Vizualni i kratki dokazi - prilog kreativnoj nastavi matematike (1.dio)
Odavna se smatra da su najljepši, najelegantniji i najuvjerljiviji dokazi u matematici oni koje možemo prikazati jednom razumljivom slikom (uz možda po koju riječ) ili nekom kratkom rečenicom/formulom. Slikovni ili vizualni dokazi se još kolokvijalno nazivaju dokazi bez riječi. Učenici, studenti, nastavnici, znanstvenici i drugi često mogu s lakoćom razumijeti upečatljive jednostavne slike i/ili kratke pričice i možda ih trajno usvojiti i zapamtiti. Uostalom, kaže se dobra slika vrijedi tisuću riječi, dobra slika pola zadatka ili kratka priča-sve jasno. S takvom slikom ili kratkim opisom dokaza možemo unaprijediti i poboljšati kretivnu nastavu matematike, konkretno pridonijeti njenom kurikularnom unaprijeđenju i učiniti nastavu dinamičnijom, zanimljivijom i zabavnijom. U ovom članku prikazat ćemo neke od takvih dokaza.
Članak posvećujemo našim dragim profesorima, prijateljima, kolegama i koautorima akademiku Sibi Mardešiću (1927.-2016.) i prof.dr.sc. Borisu Pavkoviću (1931.-2006.) ( Slika
Pitagorin poučak1 jedan je od najistaknutijih, najcitiranijih i najpoznatijih poučaka u matematici uopće. Poznato je oko 400 različitih dokaza tog jednostavno veličanstvenog poučka.
\underline{\text{Dokaz 1}}. Hrvatski rečeno, u pravokutnom je trokutu četvorina (kvadrat) nad najvećom stranicom jednaka zbroju četvorina nad ostale dvije stranice (vidjeti Sliku
Odnosno formulom
\underline{\text{Dokaz 2}}. Četvorina nad zbrojem dviju manjih stranica je četvorina nad najvećom stranicom uvećana za četiri površine tog pravokutnog trokuta (vidjeti Sliku
Odnosno formulom
tj.
Neka je \triangle \left(n\right) trokut s kutom \pi - \frac{2\pi}{n} ( ili \frac{2\pi}{n}), za bilo koji cijeli broj n\geq 3. Neka su stranice uz taj kut a i b, te c stranica nasuprot tome kutu. Označimo s P_{x}^{(n)} površinu pravilnog n- terokuta stranice x, a s P_{\triangle (n)} površinu takvog trokuta. Površina pravilnog n-terokuta nad zbrojem a+b stranica trokuta uz kut \pi - \frac{2\pi}{n} (ili \frac{2\pi}{n}) je površina pravilnog n-terokuta nad stranicom c trokuta uvećana za n površina tog trokuta \triangle \left(n\right)
Dakle,
Pogledajmo za n=3 i n=6 dokaz bez riječi (vidjeti Sliku
Za pozitivne (realne) brojeve x, y vrijedi \frac{x+y}{2}\geq \sqrt{xy}. Jednakost vrijedi ako i samo ako je x=y. Algebarski dokaz je doslovce trivijalan
Pogledajmo naše geometrijske dokaze
Dakle, u prvom dokazu (Slika
gdje je a velika poluos, a b mala poluos i vrijedi da je a\geq b, jer je x=a-e, a y=a+e (gdje je e linearni ekscentricitet) pa stoga b^{2}=a^{2}-e^{2}=xy.
U drugom dokazu (Slika
Opća A-G nejednakost za pozitivne brojeve x_{1},x_{2}, \ldots, x_{n} je
Kombinatorni dokaz provodimo tako da tvrdnju prvo dokažemo za pozitivne cijele brojeve x_{1},x_{2}, \ldots, x_{n}.
Neka su X_{i} i Y konačni disjunktni skupovi, gdje je i=1,2, \ldots, n i vrijedi
Konstruirajmo injekciju f\colon X_{1}\times X_{2}\times \cdots \times X_{n} \to Y\times \cdots \times Y=Y^{n} čime dokazujemo da je
Prvo, za n=2, promatramo dva skupa S i T, pri čemo je |S|=a\lt b=|T| i neka je t_{0} \in T. Zbog a\leq b-1 postoji injekcija g\colon S\to T\setminus \lbrace t_{0}\rbrace.
