Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Чистяков В.Д. Старинные задачи по элементарной математике

.pdf
Скачиваний:
53
Добавлен:
29.10.2023
Размер:
8.09 Mб
Скачать

494

известная теорема о делимости алгебраического многочлена на разность х а, где а — корень многочлена (теорема Безу). Безу

является также автором многих учебников, бывших весьма по­ пулярными в свое время.

232.

Доказательство ведется методом полной мате­

матической индукции.

 

 

 

1)

Утверждение

справедливо при п = 1. Действи­

тельно,

тогда

 

 

 

 

 

 

 

h(x) = а0х + а1;

 

 

 

 

 

h (*) = a0(x — b) + аф + ац

 

 

 

 

fi(x )= a 0(x — b) + f1(b).

 

Из последнего видно, что остатком

от деления

Д (х)

на х b

является

f1{b).

справедливо

при

2)

Пусть

теперь

утверждение

n = k. Докажем, что

оно будет справедливо и

при

п — k + 1.

предположению,

 

 

Согласно

 

 

 

 

 

fk(x) = (x — b)<?(x) + fk(b).

 

Далее,

 

 

 

 

 

 

 

fk+i(x) = а0хк+1 + а1хк + ... +

акх + ak+1 =

 

 

=

х (a0xk +

а1хк~1+ ... + ак) + ак+1 =

 

= xfk (х) +

ak+г =

х [(х — b) ср (х) +

fk {Ь)] + ак+1 =

 

 

=

* (х — Ь) ср {х) + xfk (b) + ак+1.

 

Остаток от деления / й+1 (х) на х b равняется остатку от деления xfk (b) + ак+1 (многочлена первой степени) на х Ь. Но на основании первого пункта для многочлена первой степени утверждение выпол-

295

ЗЛПАА-Н-*Я £ВРОПА

 

няется. Следовательно,

остаток

от деления fk+i(x) на

х Ь будет

 

 

bfk (р) + ak+1 =

а0 №+' +

ах bk -f ... +

+ a tP + a k + i — /а+i Ф ).

Таким образом, утверждение выполняется при n—k + 1, а значит, и для любого п, что и требовалось дока­ зать.

233.Доказательство ведется методом от против­

ного. Предположим, что сум-

в

В)

^

 

в

„ „

ма внутренних углов

в ка-

А Л Л

/1

А Л /

ком-нибудь треугольнике ABC

A w / \ /

V

V

У

\ /

будет больше 2d. Продолжим

А С

С,

С?

 

Сл-г С/н

сторону

АС (рис. 63)

и от

 

 

 

 

 

 

точки С вправо отложим п— 1

 

РИ С .

63

 

 

отрезков

ССЬ С]Са, С2С3, ....

Сл_ 2,

Сл_ х,

равных

стороне АС. Тогда будем иметь

 

 

 

 

 

 

 

ССХ= CjCt =

... = Cn_2Cn-i =

АС.

 

 

 

Теперь на получерных отрезках как на основаниях

построим треугольники: С В 1С 1, С 1В 2С 2, ...,

С п_ 2В п_ хС п__х,

равные заданному, т. е.

 

 

 

 

 

 

 

А А В С = Д C B jC i Д С ХВ 2С 2 =

 

 

 

 

 

= . . . = д СЛ_ 2В Л_ 1СЛ_ 1.

 

 

 

 

 

Далее,

соединив точки

В и В ъ

В у и В 2,

...,

В п_ 2

и

Bn—i прямолинейными отрезками (считать,

что

эти

точки располагаются на одной прямой, у нас нет

основания), получим

равные

треугольники:

В С В и

L В / 1В 2,

В 2С 2В 3, ..., В п_ 2С п_ 2В n_ i .

 

 

 

 

 

На отрезке Вп_хСп_х построим еще один треуголь­ ник Вп_гСn_iBп, равный каждому из только что по­ строенных треугольников.

Известно, что если две стороны одного треуголь­ ника равны двум сторонам другого, то против боль­ шего угла, заключенного между этими сторонами, ле­ жит и большая сторона. Применяя сказанное к треу­

гольникам АВС и

ВСВЪ заключаем, что ВВ1 < АС,

откуда АС ВВ1>

0, т. е. АС BBt есть некоторый

отрезок.

Поскольку длина ломаной всегда больше длины замыкающего прямолинейного отрезка, то

АВ +

ВВ1

В,В2 + ... +

Вп_1Вп +

+ ВпСп_1>

АС + СС} + CjC2 +

... + Сп_2Сп_г,

откуда

АВ

п • BBi + BnCn_i

п • АС,

t.

Учитывая,

что ВпСп_г — АВ, получаем

2АВ + п ■ВВг >

п ■АС или п (АС ВВХ) < 2АВ

при любом натуральном п.

 

Последнее

неравенство противоречит аксиоме Ар­

химеда, согласно которой для любых двух отрезков меньший можно повторить слагаемым конечное число

раз

так, что результат превзойдет больший отрезок.

По

этой аксиоме для отрезков АС ВВг и 2АВ мож­

но

подобрать достаточно большое натуральное число

птакое, что будет выполняться неравенство

п(АС BBJ > 2АВ.

