Квант

28

А. Звонкин

Что такое π?

Число π впервые появляется в школе в 5 классе — в учебнике «Matematika 5» (п. 59), о нем говорится в учебнике «Геометрия 8» (п. 118) и в учебнике «Алгебра и начала анализа 9» (п. 33). Оdnako доказательства существования числа π в этих учебниках нет. Мы приводим его в этой статье.

Длина отрезка

Длиной отрезка называется расстояние между его концами («Геометрия 6», п. 7).

На практике длины отрезков измеряют с помощью измерительных прибора — линейки, рулетки и т. п. Теоретический анализ этого процесса приводит к математической конструкции, называемой процессом измерения, и волне заслуживает отдельной статы.

Коротко говоря, процесс измерения состоит в следующем:

  1. выбирается произвольный отрезок — единица длины;
  2. единица длины откладывает в измеряемом отрезке столько раз, сколько можно;
  3. если при этом от измеряемого отрезка остается остаток, то единица длины делится на равные части и полученная часть единицы откладывает в остатке;
  4. и так далее.

Самое интересное здесь скрыто в четвертом пункте. Оказывается, процесс измерения может кончится за конечное число шагов (в этом случае измеряемый отрезок и единица длины называются соизмерными), а может и продолжаться бесконечно.

Таким образом, даже при измерении длины отрезка может попадать предельный переход. Вполне естественно, что он будет необходим нам и при определении длины окружности. При этом мы будем считать, что мы уже знаем, что такое длина отрезка и, тем самым, период многоугольника.

Читатель может спросить: а нельзя ли измерить длину окружности следующим способом — обмотать ее ниткой, затем нитку развернуть и приложить к линейке? К сожалению, для превращения этого практического способа измерения в строгу математического конструкцию требуют довольно изысканные математические средства, выходящие за рамки школьной программы.

Плохные определения
длинны окружности

Teорема может быть верной или неверной — определение ни верным, ни неверным быть не может. Определение может быть против вым (если не существует объектов, удовлетворяющих ему), не корректным (если оно определяет не то, что мы хотели) и не удовлетворяющим.

Мы даим сейчас несколько определений длины окружности. Все определения будут строиться по одному и той же схеме: тем или иным способом будет выбираться последовательность (Πn) вписанных в окружность многоугольников и длиной окружности будет назвать L=lim⁡n→∞PnL = \lim_{n \to \infty} P_n, где PnP_n — периметр многоугольника Πn\Pi_n. Друг от друга определения будет отличаться разным выбором последовательно (Πn\Pi_n).

Дадим сначала несколько плохих определений.

«О пределе» 1. L=lim⁡n→∞PnL = \lim_{n \to \infty} P_n, где (Πn\Pi_n) — произведение

29

Рис. 1.

вольная последовательность вписанных многоугольников.

Это определение никака не годится. Например, если при всех nn многоугольник Πn\Pi_n это один и тот же вписанный в окружность квадрат, то (Pn)(P_n) — постоянная последовательность, и в качестве длины окружности у нас получится перimeter вписанного квадрата. Если же в последовательности (Πn)(\Pi_n) стоит по очереди квадраты и правильные треугольники, то последовательность (Pn)(P_n) предела не имеет (доказhte!).

Обозначим через φ(n)\varphi(n) число сторон многоугольника Πn\Pi_n, через ψ(n)\psi(n) — длину его набольшей стороны.

《Определение》2. L=lim⁡n→∞PnL = \lim_{n \to \infty} P_n, где (Πn)(\Pi_n) — такая последовательность, что lim⁡n→∞φ(n)=+∞\lim_{n \to \infty} \varphi(n) = +\infty*).

Оказывается, и это определение неорретно. На рисунке 1 изображена последовательность (Πn)(\Pi_n), удовлетворяющая «определению» 2 и такая, что lim⁡n→∞Pn\lim_{n \to \infty} P_n не совпадает с тем, что мы хотели бы считать длиной окружности. Нетрудно также построить пример последовательности (Πn)(\Pi_n), удовлетворяющей «определению»*

*) To есть φ(n)\varphi(n) стандартная сколь годно большим.

Рис. 2.

2, для которого lim⁡n→∞Pn\lim_{n \to \infty} P_n не существует (постройте!).

《Определение》3. L=lim⁡n→∞PnL = \lim_{n \to \infty} P_n, где (Πn)(\Pi_n) — такая последовательность, что lim⁡n→∞φ(n)=+∞\lim_{n \to \infty} \varphi(n) = +\infty и lim⁡n→∞ψ(n)=0\lim_{n \to \infty} \psi(n) = 0.