Definirajmo injekciju
formulom
Ovo je, zapravo, kombinatorni dokaz nejednakosti
Ako su svi x_{i} jednaki u
Pomoću nje dobivamo injekciju
gdje je X_{k}^{(1)}=X_{k}, za k\ne i, j,
i s novim produktom nastavimo na isti način s injekcijom
itd. sve dok ne dostignemo m \in \mathbb{N} takav da je \left| X_{k}^{(m)} \right|=\left| Y \right| za sve 1\leq k \leq n, i bijekciju
Kompozicija funkcija
tražena je injekcija.
Ukoliko su x_{1},x_{2}, \ldots,x_{n}\geq 0 bilo koji realni brojevi, onda se prethodno rezoniranje primijeni na sve 2^{n} A-G nejednakosti primijenjene na sve ˝podove˝ \lfloor \ \ \rfloor i ˝stropove˝ \lceil \ \ \rceil svih brojeva, pa zbog konveksnosti i neprekidnosti tvrdnja vrijedi i za njih.
Topološki dokaz.
se dostiže u točki x_{1}=x_{2}=\ldots=x_{n}=S/n. To je zbog kompaktnosti simpleksa i neprekidnosti produkta.
Stoga je
Geometrijska interpretacija A-G nejednakosti je
Lijeva strana ukupan je zbroj duljina bridova kvadra (kutije) tj. to je opseg (perimetar) per(B) kutije B, čiji su bridovi u jednom vrhu x_{1}, x_{2}, \ldots ,x_{n}. Desna strana je također opseg per(C) kocke C brida \sqrt[n]{x_{1}\cdot x_{2} \cdots x_{n}}\ (=y) istog volumena x_{1}\cdot x_{2} \cdots x_{n} kao B. Dakle, A-G nejednakost je
i izriče izoperimetrijski poučak: Kocka ima među svim kvadrima istog volumena najmanji opseg (najmanje žice treba za kocku istog volumena). Promotrimo opću izoperimetrijsku nejednakost
pri čemu je V=vol_{n}(K), S= vol_{n-1}(\partial K), tj. V je n-dimenzionalni volumen n-dimenzionalnog konveksnog tijela K \subset \mathbb{R}^{n} (kompaktni, konveksni skup s nepraznom nutrinom), a S je volumen (n-1)-dimenzionalnog ruba \partial K (˝površine˝ tijela K).
\omega_{n} je volumen jedinične kugle B^{n}=\lbrace x \in \mathbb{R}^{n} \colon ||x||\leq 1 \rbrace. Poznato je da \omega_{n}=\pi^{n/2} / \Gamma (n/2+1), gdje je
gama funkcija; \omega_{1}=2, \omega_{2}=\pi, \omega_{3}=\frac{4}{3}\pi, \omega_{4}=\frac{1}{2}\pi^{2}, \ldots . Jednakost se u izoperimetrijskoj nejednakosti dostiže ako i samo ako je K kugla. Od svih tijela jednake površine kugla ima najveći obujam. Standardni dokaz izoperimetrijske nejednakosti se (aproksimacijama) svodi na Brunn-Minkowskijevu nejednakost za neprazne kompaktne skupove X, Y \subseteq \mathbb{R}^{n}:
pri čemu je X+Y=\lbrace x+y \colon x\in X, y\in Y \rbrace vektorski zbroj skupova. Ovo se pak (ponovno aproksimacijama) svodi na kvadre (kutije) s bridovima x_{1},x_{2}, \ldots,x_{n} i y_{1},y_{2}, \ldots,y_{n} u jednom od vrhova na nejednakost
Zbog A-G nejednakosti to je ekvivalentno s
Osim standardnih dokaza indukcijom, ili rabeći konveksnost postoje i manje standardni: algebarski, topološki, fizikalni (termodinamički) i drugi dokazi A-G nejednakosti kao i mnogobrojne primjene i uz to vezani problemi s eliptičkim integralima.