3/41МД+МЯ- £ВРОПЛ

297

Получается логическое противоречие. Выходит, что в геометрической системе, где выполняется аксиома Ар­ химеда, сумма внутренних углов в треугольнике не может быть больше 2d, что и требовалось доказать.

Андриен Мари Лежандр (1752 — 1833) — французский мате­ матик. Известен трудами по математическому анализу и вариа­ ционному исчислению. Первый из ученых открыл (1805) и при­ менил в своих геодезических вычислениях способ наименьших квадратов. Автор «Начал геометрии», получивших широкое рас­ пространение во Франции и далеко за ее пределами. В частнос­ ти, «Начала геометрии» были известны и в России; по ним, на­ пример, учился Н. И. Лобачевский (1792— 1856).

Задача взята из мемуара Лежандра «Размышление о парал­ лельных линиях» (1833). Эта же задача в виде теоремы приводи­ лась еще раньше в его «Началах геометрии».

234.Эта задача приписывается Наполеону. Чтобы

решить ее, надо при помощи цир­ куля от произвольной точки А дан­

ной

окружности

засечь

на этой

окружности три

точки В, С и D

при

условии

АВ = ВС — CD — г,

где

г — радиус

данного

круга

(рис.

64). Поскольку

АС — сторона

вписанного в

круг

треугольника,

М

*

она равняется

г V 3. Из

точек А

 

и D, которые

являются

концами

 

диаметра AD,

радиусом,

равным

РИС. 64

АС, засекаем дуги, пересекающиеся

в точке М. Отрезок ОМ равен искомому раствору циркуля, который разделит окружность на четыре равные части.

 

■298

Действительно,

ОМ = \ / АМг — Л02= \АЗг2— г2=

= г У 2 является

стороной вписанного в круг квад­

рата, вершины которого делят данный круг на четыре равные части. Сами вершины вписанного в круг квад­ рата получить очень легко. Для этого стоит только раствором циркуля, равным ОМ, засечь на окружности последовательно четыре точки.

235. Доказательство состоит из следующих рассу­ ждений:

а4 4 = а4+ 4а2+ 4 — 4а2= (а2+ 2)24а2=

= (а2+ 2)2— (2а)2= (а2+ 2 + 2а) (а2+ 2 — 2а), где а2+ 2 + ф 1 и а2|2 = — I)2+ 1 ф 1.

Таким образом, а4 4 имеет два различных дели­ теля, отличных от него самого и единицы. Следова­ тельно, это число составное, что и нужно было дока­ зать.

Задача принадлежит Софии Жермен (1776 — 1831), женщи- не-математику, француженке по происхождению. За мемуар о колебании упругих пластинок она была удостоена премии Па­ рижской академии наук.

236. Пусть а < р и b < р, где р — простое число. Докажем, что ab не делится на р.

Предположим противное, т. е. что ab делится на р. Но тогда существует наименьшее положительное

число < b,

меньшее

р,

которое

при

умножении на

а дает число,

кратное

р.

Разделив

bt

на р,. получим

by — p tn + п ,

ЗДП М +М Я £ВРОПД

299-------------------------------

где п < Ьх < р. Отсюда

п — bt рт.

Умножив левую и правую части последнего равен ства на а, найдем

ап — аЬг =— арт\

ап делится на р, так как на р делится abl (по пред­ положению). и арт (р входит сомножителем).

Получается, что ап делится на р, но л < Ьи сле­ довательно, Ьг — не наименьшее положительное число, для которого abx делится на р, что противоречит сде­ ланному предположению. Значит, ab не делится на р, что и требовалось доказать.

Карл Фридрих Гаусс (1777— 1855) — немецкий ученый, которого современники называли «королем математиков». Мате­ матическое дарование Гаусса обнаружилось еще в раннем дет­ стве. Вспоминая детские годы, Гаусс в шутку говорил о себе: «Я научился считать раньше, чем говорить».

Родился Гаусс в Брауншвейге в семье водопроводчика и фон­ танных дел мастера.' Первоначальное образование получил в на­ родной школе, куда поступил 7 лет. Там он поражал учителя и своих товарищей блестящими математическими способностями.

Высшее образование Гаусс получил в Геттингенском универ­

ситете.

Позднее

(1807) он в течение почти

50

лет

занимал

в

этом университете кафедру математики и астрономии.

Еще

на

студенческой скамье

в возрасте

19 лет

Гаусс

сделал

замеча­

тельное

открытие:

он

полностью

выяснил, в каких случаях воз­

можно

построить

правильный n-угольник циркулем и

линейкой.

В частности, решив уравнение

х17— 1 =

0,

он

дал

построение

правильного 17-угольника при помощи циркуля и линейки.

 

По

признанию самого Гаусса,

большая и сложная

вычисли­

тельная

работа,

связанная с

астрономическими

расчетами,

не

-3G0

только его не утомляла, а наоборот, вызывала бодрость, внут­ реннее удовлетворение.

Гаусс с помощью тщательных вычислений установил с боль­ шой точностью местонахождение планеты Цереры, которую тщетно искали другие астрономы.

