Pole powierzchni figur płaskich podobnych zmienia się z kwadratem skali podobieństwa – fakt nauczany już w szkole podstawowej. Dziś zadajemy pytanie „dlaczego” tak jest? O ile uzasadnienie dla najprostszych typów figur jest banalne (wynika bezpośrednio ze wzorów na pole), to w przypadku powierzchni ograniczonej dowolną krzywą (no może nie do końca dowolną) potrzeba już nieco więcej gimnastyki. Pokażę kilka podjeść, w tym osobno „pokryciowe”, osobno oparte na całce Riemanna, oraz osobno na bazie przekształcenia liniowego. Na koniec podam bardziej ogólne wnioski co do zmiany pola powierzchni względem znacznie szerszej niż podobieństwo klasy transformacji. Zapraszam 🙂
„Jak oczami wyobraźni zobaczyć 4 wymiary? – zapytano matematyka. To proste – odpowiedział – wystarczy wyobrazić sobie n-wymiarów i podstawić n=4″ 🙂
Dzisiejszy wpis poświęcę pomiarom odległości, powierzchni i pojemności w przestrzeniach wielowymiarowych. N-wymiarowa przestrzeń euklidesowa dostarcza dosyć oczywistą metrykę – a przez to wydawałoby się – bardzo intuicyjną. To wrażanie jest jednak mylne, co łatwo pokazać analizując wpływ zwiększania liczby wymiarów na dokonywane pomiary. Jak w zależności od liczby wymiarów zmienia się powierzchnia i objętość kuli? Analogicznie – jak zmienia się maksymalna odległość pomiędzy wierzchołkami kostki? Obiecuję – odpowiedzi będą zaskakujące 🙂
Możesz mieć wrażenie, że to wyłącznie abstrakcyjne rozważania. Czy na pewno? Ja w zasadzie na co dzień analizuję Klientów opisanych szeregiem miar. Poszukiwanie podobieństw, skupień, segmentów czy „najbliższych sąsiadów” niemal w całości opiera się na wielowymiarowej metryce euklidesowej. Zapraszam do pogłębienia wiedzy w tym obszarze:-) Zapewniam – warto!
$P=\pi r^2$ to chyba najbardziej znany wzór, będący zarazem rzadko rozumianym 🙂 Choć wzór na pole powierzchni koła, bo o nim tu mowa, znany był już w Starożytnej Grecji, to jego uzasadnienie wcale nie jest łatwe. Jest to zatem świetny temat do wzbogacenia cyklu „Dlaczego?” 🙂 Do dzieła! 🙂
Pole powierzchni koła – wzór
$$P=\pi r^2$$
Jak widać powyżej – kwadrat i koło, o tej samej powierzchni, nie są „jakoś intuicyjnie łatwo” powiązane. Więcej – wykazano nawet, że kwadratura koła (procedura wykonywana przy użyciu cyrkla i linijki bez podziałki) jest niewykonalna! I tu pojawia się genialny pomysł z prostokątem 🙂 Nim powiem o co chodzi przyjrzyjmy się co tak naprawdę mówi wzór $$\pi r^2$$.
$\pi\times r^2$ – czyli w kole mieszczą się nieco ponad 3 kwadraty o boku r 🙂
Pole powierzchni koła – dowód przez animację 🙂
Trochę się napracowałem przy tej animacji 🙂
Pole powierzchni koła – wielokąty foremne
Uwaga – poniższe nie jest dowodem, a obrazuje jedynie sposób wnioskowania stosowany przez Starożytnych Greków (tak np. Archimedes wyznaczał liczbę pi).
Można zauważyć, że obwód n-kąta foremnego opisanego na kole wynosi
$$O_n=na$$
a jego pole to suma pól trójkątów o podstawie $a$ i wysokości równej promieniowi koła $r$.
