Реферат: Методы решения уравнений в странах древнего мира

Реферат: Методы решения уравнений в странах древнего мира

Методы решения уравнений в странах древнего мира. История алгебры уходит своими корнями в древние времена. Задачи, связанные с уравнениями, решались ещё в Древнем Египте и Вавилоне. Теория уравнений интересовала и интересует математиков всех времён и народов. В Древнем Египте и Вавилоне использовался метод ложного положения («фальфивое правило») Уравнение первой степени с одним неизвестным мо­жно привести всегда к виду ах + Ь == с, в котором а, Ь, с — целые числа. По правилам арифметических дейст­вий ах = с — b, Если Ь > с, то с — b число отрицательное. Отрицатель­ные числа были египтянам и многим другим более позд­ним народам неизвестны (равноправно с положитель­ными числами их стали употреблять в математике толь­ко в семнадцатом веке). Для решения задач, которые мы теперь решаем урав­нениями первой степени, был изобретен метод лож­ного положения. В папирусе Ахмеса 15 задач решается этим методом. Решение первой из них позволяет понять, как рассуждал автор. Египтяне имели особый знак для обозначения неиз­вестного числа, который до недавнего прошлого читали «хау» и переводили словом «куча» («куча» или «неизве­стное количество» единиц). Теперь читают немного ме­нее неточно: «ага». bqt задача № 24 сборника Ахмеса: «Куча. Ее седьмая часть ('подразумевается: «дают в сумме») 19. Найти кучу». Запись задачи нашими знаками: Решение Ахмеса может быть представлено в наших символах в следующих четырех столбцах: Во многих задачах в начале или в конце встречаются слова: «Делай как делается», другими словами: «Делай, как люди делают». Смысл решения Ахмеса легко понять. Делается предположение, что. куча есть 7; тогда ее часть есть 1. Это записано в первом столбце. Во втором столбце записано, что при предположении х=7 куча и ее часть дали бы 8 вместо 19. Удвоение предположения дает 16. Автор, в уме очевидно, прики­дывает, что дальше удваивать предположение нельзя, так как тогда получится больше 19. Он записывает 16, ставит перед числом две точки для обозначения удвое­ния первоначального предположения и отмечает значком (у нас — звездочкой) результат; для получения в сумме 19 первоначальное предположение надо умножить -на 2 с некоторым добавлением, так как для получения точ­ного результата, 19, не хватает еще 19—16=3. Ахмес находит от 8, получает 4. Так как это больше нехватки 3, то на предположение умножить нельзя. Но от 8 есть 2, от восьми 1. Ахмес видит, что и первона­чального результата дают точно те 3 единицы, которых не хватало. Отметив и значками, Ахмес убедился, что первоначальное предположение для кучи (7) надо помножить на Умножение числа 7 на смешанное число Ахмес заменяет умножением смешанного числа на 7. В третьем столбце выписаны: часть искомой кучи есть , удвоенное это число: и учетверенное: . Сумма этих трех чисел, равная числу , есть произведение первоначального предположения 7 на . Итак, куча равна . В последнем столбце Ахмес делает проверку, склады­вая полученное значение для кучи и его части . В сумме получается 19, и решение за­канчивается обычным для автора заключением: «Будет хорошо». Способ решения, примененный Ахмесом, называется методом одного ложного положения. При помощи этого метода решаются уравнения вида ах == b. Его применяли как египтяне, так и вавилоняне. У разных народов применялся метод двух лож­ных положений. Арабами этот метод был механи­зирован и получил ту форму, в которой он перешел в учебники европейских народов, в том числе в «Арифме­тику» Магницкого. Магницкий называет способ решения «фальшивым правилом» и пишет о части своей книги, излагающей этот метод: Зело бо хитра есть сия часть, Яко можеши ею все класть (вычислить. — И. Д.) Не токмо что есть во гражданстве, Но и высших наук в пространстве, Яже числятся в сфере неба, Якоже мудрым есть потреба. Содержание стихов Магницкого можно вкратце пе­редать так: эта часть арифметики весьма хитрая. При помощи ее можно вычислить не только то, что понадо­бится