Вторая часть
Сейчас мы займемся чем-то вроде проверки IQ.
Например, решением задач типа: «Найдите закономерность и продолжите ряд».
Пусть дана такая последовательность (символы английского алфавита):
b, a, e, o, s, q, t, d, u, n…
Нужно продолжить ряд.
Это трудная задача и мы ею заниматься не будем.
Наша задача будет проще, в чем вы сможете сейчас убедиться.
Для начала преобразуем уравнение касательной (4) таким образом:
Именно такой вид уравнения касательной будет для нас наиболее полезен.
Теперь мы имеем:
1. уравнение ВТФ для
2. уравнение касательной (5)
3. и, наконец, само предполагаемое решение уравнения
Представим их совместно, в виде системы уравнений:
Посмотрите внимательно на эту систему – она этого заслуживает.
Посмотрели?
Тогда я предложу вам задачу, сформулировав ее таким образом: «Найдите закономерность и вставьте пропущенный член».
Проверьте себя!
Надеюсь, что вы уже нашли его. Вот он:
Итак, имеем:
Не правда ли, весьма стройная система получилась.
Что же в ней означает новое уравнение (7)?
Значения переменных здесь второй степени, следовательно – это кривая второго порядка. А если вспомнить классическое уравнение эллипса:
где a, b – оси эллипса, то придется признать, что новое уравнение в системе описывает эллипс.
Причем, на нем обязана присутствовать и наша точка
A. И вообще, точка
A входит во все уравнения системы (8). Входит в виде решения этой системы уравнений.
Т.е. мы предположили в начале единственное – пусть рациональная точка
лежит на кубике:
а получили целую систему уравнений (8), каждое из которых также содержит эту рациональную точку.
Из этой системы уравнений нас интересует естественно эллипс, ибо касательная проста как простая прямая, а кубика сложна до невозможности.
Докажем, что этот эллипс является касательным к кубике в точке
A. Для этого к кривой эллипса
проведем касательную в точке
.
Чтобы это сделать, повторим действия, описанные в Первой части.
Находим вначале промежуточные значения:
Подставляем их в (3):
Следовательно, касательная к эллипсу имеет вид:
Таким образом получили, что и к кубике
и к эллипсу
касательной (в точке их касания
A) служит одна и та же прямая:
Следовательно, эллипс является касательным к кубике в точке
A.
Аналогом этого, для наглядности, может быть следующее утверждение: если
a =
c и
b =
с, то
a =
b Вот мы и провели вторую касательную к кубике в точке
A, не совпадающую с первой касательной.
Позволю себе немного пояснений.
Новая касательная образована из исходной кривой (кубики) точно по такому же наглядному алгоритму, как и обычная касательная (см. систему уравнений (8)) и, как только что мы доказали, является касательной к кубике.
Другой вопрос – существует бесконечное множество эллипсов другого размера и формы, также касательных к кубике в точке
A. Возможно, в этом и кроется причина не введения в математику до сих пор подобных объектов. Однако это не является для нас причиной отказа от тех возможностей, которые предоставляют нам такие объекты. Особенно появившихся вышеописанным способом, который открылся нам как Дар Небес (и за который мы должны благодарить кого-то из тех, кто стоит выше нас).
Из этого множества мы выбрали вариант, который наиболее прост и логичен по своему образованию, который, также как и простая касательная, единственен для конкретной точки касания на исходной кривой, и мы намерены использовать его потенциал, по крайней мере, для доказательства того, с чего собственно мы и начали рассуждения.
Итак, эта вторая касательная – не простая прямая, а имеет степень два для переменных
x и
y (далее, как увидим – степень касательной может быть и 3, и 4, и вообще –
n).
Чтобы выделить эти многостепенные касательные на фоне обычных линейных, назовем их Высшими Касательными, сокращенно ВК (то, что это сочетание букв является также моими инициалами – Владислав Кощаков, является случайностью).
Далее мы докажем, что на касательном эллипсе
точка
A не может быть рациональной.
Для этого применим метод, которым без сомнения пользовался сам Пьер Ферма.
-- 13.01.2013, 23:55 --Третья часть
На широких полях «Арифметики» Диофанта, напротив задачи II-8, находится запись Пьера Ферма на латинском языке:
«Cubum autem in duos cubos, aut quadrato-quadratum in duos quadrato-quadratos, et generaliter nullam in infinitum ultra quadratum potestatem in duas ejusdem nominis fas est dividere; cujus rei demonstrationem mirabilem sane detexi. Hanc marginis exiguitas non caperet».
В переводе на математический язык:
«Уравнение
при
неразрешимо»
Я имею «Арифметику» Диофанта («Наука», Москва, 1974), однако там нет оригинального текста Ферма.
А как хотелось бы взглянуть на книгу самого Ферма, почувствовать связь времен…
Предполагаю однако, что экземпляр «Арифметики» Диофанта самого Пьера Ферма не сохранился до наших времен. Увы.
