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.»

Некоторые рисунки и значительная часть чертежей нарисованы заново с целю лучшей читаемости на портативных читалках. В силу этого возможны незначительные расхождения с оригиналом, особенно в использованных шрифтах, расположении и размере надписей на рисунках. Расположение некоторых рисунков по отношению к тексту также изменено. В электронной книге для оформления применяются стили, поэтому для чтения лучше использовать CR3. Таблицы приводятся в формате fb2 и дублируются либо в текстовом, либо в графическом варианте. В связи с многочисленными отсылками к номерам страниц сохранена нумерация печатного оригинала. Номер размещен в конце страницы. — V_E.

---

— 411 —

Перенесем ау в левую часть и возьмем у за скобку. Получим:

у (y + а) = a2.

Теперь поделим обе части на а2. Получаем:

у/a (1 + y/а) = 1.

А теперь вспомним, что

y/a = x

и подставим:

х (1 + х) = 1; х2 + х — 1 =0.

Открывая скобки, получаем квадратное уравнение. Положительный корень его и даст нам нужную величину. Просто и ясно!

— Хорошо, — сказал мальчик, — но, быть может, кстати, вы мне расскажете, как это получается, что вы можете делать такие преобразования поворота? Я как-то в толк не возьму, как это у вас выходит…

— Можно попробовать, — отвечал спокойно Мнимий. — Представьте себе, что перед вами висит диск, укрепленный в центре… ну хотя бы гвоздиком! И вы хотите его повернуть, скажем, против часовой стрелки на некоторый угол. Разберемте-ка, что для этого мы должны сделать. Наметим на краю диска некоторую точку (любую!). Она определяется некоторым комплексным вектором, не так ли? Но раз наш вектор есть комплексное число, которое после поворота должно измениться, значит, первый вектор заменится новым. Каким же? Ясно, что для этого надо первый вектор умножить на некоторый единичный вектор (мы ведь наш диск только поворачиваем, не более того!), аргумент которого равен углу φ. Давайте теперь множить. Из вектора (x + iy) мы должны получить новый вектор (x' + iy'), то есть умножить:

(х + iy) (cos φ + i sin φ) = x' + iy',

откуда мы получаем такие равенства:

х' = х cos φ — у sin φ

у' = х sin φ + у cos φ.

Отсюда легко видеть, что координаты нового вектора суть не что иное, как преобразованные координаты первого век-

— 412 —

тора. При этом они преобразованы так, что мы получаем очень простые (линейные) соотношения, куда не входят никакие иные степени, кроме первой. Все это можно коротко записать в виде так называемой матрицы преобразования:

Первая строка матрицы указывает, на что надо умножить х и у первого вектора, чтобы при помощи сложения получить x' второго; вторая строка дает то же самое для того, чтобы получить у' второго. Таким образом (с некоторым усложнением, разумеется) можно делать и гораздо более сложные преобразования, например, превратить круг в эллипс, растянувши его в направлении одной из осей. В дальнейшем из этого вырастает целая «арифметика матриц», в некоторых случаях очень близкая к арифметике комплексных чисел. Все это в современной математике имеет серьезное значение. Так что наш знаменитый Кот в сапогах (имейте это в виду, мой дорогой юноша!) — это довольно-таки важная персона, особенно в наше время. Вот что я вам доложу!

— 413 —

Схолия Девятнадцатая

особенно примечательна тем, что в ней наш доблестный путешественник знакомится с историей мнимых человечков, узнает, что произошло в городе Болонья в XVI веке, как павиан умеет бросать камни, и что об этом думали математики. Илюша в этой схолии не раз попадает в затруднительное положение, и только — его закадычные друзья спасают его от снежной бури, а затем Илюша снова встречает своего старого знакомого Дразнилку, который и помогает нашему герою решить трудную задачу.

Голубоватое поблескивание откуда-то сбоку неожиданно оказалось снова симпатичной фигуркой Мнимия Радиксовича.

Он очень любезно улыбнулся и заметил:

— Чудесные звезды, не правда ли?

— Мне очень хотелось бы, — сказал Илюша, — чтобы вы еще как-нибудь показали мне подробно, как вы, мнимые человечки, возникаете из квадратного уравнения?

