Магия математики: Как найти x и зачем это нужно - Артур Бенджамин

Круг с r = 1 называется единичным. Если мы «растянем» такой круг по горизонтали с коэффициентом a и по вертикали с коэффициентом b, получится эллипс (или овал) вроде этого:

Подобная фигура имеет формулу

и площадь πab, что вполне логично, потому что площадь изначального единичного круга равняется π, после чего мы растянули ее на ab. Обратите внимание, что при a = b = r мы получим круг (а не эллипс) с радиусом r – πab же, таким образом, превратится в πr².

Существует несколько забавных фактов, связанных с эллипсами, которыми я хотел бы с вами поделиться. Например, вы можете нарисовать овал с помощью двух канцелярских кнопок, лески и карандаша.

Возьмите кнопки, воткните их в лист бумаги или картона и накиньте на них колечко из лески или прочной нитки (но до предела не натягивайте). Поставьте карандаш кончиком в центр получившейся конструкции и оттяните один из концов лески так, чтобы получился треугольник. А теперь постепенно передвигайте карандаш по бумаге вокруг кнопок, не ослабляя леску. Диаграмма, получившаяся в результате, будет иметь эллиптическую форму.

Местоположения кнопок называются фокусами эллипса, и они, конечно же, тоже волшебные. Если вместо кнопки в точку одного фокуса положить бильярдный шар и ударить по нему так, чтобы он покатился в случайном направлении, то после всего лишь одного касания о периметр он обязательно пройдет через точку второго фокуса.

Кстати, космические тела, вроде планет и комет, путешествуют вокруг солнца именно по эллиптической орбите. Естественно, я не смог удержаться:

И даже у затменияОвальное строение!

А вот вам еще один очень интересный факт – не существует такой формулы, которая позволила бы просчитать длину эллипса. Зато есть некое приближенное представление, придуманное математическим гением по имени Сриниваса Рамануджан[22] и позволяющее оценить эту длину хотя бы примерно:

Обратите внимание, что при a = b = r выражение упрощается до (6r – √(16r²)) = 2πr – длины окружности.

Число π появляется и в трехмерных фигурах. Возьмем для примера консервную банку, которая для любого математика является цилиндром. Так вот, объем цилиндра (то есть его внутреннее пространство) с радиусом r и высотой h составит

Объяснить эту формулу можно, представив цилиндр как совокупность окружностей, расположенных одна на другой так, чтобы образовалась стопка высотой h (представьте себе стопку подносов в ресторане и поймете, что я имею в виду).

А чему будет равна площадь поверхности цилиндра? Иными словами, сколько краски нам понадобится, чтобы покрасить все его внешние стороны, включая «крышку» и «донышко»? Держать ответ в памяти нет никакой необходимости – его можно получить в любой момент, условно разделив цилиндр на три части. Площади «крышки» и «донышка» будут равны πr². Значит, их общий вклад в площадь поверхности цилиндра составит 2πr². Чтобы узнать площадь третьей части, разрежем оставшийся «тубус» вдоль от верха до низа и разогнем его. У нас получится прямоугольник с шириной h и длиной 2πr (которая берется из длины прилегающей окружности). Его площадь будет равна 2πrh, что позволяет нам «собрать» формулу общей площади цилиндра:

Сфера есть трехмерный объект, в котором все наружные точки равноудалены от центра. Чему будет равен объем сферы с радиусом r? Начнем с того, что такого размера объект войдет в цилиндр, имеющий радиус r и высоту 2r, следовательно, его объем будет меньше πr²(2r) = 2πr³. По случайному стечению обстоятельств (надежно подкрепленному скрупулезными вычислениями) сфера займет ровно две трети этого пространства. Другими словами,

Формула для нахождения площади поверхности сферы выглядит еще проще, хотя путь к ней куда более тернист:

Давайте завершим раздел примерами, где у π появляется вкус мороженого и пиццы. Представьте себе рожок мороженого (также известный как конусовидный стаканчик) с высотой h и радиусом верхней окружности r. Длину образующей конуса – линии, проведенной от его кончика к любой точке верхней окружности – обозначим буквой s (самый простой способ ее вычислить – теорема Пифагора, потому что h² + r² = s²).

Конус этот легко уместится в цилиндр радиусом r и высотой h, поэтому неудивительно, что его объем будет меньше πr²h. Зато удивительно (и при этом очевидно без всяких вычислений) то, что меньше он будет ровно в 3 раза. Другими словами,

И хотя вычисления здесь и в самом деле совершенно не нужны, отказать себе в удовольствии, которое дарит нам эта красота и простота, совершенно невозможно: площадь поверхности конуса равна

Ну, и наконец, пицца, имеющая радиус z и толщину a, как видно на рисунке. Каков будет ее объем?

Это лакомство – не что иное, как необычной формы цилиндр (радиус z, высота a), объем которого равен

Немного переделаем эту формулу – уверен, у вас слюнки потекут:

Удивительные лики π

В том, что число π появляется в площадях и длинах всех кругообразных объектов, рассмотренных нами, ничего удивительного нет. Но только этим сфера его влияния не ограничивается – оно обнаруживается даже там, где, казалось бы, ему делать совершенно нечего.

Возьмем для примера множество n! подробно рассмотренное нами в главе 4. Казалось бы, причем тут окружности, эллипсы и прочие подобные фигуры и объекты – ведь оно нужно исключительно для того, чтобы подсчитывать дискретные величины. Мы знаем, что значение его вырастает стремительно, причем настолько, что до сих пор нет ни одного более или менее удобного и легкого способа его просчитать. Например, чтобы вычислить значение 100 000! нам потребуется несколько тысяч операций умножения. И все-таки один способ есть – столь же хитрый, сколь и полезный. Основан он на формуле Стирлинга, которая выглядит как

и в которой e = 2,71828… (e – это еще одно важное иррациональное число, которое ждет вашего внимания в главе 10). Компьютер может подсчитать это до четырех значащих цифр – например, 64! = 1,269 × 1089. А согласно формуле Стирлинга, 64! ≈ (64/e)64√(128π) = 1,267 × 1089. (Есть ли легкий способ возвести число в 64-ю степень? Да, есть! Поскольку 64 = 26, нам нужно взять 64/e и возвести его в квадрат шесть раз.)

Знаменитая колоколообразная (или гауссова) кривая, активно использующаяся в статистических исследованиях и некоторых экспериментальных науках, имеет высоту 1/√(2π) (подробнее о ней – в главе 10).

Встречается число π и в бесконечных суммах: как впервые наглядно показал Леонард Эйлер, сложение квадратов обратных величин положительных целых значений дает нам

А если мы повторно возведем в квадрат каждое из значений выше, сумма обратных величин четвертой степени окажется равной

Формулу эту можно обобщить, распространив на любой ряд обратных величин всех четных степеней основания числа 2k. В ответе будет фигурировать π2k, умноженное на рациональное число.