Za dane realne brojeve x, y \gt 0, definirat ćemo aritmetičko-geometrijsku sredinu AGM(x,y). Promatramo dva niza (x_{n})_{n\geq 0} i (y_{n})_{n\geq 0}, x_{0}=x, y_{0}=y, x_{n+1}=\frac{1}{2}\left(x_{n}+y_{n} \right), y_{n+1}=\sqrt{x_{n}y_{n}}. Pri tom je (x_{n}) padajući, a (y_{n}) rastući niz, dakle, omeđeni i monotoni, pa zaključujemo da su konvergentni. Neka je x_{n} \to X, y_{n} \to Y. Tada iz X=\frac{1}{2}\left( X+Y \right) slijedi X=Y. Zajednički limes L je L=AGM(x,y). Označimo
potpuni eliptički integral 1. vrste. Zamjenom varijabli
dobivamo
Stoga je
jer je I(x,x)=\frac{\pi}{2x}.
Dakle,
Vrijedi AGM profinjenje aritmetičko-geometrijske nejednakosti:
Znači AGM na prirodni način profinjuje aritmetičko-geometrijsku nejednakost.
Važan poučak s mnoštvom inačica glasi
Iznijet ćemo geometrijsko-kombinatorni dokaz. Prisjetimo se, ako su X, N konačni skupovi, onda X^{N} označava skup svih funkcija N \to X i ako je broj elemenata |X|=x i |N|=n, onda je |X^{N}|=x^{n}. Promatramo sva preslikavanja N \to X\cup Y iz N u disjunktnu uniju od X i Y pri čemu je |X|=x i |Y|=y. Neka se k elemenata preslika u X, a n-k u Y. Broj k-članih podskupova u N je { n \choose k }.
Binomni poučak neposredno slijedi primjenom načela umnoška i zbroja. Na isti se način dokazuju i multinomne formule:
Isti dokaz koristimo za injekcije. Prisjetimo se, za skup X^{\underline{N}} injekcija N \to X imamo:
Prema tome, s istim dokazom zaključujemo
Na isti način dobivamo i Vandermondevu konvoluciju
Ona broji sve injekcije N \to X_{1}\cup \cdots \cup X_{k}, |X_{i}|=x_{i}, i=1,2, \ldots, k iz N u disjunktnu uniju X_{1},\ldots,X_{k}.
Prisjetimo se
Spomenimo još i Chu-Vandermondeov identitet
Postoji mnogo formula i identiteta koji su posljedica ili su ekvivalentni binomnom poučku.
Sinusov i kosinusov poučak jedni su od temeljnih poučaka iz geometrije trokuta. Sinusi kutova u trokutu odnose se kao duljine tim kutovima nasuprotnih stranica tog trokuta. Ekvivalentan mu je kosinusov poučak\footnote {Kosinusov je poučak u današnjem obliku prvi iznio perzijski matematičar al Kashi 1427. godine, a kasnije 1565. godine, neovisno francuski matematičar F. Vi\`ete.}(a ekvivalentan Pitagorinom poučku) trokuta ABC i glasi
Prikažimo dva dokaza.
Dokaz 1.Površina trokuta ABC je (vidjeti Sliku
Analogno,
\underline{\text{Dokaz 2.}}
Iz trokuta ABC (vidjeti Sliku
Dakle,
Iz sinusovog i kosinusovog (a zapravo Pitagorinog) poučka imamo
To je Heronova formula. Možemo je zapisati i ovako:
Odnosno
Neka su e_{1}=a+b+c, e_{2}=ab+bc+ca, e_{3}=abc elementarne simetrične funkcije, tada imamo
Također,
gdje su t_{a},t_{b},t_{c} težišnice, t=\frac{1}{2}\left( t_{a}+t_{b}+t_{c} \right). Odnosno
gdje su v_{a},v_{b},v_{c} visine, v^{-1}=\frac{1}{2}\left(v_{a}^{-1}+v_{b}^{-1}+v_{c}^{-1} \right).
Ako je R radijus opisane kružnice k trokutu ABC (vidjeti Sliku
gdje je S=\frac{1}{2}(\sin \alpha+\sin \beta + \sin \gamma).
