Глава 7 ДОКАПЫВАЕМСЯ ДО КОРНЕЙ

Спускаемся от высоких степеней к низким

Мы с вами уже уяснили себе, что каждому математическому действию соответствует аналогичное, но обратное по направлению действие.

Для сложения таким обратным действием является вычитание, для умножения — деление. Теперь попробуем выяснить, какое действие является обратным для возведения в степень. Поскольку возведение в степень — это многократное умножение, то, очевидно, обратным действием будет многократное деление.

Например, 32 можно разделить на 2 и получить 16, затем 16 разделить на 2 и получить 8; затем 8 разделить на 2 и получить 4; затем 4 разделить на 2 и получить 2; наконец, затем 2 разделить на 2 и получить 1. В краткой форме эти действия можно записать как 32 : 2 : 2 : 2 : 2 : 2 = 1. (Как и в случае деления, которое мы изучали в третьей главе, наша задача заключалась в том, чтобы добраться до 1.) Поскольку мы произвели деление 5 раз и добрались до 1, то можно сказать, что 2 — это корень пятой степени из 32.

Если мы рассмотрим число 81, то увидим, что 81 : 3 : 3 : 3 : 3 = 1, таким образом, 3 является корнем четвертой степени из 81. (Почему, собственно, корнем? Откуда взялось это слово? Это можно объяснить таким образом: число 32 растет из основания 2, а 81 — из основания 3 так же, как растение произрастает из корней.)

Такая математическая операция обозначается как ?. На разнообразие корней указывает число в верхней левой части корня. Так, корень пятой степени из 32 можно записать как ⁵?32 . корень четвертой степени из 81 можно записать как ⁴?81. Значок ? называется знаком радикала, а числа, содержащие корни, называются радикалами. Слово «радикал» пришло к нам из латыни, где оно означает просто «корень».

Мы редко встречаемся с корнями высоких степеней, чаще всего приходится иметь дело с операциями, обратными возведению во вторую степень, то есть в квадрат. Извлечение корня второй степени называется извлечением квадратного корня, а ²? называется квадратным корнем, причем двойка слева часто опускается. В дальнейшем под значком ? без цифры в верхнем левом углу мы всегда будем иметь в виду квадратный корень.

Что же такое квадратный корень из числа? 25 — это квадрат 5, таким образом, можно сказать, что 5 — это квадратный корень из 25, или ?25 = 5. Поэтому следует говорить «пять — это корень второй степени из 25», но обычно употребляют формулировку «квадратный корень». (Точно так же корень третьей степени называют кубическим корнем.)

Следующая проблема заключается в том, чтобы выяснить, как найти корень такой- то из некоего числа. Здесь можно идти путем от противоположного. Предположим, мы знаем, что 2⁵ = 32, это означает, что если 32 пять раз разделить на 2, то результатом будет 1. (Если мы возвели число в какую-то степень, нетрудно пойти в обратном порядке.)

На практике арифметический метод определения корней заключается в серии обратных действий. Попробуем извлечь квадратный корень из 625. Схема вычислений будет следующей:

Первую цифру ответа, 2, мы получаем подбором. Мы знаем, что 2 ? 2 = 4, это ближайшее возможное число, меньшее 6, поскольку 3 ? 3 = 9, что больше 6. Затем проводим вычитание и выносим две цифры вместо одной, как это принято при обычном делении в столбик. (Если бы мы извлекали кубический корень, мы выносили бы три цифры, в случае корня четвертой степени — четыре цифры и так далее.) Чтобы получить следующую цифру, надо разделить 225 на 45. Цифру 45 вы получаете, удваивая первую цифру ответа, что дает вам 4. Вторая цифра должна быть равна второй цифре вашего ответа, таким образом, ее тоже можно найти подбором, так, чтобы получить число, ближайшее к 225. Цифра 5 подходит наиболее точно, так как 5 ? 45 = 225.