в житейской практике, но она решает и вопросы «высшие», которые встают перед «мудрыми». Магницкий пользуется «фальшивым правилом» в форме, какую ему придали арабы, называя его «арифме­тикой двух ошибок» или «методой весов». Квадратные уравнения в Древнем Вавилоне Необходимость решать уравнения не только первой, но и вто­рой степени еще в древности была вызвана потребностью решать задачи, связанные с нахождением площадей земельных участков и с земляными работами военного характера, а также с развитием астрономии и самой математики. Квадратные уравнения умели решать около 2000 лет до н. э. вавилоняне. Применяя современную алгебраическую запись, можно сказать, что в их клинописных текстах встречаются, кроме неполных, и такие, например, полные квадратные уравнения: Правило решения этих уравнений, изложенное в вавилонских текстах, совпадает по существу с современным, однако неизвестно, каким образом дошли вавилоняне до этого правила. Почти все найденные до сих пор клинописные тексты приводят только за­дачи с решениями, изложенными в виде рецептов, без указаний относительно того, каким образом они были найдены. Несмотря на высокий уровень развития алгебры в Вавилоне, • в клинописных текстах отсутствуют понятие отрицательного числа и общие методы решения квадратных уравнений. . Как составлял и решал Диофант квадратные уравнения , В «Арифметике» Диофанта нет систематического изложения алгебры, однако в ней содержится систематизированный ряд за­дач, сопровождаемых объяснениями и решаемых при помощи со­ставления уравнений разных степеней. При составлении уравнений Диофант для упрощения решения умело выбирает неизвестные. Вот, к примеру, одна из его задач. «Найти два числа, зная, что их сумма равна 20, а произведение — 96». Диофант рассуждает следующим образом: из условия задачи вытекает, что искомые числа не равны, так как если бы они были равны, то их произведение равнялось бы не 96, а 100. Таким об­разом, одно из них будет больше половины их суммы, т. е. 10 + х, другое же меньше, т. е. 10 — х. Разность между ними 2х. Отсюда уравнение

(1)

или же

Отсюда х = 2. Одно из искомых чисел равно 12, другое 8. Решение х = —2 для Диофанта не существует, так как греческая матема­тика знала только положительные числа.

(2)_

Если мы решим эту задачу, выбирая в качестве неизвестного одно из искомых чисел, то мы придем к решению уравнения Ясно, что, выбирая в качестве неизвестного полу разность ис­комых чисел, Диофант упрощает решение; ему удается свести за­дачу к решению неполного квадратного уравнения (1). Квадратные уравнения в Индии. Задачи на уравнения встречаются уже в астрономическом трактате «Ариабхаттаим», составленном в 449 г. индийским математиком и астрономом Арибхаттой. Но это уже раннее средневековье. В Алгебраическом трактате ал-Хорезми даётся классификация линейных и квадратных уравнений. Индий учёные знали решения неопределённых уравнений в целых числах (в том числе и в отрицательных, чего сам Диофант избегал). Формула решений квадратного уравнения. Греческий математик Герон (I или II век нашего летоисчисления) вывел формулу для решения квадратного равнения ax2 + bx = c умножением всех членов на а и прибавлением к обеим половинам уравнения : В индии пришли к более простому способу вывода, который встречается в школьных учебниках: они умножали на 4a и к обеим половинам по b2. Это даёт: Индийские математики часто давали задачи в стихах. Задача о лотосе. Над озером тихим, с полмеры над водой, Был виден лотоса цвет. Он рос одиноко, и ветер волной Нагнул его в сторону – и уж нет Цветка над водой. Нашёл его глаз рыбака В двух мерах от места, где рос. Сколько озера здесь вода глубока? Тебе предложу я вопрос. Ответ: Из истории решения системы уравнений, содержащей одно уравнение второй степени и одно линейное В древневавилонских текстах, написанных в III—II тысячеле­тиях до н. э., содержится немало задач, решаемых с помощью составления систем уравнений, в которые входят и уравнения вто­рой степени. Вот одна из них. . «Площади двух своих квадратов я сложил: .