Niech będą dane trzy ciągi rzeczywiste $a_n$, $b_n$ i $c_n$. Jeśli „prawie wszędzie” (tzn. pomijając co najwyżej skończenie wiele wyrazów) zachodzi zależność
Przyda się również $\lim_{x\to 0}\frac{\sin x}{x} = 1$
Pamiętam jak w szkole średniej, na lekcjach fizyki, mój nauczyciel wielokrotnie przyjmował, że dla małych $x$ funkcję $\sin x$ dobrze przybliża właśnie $x$. Wynika to z rozwinięcia $\sin x$ w szereg Taylora – wyjaśnienie pomijam. Wyznaczę jednak samą granicę – bo się przyda 🙂
$$\lim_{x\to 0}\frac{\sin x}{x}=\big(\frac{0}{0}\big)\text{ reg. de l`Hospitala}=$$
Rozważmy n-kąty foremne opisane na kole i wpisane w koło. Pole n-kąta opisanego nazwijmy „polem zewnętrznym” i oznaczmy $Z_n$. Analogicznie pole n-kąta wpisanego nazwiemy „polem wewnętrznym” oznaczając je $W_n$.
Oczywiście
$$W_n\leq P\leq Z_n$$
gdzie $P$ oznacza pole koła.
W kolejnym kroku dzielimy n-kąty na n-trójkątów. Zauważmy, że w ten sposób kąt pełny został również podzielony na n równych części. Pole „trójkąta zewnętrznego” oznaczymy przez $T_n$, a trójkąta wewnętrznego $t_n$.
Z twierdzenia o trzech ciągach wnioskujemy, że pole koła to
$$P=\lim W_n=\lim Z_n=\pi r^2$$
Tempo zbieżności ciągów $W_n$ oraz $Z_n$
🙂
Pozdrowienia,
Mariusz Gromada
Poza Liczbami: Inne Twórcze Przestrzenie
Matematyka i muzyka są ściśle powiązane przez rytm, harmonię i struktury
Matematyka i muzyka są ściśle powiązane przez rytm, harmonię i struktury, które wykorzystują matematyczne wzory i proporcje do tworzenia estetycznych i emocjonalnych doznań. Z nieśmiałą ekscytacją przedstawiam moją pierwszą poważniejszą kompozycję, w której starałem się uchwycić te połączenia.
Scalar – zaawansowana aplikacja mobilna z silnikiem matematycznym mojego autorstwa
Jestem pewien, że wzór na pole powierzchnitrójkąta, tj. $P=\frac{1}{2}ah$, jest znany niemal wszystkim 🙂 Dzieci, będąc we wczesnym wieku szkolnym, poznają podstawy geometrii, w tym długości obwodów i pola powierzchni figur płaskich. Jeśli interesuje cię dlaczego pole powierzchni trójkąta zależy od długości jego podstawy i wysokości na nią opadającej, to jest to wpis dla Ciebie 🙂 Jednocześnie wzbogacam cykl „Dlaczego?”. Zaczynamy!
Pole powierzchni trójkąta – wzór
Wzór na pole powierzchni trójkąta, choć prosty, to na pierwszy rzut oka nie jest zbyt intuicyjny (no może poza przypadkiem trójkąta prostokątnego). Oto, w jakiś magiczny sposób, dla każdej podstawy, iloczyny ich długości i długości wysokości na nie opadających, są sobie równe – i więcej – określą pole powierzchni ograniczonej trójkątem 🙂
Matematyka i muzyka są ściśle powiązane przez rytm, harmonię i struktury
Matematyka i muzyka są ściśle powiązane przez rytm, harmonię i struktury, które wykorzystują matematyczne wzory i proporcje do tworzenia estetycznych i emocjonalnych doznań. Z nieśmiałą ekscytacją przedstawiam moją pierwszą poważniejszą kompozycję, w której starałem się uchwycić te połączenia.
Scalar – zaawansowana aplikacja mobilna z silnikiem matematycznym mojego autorstwa
Georg Ferdinand Ludwig Philipp Cantor (1845 – 1918) – niemiecki matematyk, który zainicjował (oraz znacząco rozwinął) teorię mnogości. Można powiedzieć, że „Cantor dla teorii mnogości jest tym, kim Mandelbrot dla geometrii fraktalnej”. Cantora osobiście zaliczam do grona gigantów matematyki, których koncepcje i wyniki prac znacząco wyprzedzały daną epokę. Cantor jako pierwszy zadał pytanie o rozmiar nieskończoności. Wprawdzie w 17 wieku Newton i Leibniz stosowali pojęcie wielkości nieskończenie małej o niezerowym rozmiarze, co zapoczątkowało rachunek różniczkowy i całkowy – w 2015 roku napisałem na ten temat kilka słów. Ich starania nie były precyzyjne i w zasadzie jedynie „mgliście” wykorzystywały przejście w krok nieskończony, pomijając szereg problemów z tym związanych.