Занимаясь вопросами математики, Гаусс далеко продвинул вперед теорию рядов и теорию дифференциальных уравнений. Ему принадлежит основная теорема высшей алгебры о том, что всякое алгебраическое уравнение п-й степени имеет хотя бы

один корень, причем этот корень может быть и мнимым. В трак­ тате «Арифметические исследования» он заложил основы совре­ менной теории чисел. Имеет фундаментальные работы по диффе­ ренциальной теории поверхностей. В области физики занимался теорией магнетизма и некоторыми вопросами оптики.

Еще в 1818 г. в переписке с некоторыми учеными Гаусс высказал мысль о возможности существования наряду с евкли­ довой геометрией геометрии неевклидовой (позднее стала назы­ ваться геометрией Лобачевского). Однако, боясь быть непоня­ тым, дальше этих писем Гаусс, к сожалению, не пошел и ни одной статьи по данному вопросу не опубликовал.

237. Решение данной задачи сводится к делению окружности единичного радиуса на 17 равных частей. Для этого надо построить точки (рис. 65, а)

 

 

 

2/ел

. .

2Ал

 

Z b

COS ---------

\- i sin ------

 

 

 

п

1

 

п

где t'= V — 1;

k =

0, 1, 2,

...,

16;

zk являются кор­

нями

уравнения гп1 = 0.

 

 

 

Пусть

 

2л . . .

2л

 

 

 

е =

.

 

 

COS -jj- +

l Sin

Тогда

по известной

формуле Муавра

 

ЗАПЛАТА* £ВРОПЛ

301

 

е* =

cos

2kK

г sin

2 кп.

 

1 Т

Т 7 ~ ’

где k — 0,

1, 2, 3.......

16.

Корнями уравнения

будут числа

г17 -

1 = 0

 

 

 

 

 

1, £,

«»,

 

s‘e.

 

 

Все эти корни, как легко усмот­

 

реть из их

выражений,

различны

 

и изображают вершины

правиль­

 

ного 17-угольника,

вписанного в

ч)

окружность единичного

радиуса.

 

Далее заметим,

что

 

 

 

£ 17—k — g l?

. g

 

 

 

но £17 = 1,

следовательно,

 

 

£■7 - k = g-fc

Поэтому корни семнадцатой сте­ пени из единицы могут быть за­ писаны и так:

1, е, е2, ..., £8, е 8,

в~7, ..., е~2, е-1.

Известно, что

Z17 — 1 = (z — 1) (zle + г15 + . , . + г2 +

S)

РИС. 65

г + 1),

следовательно, все корни 17-й степени из единицы, кроме единицы, должныудовлетворять уравнению

■302

т. е.

zle + г15 + . . . +

z2+

z + 1 = 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

е16 + s 15 + . . . + s2 4 - е + 1 = 0

 

 

или

 

£1б + е1» + . . . + £г + е = _ !

 

 

 

 

 

 

или, что то же,

 

 

 

 

 

 

 

е - f

£2 +

. . . ' + е8 +

s - 8 +

s ~ 7 + ...

- f

г " 2 + Ч ~ 1 =

1.

 

Пользуясь коммутативным и ассоциативным зако­

нами сложения комплексных чисел,

находим

 

 

 

($ -j- е2 -f- е4 -j-

г 8 -j-

£ _1

-)- г - 2

-J-

г- 4 -J- s —8)

 

 

+

(е3 +

£в + е- 8 +

s 7 +

s- 3

+ г- в

+

s ® + ®~7) =

1,

где в скобках собраны члены, каждый из которых по­ лучается в результате возведения предшествующего в квадрат. Обозначим суммы, заключенные в скобках, соответственно через rt и га. Тогда

Ъ + Ъ = — 1-

Если теперь умножим г( на %, то получим

Щх = — 4,

так как в произведении каждая степень числа е будет повторяться слагаемым четыре раза.

Из двух последних формул вытекает, что т] и т]г яв­ ляются корнями уравнения

х2+ х — 4 = 0,

(1)

откуда

•ч = - 4 + 4 - ^ Г?;

З Л П М -H-rt* Е В Р О П А

303

причем Yj > 0 и та < 0.

Теперь все мнимые корни семнадцатой степени из единицы разобьем на четыре группы с таким расчетом, чтобы каждый член группы был четвертой степенью предшествующего.

Обозначая суммы членов групп соответственно че­

рез z, zlt

z2,

z3, получим систему равенств

 

 

 

е -f- е4 -(- е 1 + s 4 = г;

 

 

 

s2 —(—е8 -f- s—2 -f- е~8= гх;

 

 

 

е3-f s-5 + е- 3 + = г2;

 

 

 

е8+ е7 -)- е-8 + е~7 = г3.

 

Отсюда, как

легко проверить, вытекают равенства

 

 

2 + *1 = Ч

 

 

 

ZZy — 1.

 

Таким

образом, z и zx являются корнями

уравне­

ния

 

х2— тг1 = 0,

 

откуда

 

(2)

 

 

 

причем z > 0 и zx < 0.

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