WikiDer > Квадратурная формула Кавальериса - Википедия

Cavalieris quadrature formula - Wikipedia
Квадратурная формула Кавальери вычисляет площадь под кубическая криваявместе с другими высшими силами.

В исчисление, Квадратурная формула Кавальери, названный в честь итальянского математика 17 века Бонавентура Кавальери, это интеграл

и их обобщения. Это определенный интеграл форма; то неопределенный интеграл форма:

Есть дополнительные формы, перечислено ниже. Вместе с линейность интеграла, эта формула позволяет вычислить интегралы от всех многочленов.

Период, термин "квадратура"- традиционный термин для площадь; интеграл геометрически интерпретируется как площадь под кривой у = Иксп. Традиционно важными делами являются у = Икс2, квадратура парабола, известный в древности, и у = 1/Икс, квадратура гиперболы, значение которой логарифм.

Формы

Отрицательный п

Для отрицательных значений п (отрицательные силы Икс), Существует необычность в Икс = 0, и, таким образом, определенный интеграл основан на 1, а не на 0, что дает:

Далее, для отрицательных дробных (нецелых) значений п, сила Иксп не является четко определенный, следовательно, неопределенный интеграл определен только для положительных Икс. Однако для п отрицательное целое число Иксп определено для всех ненулевых Икс, и неопределенные интегралы и определенные интегралы определены, и могут быть вычислены с помощью аргумента симметрии, заменяя Икс автор -Икс, и основывая отрицательно определенный интеграл на −1.

По комплексным числам определенный интеграл (при отрицательных значениях п и Икс) можно определить через контурная интеграция, но тогда зависит от выбора пути, в частности номер намотки - геометрическая проблема в том, что функция определяет покрывающее пространство с особенностью 0.

п = −1

Есть также исключительный случай п = −1, что дает логарифм вместо силыИкс:

(где "ln" означает натуральный логарифм, т.е. логарифм по основанию е = 2.71828...).

Несобственный интеграл часто расширяется до отрицательных значений Икс с помощью обычного выбора:

Обратите внимание на использование абсолютная величина в неопределенном интеграле; это должно обеспечить унифицированную форму для интеграла и означает, что интеграл этой нечетной функции является четной функцией, хотя логарифм определен только для положительных входных значений и, фактически, различных постоянных значений C можно выбрать по обе стороны от 0, поскольку они не изменяют производную. Таким образом, более общая форма:[1]

Над комплексными числами нет глобальной первообразной для 1 /Икс, поскольку эта функция определяет нетривиальную покрывающее пространство; эта форма предназначена для действительных чисел.

Обратите внимание, что определенный интеграл, начиная с 1, не определен для отрицательных значений а, поскольку он проходит через особенность, хотя поскольку 1 /Икс является нечетная функция, можно основать определенный интеграл для отрицательных степеней при −1. Если кто-то хочет использовать несобственные интегралы и вычислить Главное значение Коши, получается что также может быть обосновано симметрией (поскольку логарифм нечетный), поэтому так что не имеет значения, основан ли определенный интеграл на 1 или −1. Как и в случае с неопределенным интегралом, это относится к действительным числам и не распространяется на комплексные числа.

Альтернативные формы

Интеграл также можно записать со смещенными индексами, что упрощает результат и делает связь с п-мерная дифференциация и п-куб яснее:

В более общем виде эти формулы могут быть представлены как:

В более общем смысле:

Доказательство

Современное доказательство заключается в использовании первообразной: производной от Иксп показано как nxп−1 - для целых неотрицательных чисел. Это видно из биномиальная формула и определение производной - и таким образом основная теорема исчисления то первообразный - интеграл. Этот метод не подходит для как кандидат первообразная , которая не определена из-за деления на ноль. В логарифм функция, которая является фактической первообразной 1 /Икс, должны быть представлены и рассмотрены отдельно.

Производная можно геометризировать как бесконечно малое изменение объема п-куб, который является площадью п лица, каждое из измерений п − 1.
Интегрирование этой картины - складывание граней - геометризует основную теорему исчисления, давая разложение п-куб в п пирамиды, что является геометрическим доказательством квадратурной формулы Кавальери.

Для положительных целых чисел это доказательство можно геометризировать:[2] если учесть количество Иксп как объем п-куб ( гиперкуб в п размеры), то производная - это изменение объема при изменении длины стороны - это Иксп−1, которую можно интерпретировать как площадь п лица, каждое из измерений п - 1 (фиксируя одну вершину в начале координат, это п грани, не соприкасающиеся с вершиной), что соответствует увеличению размера куба за счет роста в направлении этих граней - в трехмерном случае добавление 3 бесконечно тонких квадратов, по одному на каждую из этих граней. И наоборот, геометризируя основную теорему исчисления, складывая эти бесконечно малые (п - 1) кубики дают (гипер) -пирамиду, а п этих пирамид образуют п-куб, который дает формулу. Далее, есть п-кратная циклическая симметрия п-куб по диагонали, вращающий эти пирамиды (для которых пирамида является фундаментальная область). В случае с кубом (3-кубом) объем пирамиды изначально был строго установлен так: куб имеет 3-кратную симметрию, с фундаментальной областью пирамиды, разделяющей куб на 3 пирамиды, что соответствует факту что объем пирамиды равен одной трети основания, умноженной на высоту. Это геометрически иллюстрирует эквивалентность квадратуры параболы и объема пирамиды, которые классически вычислялись разными способами.