Этот процесс может показаться вам очень трудным, и вы будете совершенно правы. Вычислять корни чисел арифметическим способом очень трудно, но результаты оказываются полезными при различных расчетах.

Рассмотрим следующий пример. Чему равен ?2 ? Какое число надо возвести в квадрат, чтобы получить 2?

Мы можем сразу определить, что среди целых чисел такого числа нет, ведь 1 ? 1 = 1, а 2 ? 2 = 4. Первое число слишком мало, а второе слишком велико. Следовательно, ответ будет дробным числом.

А может ли вообще существовать квадратный корень в виде дробного числа? Почему же нет? Согласно нашему определению экспоненциальных выражений (1²/₅)² — это 1²/₅ ? 1²/₅, и ответом является число 1²⁴/₂₅. А это, в свою очередь, означает, что ?1²⁴/₂₅ равен 1²/₅. Теперь мы убедились, что не только квадратный корень может быть дробным числом, но и квадрат числа также может быть дробным числом. И в обоих случаях справедливы те же правила, что и в случае целых чисел.

Кроме того, случайно оказалось, что число 1²⁴/₂₅, будучи умноженным на себя самое, дает результат, близкий к 2. Отсюда следует, что 1²/₅ близко к ?2. Только 1/25 отделяет нас от искомого ответа, так как (1²/₅)² — это 1²⁴/₂₅, а нам нужно получить число 1²⁵/₂₅, то есть 2.

Но можно получить и более точный ответ. Если помножить дробное число 1⁴¹/₁₀₀ на себя самое, мы получим 1⁹⁸⁸¹/₁₀₀₀₀, что гораздо ближе к 2. Может показаться, что, если делать более точные вычисления, мы рано или поздно найдем точное значение дробного числа, которое является корнем квадратным из 2, хотя, возможно, это будет очень сложное число.

Но так ли это, вот в чем вопрос.

Сравниваем линии

Впервые поиском корня квадратного из 2 занялись еще математики Древней Греции. Как я вам уже говорил, они в первую очередь были геометрами, их интересовали соотношения длин отрезков геометрических фигур. Например, если провести диагональ в прямоугольнике, как показано на рисунке, то в каком соотношении будут находиться длина диагонали и длины сторон прямоугольника? Очевидно, что диагональ длиннее, но насколько? Древние греки хотели найти ответ на этот вопрос.

Предположим, мы сравниваем два отрезка. Длина одного из них 2 см, а длина другого — 1 см. Следовательно, мы можем сказать, что длины отрезков соотносятся как 2 к 1, или один отрезок в два раза длиннее другого. Длина одного из отрезков 4 см, а длина другого — 2 см, то можно сказать, что длины отрезков соотносятся как 4 к 2.

В обоих случаях длина одного из отрезков вдвое больше длины другого отрезка. С точки зрения математика, соотношение величин представляет гораздо больший интерес, чем их абсолютные значения. Не так важно, что в одном случае длины равны 4 и 2 см, а в другом 48 и 24 см. Математик в обоих случаях обратит внимание на то, что длина одного отрезка вдвое больше длины другого, то есть соотносятся как 2 к 1.

 Прямоугольник с диагональю

Самое удобное — представить соотношение величин в виде дроби. Если длина одного отрезка равна 2 см, а длина другого — 1 см, значит, их соотношение равно 2/1. Если длина одного отрезка равна 48 см, а длина другого 24 см, значит, их соотношение равно 48/24 или 2/1, если мы разделим обе части на 24.

Дробь, представляющая собой отношение двух однотипных величин, называется соотношением. (Этими величинами могут быть и длины отрезков, и объемы сосудов, и веса двух человек и так далее.)

Разумеется, соотношение может не быть таким простым, как 2 : 1. Предположим, длина одного отрезка равна одному сантиметру, а длина другого — 1⁹/₁₀ сантиметра.