Так вот, задача II-8 гласит: «Заданный квадрат разложить на два квадрата».
Для нас будет значительно полезнее познакомиться со следующей задачей – II-9.
«Данное число, которое складывается из двух квадратов, подразделить на два другие квадрата».
В качестве примера Диофант рассматривает уравнение
зная одно рациональное решение которого
, надо найти второе.
Диофант делает для этого подстановку с новым неизвестным
t и параметром
kПодставляя их в исходное уравнение, можно найти это новое неизвестное:
Далее Диофант полагает
(хотя можно выбрать любое другое рациональное значение), после чего легко находит требуемое
.
Прямой подстановкой найденных значений в исходное уравнение убеждаемся в их правильности.
Графически то, что делает Диофант в задаче II-9, выглядит следующим образом. Из точки
, симметричной точке
A относительно оси
OX (он вынужден так поступать, ибо ищет только положительные решения), он проводит прямую с угловым коэффициентом
, которая при пересечении c окружностью дает вторую рациональную точку.
Учитывая, что параметр
k может иметь любое рациональное значение, получаем веер прямых из точки
A, каждая из которых при пересечении с окружностью дает свое рациональное решение. Таким образом, устанавливается взаимно-однозначное соответствие между параметром
k и всеми рациональными точками окружности.
Понятно также, что в качестве первоначальной можно выбрать уже полученную точку
B, и построить из нее свой веер прямых.
Такие построения справедливы не только для окружности, а для любой кривой второго порядка.
Ферма без сомнения пользовался этим методом.
Воспользуемся и мы с вами, применив его к нашему эллипсу.
Вот его уравнение:
По предположению на нем находится рациональная точка
.
Найдем вторую рациональную точку эллипса, используя для этого подстановки Диофанта.
Мы выбрали
для простоты рассуждений, хотя можно выбрать любое другое рациональное значение.
И вообще, если для
мы получим что-то необычное для рациональных чисел
, то сможем утверждать справедливость полученного результата для любого k (ввиду невозможности выделения какой-либо прямой из всего многообразия пучка прямых – они все равноправны).
Подставляем их в исходное уравнение:
Учитывая, что
упрощаем дальше:
Откуда получаем:
И находим новую рациональную точку
B на эллипсе:
Подставляя эти значения в уравнение эллипса, убеждаемся в их правильности.
Но пытливый ум не должен останавливаться на полпути. Давайте-ка попробуем из точки
B вернуться обратно в точку
A, используя все те же подстановки Диофанта и тот же наклон прямой, соединяющий эти точки.
Действуя аналогично, находим:
И
Очень странно!
Ведь мы должны были получить наши первоначальные значения
. А получили нечто, не являющееся даже решением уравнения эллипса (получившаяся точка принадлежит другой кривой второго порядка, однако мы не будем развивать здесь это направление, ибо оно уводит нас от обсуждаемой темы).
Для нас важно следующее:
Рациональные точки так себя не ведут!
Наверное, будет логичным сейчас посмотреть на реальный переход из точки
A в точку
B и обратно для гарантированно рациональной точки
A.
Для этого возьмем простейший эллипс:
с рациональной точкой
.
Делаем подстановку Диофанта:
Для упрощения выкладок по-прежнему полагаем
. Можно действовать и в общем виде, для любого
k, однако наглядность при этом уступает место многоэтажным дробям, хотя результат будет тем же самым.
Подставляя их в уравнение эллипса, находим:
Откуда получаем координаты точки
B:
Убеждаемся, что они являются решением для уравнения простейшего эллипса, и отправляемся в обратный путь – из точки
B в точку
A:
Вот как должно быть для рациональной точки!
Последовательное применение подстановок Диофанта для рациональных точек на кривых второго порядка с одним и тем же параметром
k просто перемещает нас из точки
A в точку
B и обратно бесчисленное множество раз.
В случае же с касательным эллипсом (7) с каждой попыткой перемещения мы получаем каждый раз новые значения и можно, наверное, обнаружить в этом процессе элементы бесконечного спуска, о котором упоминает Ферма в одном из своих писем.
Отсюда следует, что точка
A на эллипсе (7) не есть рациональная. И, соответственно, – на кубике, так как она есть общая точка их касания.
А поскольку мы не накладывали никаких ограничений на выбор точки
A на кубике, то это относится к любой ее точке.
Следовательно, на кубике
рациональных точек быть не может!
Вывод достаточно прост и однозначен, и отвечает на вопрос, поставленный в самом начале наших рассуждений.
Автор не только не возражает, но даже считает полезным копирование представленной информации в ваш личный архив для более глубокого ознакомления с ней офлайн (надежность Интернета не равна 100%), а также для сообщения ее, при желании, вашим друзьям, знакомым и другим группам ограниченного числа людей.