Существуют альтернативные доказательства - например, Ферма вычислил площадь с помощью алгебраического трюка разделения области на определенные интервалы неравной длины;[3] в качестве альтернативы, можно доказать это, распознав симметрию графа у = Иксп при неоднородном расширении (по d в Икс направление и dп в у направление, алгебраизируя п размеры у направление),[4] или вывести формулу для всех целочисленных значений, расширив результат для п = −1 и сравнивая коэффициенты.[5]

История

Архимед вычислил площадь параболических сегментов в своем Квадратура параболы.

Подробное обсуждение истории с первоисточниками дано в (Лаубенбахер и Пенгелли 1998, Глава 3, Анализ: Расчет площадей и объемов); смотрите также история исчисления и история интеграции.

Случай с параболой был доказан еще в древности древнегреческим математиком. Архимед в его Квадратура параболы (3 век до н.э.), через метод истощения. Следует отметить, что Архимед вычислил площадь внутри парабола - так называемый "параболический сегмент" - а не площадь под графиком у = Икс2, что вместо точки зрения Декартова геометрия. Это эквивалентные вычисления, но отражают разницу в перспективе. Древние греки, среди прочих, также вычисляли объем пирамида или же конус, что математически эквивалентно.

В 11 веке Исламский математик Ибн аль-Хайсам (известный как Альхазен в Европе) вычислили интегралы от кубики и квартика (третья и четвертая степень) через математическая индукция, в его Книга оптики.[6]

Случай более высоких целых чисел был вычислен Кавальери для п до 9, используя его метод неделимых (Принцип Кавальери).[7] Он интерпретировал их как высшие интегралы как вычисление многомерных объемов, хотя и неофициально, поскольку многомерные объекты были еще незнакомы.[8] Затем этот метод квадратуры расширил итальянский математик. Евангелиста Торричелли к другим кривым, таким как циклоида, затем формула была обобщена на дробные и отрицательные степени английским математиком Джон Уоллис, в его Arithmetica Infinitorum (1656), который также стандартизировал понятие и обозначение рациональных сил - хотя Уоллис неверно истолковал исключительный случай п = −1 (квадратура гиперболы) - прежде, чем окончательно подвергнуться строгому обоснованию с развитием интегральное исчисление.

До формализации Уоллисом дробных и отрицательных степеней, которые позволяли явный функции эти кривые обрабатывались неявно, через уравнения и (п и q всегда положительные целые числа) и называются соответственно высшие параболы и высшие гиперболы (или «высшие параболы» и «высшие гиперболы»). Пьер де Ферма также вычислил эти площади (за исключением исключительного случая -1) с помощью алгебраического трюка - он вычислил квадратуру высших гипербол, разделив прямую на равные интервалы, а затем вычислил квадратуру высших парабол, используя деление на неравный интервалы, по-видимому, путем инвертирования делений, которые он использовал для гипербол.[9] Однако, как и в остальной части его работы, техники Ферма были скорее специальными приемами, чем систематическими методами лечения, и он не считается, что он сыграл значительную роль в последующем развитии исчисления.

Следует отметить, что Кавальери сравнивал площади только с площадями, а объемы с объемами - у них всегда есть размеры, в то время как понятие рассмотрения области как состоящей из единицы площади (относительно стандартной единицы), следовательно, без единицы измерения, по-видимому, возникла у Уоллиса;[10][11] Уоллис изучал дробные и отрицательные степени, и альтернативой трактовке вычисленных значений как безразмерных чисел была интерпретация дробных и отрицательных измерений.

Исключительный случай −1 (стандартная гипербола) впервые был успешно обработан Грегуар де Сент-Винсент в его Опус геометрическая квадратурная циркуляция и секция кони (1647), хотя формальная обработка должна была дождаться развития натуральный логарифм, что было выполнено Николас Меркатор в его Логарифмотехния (1668).

Рекомендации

  1. ^ "Обзор читателей: журнал |Икс| + C", Том Ленстер, В п-категория кафе, 19 марта 2012 г.
  2. ^ (Барт 2004), (Картер и Шампанеркар 2006)
  3. ^ См. Рики.
  4. ^ (Вильдбергер 2002)
  5. ^ (Брэдли 2003)
  6. ^ Виктор Дж. Кац (1995), «Идеи исчисления в исламе и Индии», Математический журнал 68 (3): 163–174 [165–9 & 173–4]
  7. ^ (Струик 1986, стр. 215–216).
  8. ^ (Лаубенбахер и Пенгелли 1998) - видеть Неформальный педагогический синопсис главы "Анализ" для краткой формы
  9. ^ См. Ссылку Рики для обсуждения и дальнейших ссылок.
  10. ^ Мяч, 281
  11. ^ Британика, 171

История

  • Кавальери, Геометрия индивисибилибус (континуум nova quadam ratione promota) (Геометрия, раскрытая по-новому с помощью неделимых непрерывных), 1635.
  • Кавальери, Exercitationes Geometricae Секс («Шесть геометрических упражнений»), 1647 г.
    • в Дирк Ян Струик, редактор, Справочник по математике, 1200–1800 гг. (Издательство Принстонского университета, Принстон, Нью-Джерси, 1986). ISBN 0-691-08404-1, ISBN 0-691-02397-2 (PBK).
  • Математические экспедиции: хроники исследователей, Райнхард Лаубенбахер, Дэвид Пенгелли, 1998, Раздел 3.4: «Кавальери вычисляет области высших парабол», стр. 123–127 / 128
  • Краткое изложение истории математики, Уолтер Уильям Роуз Болл, "Кавальери", п. 278–281
  • "Исчисление бесконечно малых", Энциклопедия математики
  • Британское руководство по анализу и расчету, образовательной Britannica Educational, п. 171 - в первую очередь обсуждает Уоллеса

Доказательства

внешняя ссылка