Тогда соотношение равно 1⁹/₁₀/1. Это выражение можно упростить, умножив верхнюю и нижнюю части на 10. Тогда получим, что соотношение равно 19/10.

Соотношение любых двух чисел, выраженных дробными числами, может быть представлено как отношение двух целых чисел. Например, у нас есть два отрезка, длина одного из них — 2⁴/₁₇ сантиметра, а длина другого — 1¹³/₁₅ сантиметра. Соотношение этих двух отрезков можно представить в виде дроби — 2⁴/₁₇/1¹³/₁₅. Если мы умножим числитель и знаменатель этой пугающе сложной дроби на 127?, то получим то же соотношение в виде целых чисел, то есть 285/238.

(Гораздо проще было бы воспользоваться десятичными дробями, но в Древней Греции они не были известны. А если мы последуем по тому же пути, по которому древние математики познавали мир, наше путешествие будет значительно интереснее.)

Теперь можно вернуться к нашему прямоугольнику. Нас интересует соотношение длин сторон прямоугольника и длин диагонали, то есть мы решаем ту же задачу, что и греческие математики в древности. Поскольку прямоугольник разделяется диагональю на две абсолютно симметричные части, мы можем упростить задачу и отбросить одну половину фигуры, предположим, левую. У нас остался так называемый прямоугольный треугольник.

Прямоугольный треугольник с гипотенузой

Еще за много столетий до наших дней египтяне на основе практического опыта установили, что если одна сторона прямоугольного треугольника равна 3 единицам, а другая — 4 единицам, то длина гипотенузы составит 5 единиц. В этом случае соотношение гипотенузы и одной из сторон равно 5/4 для более длинной стороны и 5/3 для более короткой.

Греки подошли к задаче с более общих позиций. Им важно было найти закономерность, то есть соотношение длин сторон прямоугольника и длин диагонали для любого прямоугольного треугольника.

Как гласит история, великий греческий математик Пифагор такую закономерность открыл. Он установил, что для любого прямоугольного треугольника верно следующее утверждение: сумма квадратов сторон равна квадрату гипотенузы. Это утверждение получило название теоремы Пифагора. Теорема до сих пор носит имя великого грека, хотя теперь мы знаем, что еще за 600 лет до Пифагора древним китайцам уже было известно это соотношение.

Проверим теорему для треугольника со сторонами 3 и 4. Квадрат одной из сторон равен 3 ? 3 = 9, квадрат другой стороны равен 4 ? 4 = 16. Сумма квадратов равна: 9 + 16 = 25, то есть квадрат гипотенузы равен 25, следовательно, гипотенуза равна 5.

Рассмотрим другой треугольник со сторонами 5 и 12.

Сумма квадратов сторон этого треугольника равна 5 ? 5 + 12 ? 12 = 25 + 144 = 169. Следовательно, 169 — это квадрат гипотенузы. Тогда гипотенуза равна ?169, или 13, поскольку 13 ? 13 = 169.

Для этого треугольника соотношение гипотенузы к стороне равно 13/5 для короткой стороны и 13/12 для длинной стороны.

Теорема Пифагора

Используя теорему Пифагора, можно найти соотношение гипотенузы и любой из сторон любого прямоугольного треугольника. Математики Древней Греции могли вздохнуть спокойно, задача была решена. Самое главное заключалось в том, что теорема распространялась на все прямоугольные треугольники, в том числе, разумеется, и на равносторонние, то есть на прямоугольные треугольники, у которых обе стороны равны. А нас сейчас интересуют именно такие треугольники.

Один из них представлен на рисунке.

Равносторонний прямоугольный треугольник

Максимально упростим задачу и предположим, что стороны треугольника равны 1. Тогда квадрат стороны равен 1 ? 1, а сумма квадратов сторон равна 1 ? 1 + 1 ? 1 = 2. Согласно теореме Пифагора квадрат гипотенузы равен 2, а гипотенуза равна соответственно ?2.

