Квадратный корень из числа 2 — положительное вещественное число , которое при умножении само на себя даёт число 2 . Обозначение: ${\displaystyle {\sqrt {2}}.}$

Геометрически корень из 2 можно представить как длину диагонали квадрата со стороной 1 (это следует из теоремы Пифагора ). Вероятно, это было первое известное в истории математики иррациональное число (то есть число, которое нельзя точно представить в виде дроби ).

Хорошим и часто используемым приближением к ${\displaystyle {\sqrt {2}}}$ является дробь ${\displaystyle {\tfrac {99}{70}}}$ . Несмотря на то, что числитель и знаменатель дроби лишь двузначные целые, оно отличается от реального значения меньше, чем на 1/10000.

История

Вавилонская глиняная табличка (ок. 1800—1600 до н. э.) даёт наиболее точное приближённое значение ${\displaystyle {\sqrt {2}}}$ при записи в четырёх шестидесятеричных цифрах, что после округления составляет 6 точных десятичных цифр:

${\displaystyle 1+{\frac {24}{60}}+{\frac {51}{60^{2}}}+{\frac {10}{60^{3}}}=1.41421(296)\,.}$

Другое раннее приближение этого числа в древнеиндийском математическом тексте, называемом « Шульба-сутры » (ок. 800—200 до н. э.) даётся следующим образом:

${\displaystyle 1+{\frac {1}{3}}+{\frac {1}{3\cdot 4}}-{\frac {1}{3\cdot 4\cdot 34}}={\frac {577}{408}}\approx 1.414215686\,.}$

Пифагорейцы обнаружили, что диагональ квадрата несоизмерима с его стороной, или на современном языке, что квадратный корень из двух является иррациональным числом . Мало что известно с определённостью о времени и обстоятельствах этого выдающегося открытия, но традиционно его авторство приписывается Гиппасу из Метапонта , которого за это открытие, по разным вариантам легенды, пифагорейцы не то убили, не то изгнали, поставив ему в вину разрушение главной пифагорейской доктрины о том, что «всё есть [натуральное] число». Поэтому квадратный корень из 2 иногда называют постоянной Пифагора, так как именно пифагорейцы доказали его иррациональность, тем самым открыв существование иррациональных чисел ^{[ источник не указан 3767 дней ]} .

Алгоритмы вычисления

Существует множество алгоритмов для приближения значения квадратного корня из двух обыкновенными или десятичными дробями . Самый популярный алгоритм для этого, который используется во многих компьютерах и калькуляторах, это вавилонский метод вычисления квадратных корней (частный случай метода Ньютона ). Он состоит в следующем:

${\displaystyle a_{n+1}={\frac {a_{n}+{\frac {2}{a_{n}}}}{2}}={\frac {a_{n}}{2}}+{\frac {1}{a_{n}}}.}$

Чем больше повторений в алгоритме (то есть, чем больше ${\displaystyle n}$ ), тем лучше приближение квадратного корня из двух. Каждое повторение приблизительно удваивает количество правильных цифр. Несколько первых приближений, начиная с ${\displaystyle a_{0}=1}$ :

• ${\displaystyle {\frac {3}{2}}={\color {Green}1}{,}5}$
• ${\displaystyle {\frac {17}{12}}={\color {Green}1{,}41}6\ldots }$
• ${\displaystyle {\frac {577}{408}}={\color {Green}1{,}41421}5\ldots }$
• ${\displaystyle {\frac {665857}{470832}}={\color {Green}1{,}41421356237}46\ldots }$

В 1997 году Ясумаса Канада вычислил значение ${\displaystyle {\sqrt {2}}}$ до 137 438 953 444 десятичных знаков после запятой. В феврале 2007 года рекорд был побит: Сигэру Кондо вычислил 200 миллиардов десятичных знаков после запятой в течение 13 дней и 14 часов, используя процессор с частотой 3,6 ГГц и 16 ГБ ОЗУ .

Мнемоническое правило

Для запоминания значения корня из двойки с восемью знаками после запятой (1,41421356) можно воспользоваться следующим текстом (число букв в каждом слове соответствует десятичной цифре): «И плод у меня, но у них много корней».

Свойства квадратного корня из двух

Половина ${\displaystyle {\sqrt {2}}}$ приблизительно равна 0,70710 67811 86548; эта величина даёт в геометрии и тригонометрии координаты единичного вектора , образующего угол 45° с координатными осями:

${\displaystyle {\frac {\sqrt {2}}{2}}={\sqrt {\frac {1}{2}}}={\frac {1}{\sqrt {2}}}=\cos 45^{\circ }=\sin 45^{\circ }.}$

Одно из интересных свойств ${\displaystyle {\sqrt {2}}}$ состоит в следующем:

${\displaystyle \ {1 \over {{\sqrt {2}}-1}}={\sqrt {2}}+1}$ . Потому что ${\displaystyle ({\sqrt {2}}+1)({\sqrt {2}}-1)=2-1=1.}$

Это является результатом свойства серебряного сечения .