Cantor zajął się prawdziwie aktualną nieskończonością, wprowadzając definicję równoliczności zbiorów (również tych nieskończonych), co pozwoliło uogólnić pojęcie liczności zbioru. Dziś moc zbioru, określana mianem liczby kardynalnej i oznaczana $|A|$, odnosi się do wskazania zbioru równolicznego (na bazie istnienia bijekcji – czyli jednoznacznego parowania elementów dwóch zbiorów – co działa również w przypadku nieskończonym), którego moc jest znana. Idąc dalej – Cantor w liczbach kardynalnych wprowadził porządek. Powiemy, że $|A|\leq |B|$ jeśli A jest równoliczne z podzbiorem B.
jeśli $|A|\leq |B|$ oraz $|B|\leq |A|$ to $|A|=|B|$
Wynik genialny, gdyż pozwala porządkować również zbiory nieskończone! Cantor uczynił ten krok, wskazał nieskończoność najmniejszą – tj. nieskończoność zbioru liczb naturalnych. Zbiory równoliczne ze zbiorem liczb naturalnych nazywamy dziś nieskończonymi zbiorami przeliczalnymi o mocy $\aleph_0$ (czyt. aleph zero).
W 1890 roku Cantor udowodnił przełomowe twierdzenie mówiące, że każdy zbiór ma mniejszą moc niż zbiór jego podzbiorów (zbiór potęgowy).
$$|A|< |2^A|$$
Kolejny genialny wynik, dający „generator” coraz to „większych” nieskończoności. Tych większych nieskończoności nie trzeba było szukać bardzo daleko. Analizując zbiór liczb rzeczywistych Cantor stwierdził, że jego nieskończoność znacznie przewyższa nieskończoność liczb naturalnych. Nieskończoność zbioru liczb rzeczywistych nazywamy dziś continuum i oznaczamy $\mathfrak{c}$.
$$\mathfrak{c}=2^{\aleph_0}$$
Czy istnieje nieskończoność większa od nieskończoności liczb naturalnych oraz mniejsza od nieskończoności liczb rzeczywistych? To pytanie również postawił Cantor, niestety na swoje nieszczęście… Pytanie, nazywane dziś Hipotezą Continuum, doprowadziło Cantora do choroby psychicznej. Cantor do końca życia przekonany był – na zmianę – o prawdziwości / nieprawdziwości hipotezy, co rusz przesyłając dowody potwierdzające / zaprzeczające. Dopiero w 1963 roku Paul Cohen wykazał, że Hipoteza Coninuum jest niezależna od aksjomatów teorii mnogości – czyli, że na bazie tych aksjomatów, nie można jej ani wykazać ani zaprzeczyć…
Zdecydowałem się na ten nieco długi, nie do końca związany z geometrią fraktalną, wstęp, ze względu na wpływ, jaki wywarły na moją osobę idee Georga Cantora. W 2007 roku napisałem artykuł „Od paradoksów do Hipotezy Continuum czyli – Tajemnice Nieskończoności” – zapraszam do lektury wszystkich pragnących zgłębić pojęcie nieskończoności w matematyce.
Polecam również „A Hierarchy of Infinities” – odcinek z serii „PBS Infinite Series”.
Zbiór Cantora
Zbiór Cantora jest podzbiorem jednostkowego odcinka powstającym poprzez:
podział odcinka na 3 równe części;
usunięcie części środkowej;
powtórzenie procedury usuwania dla nowo powstałych odcinków.
Finalny zbiór Cantora jest zbiorem granicznym przy nieskończenie wielu iteracjach wykonanych zgodnie z powyższymi punktami.
Zbiór Cantora został przez opisany w roku 1883.
Niezwykłe właściwości zbioru Cantora
Długość zbioru Cantora jest równa 0 – w języku bardziej formalnym powiemy, że jest to zbiór miary 0 (w sensie miary Lebesgue’a).
Zbiór Cantora powstaje poprzez usuwanie pewnych części – policzmy długość odcinków usuniętych.