Казалось бы, теперь грекам осталось сделать совсем немного. Надо было только найти такую дробь, которая являлась бы ?2, а потом представить ее в виде соотношения целых чисел, и можно праздновать победу. Но все оказалось гораздо сложнее.

Дроби, которых не существует

Ранее в этой главе мы с вами показали, что 1²/₅ близко к ?2. Если бы оно точно равнялось ?2, задача была бы решена. Тогда соотношение 1²/₅/1, которое можно превратить в соотношение целых чисел 7/5, умножив верхнюю и нижнюю части дроби на 5, и было бы искомой величиной.

Но, к сожалению, 1²/₅| не является точной величиной ?2. Более точный ответ, 1⁴¹/₁₀₀, дает нам соотношение 141/100. Еще большей точности мы достигаем, когда приравниваем ?2 к 1²⁰⁷/₅₀₀. В этом случае соотношение в целых числах будет равно 707/500. Но и 1²⁰⁷/₅₀₀ не является точным значением корня квадратного из 2. Греческие математики потратили массу времени и сил, чтобы вычислить точное значение ?2, но это им так и не удалось. Они не смогли представить соотношение ?2/1 в виде соотношения целых чисел.

Наконец, великий греческий математик Евклид доказал, что, как бы ни увеличивалась точность подсчетов, получить точное значение ?2 невозможно. Не существует такой дроби, которая, будучи возведена в квадрат, даст в результате 2. Говорят, что первым к этому заключению пришел Пифагор, но этот необъяснимый факт настолько поразил ученого, что он поклялся сам и взял со своих учеников клятву хранить это открытие в тайне. Однако, возможно, эти сведения не соответствуют действительности.

Но если число ?2/1 не может быть представлено в виде соотношения целых чисел, то и никакая дробь, содержащая ?2, например ?2/2 или 4/?2, также не может быть представлена в виде соотношения целых чисел, поскольку все такие дроби могут быть преобразованы в ?2/1, умноженное на какое нибудь число. Так, ?2/2 = ?2/1 ? 1/2. Или ?2/1 ? 2 = 2?2/1, что можно преобразовать, умножив верхнюю и нижнюю части на ?2, и получить 4/?2. (Не следует забывать, что независимо от того, что представляет собой число ?2 , если мы умножим его на ?2, то получим 2.)

Поскольку число ?2 нельзя представить в виде соотношения целых чисел, оно получило название иррационального числа. С другой стороны, все числа, которые можно представить в виде соотношения целых чисел, называются рациональными. Рациональными являются все целые и дробные числа, как положительные, так и отрицательные.

Как оказалось, большинство квадратных корней являются иррациональными числами. Рациональные квадратные корни есть только у тех чисел, входящих в ряд квадратных чисел, о которых мы говорили в шестой главе. Эти числа называются также идеальными квадратами. Рациональными числами являются также дроби, составленные из этих идеальных квадратов. Например, ?(1⁷/₉) является рациональным числом, так как ?(1⁷/₉) = ?16/?9 = 4/3 или 1¹/₃ (4 — это  корень квадратный из 16, а 3 — корень квадратный из 9).

Тот факт, что многие квадратные корни являются иррациональными числами, нисколько не умаляет их значения, в частности, число ?2 очень часто используется в различных инженерных и научных расчетах. Это число можно вычислить с той точностью, которая необходима в каждом конкретном случае. Способ вычисления был описан ранее в этой главе, и вы можете получить это число с таким количеством знаков после запятой, на которое у вас хватит терпения.

Например, число ?2 можно определить с точностью до шести десятичных знаков: ?2 = 1,414214. Эта величина не очень сильно отличается от истинного значения, поскольку 1,414214 ? 1,414214 = 2,000001237796. Этот ответ отличается от 2 на величину, едва превышающую одну миллионную. Поэтому значение ?2, равное 1,414214, считается вполне приемлемым для решения большинства практических задач. В том случае, когда требуется большая точность, нетрудно получить столько значащих цифр после запятой, сколько необходимо в данном случае.

