زنگتفریح شماره 132
ستاره ی شهر هست از ما کسی
که از هندسه بهره دارد بسی
«فردوسی»
تاریخچه
مسالهی پیدا کردن شکلی با محیط معلوم و مساحت حداکثر، به افسانهای از روم باستان برمیگردد و به مساله دیدو (Dido) معروف شده است. ملکه دیدو، که کشتیاش شکسته بود، وقتی از مردم ساحلنشین قطعه زمینی را برای سکونت خود و همراهانش درخواست کرد، به او اندازهی پوست یک گاونر، زمین داده شد. ولی او با هوشیاری، پوست گاو را به صورت نوارهای باریکی برید و نوارها را به هم متصل کرد تا به کمک نوارهای درازی که به دست آمد، بتواند منطقهی وسیعی را احاطه کند و مالک شود. او در همین زمین شهر کارتاژ (ناحیه ای از شمال آفریقا) را بنا نهاد.
مسئله این است:
دیدو بهکمک نواری که از پوست گاو بهدست آورده است، چگونه و روی چه مسیری، دو نقطه از ساحل را به هم وصل میکند تا حداکثر زمین را اشغال کرده باشد (ساحل را به خط مستقیم وصل می کنیم)؟
جواب چنین است:
برای عدد ثابت و مثبت C، یک منحنی به طول Cرا پیدا کنید که بیشترین مساحت را بین خود و یک خط راست، محصور کرده باشد.
در شکل زیر مسیری از A به B بهطول C نشان داده شده است که مساحتی را بین خود و خط راست AB محصور کرده است. اثبات کنید، اگر این مسیر نیمدایره نباشد، میتوان مسیر دیگری بهطول C پیدا کرد که مساحت محصور به آن و خط راست بزرگتر باشد، بنابراین بهشرطی که مسیری با سطح محصور ماکزیمم وجود نداشته باشد، این مسیر نیم دایره است. [اثبات آسان است].
قضیه:
میتوان با استفاده از تقارن، نتیجه بسیار جالب زیر را بهدست آورد.
اگر منحنی بسته و سادهی C1 را در نظر بگیریم که دایره نباشد، همیشه میتوان منحنی بسته و سادهی دیگر C2 را با همان محیط C1 پیدا کرد بهنحوی که مساحت بیشتری را محصور کند. |
نتیجهی طبیعی این قضیه این است:
اگر منحنی سادهی بستهای بهطول ثابت و با مساحت ماکزیمم وجود داشته باشد، این منحنی دایره است. |
اثبات استادانهی نتیجهها و مسالههای قبل، متعلق به ژاکوپ اشتینر (Jakob Steiner) استاد دانشگاه برلن است که در سال 1836 ارائه داد. او با کارهای جالب و هوشمندانهی خود توانست تا حد زیادی دیدگاه نسبت به هندسه را گستردهتر کند. ولی با آن که اشتینر قضیهی همپیرامونی را ثابت کرد، دیریکله روشن کرد که هنوز وجود عملی ماکزیمم ثابت نشده است. در واقع آن چه ثابت شده است، این است که:
اگر مساحت محدود به یک منحنی، ماکزیمم داشته باشد، این ماکزیمم متعلق به دایره است. |
تلاش های بسیاری شد تا بالاخره این شکاف پر شد. قضیهی همپیرامونی را میتوان بهصورت زیر مطرح کرد:
برای هر ناحیهای از صفحه، که مساحتی برابر A و محیطی برابر L داشته باشد، نابرابری زیر برقرار است:
4πA≤L2 یا 4πA/L2 ≤1
که در آن برابری تنها برای وقتی است که، ناحیهی موردنظر، سطح یک دایره باشد.
|
این مطلب دلیل سادهای دارد که از آن صرفنظر میشود.
غلامرضا پورقلی
دانشجوی دکتری ریاضی
دانشگاه تهران
مرجع:
Maxima and Minima without Calculus by Ivan Niven.