Найти в Дзене
Математика не для всех

Метод истощения в геометрии, придуманный древним гением. Как он работает ?

Приветствую Вас, уважаемые Читатели! Сегодня я хочу в очередной раз обратить к великой древнегреческой математике, а именно к трудам Евдокса - математика, астронома, философа и даже музыканта.

Источник: https://24smi.org/public/media/resize/660x-/celebrity/2017/04/19/jLoUW3qHTrPx_evklid.jpg
Источник: https://24smi.org/public/media/resize/660x-/celebrity/2017/04/19/jLoUW3qHTrPx_evklid.jpg

В математике же он известен как один из праотцов интегрального исчисления, которое в оригинальной формулировке, дошедшей до нас благодаря "Началам" Евклида, называлось "методом истощения".

Сочинения Евдокса не сохранились, но были отражены в "Началах"

Однако, первые намеки на практическое применение "метода истощения" принадлежат Антифонту - древнегреческому философу-софисту, которого, кроме всего прочего, называют одним из первым анархистов в истории.

Его, как и многих других мыслителей, занимал вопрос квадратуры круга: построения круга, равновеликого квадрату, т.е. равного по площади:

-2

Согласно поздним комментаторам, Антифонт вписывал в круг некий многоугольник — треугольник или квадрат.

Разделяя пополам дуги, соответствующие сторонам, он получал многоугольник с удвоенным числом сторон, то есть шести- или восьмиугольник, и т. д.

Антифонт считал, что если подобным образом поступать неограниченное число раз, то мы получим такой многоугольник, который совпадёт с окружностью.

Так как построить равновеликий многоугольнику квадрат является решаемой задачей, то таким же образом можно квадрировать и круг.

Евдокс же вошёл в историю, систематизировав применение этого метода для решения самых разнообразных задач. В "Началах" Евклида метод сформулирован таким образом:

Для двух заданных неравных величин, если от большей отнимается больше половины и от остатка больше половины, и это делается постоянно, то останется некоторая величина, которая будет меньше заданной меньшей величины.
Два отрезка. Если от первого отрезка отнимать больше его половины, то всегда найдется отрезок (1), меньший любой заранее заданной величины, например (2)
Два отрезка. Если от первого отрезка отнимать больше его половины, то всегда найдется отрезок (1), меньший любой заранее заданной величины, например (2)

Обратите внимание на формулировку: именно здесь впервые в истории человечества речь идёт о пределе, здесь даже можно найти аналогию с классическим "эпсилон-дельта" языком.

Для плоских и объемных фигур метод истощения позволяет находить площадь и объем:

Источник: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c9/Archimedes_pi.svg/1920px-Archimedes_pi.svg.png
Источник: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c9/Archimedes_pi.svg/1920px-Archimedes_pi.svg.png

Например, для этого в окружность вписывается бесконечная последовательность многоугольников, которая в пределе совпадает с площадью круга.

Ученик Евдокса Архимед сильно превзошел учителя и виртуозно применял метод для многих новых открытий.

Архимед буквально нарезал цилиндр и сферу на тонкие-тонкие слои, а затем вычислил соотношение их объемов. Оказалось, что оно равно 2/3. Источник: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/70/Archimedes_sphere_and_cylinder.svg/330px-Archimedes_sphere_and_cylinder.svg.png
Архимед буквально нарезал цилиндр и сферу на тонкие-тонкие слои, а затем вычислил соотношение их объемов. Оказалось, что оно равно 2/3. Источник: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/70/Archimedes_sphere_and_cylinder.svg/330px-Archimedes_sphere_and_cylinder.svg.png

Примечательно, что метод истощения в современной трактовке называется "методом исчерпываний".

Это сделал бельгийский математик 16 века Грегуа́р де Сен-Венса́н (он, кстати, придумал полярную систему координат!). Пройдет меньше ста лет и метод исчерпываний трудами Ньютона, Лейбница и в дальнейшем Римана, превратится в один из мощнейших математических инструментов - интегральное исчисление. Спасибо за внимание!