Однако если вы проявите редкостное упрямство и попробуете извлекать квадратный корень из числа 2 до тех пор, пока не добьетесь точного результата, вы никогда не закончите своей работы. Это бесконечный процесс. Сколько бы десятичных знаков после запятой вы ни получили, всегда останется еще несколько.

Этот факт может поразить вас так же сильно, как и превращение 1/3 в бесконечную десятичную дробь 0,333333333… и так бесконечно или превращение 1/7 в 0,142857142857142857… и так далее бесконечно. На первый взгляд может показаться, что эти бесконечные десятичные дроби и иррациональные квадратные корни — это явления одного порядка, но это совсем не так. Ведь у этих бесконечных дробей есть дробный эквивалент, в то время как у ?2 такого эквивалента нет. А почему, собственно? Дело в том, что десятичным эквивалентом 1/3 и 1/7, а также бесконечного числа других дробей являются периодические бесконечные дроби.

В то же время десятичный эквивалент ?2 является непериодической дробью. Это утверждение справедливо также для любого иррационального числа.

Проблема заключается в том, что любая десятичная дробь, которая является приближенным значением корня квадратного из 2, представляет собой непериодическую дробь. Как далеко мы ни продвинемся в расчетах, любая дробь, которую мы получим, будет непериодической.

Представьте себе дробь с огромным количеством непериодических цифр после запятой. Если вдруг после миллионной цифры вся последовательность десятичных знаков повторится, значит, десятичная дробь — периодическая и для нее существует эквивалент в виде отношения целых чисел. Если у дроби с огромным количеством (миллиарды или миллионы) непериодических десятичных знаков в какой-то момент появляется бесконечная серия повторяющихся цифр, например …55555555555…, это также означает, что данная дробь — периодическая и для нее существует эквивалент в виде отношения целых чисел.

Однако в случае иррациональных чисел их десятичные эквиваленты полностью непериодические и не могут превратиться в периодические.

(Разумеется, вы можете задать мне следующий вопрос: «А кто может знать и сказать наверняка, что происходит с дробью, скажем, после триллионного знака? Кто может гарантировать, что дробь не станет периодической?» Существуют способы неопровержимо доказать, что иррациональные числа являются непериодическими, но такие доказательства требуют сложного математического аппарата, поэтому мы не сможем разобрать их в нашей книжке. Но если бы вдруг оказалось, что иррациональное число становится периодической дробью, это означало бы полный крах основ математических наук. И на самом деле это вряд ли возможно.)

Существование дробей

Теперь рассмотрим следующее выражение: (2⁴)². Такая запись означает, что 2⁴ следует возвести в квадрат. Число 2⁴ — это 2 ? 2 ? 2 ? 2, или 16. Далее, 16 в квадрате — это 16 ? 16, или 256. Таким образом, (2⁴)² = 256. Но 256 — это также 2 ? 2 ? 2 ? 2 ? 2 ? 2 ? 2 ? 2, или 2⁸. Следовательно, (2⁴)² = 2⁸.

Если вы произведете подобные действия с различными экспоненциальными выражениями, различающимися как основанием, так и показателем степени, вы сможете убедиться, что существует правило, общее для всех экспоненциальных выражений: при возведении экспоненциального числа в степень показатели степени перемножаются. Это означает, что, не производя расчетов, мы всегда можем сказать следующее: (3⁵)² = 3¹⁰, а (7⁸)⁷ = 7⁵⁶ и так далее.

Если это утверждение верно, то, очевидно, оно будет верно и для дробного показателя степени. Рассмотрим число (2⁴)^?.

Следуя правилу перемножения экспонент, получим (2⁴)^? = 2². Далее, поскольку 2⁴ = 16, а 2² = 4, то мы можем утверждать, что 16^1/2 = 4.

