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.
The Method of Mechanical Theorems (Περὶ μηχανικῶν θεωρημάτων πρὸς Ἐρατοσθένη ἔφοδος), also referred to as The Method, is one of the major surviving works of the ancient Greek polymath Archimedes. The Method takes the form of a letter from Archimedes to Eratosthenes, the chief librarian at the Library of Alexandria, and contains the first attested explicit use of indivisibles (indivisibles are geometric versions of infinitesimals). The work was originally thought to be lost, but in 1906 was rediscovered in the celebrated Archimedes Palimpsest. The palimpsest includes Archimedes' account of the "mechanical method", so called because it relies on the center of weights of figures (centroid) and the law of the lever, which were demonstrated by Archimedes in On the Equilibrium of Planes. Archimedes did not admit the method of indivisibles as part of rigorous mathematics, and therefore did not publish his method in the formal treatises that contain the results. In these treatises, he proves the same theorems by exhaustion, finding rigorous upper and lower bounds which both converge to the answer required. Nevertheless, the mechanical method was what he used to discover the relations for which he later gave rigorous proofs.
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.
which can easily be checked nowadays using elementary integral calculus. The idea is to mechanically balance the parabola (the curved region being integrated above) with a certain triangle that is made of the same material. The parabola is the region in the plane between the axis and the curve as varies from 0 to 1. The triangle is the region in the same plane between the axis and the line , also as varies from 0 to 1. Slice the parabola and triangle into vertical slices, one for each value of Imagine that the axis is a lever, with a fulcrum at The law of the lever states that two objects on opposite sides of the fulcrum will balance if each has the same torque, where an object's torque equals its weight times its distance to the fulcrum. For each value of , the slice of the triangle at position has a mass equal to its height , and is at a distance from the fulcrum; so it would balance the corresponding slice of the parabola, of height , if the latter were moved to , at a distance of 1 on the other side of the fulcrum. Since each pair of slices balances, moving the whole parabola to would balance the whole triangle. This means that if the original uncut parabola is hung by a hook from the point (so that the whole mass of the parabola is attached to that point), it will balance the triangle sitting between and
The center of mass of a triangle can be easily found by the following method, also due to Archimedes. If a median line is drawn from any one of the vertices of a triangle to the opposite edge , the triangle will balance on the median, considered as a fulcrum. The reason is that if the triangle is divided into infinitesimal line segments parallel to , each segment has equal length on opposite sides of the median, so balance follows by symmetry. This argument can be easily made rigorous by exhaustion by using little rectangles instead of infinitesimal lines, and this is what Archimedes does in On the Equilibrium of Planes. So the center of mass of a triangle must be at the intersection point of the medians. For the triangle in question, one median is the line , while a second median is the line Solving these equations, we see that the intersection of these two medians is above the point , so that the total effect of the triangle on the lever is as if the total mass of the triangle were pushing down on (or hanging from) this point. The total torque exerted by the triangle is its area, 1/2, times the distance 2/3 of its center of mass from the fulcrum at This torque of 1/3 balances the parabola, which is at a distance 1 from the fulcrum. Hence, the area of the parabola must be 1/3 to give it the opposite torque. This type of method can be used to find the area of an arbitrary section of a parabola, and similar arguments can be used to find the integral of any power of , although higher powers become complicated without algebra. Archimedes only went as far as the integral of , which he used to find the center of mass of a hemisphere, and in other work, the center of mass of a parabola.
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.