Сторона второго квадрата равна стороны первого и еще 5». Соответствующая система уравнений в современной записи имеет вид: Для решения системы (1) вавилонский автор возводит во втором уравнении у в квадрат и согласно формуле квадрата суммы, ко­торая ему, видимо, была известна, получает: Подставляя это значение у в первое из системы уравнений (1), автор приходит к квадратному уравнению: Решая это уравнение по правилу, применяемому нами в настоя­щее время, автор находит х, после чего определяет у. Итак, хотя вавилоняне и не имели алгебраической символики, они решали задачи алгебраическим методом. Диофант, который не имел обозначений для многих неизвест­ных, прилагал немало усилий для выбора неизвестного таким об­разом, чтобы свести решение системы к решению одного уравнения. Вот один пример из его «Арифметики». Задача 21. «Найти два числа, зная, что их сумма равна 20, а сумма их квадратов — 208». Эту задачу мы решили бы путем составления системы уравнений: Диофант же, выбирая в качестве неизвестного половину раз­ности искомых чисел, получает (в современных обозначениях): Складывая эти уравнения, а затем вычитая одно из другого (все это Диофант производит устно), получаем x = 2 + 10; у = 10 —2. Далее, х2 + у2 = (г + lO)2 + (10 — г)2 == 2z2 + 200. Таким образом, 2z2 + 200 = 208, откуда z = 2; х = 2 + 10 = 12; у = 10 — 2 = 8. Диофантовы уравнения. Задача Диофанта №80 (Из II книги его «Арифметики») Найти 2 таких числа, чтобы сумма квадрата каждого из них с другим искомым числом дала полный квадрат, Решение Диофанта Пусть первое число (I) будет s. Чтобы квадрат его •при прибавлении второго числа дал квадрат, второе число должно быть 2s + 1, так как в таком случае вы­полняется требование задачи: квадрат первого числа. сложенный со вторым, дает s2 + 2s + 1, то есть полный квадрат (s + 1)2. Квадрат второго числа, сложенный с первым, должен также дать квадрат, то есть число (2s + I)2 + s, равное 4s2 + 5s + 1 == t2 Положим, что t = 2s — 2; тогда t2 = 4s2 — 8s + 4. Это выражение должно равняться 4s2 + 5s + 1. Итак, должно быть: 4s2 — 8s + 4 == 4s2 + 5s + l откуда s= Значит, задаче удовлетворяют числа: . Проверка; Почему Диофант делает предположение, что t==2s—2, он не объясняет. Во всех своих задачах (в дошедших до нас шести книгах его их 189) он делает то или другое предположение, не давая никакого обоснования. Вообще содержание 6 книг таково: В «Арифметике» 189 задач, каждая снабжена одним или несколькими решениями. Задачи ставятся в общем виде, затем берутся конкретные значения входящих в нее ве­личин и даются решения. Задачи книги I в большинстве определенные. В ней имеются и такие, которые решаются с помощью систем двух уравнений с двумя неизвестными, эквивалентных квадратному уравнению. Для его разрешимости Диофант выдвигает условие, чтобы дискриминант был полным квадратом. Так, задача 30— найти таких два числа, чтобы их разность и произведение были заданными числами,— приводится к системе х — у = а, х = b. Диофант выдвигает «условие формирования»: требуется, чтобы учетверенное произведение чисел, сложенное с квад­ратом разности их, было квадратом, т. е. 4b + а2 = с2. В книге II решаются задачи, связанные с неопределен­ными уравнениями и системами таких уравнений с 2, 3, 4, 5, 6 неизвестными степени не выше второй. Диофант применяет различные приемы. Пусть необхо­димо решить неопределенное уравнение второй степени с двумя неизвестными f2 (х, у) ==0. Если у него есть ра­циональное решение (x0, y0), то Диофант вводит подста­новку x = x0 + t, y = y0 + kt, в которой k рационально. После этого основное уравнение преобразуется в квадратное относительно t, у которого свободный член f2 ( x0, у0) = 0. Из уравнения получается t1 == 0 (это значение Диофант отбрасывает), t2 — рацио­нальное число. Тогда подстановка дает рациональные х и у. В случае, когда задача приводилась к уравнению у2 = ax 2 + bx + с, очевидно рациональное решение x0 = О,y0=±C. Подстановка Диофанта выглядит так: x = t, y = kt ± c Другим методом при решении задач книги II