Кіріспе

Архимедтің математикалық трактаты "Механикалық теоремалар әдісі" (Περὶ μηχανικῶν θεωρημάτων πρὸς Ἐρατοσθένη ἔφοδος), сондай-ақ "Әдіс" деп те аталады, бұл ежелгі грек ғалымы Архимедтің сақталған маңызды еңбектерінің бірі. "Әдіс" Архимедтің Александрия кітапханасының бас кітапханашысы Эратосфенге жазған хат түрінде келген және бұл геометриялық нұсқадағы шексіз кіші шамалар (бөлінбейтіндер) ретіндегі бөлінбейтіндердің алғашқы нақты қолданылуын қамтиды. Бұл еңбек алғашында жоғалған деп есептелген, бірақ 1906 жылы танымал Архимед палимпсестінен қайта табылды. Палимпсест Архимедтің "механикалық әдіс" туралы есебін қамтиды, себебі ол фигуралардың салмақ орталығына (центроид) және Архимедтің "Жазықтықтардың тепе-теңдігі туралы" еңбегінде көрсетілген тетік заңына сүйенеді. Архимед бөлінбейтіндер әдісін қатаң математиканың бір бөлігі деп мойындамады, сондықтан нәтижелерін қамтитын ресми трактаттарында жарияламады. Осы трактаттарда ол сол теоремаларды толықтыру арқылы дәлелдейді, қажетті жауапқа жақындайтын жоғарғы және төменгі шекараларды анықтайды. Дегенмен, механикалық әдіс – оның кейіннен қатаң дәлелдерін берген қатынастарды ашу үшін қолданған әдісі болды.

Параболаның ауданы

Архимед әдісін түсіндіру үшін қазіргі кезде де декарттық геометрияны қолдану ыңғайлы, бірақ ол сол кезде қол жетімді емес еді. Оның идеясы – рычаг заңы арқылы басқа фигуралардың белгілі массалық орталығынан фигуралардың ауданын анықтау. Қазіргі тілдегі ең қарапайым мысал – параболаның ауданы. Архимед одан да әдемі әдіс қолданады, бірақ декарттық тілде оның әдісі интегралды есептеуге келтіріледі, оны қазіргі кезде элементарлы интегралды есептеу арқылы оңай тексеруге болады. Бұл идея параболаны (жоғарыда интегралданатын қисық аймағын) белгілі бір материалдан жасалған үшбұрышпен механикалық түрде теңестіруге байланысты. Парабола – ось пен қисық арасындағы жазықтықтағы 0-ден 1-ге дейінгі аралықтағы аймақ. Үшбұрыш – сол жазықтықтағы ось пен түзу арасындағы аймақ, сонымен қатар 0-ден 1-ге дейін өзгереді. Парабола мен үшбұрышты тік кесінділерге бөліңіз, әрқайсысы үшін бір мән. Ойша осьті рычаг ретінде қарастырыңыз, тірегі нүктеде болсын. Рычаг заңы бойынша, егер рычагтың екі жағындағы екі нысанның айналу моменттері тең болса, онда олар тепе-теңдікте болады, мұнда нысанның айналу моменты оның салмағы мен тіректен қашықтығының көбейтіндісіне тең. Әрбір мәні үшін үшбұрыштың тік қимасының массасы оның биіктігіне тең болады және тіректен қашықтықта орналасқан; сондықтан ол параболаның сәйкес тік қимасын, биіктігі , егер соңғысы жылжыса, тіректің екінші жағындағы 1 қашықтықта орналасса, теңестіреді. Барлық қималар жұптары теңестірілгендіктен, бүкіл параболаны жылжыту бүкіл үшбұрышты теңестіреді. Бұл дегеніміз, егер бастапқы кесілмеген параболаны нүктеден ілгекпен іліп қойса (параболаның барлық массасы сол нүктеге бекітілген болса), ол үшбұрышты теңестіреді. Үшбұрыштың массалық орталығын келесі әдіспен оңай табуға болады, бұл әдіс те Архимедке тиесілі. Егер үшбұрыштың кез келген төбесінен қарсы қабырғасына дейін орта сызық жүргізілсе, үшбұрыш осы орта сызыққа тірегі ретінде қарастырылса тепе-теңдікте болады. Себебі үшбұрыштың орта сызығына параллель кішкентай сызық сегменттеріне бөлгенде, әр сегменттің ортасынан қарсы жақтарындағы ұзындығы бірдей болады, сондықтан тепе-теңдік симметрия арқасында туындайды. Бұл аргументті кішкентай төртбұрыштарды қолдану арқылы оңай қатаңдатуға болады, және Архимед «Жазықтықтардың тепе-теңдігі» еңбегінде осылай істейді. Демек, үшбұрыштың массалық орталығы медианалардың қиылысу нүктесінде болуы керек. Аталған үшбұрыштың бір медианасы – түзу, ал екінші медианасы – түзу. Бұл теңдеулерді шешу арқылы осы екі медиананың қиылысу нүктесі нүктеден жоғары орналасқанын көреміз, сондықтан үшбұрыштың рычагқа түсіретін жалпы әсері үшбұрыштың барлық массасы осы нүктеге (немесе осы нүктеден) төмен қарай итергендей болады. Үшбұрыштың тудыратын жалпы айналу моменты оның ауданының 1/2-сіне, массалық орталығының тіректен 2/3 қашықтығына көбейтілгеніне тең. Бұл 1/3 айналу моменты параболаны теңестіреді, ол тіректен 1 қашықтықта орналасқан. Сондықтан, параболаның ауданы 1/3-ке тең болуы керек, бұл оған қарама-қарсы айналу моментін береді. Бұл әдіс параболаның кез келген қимасының ауданын табу үшін қолданылуы мүмкін, ал ұқсас аргументтер кез келген интегралды табу үшін қолданылады.

Шардың бетінің ауданы

Сфераның бетін табу үшін Архимед шеңбердің ауданы шеңбердің айналасында айналып өтетін шексіз көп кішкентай тікбұрыштар ретінде қарастырылуы мүмкін екенін көрсетті (Шеңберді өлшеуге қараңыз), сфераның көлемін радиусы биіктігіне тең және бетіне негізделген көптеген конустарға бөліп қарастыруға болады. Бұл конустардың биіктігі бірдей болғандықтан, олардың көлемі негіз ауданының 1/3-і мен биіктігінің көбейтіндісіне тең. Архимед сфераның жалпы көлемі, сферамен бірдей бет ауданына ие және биіктігі радиусқа тең конус көлеміне тең дейді. Бұл дәлелдің толық мәліметтері келтірілмеген, бірақ себебі айқын: конус негіз ауданын бөліп, шексіз көп конустарға бөлінеді, және әр конус өзінің негіз ауданына пропорционалды үлес қосады, дәл сферадағыдай. Сфераның бетін S деп белгілейік. S негізінің ауданы және r биіктігі бар конус көлемі , бұл сфера көлеміне тең болуы керек: демек, сфераның бет ауданы , яғни "ең үлкен шеңберінің төрт есесіне" тең болуы керек. Архимед бұл тұжырымды "Сфера және цилиндр туралы" еңбегінде нақты дәлелдейді.

Палимпсесттегі басқа ұсыныстар

Геометрияның бірқатар теоремалары палимпсестте ұқсас дәлелдермен мысалданған. Бір теорема бойынша, жарты шардың масса ортасы сфераның полюсінен ортасына дейінгі қашықтықтың 5/8 бөлігінде жатыр. Бұл мәселе ерекше, себебі ол кубикалық интегралды есептеуді қажет етеді.