Jeste li uočili: Pitagora \Longleftrightarrow Heron? Čak što više, sinusov poučak \Longleftrightarrow kosinusov poučak \Longleftrightarrow Pitagorin poučak \Longleftrightarrow Heronova formula.
Površina romba na slici
Ekvivalentno (jer je \cos x=\sin (\frac{\pi}{2}-x))
Dijeljenjem se dobiva formula za \operatorname{tg}(\alpha+\beta) i \operatorname{ctg}(\alpha+\beta).
Pokazali smo kako možemo kombinirati različite tehnike, vizualne i formalne, kako bi došli do željenih rezultata, a ponekad će nam jedna skica dati i više različitih zaključaka ili otkriti i nešto novo.
[1] | B. Pavković, D. Veljan: Elementarna matematika 1, Školska knjiga, Zagreb, 2004. |
[2] | B. Pavković, D. Veljan: Elementarna matematika 2, Tehnička knjiga, Zagreb, 1995. |
[3] | I. N. Bronštejn, suradnici: Matematički priručnik, Tehnička knjiga, Zagreb, 2004. |
[4] | S. Mardešić: Sjećanje na profesora Borisa Pavkovića (1931.-2006.), Glasnik Matematički, 41 (61) (P) (2006.), 441-415. |
[5] | V. Volenec: Popis i opis znanstvenih radova prof. dr. sc. Borisa Pavkovića, Glasnik Matematički, 41 (61) (P) (2006.), 411-413. |
[6] | D. Veljan: The 2500-year -old-pythagorean theorem, Mathematics Magazine, 73 No. 4 (2000.), 259-272. |
[7] | D. Veljan: The AM-GM inequality from different viewpoints, Elem. Math. 72 (2017), 24-34. |
[8] | D. Svrtan, D. Veljan: Non-Euclidean versions of some classical triangle inequalities, Forum Geometricorum, 12 (2012.), 197-209. |
[9] | G. H. Hardy, J. E. Littlewood, G. Polya: Inequalities, 2nd. ed. , Cambridge University Press, Cambridge, 1952. |
[10] |
J. M. Steele: The Cauchy-Schwarz Master Class, MAA, Cambridge University Press, Cambridge, 2004. |
[11] | D. Veljan: Kombinatorna i diskretna matematika, Algoritam, Zagreb, 2001. |
[12] | D. Veljan: Čarobne četvorine (iliti magični kvadrati), Poučak,15 (57) (2014.), 12-23. |
[13] | C. A. Pickover: Wonders of Numbers, Oxford University Press, New York, 2002. |
[14] | C. A. Pickover: The Math Book, Sterling, New York, 2009. |
[15] | M. Fiedler: Matrices and graphs in geometry, Cambridge University Press, Cambridge, 2011. |
[16] | D. Veljan: The sine theorem and inequalities for volumes of simplices and determinants, Linear algebra and its applications, 219 (1995.), 79-91. |
[17] | A. Dujella: Fibonaccijevi brojevi, HMD, Zagreb, 2000. |
[18] | T. Koshy: Pell and Pell–Lucas Numbers with Applications, Springer, New York, 2014. |
[19] | D. Veljan, J. Nash i L. Nirenberg: Abelovci za 2015. godinu, Matematičko fizički list, 66 (2015.), 31-36. |
[20] | M. Raussen, C. Skau : Interview with Abel Laureate John F. Nash Jr., Notices of the AMS, 63 (5),(2016.), 486-491. |
[21] | D. Veljan : Matematičar i teorijski fizičar, akademik Vladimir Varićak, Prirodoslovlje 16(2016.), 125-152. |
[22] | D. Klobučar : Matematika naša svagdašnja I, II, Element , Zagreb, 2014. |
[23] | B. J. McCartin: Mysteries of the Equilateral Triangle, (javno dostupno na: http://www.m-hikari.com/mccartin-2.pdf, 7.2.2017.) |
[24] | J. Milnor : Topology through the centuries: Low dimensional manifolds, Bull. Amer. Math. Soc. 52 (4) (2015.), 545-584. |
[25] |
S. Mardešić : Kako sam postao i ostao matematičar, Hrvatska sveučilišna naklada, Zagreb, 2016. |