— Вы ведь знаете, — начал свой рассказ Мнимий, — что, когда квадратное уравнение «не решается», мы получаем два комплексных корня, причем они таковы, что действительные части их равны, а мнимые отличаются по знаку:

а + bi; а — bi.

Такие комплексные числа называются сопряженными.

Сопряженные комплексные числа обладают одним замечатель-

— 414 —

ным свойством: их сумма так же, как и их произведение, является действительными числами. Это нетрудно проверить!

— Знаю! — откликнулся Илья. — Я уж пробовал. Мне кажется, как будто, что при перемножении мнимых чисел разные знаки дают плюс, а одинаковые минус…

— Ученые, — продолжал Мнимий, — сперва, в семнадцатом веке, догадались, а через два века и доказали, что если принимать в расчет все корни уравнения, и действительные и комплексные, то вместе их будет всегда столько же, сколько единиц в показателе степени старшего члена уравнения. Это положение, чрезвычайно важное для алгебры, обычно называется основной теоремой алгебры[34]. Попутно выяснилось, что комплексных корней всегда бывает четное число, и у каждого такого корня имеется сопряженный комплексный корень. А то, что вы хотите узнать, можно показать на геометрическом примере. Сначала мы возьмем обычную декартову плоскость, затем еще одну, которая будет комплексной, и она же будет полупрозрачной… А вы, юноша, дайте мне квадратное уравнение поудобней!

— Пожалуйста! — не задумываясь, ответил наш герой, —

х2 — 8х + 15 = 0.

Три и пять. Лучше не придумаешь.

— Сойдет, — ответил Мнимий. — Дальше так: пусть перед нами встанет первая плоскость, на ней оси деления и парабола. А комплексная плоскость пусть станет перед первой вплотную. Она полупрозрачная, и через нее мы отлично увидим первую.

Так все и случилось. Сперва возникла обычная плоскость, причем ось абсцисс была голубая, а ось ординат розовая, потом возникла и темно-синяя парабола. А на делениях (+3) и (+5), там, где были корни квадратного уравнения, где парабола пересекла ось абсцисс, ярко горели две блестящие оранжевые точки.

— Вот и корни! — сказал Илюша.

— А теперь мы сотворим и комплексную.

И действительно, тут же, поправей, возникла еще одна плоскость, не очень заметная, матовая. На ней были тоже две взаимно перпендикулярные оса, действительная и мнимая,

— 415 —

только они были совсем тоненькие. В начале координат сияла зеленая точка.

— Подвиньтесь! — вежливо попросил Мнимий.

И тут комплексная плоскость подвинулась налево и стала так аккуратно, что оси на том и на другом чертеже почти слились (они ведь были в одном масштабе!), но все было очень хорошо видно через вторую полупрозрачную плоскость.

— А зеленая точка на нуле, — сообразил мальчик, — означает, что ничего мнимого пока еще нет?

— По-видимому, так… — раздался торжественный шепот прямо из самого экрана: волшебные чертежи, оказывается, отлично умеют говорить!

— Итак, — продолжал Мнимий, — следите за мной хорошенько, и вскоре все станет ясно. Вот перед вами парабола! Она, как вы знаете, прекрасная гречанка, и от роду ей очень много лет. Для того чтобы все было не так хитро, мы будем рассматривать ее в таком виде, что коэффициент при иксе во второй степени будет равен единице.

— То есть, — подхватил Илья, — мы берем выражение

ах2 + bх + с

и делим все члены на а.

Теперь перед Илюшей сиял график квадратного трехчлена, то есть чертеж параболы, обращенной вершиной вниз, ее ось стояла вертикально, и вершина параболы была ниже оси абсцисс (которая, как мы знаем, горизонтальная). Парабола пересекала ось абсцисс дважды. Недалеко засветилось и само уравнение:

х2 — 8х+ 15 = 0.

— А какие у нас корни? — спросил Мнимий.

— Два действительных корня, потому что парабола пересекает ось абсцисс два раза, — отвечал мальчик.

— Справедливо. Теперь я попрошу параболу подняться немножко повыше.

Парабола охотно послушалась, и две оранжевые точки на горизонталях стали сближаться; и вот уже вершина параболы только касалась оси абсцисс в одной точке. Две оранжевые точки сошлись в одну.