Диофант пользовался, когда они приводили к уравнению у2 == = a2x2 + bx + с. Он делал подстановку x= t, y = at + k, после чего х и у выражались рационально через параметр k: Диофант, по существу, применял теорему, состоящую в том,; что если неопределенное уравнение имеет хотя бы одно рациональное решение, то таких решений будет бес­численное множество, причем значения х и у могут быть представлены в виде рациональных функций некоторого параметра» В книге II есть задачи, решаемые с помощью «двойного неравенства», т. е. системы ах + b = и2, сх + d == v2. Диофант рассматривает случай а = с, но впоследствии пишет, что метод можно применить и при а : с = т2, Когда а == с, Диофант почленным вычитанием одного ра­венства из другого получает и 2 —и2 = b — d. Затем раз­ность b — d раскладывается на множители b — d = п1 и приравнивает и + v = I, и — v = п, после чего нахо­дит и = (I + п)/2, v = (I - n)/2, х - (l2 + п2}/4a - {b + d)/2a. Если задача сводится к системе из двух или трех урав­нений второй степени, то Диофант находит такие рацио­нальные выражения неизвестных через одно неизвестное и параметры, при которых все уравнения, кроме одного, обращаются в тождества. Из оставшегося уравнения он выражает основное неизвестное через параметры, а затем находит и другие неизвестные. Методы, разработанные в книге II, Диофант применяет к более трудным задачам книги III, связанным с системами трех, четырех и большего числа уравнений степени не выше второй. Он, кроме того, до формального решения задач проводит исследования и находит условия, которым должны удовлетворять параметры, чтобы решения сущест­вовали. В книге IV встречаются определенные и неопределен­ные уравнения третьей и более высоких степеней. Здесь дело обстоит значительно сложнее, потому что, вообще говоря, неизвестные невозможно выразить как рациональ­ные функции одного параметра. Но, как и раньше, если известны одна или две рациональные точки кубической кривой fз (х, у) == 0, то можно найти и другие точки. Диофант при решении задач книги IV применяет новые методы» Книга V содержит наиболее сложные задачи; некоторые из них решаются с помощью уравнений третьей и четвер­той степеней от трех и более неизвестных. Есть и такие, в которых требуется разложить данное целое число на сум­му двух, трех или четырех квадратов, причем эти квадра­ты должны удовлетворить определенным неравенствам., При решении задач Диофант дважды рассматривает урав­нение Пелля ax2 + 1 = у2. Задачи книги VI касаются прямоугольных треуголь­ников с рациональными сторонами. К условию х2 + у2 == z2 в них добавляются еще условия относительно площа­дей, периметров, сторон треугольников. В книге VI доказывается, что если уравнение ax2 + b == у2 имеет хотя бы одно рациональное решение, то их будет бесчисленное множество. Для решения задач книги VI Диофант применяет все употребляемые им спо­собы. Кстати, в одном из древних рукописных сборников задач в стихах жизнь Диофанта описывается в виде следующей алгебраиче-юй загадки, представляющей надгробную надпись на его могиле Прах Диофанта гробница покоит; дивись ей—и камень Мудрым искусством его скажет усопшего век. Волей богов шестую часть жизни он прожил ребенком. И половину шестой встретил с пушком на щеках. Только минула седьмая, с подругою он обручился. С нею пять лет проведя, сына дождался мудрец; Только полжизни отцовской возлюбленный сын его прожил. Отнят он был у отца ранней могилой своей. Дважды два года родитель оплакивал тяжкое горе, Тут и увидел предел жизни печальной своей. Задача-загадка сводится к составлению и решению уравнения: откуда х = 84 = вот сколько лет жил Диофант. Неопределённое уравнение x2 + y2 = z2 Такое неопределённое уравнение исследовали пиффагорийцы, целые решения которого поэтому называют «пифагоровыми тройками», они нашли бесконечно много таких троек, имеющих вид: Кубические уравнения Более систематическое исследование задач, эквивалентных кубическим уравнениям, относится только к эпохе эллинизма. Архимед в сочи­нении «О шаре и цилиндре» (книга II, предложение 