Но мы также знаем, что 4 — это квадратный корень из 16, значит, возведение числа в степень ? равносильно извлечению из этого числа квадратного корня. Другими словами, 16^1/2 =  ?16.

Далее, следуя этому правилу, можно утверждать, что 16^1/3=  ³?16, 16^1/4 = ⁴?16 и так далее. Теперь мы ввели в обиход дробные экспоненты, о которых я обещал вам рассказать еще в шестой главе. Обратите внимание, ?2 невозможно представить в виде конечной дроби, но можно — в виде экспоненциального выражения с дробной экспонентой.

Что же означает дробная экспонента? Например, выражение 16^3/2 — это то же самое, что (16³)^1/2, поскольку 3 ? 1/2 = 3/2. Следовательно, 16^3/2 = ?16³.

Или, обобщая, можно сказать, что в случае дробной экспоненты основание возводится в степень, равную числителю экспоненты, и из него извлекается корень, равный знаменателю экспоненты.

Следовательно, 2^567/235 — это корень 235-й степени из 2, возведенных в 567-ю степень.

Очевидно, такие дробные экспоненты очень громоздки. А нельзя ли перейти на десятичные дроби? Ведь мы помним, что 1/2 — это 0,5, так что вместо 4^1/2 можно написать 4^0,5. Любая десятичная экспонента имеет свое значение. Например, 2^5,175—это 2^207/40, поскольку 5,175 = 207/40. В свою очередь, число 2^207/40 получается при возведении 2 в степень 207 и извлечении из полученного результата корня 40-й степени. (Можно поменять местами операции. Если мы сначала извлечем из 2 корень 40-й степени, а затем возведем этот промежуточный результат в 207-ю степень, мы получим тот же окончательный результат. Это утверждение вы легко можете проверить на более простом примере, например на выражении 4^3/2. Квадратный корень из 4³— это ?64, что равно 8. В то же время куб ?4 равен 2³, что также равно 8.)

Значение выражения 2^207/40 (или любого другого выражения, где экспонента является целым, дробным, десятичным, положительным или отрицательным числом) может быть вычислено при помощи соответствующих математических методов. При этом вам не пришлось бы двести семь раз перемножать 2 или искать путем последовательных приближений корень сороковой степени. 2^207/40 = 36,126.

Эта величина приблизительная, поскольку 2^207/40 является иррациональным числом, как и большинство выражений с дробными или десятичными экспонентами. Десятичный эквивалент 2^207/40 — это бесконечная непериодическая дробь, но мы всегда можем получить столько десятичных знаков после запятой, сколько требуется в соответствии с требованиями по точности конкретных вычислений.

Используя любое число в виде основания экспоненциального выражения, мы можем составить соответствующее экспоненциальное выражение для любого другого числа. Теперь мы можем вернуться к моей задаче об умножении 7 ? 17, которая возникла у нас еще в шестой главе. Число 7 можно представить как 2^2,81, как 3^1,77 или как 5^1,21 (существуют специальные методы для вычисления экспоненциальных эквивалентов), в то же время 17 равно 2^4,08, 3^2,58 или 5^1,76. Теперь задачу умножения можно свести к сложению: 7 ? 17 = 2^2,81 ? 2^4,08 = 2^2,81+4,08 = 2^6,89, или 3^1,77 ? 3^2,58 = 3^4,35, или 5^1,21 ? 5^1,76=  5^2,97. Все эти числа, 2^6,89,  3^4,35, 5^2,97, приблизительно равны между собой и приблизительно равны 119, это и есть ответ.

Конечно, было бы гораздо проще просто перемножить 7 ? 17 вместо того, чтобы находить значения экспоненциальных выражений. Кроме того, вместо точного ответа мы получим приближенный. Однако посмотрим, что будет дальше. Возможно, этот метод окажется незаменимым. Обратим внимание на основания экспоненциальных выражений. Мы выбрали 2, 3 или 5. А почему не выбрать число 10, ведь 10 — это основа нашей системы счета.