Природа боится пустоты - Дмитрий Александрович Фёдоров
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
причем
, …,
поэтому
Сократив все одинаковые члены слева и справа, получим
либо же, прибавив A слева и справа, имеем
Если А = 1, то сумма всех членов ряда и трети последнего члена равна 4/3. С современной точки зрения правомерно заключить, что при достаточно большом числе членов ряда треть последнего может быть сделана меньше любой заданной величины, поэтому сумма просто равна 4/3. Однако Архимед использует уже известный нам шаблон: предполагает, что эта сумма отличается от 4/3 на какую-либо заданную величину, а затем приходит к абсурду.На способе Архимеда суммировать ряды имеет смысл остановиться подробнее. Это позволит читателю еще лучше уяснить себе, что на самом деле представляла собой математика того времени. Ранее мы уже рассматривали последовательность 1 + 2 + 3…+ n, сумма которой определялась с помощью соединения двух состоящих из клеточек ступенчатых треугольников. Получалось, что сумма такого ряда равна n·(n+1)/2 = (n2+ n)/2. При очень большом числе членов ряда можно пренебречь величиной n по сравнению с n2, и получить формулу n2/2.
Такой подход применялся издревле, но получил особенно богатое развитие у атомистов. Однако в геометрической алгебре Евдокса и Евклида современным числам соответствовали только и исключительно отрезки прямых. Мыслить единицу как квадратик единичной площади считалось невозможным. Поэтому Архимед, вынужденный придерживаться данного принципа, суммирует указанный ряд следующим образом. Отрезки располагаются в порядке возрастания (толстые линии на чертеже). Затем каждый отрезок достраивается до самого длинного (до длины n), а в самом начале добавляется еще один отрезок длиной n (тонкие линии на чертеже).
Очевидно, что общее число отрезков теперь равно n+1, а их суммарная длина равна n·(n+1). Также несложно увидеть, что достроенные отрезки в точности повторяют исходные, поэтому их суммарная длина составляет как раз S = n·(n+1)/2 = (n2+n)/2. Ясно, что S > n2/2, так что это значение можно принять за нижний предел.
Теперь введем обозначение m = n+1 и запишем S = (m-1)·m/2 = (m2-m)/2, откуда ясно, что рассматриваемая сумма S < m2/2 = (n+1)2/2, и это значение можно принять за верхний предел. Таким образом, мы имеем n2/2 < S < (n+1)2/2, и методом сведения к абсурду можно доказать, что при достаточно большом значении n можно сделать разницу между S и n2/2 меньше любой, заранее заданной величины.
Особый интерес представляет случай, когда отрезок единичной длинный принимается короче любого наперед заданного (фактически является минимальным неделимым, или же бесконечно малым). Тогда в современных обозначениях мы можем записать формулу для суммы рассматриваемого ряда как
Даже на рассмотренном примере видно, что метод Евдокса чересчур усложнен и совсем не так нагляден, как атомистический, но для такой простой задачи он, в принципе, кажется вполне применимым. Однако же с рядом 12 + 22 + 32…+ n2 Архимед уже сам не знал, как поступить (ведь квадраты величин все еще требовалось представлять в виде отрезков, а не площадей), поэтому он честно признал, что просто подгоняет решение под заранее известный ответ S = (2n3+3n2+n)/6. При бесконечно большом n решение принимает вид S = n3/3, что в современных обозначениях (при бесконечно малой единичной длине), можно записать как
Разумеется, Архимед не использовал обозначение для интеграла, да и вообще всякую алгебраическую символику. Все приведенные формулы принимали у него вид теорем, в которых к ряду линий определенным образом прикладывались площади, имеющие избытком квадрат (аналог левой части формулы), а затем показывалось, что сумма полученных площадей составляет конкретную часть от какой-либо заранее заданной площади (аналог правой части формулы). В данном случае n3 нужно понимать не как объем, а как площадь прямоугольника со сторонами равными n и n2. Требовались недюжинные интеллектуальные способности просто для того, чтобы понять, о чем вообще идет речь, это не говоря уже об уяснении самой сути длинного доказательства.
Площадь параболы. Механическое доказательство Архимеда
Что касается механического определения площади сегмента параболы, то в этом случае Архимед воспользовался открытым им же законом рычага. Исследуемый сегмент мысленно подвешивался на одном плече симметричных (AO = OQ) весов так, чтобы ось параболы шла вертикально, а край плеча Q совпадал с одним из концов сегмента, тогда как другой конец сегмента R находился бы строго под точкой опоры O. На то же самое плечо весов подвешивается треугольник QRE, причем QE должна быть касательной к параболе. Основание QR делится на равные участки, проводятся вертикальные линии, а затем из Q строятся прямые, проходящие через точки пересечения вертикальных линий и параболы.
Далее, пользуясь свойствами подобия, Архимед показывает, что каждая из длинных вертикальных трапеций может быть уравновешена соответствующей огибающей параболу короткой трапецией, подвешенной в точке A. В самом деле, каждая большая трапеция во столько раз длиннее соответствующей малой, во сколько плечо AO длиннее расстояния до точки подвеса этих трапеций. Если обратиться к чертежу, то уже на примере самого правого треугольного кусочка должно быть понятно, что плечо AO необходимо слегка укоротить, однако, при разделении треугольника QRE на очень большее число трапеций это укорочение стремится к нулю. Одновременно с этим — короткие трапеции начинают стремиться к точному повторению формы параболы.
Иными словами, треугольник QRE может быть, по сути, уравновешен набором грузов (которые в сумме составляют параболический сегмент), подвешенным в точке A. В таком случае, как уже было известно, вес этого набора грузов (сегмента параболы) должен равняться 1/3 от веса уравновешиваемого треугольника. Последний факт почти очевиден, если вспомнить, что центр масс треугольника лежит в точке пересечения медиан, а сама эта точка делит медианы в отношении 1:2, то есть отсекает треть медианы от соответствующего основания (в нашем случае — от основания RE). Иными словами, центр масс треугольника лежит на 1/3 плеча OQ, и может быть поэтому уравновешен третью своего веса на плече AO. Поскольку вес грузов справа равен 1/3 от веса треугольника, то и их площадь должна составлять 1/3 от его площади.
Полное механическое доказательство со всеми выкладками