4) свел задачу о рас­сечении шара плоскостью на два сегмента, объемы которых имели бы за­данное отношение т : п (т > п), к нахождению высоты х большего сегмен­та из пропорции (1) где а — радиус шара. Архимед обобщает задачу: рассечь заданный отрезок а на две части х и а—х так, чтобы (а — х) : с = S : х2, (2) где с и S — заданные отрезок и площадь. Заметив, что при такой общей постановке задача не всегда разрешима (имеются в виду только положительные действительные решения), Архи­мед приступает к ее исследованию с тем, чтобы наложить ограничения на с и S. Он говорит, что изложит полное решение задачи «в конце», однако соответствующее место не сохранилось. Жившие на столетие позже Архи­меда греческие геометры Диокл и Дионисодор уже не знали его. Они предложили собственные, гораздо более сложные решения, но никто из них не сумел провести анализ общего случая. Только в VI в. н. э. комментатор Архимеда Евтокий нашел утраченное место. Архимед решает задачу с помощью двух конических сечений: Параболы (3) и гиперболы (4) (здесь положено S = pb). Оба уравнения легко получить из пропорции (2). Для выяснения необходимых условий Архимед переходит от пропорции (2) к кубическому уравнению x2(a-x) = Sc (5) которое он выражает словесно как соотношение между объемами. Ясно, что уравнение (5) может иметь положительные корни, если Итак, проблема сводится к нахождению экстремума х2 (а — х). Оставим пока в стороне вопрос о методе экстремумов Архимеда, мы вер­немся к этому, когда будем говорить об инфинитезимальных методах древ­них. Скажем только, что Архимед полностью исследовал условия сущест­вования положительных вещественных корней уравнения (5), а именно: 1) если Sc < 43/27, то на участке (0, а) имеются два таких корня; 2) если Sc = 4aз/27, то имеется один корень (как сказали бы мы,— двукратный); 3) если Sc > 4aз/27, то корня нет. Здесь 4а3/27 есть максимум х2 (а — х), достигаемый при х = 2а/3. В конце письма, предпосланного книге «О коноидах и сфероидах» (греки называли сфероидами эллипсоиды вращения, прямоугольными ко­ноидами — параболоиды вращения, а тупоугольными коноидами — по­лости двуполостных гиперболоидов вращения), Архимед пишет, что с по­мощью доказанных в книге теорем можно решить ряд задач, как, напри­мер: от данного сфероида или коноида отсечь сегмент плоскостью, прове­денной параллельно заданной, так, чтобы отсеченный сегмент был равен данному конусу, цилиндру или шару. Перечисленные задачи, так же как и задачи о делении шара, сводятся к кубическим уравнениям, причем в случае тупоугольного коноида уравнение будет иметь вид x2(a + x)=Sc Из текста Архимеда можно заключить, что он проанализировал и решил это уравнение. Таким образом, Архимед рассмотрел кубические уравне­ния вида х3 + ax + b = 0 при различных значениях a и b и дал метод их решения. Однако исследование кубических уравнений оставалось для греков трудной задачей, с которой, в ее общем виде никто, кроме Архи­меда, не мог справиться. Решение отдельных задач, эквивалентных ку­бическим уравнениям, греческие математики получали с помощью нового геометрического аппарата конических сечений. Этот метод впоследствии восприняли математики стран ислама, которые сделали попытку прове­сти полный анализ всех уравнений третьей степени. Но еще до этого, и притом греческими математиками, был сделан но­вый решительный шаг в развитии алгебры: геометрическая оболочка была сброшена, и началось построение буквенной алгебры на основе арифмети­ки. Это произошло в первые века нашей эры. Литература: 1. «История математики в древности» Э. Кольман. 2. «Решение уравнений в целых числах» Гельфонд. 3. «В мире уравнений» В.А.Никифоровский. 4. «История математики в школе» Г.И.Глейзер. 5. «Рассказы о старой и новой алгебре» И.Депман. 6. «Пифагор: рассказы о математике» Чистаков. 7. «Краткий очерк истории математики» Стройк Д.Я. 8. «Очерки по истории математики» Болгарский Б.В. 9. «История математики» (энциклопедия) под редакцией Юшкевича. 10. «Энциклопедический словарь юного математика» под редакцией Гнеденко.