
книги из ГПНТБ / Чистяков В.Д. Старинные задачи по элементарной математике
.pdf494
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)2— 4а2=
= (а2+ 2)2— (2а)2= (а2+ 2 + 2а) (а2+ 2 — 2а), где а2+ 2 + 2а ф 1 и а2|2 — 2а = (а — 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 гп— 1 = 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— тг\х — 1 = 0, |
|
откуда |
|
(2) |
|
|
|
|
причем z > 0 и zx < 0.