Długość odcinków usuniętych jest równa jedności, zatem to co pozostało musi mieć długość równą 0 🙂
Zbiór Cantora jest równoliczny ze zbiorem liczb rzeczywistych $\mathbb{R}$ – czyli ma moc continuum $\mathfrak{c}$.
Jest to dość zaskakująca własność dla zbioru, który nie ma długości (co pokazaliśmy wyżej). Zbiór Cantora ma formę „rozdmuchanego pyłu”, mimo to punktów jest znacznie więcej niż liczb naturalnych. Szczegóły dowodu relacji równoliczności znajdziecie tutaj.
Zbiór Cantora posiada własność samo-podobieństwa – czyli, że w jego skład wchodzą „jego mniejsze kopie”.
Własność samo-podobieństwa wynika wprost z definicji zbioru. Powyżej na obrazku zaznaczyłem część zbioru podobną do jego całości.
Zbiór Cantora jako fraktal
Zbiór Cantora posiada nietrywialną strukturę w każdej skali i jest samo-podobny – jest to zatem fraktal, najprostszy z możliwych 🙂
Przyjaźnił się z Richardem Dedekind’em – pamiętacie przedziały Dedekinda i liczby rzeczywiste? 🙂
Był osobą bardzo wierzącą. Odkrywając tajemnice nieskończoności odnosił wrażenie, że to sam Bóg mu je przekazuje.
Z powodu niemożności rozwiązania Hipotezy Continuum popadł w ciężką depresję, był wielokrotnie hospitalizowany, nie odzyskał w pełni zdrowia.
W ostatnich latach życia zajmował się mistycyzmem rozwijając koncepcję Absolutnej Nieskończoności, którą utożsamiał z Bogiem.
Pozdrowienia,
Mariusz Gromada
Poza Liczbami: Inne Twórcze Przestrzenie
Matematyka i muzyka są ściśle powiązane przez rytm, harmonię i struktury
Matematyka i muzyka są ściśle powiązane przez rytm, harmonię i struktury, które wykorzystują matematyczne wzory i proporcje do tworzenia estetycznych i emocjonalnych doznań. Z nieśmiałą ekscytacją przedstawiam moją pierwszą poważniejszą kompozycję, w której starałem się uchwycić te połączenia.
Scalar – zaawansowana aplikacja mobilna z silnikiem matematycznym mojego autorstwa
Karl Theodor Wilhelm Weierstrass (1815 – 1897) niemiecki matematyk uznawany za „ojca współczesnej analizy matematycznej”. Choć minęło już 17 lat, to nadal doskonale pamiętam pierwszy semestr studiów matematycznych i ekspozycję na podstawowe „bardziej abstrakcyjne” twierdzenia, w tym Twierdzenie Bolzano-Weierstrassa. Twierdzenie mówi, że „każdy rzeczywisty ciąg ograniczony zawiera podciąg zbieżny”, i choć brzmi prosto i ogólnie, jest niezwykle przydatnym narzędziem dowodzenia innych wyników metodą nie-wprost (zgodnie ze schematem „załóżmy, że … wtedy istnieje ciąg ograniczony, że …, wtedy istnieje podciąg zbieżny, że …, i z własności … wynika sprzeczność z założeniem”). Pięknie to (i nie tylko to) wykładał Pan Prof. Dr Hab. Tadeusz Rzeżuchowski – wielkie dzięki Panie Profesorze!
Funkcja Weierstrassa
Większość matematyków z okresu XVIII i XIX wieku uważało, że wszystkie rzeczywiste funkcje ciągłe są różniczkowalne w znaczącej części swej dziedziny (poza zbiorem izolowanych punktów). Dosyć naturalny pogląd okazał się jednak fałszywy, co wykazał Weierstrass w 1872 roku, a wcześniej podejrzewali Bernhard Riemann oraz Bernard Bolzano (prawdopodobnie w roku 1830 Bolzano podał kontrprzykład, którego nie opublikował). Funkcja Weierstrassa jest przykładem rzeczywistej funkcji ciągłej nieróżniczkowalnej w całej dziedzinie (tzn. nie istnieje ani jeden punkt dziedziny, w otoczeniu którego funkcja zachowuje się „normalnie” – np. monotonicznie). Własność nietypowa, a nawet patologiczna! Jednak nie dla fraktali, zatem i nie dla otaczającej nas natury (analogia do nieintuicyjnej mechaniki kwantowej zaskakująco precyzyjnie opisującej rzeczywistość).