К сожалению, и этот вариант не годится. На рисунке 2 изображена последовательность (Πn)(\Pi_n), удовлетворяющая «определению» 3 и такая, что lim⁡n→∞Pn=0\lim_{n \to \infty} P_n = 0. Как и в «определении» 1, 2, легко построить такую (Πn)(\Pi_n), что lim⁡n→∞Pn\lim_{n \to \infty} P_n не существует.

Хорошие определения
длинны окружности

Определение 4. L=lim⁡n→∞PnL = \lim_{n \to \infty} P_n, где (Πn)(\Pi_n) — такая последовательность, что при всех nn центр окружности лежит внутри Πn\Pi_n и lim⁡n→∞φ(n)=+∞\lim_{n \to \infty} \varphi(n) = +\infty, lim⁡n→∞ψ(n)=0\lim_{n \to \infty} \psi(n) = 0.

Можно доказать, что для любой (Πn)(\Pi_n), удовлетворяющей «определению» 4, lim⁡n→∞Pn\lim_{n \to \infty} P_n существует, причем он не зависит от выбора исходной последовательности (Πn)(\Pi_n). Однако доказать это очень трудно. Поэтому определение 4 неудобно. Кроме того, оно некарасно: уж очень много в нем разнородных требований.

30

Определение 5. L=lim⁡n→∞PnL = \lim_{n \to \infty} P_n, где Πn\Pi_n — правильный вписанный nn-угольник (ср. «Алгебра и начала анализа 9», п. 33).

В отличие от определений 1—3, в данном случае предел действительное существует. Докажем это.

Теорема. Последовательность (Pn)(P_n) возвращает и ограничена.

Доказательство мы разобем на ряд шагов, которые представим в виде задач. При их решения важно обойтись без тригонометрики, так как определение тригонометрических функций опирается на понятие длины окружности.

Задание 1.

  1. Прямогольные треугольники ABCABC и ADCADC имеют общий квадрат ACAC и BAC<DACBAC < DAC. Доказать, что ∣AB∣<∣AD∣|AB| < |AD|.

  2. У прямогольных треугольников ABCABC и A1B1C1A_1B_1C_1 гипotenузы ABAB и A1B1A_1B_1 конгруэнтны и BAC<B1A1C1BAC < B_1A_1C_1. Доказать, что ∣A1C1∣<∣AC∣|A_1C_1| < |AC|.

  3. Острый центральный угол AOBAOB разделен радиусами OM1,OM2,…,OMk−1OM_1, OM_2, \dots, OM_{k-1} на kk конгруэнтных частей (рис. 3). Точка CC — проекция точки AA на [OB][OB], точка NiN_i — проекция точки MiM_i на [AC][AC] (i=1,2,…,k−1i = 1, 2, \dots, k - 1). Доказать, что ∣AN1∣<∣N1N2∣<⋯<∣Nk−1C∣|AN_1| < |N_1N_2| < \dots < |N_{k-1}C|.

  4. Доказать, что Pn+1>PnP_{n+1} > P_n.

  5. Доказать, что если один выпуклый многоугольник лежит внутри другого, то перimetр внутри него меньше, чем перimetр внешнего. Покажите, что без условия выпуклости это утверждение неверно.

Итак, последовательность (Pn)(P_n) возвращает (задча 4) и ограничена (для любого nn перimetр PnP_n меньше, чем перimetр описанного квадрата — задча 5). По теореме Вейн-ерштрасса*) она имеет предел. Значит, определение 5 корректно: любая okружность имеет (единственную) длину.

Число π

Обозначим длину okружности через LL, ее диаметр — через dd, радиус — через rr, длину стороны правильного вписанного nn-угольника — через ana_n.

Теорема. Отношение Ld\frac{L}{d} одинаково для всех okружностей.

Поскольку

Ld=lim⁡n→∞Pnd=lim⁡n→∞nan2r=12lim⁡n→∞(anr),\frac{L}{d} = \lim_{n \to \infty} \frac{P_n}{d} = \lim_{n \to \infty} \frac{na_n}{2r} = \frac{1}{2} \lim_{n \to \infty} \left( \frac{a_n}{r} \right),

достаточно доказать, что одинаково для всех okружностей относение anr\frac{a_n}{r}, а это вытекает из подобия треугольников, изобравнений на рисунке 4.

Вот это самое отношение длины okружности к диаметру и принято обозначать греческий буквой π.

Буква π — первая буква греческого слова περιфера («окружность»). Впервые это обозначение использовал в 1706 году английский математик У. Джонс, но общеприятным оно стало после того, как его (начиная с 1736 года) стал систематически употреблять Л. Эйлер.

*) «Алгебра и начала анализа 9», п. 32.

Рис. 3.

Рис. 4.