + 22h2 + ... + n2h2) = π R2/H (12 + 22 + ... + n2) / n3

Как и в предыдущей схолии, ты убедишься, что предел последнего множителя при неограниченном возрастании n будет равен 1/3, и для объема конуса получается выражение:

1/3 π R2 H

- 354 -

Множитель 1/3 ты можешь рассматривать как лежащую на этой формуле печать Великого Змия.

- Как интересно! - сказал Илюша. - А с объемом шара можно справиться таким способом?

- Я приведу тебе только чертеж, который, по преданию,

Архимед завещал вырезать на своем надгробном памятнике.

Здесь ты видишь цилиндр, вписанный в него шар радиуса R и конус. Разбей все три тела на тонкие "цилиндрические" слои и легко установишь, что на расстоянии h от центра шара площадь поперечного сечения самого шара равна:

π (R2 - h2) = π R2 - πh2

то есть разности площадей поперечных сечений цилиндра и конуса. Суммируя объемы всех тонких цилиндрических пластинок и переходя к пределу, как мы это делали для конуса, находим, что и объем шара тоже будет равен разности объемов цилиндра и конуса. Этот закон и был открыт Архимедом.

Таким путем можно найти не только объем всего шара, но и объем любого шарового слоя. В формулы войдет опять множитель 1/3, печать Великого Змия, свидетельствующая о том, что здесь приходилось интегрировать функцию, содержащую квадрат переменной (в данном случае - квадрат высоты h).

- Очень хорошо! - отвечал мальчик. - А теперь вот еще что. Ты назвал Великого Змия развертывателем спиралей. Что это значит?

- Это значит, что путем интегрирования можно получить длину дуги любой кривой, например параболы, окружности и так далее. В частности, и длину спирали. Мы ведь уже говорили, как находится длина дуги.

- Но я должен сознаться, - вздохнув, сказал Илюша, - что до сих пор не пойму, как при помощи этой спирали получается длина окружности, то есть почти квадратура круга?

- Конечно, история эта необычная, - отвечал Радикс. - Из-за нее в средние века долго ломали голову над вопросом квадратуры круга и ни к какому разумному заключению не пришли. Совсем запутались. Начали даже поговаривать, что геометрия - наука, может быть, не слишком точная... Вес это довольно сложно.

- 355 -

Могу рассказать лишь о самом принципе этой работы Архимеда. Дело было так. До Византии еще дошла биография Архимеда, написанная его учеником Гераклидом. Затем она была утрачена. Но ее еще читал и изучал византийский математик Евтокий, оставивший очень ценные комментарии к сочинениям Архимеда. По словам Евтокия,