Warto zauważyć, że funkcję Weierstrassa można zapisać w postaci analitycznej (w uproszczeniu – podając wzór).
Funkcja Weierstrassa i fraktale
Poniżej wykres funkcji Weierstrassa na przedziale [-2; 2] – źródło Wikipedia.
Benoit Mandelbrot mawiał, że „fraktal to zbiór matematyczny (lub inny obiekt ) charakteryzujący się w każdej skali wysoką nieregularnością oraz dużą fragmentacją.” W części pierwszej cyklu o „geometrii fraktalnej”, odnosząc się do słów Mandelbrota, pisałem, że cechą fraktalną jest nietrywialna struktura obiektu w każdej skali – tzn. powiększanie ujawnia kolejne równie skomplikowane formy. Wspomniałem również o samo-podobieństwie – tzn. sytuacji, gdy w skład obiektu wchodzą jego „mniejsze” kopie. Wykres funkcji Weierstrassa zdaje się spełniać te kryteria – był to pierwszy odkryty fraktal!
Matematyka i muzyka są ściśle powiązane przez rytm, harmonię i struktury
Matematyka i muzyka są ściśle powiązane przez rytm, harmonię i struktury, które wykorzystują matematyczne wzory i proporcje do tworzenia estetycznych i emocjonalnych doznań. Z nieśmiałą ekscytacją przedstawiam moją pierwszą poważniejszą kompozycję, w której starałem się uchwycić te połączenia.
Scalar – zaawansowana aplikacja mobilna z silnikiem matematycznym mojego autorstwa
Cykl poświęcony geometrii fraktalnej rozpoczynam od kilku genialnych cytatów oraz, idąc za radą Benoita Mandelbrota, koniecznie podając grafiki / wizualizacje / zdjęcia.
„Geometria fraktalna sprawi, że inaczej spojrzysz na świat. Ostrzegam – zgłębianie tej wiedzy wiąże się z niebezpieczeństwem. Ryzykujesz utratę części wyobrażeń z dzieciństwa – szczególnie tych dotyczących chmur, lasów, kwiatów, galaktyk, liści, piór, skał, gór, potoków, i wielu innych. Twoja interpretacja przyrody zmieni się całkowicie i na zawsze.”
„Ostatnie lata rozwoju matematyki, fizyki, biologii, astronomii oraz ekonomii dostarczyły nowego sposobu rozumienia ciągle rosnącej złożoności natury. Ta nowa dziedzina nauki, nazywana teorią chaosu, pozwala dostrzec porządek oraz wzorce gdzie dawnej dominowała losowość, niekonsekwencja, nieprzewidywalność – w skrócie obserwowany był chaos.”
Dla wielu termin fraktalkojarzy się z niezwykle pięknym zbiorem Mandelbrota, a wszystko za sprawą szeregu prostych programów komputerowych służących do jego wizualizacji. Jestem pewien, że znaczna część programistów rozpoczynała swoją przygodę z kodowaniem od programu generującego wspomniany zbiór – jednym z nich byłem ja! Dziś jednak nie będę skupiał się na osobie Benoita Mandelbrota – na to przyjdzie jeszcze czas. Zaznaczę natomiast, że był postacią o chyba największym wpływie na rozwój nowej dziedziny geometrii, geometrii przyrody.
Czym jest fraktal?
Nie istnieje jedna precyzyjna definicja fraktali. W zamian wymienia się cechy obiektów fraktalnych – najważniejsze to:
Samo-podobieństwo – tzn. w skład obiektu wchodzą jego „mniejsze kopie (lub przybliżone kopie)” – np. liść paproci.
Nietrywialna struktura w każdej skali– tzn. powiększanie ujawnia kolejne równie skomplikowane formy – np. drzewo, konary / gałęzie.
Niecałkowity (a nawet niewymierny) wymiar fraktalny – ten koncept wyjaśnimy szczegółowo później, chodzi np. o nieskończenie długą krzywą zamkniętą, która jest osadzona w ograniczonej przestrzeni (obiekt o typie „pomiędzy” linią a płaszczyzną) – przykład rzeczywisty to chociażby linia brzegowa i pomiar jej długości – im mniejsza skala pomiaru tym istotnie większy wynik.
Historia fraktali
Pierwsza część cyklu to jedynie wstęp – dlatego podaję główne nazwiska (w kolejności chronologicznej), które istotnie przyczyniły się do rozwoju geometrii fraktalnej. Są to wybitni matematycy i dlatego każdemu z nich poświęcę osobny wpis.
Matematyka i muzyka są ściśle powiązane przez rytm, harmonię i struktury
Matematyka i muzyka są ściśle powiązane przez rytm, harmonię i struktury, które wykorzystują matematyczne wzory i proporcje do tworzenia estetycznych i emocjonalnych doznań. Z nieśmiałą ekscytacją przedstawiam moją pierwszą poważniejszą kompozycję, w której starałem się uchwycić te połączenia.
Scalar – zaawansowana aplikacja mobilna z silnikiem matematycznym mojego autorstwa
Kolejne wpisy dopiero po Świętach – zatem już dziś Wszystkim życzę wesołych Świąt! W ramach cyklu „Matematyka w obrazkach” przygotowałem fraktalną kartkę świąteczną – Choinkę Sierpińskiego – na którą składają się:
Matematyka i muzyka są ściśle powiązane przez rytm, harmonię i struktury
Matematyka i muzyka są ściśle powiązane przez rytm, harmonię i struktury, które wykorzystują matematyczne wzory i proporcje do tworzenia estetycznych i emocjonalnych doznań. Z nieśmiałą ekscytacją przedstawiam moją pierwszą poważniejszą kompozycję, w której starałem się uchwycić te połączenia.
Scalar – zaawansowana aplikacja mobilna z silnikiem matematycznym mojego autorstwa
Przekształcenie stereograficzne (rzut stereograficzny) okręgu na prostą oraz sfery na płaszczyznę – czyli równoliczność odcinka / okręgu z całą prostą oraz sfery z płaszczyzną.
Rzut stereograficzny okręgu na prostą
Rzut stereograficzny sfery na płaszczyznę
Pozdrowienia,
Mariusz Gromada
Poza Liczbami: Inne Twórcze Przestrzenie
Matematyka i muzyka są ściśle powiązane przez rytm, harmonię i struktury
Matematyka i muzyka są ściśle powiązane przez rytm, harmonię i struktury, które wykorzystują matematyczne wzory i proporcje do tworzenia estetycznych i emocjonalnych doznań. Z nieśmiałą ekscytacją przedstawiam moją pierwszą poważniejszą kompozycję, w której starałem się uchwycić te połączenia.
Scalar – zaawansowana aplikacja mobilna z silnikiem matematycznym mojego autorstwa
Geometryczny dowód twierdzenia Pitagorasa – sam obrazek nie stanowi formalnego dowodu, ale co tam 🙂 .
Pozdrowienia,
Mariusz Gromada
Poza Liczbami: Inne Twórcze Przestrzenie
Matematyka i muzyka są ściśle powiązane przez rytm, harmonię i struktury
Matematyka i muzyka są ściśle powiązane przez rytm, harmonię i struktury, które wykorzystują matematyczne wzory i proporcje do tworzenia estetycznych i emocjonalnych doznań. Z nieśmiałą ekscytacją przedstawiam moją pierwszą poważniejszą kompozycję, w której starałem się uchwycić te połączenia.
Scalar – zaawansowana aplikacja mobilna z silnikiem matematycznym mojego autorstwa
Skalar - kalkulator, funkcje, wykresy i skrypty - Made in Poland
Skalar to potężny silnik matematyczny i matematyczny język skryptowy, który zbudowany jest na bazie MathParser.org-mXparser
Kliknij na wideo i zobacz Skalara w akcji 🙂
Scalar Lite – wersja lite
Scalar Pro – wersja profesjonalna
Kontynuując przeglądanie strony, wyrażasz zgodę na używanie przez nas plików cookies. więcej informacji
Aby zapewnić Tobie najwyższy poziom realizacji usługi, opcje ciasteczek na tej stronie są ustawione na "zezwalaj na pliki cookies". Kontynuując przeglądanie strony bez zmiany ustawień lub klikając przycisk "Akceptuję" zgadzasz się na ich wykorzystanie.