Другое интересное свойство ${\displaystyle {\sqrt {2}}}$ :

${\displaystyle {\sqrt {2+{\sqrt {2+{\sqrt {2+\cdots }}}}}}=2.}$

Квадратный корень из двух может быть выражен в мнимых единицах i , используя только квадратные корни и арифметические операции:

${\displaystyle {\frac {{\sqrt {i}}+i{\sqrt {i}}}{i}}}$ и ${\displaystyle {\frac {{\sqrt {-i}}-i{\sqrt {-i}}}{-i}}.}$

Квадратный корень из 2 является единственным числом, отличным от 1, чья бесконечная тетрация равна его квадрату.

${\displaystyle {\sqrt {2}}^{{\sqrt {2}}^{{\sqrt {2}}^{\ \cdot ^{\cdot ^{\cdot }}}}}=2}$

Квадратный корень из двух может быть также использован для приближения ${\displaystyle \pi }$ :

${\displaystyle 2^{m}{\sqrt {2-{\sqrt {2+{\sqrt {2+\cdots +{\sqrt {2}}}}}}}}\to \pi \quad }$ при ${\displaystyle m\to \infty .}$

С точки зрения высшей алгебры , ${\displaystyle {\sqrt {2}}}$ является корнем многочлена ${\displaystyle x^{2}-2}$ и поэтому является целым алгебраическим числом . Множество чисел вида ${\displaystyle a+b{\sqrt {2}}}$ , где ${\displaystyle a,b}$ — рациональные числа , образует алгебраическое поле . Оно обозначается ${\displaystyle \mathbb {Q} [{\sqrt {2}}]}$ и является подполем поля вещественных чисел .

Доказательство иррациональности

Доказательство через разложение на множители

Применим доказательство от противного : допустим, ${\displaystyle {\sqrt {2}}}$ рационален , то есть представляется в виде дроби ${\displaystyle {\frac {m}{n}}}$ , где ${\displaystyle m}$ — целое число , а ${\displaystyle n}$ — натуральное .

Возведём предполагаемое равенство в квадрат:

${\displaystyle {\sqrt {2}}={\frac {m}{n}}\Rightarrow 2={\frac {m^{2}}{n^{2}}}\Rightarrow m^{2}=2n^{2}}$ .

Так как разложение ${\displaystyle m^{2}}$ на простые множители содержит ${\displaystyle 2}$ в чётной степени, а ${\displaystyle 2n^{2}}$ — в нечётной, равенство ${\displaystyle m^{2}=2n^{2}}$ невозможно. Значит, исходное предположение было неверным, и ${\displaystyle {\sqrt {2}}}$ — иррациональное число.

Непрерывная дробь

Квадратный корень из двух может быть представлен в виде непрерывной дроби :

${\displaystyle \ {\sqrt {2}}=1+{\cfrac {1}{2+{\cfrac {1}{2+{\cfrac {1}{2+{\cfrac {1}{2+\ddots }}}}}}}}.}$

Подходящие дроби данной непрерывной дроби дают приближённые значения, быстро сходящиеся к точному квадратному корню из двух. Способ их вычисления прост: если обозначить предыдущую подходящую дробь ${\displaystyle {\frac {m}{n}}}$ , то последующая имеет вид ${\displaystyle {\frac {m+2n}{m+n}}}$ . Скорость сходимости здесь меньше, чем у вавилонского метода, но вычисления гораздо проще. Выпишем несколько первых приближений:

${\displaystyle {\frac {3}{2}};\ {\frac {7}{5}};\ {\frac {17}{12}};\ {\frac {41}{29}};\ {\frac {99}{70}};\ {\frac {239}{169}};\ {\frac {577}{408}};\ {\frac {1393}{985}};\ {\frac {3363}{2378}}\dots }$

Квадрат последней приведенной дроби равен (округлённо) 2,000000177.

Размер бумаги

${\displaystyle \ {\sqrt {2}}}$ используется в соотношении сторон листа бумаги формата ISO 216 серий A и B, а также серии C по ISO 217. Соотношение сторон равно ${\displaystyle 1:{\sqrt {2}}}$ . При разрезании листа пополам параллельно его короткой стороне получатся два листа той же пропорции. Это позволяет нумеровать форматы бумаги одним числом по убыванию площади листа (числу разрезов): А0, А1, А2, А3, А4 ,… и B0, B1, B2, B3...

Аналогичным способом (делением листа пополам) рациональное приближение к корню из двух (7/5) используется в форматах фотобумаги: 2R (2,5×3,5 дюйма), 3R (3,5×5 дюймов), 5R (5×7").

См. также

• Иррациональные числа
• Теорема Виета

Примечания

Литература

• Клауди Альсина. Секта чисел. Теорема Пифагора. — М. : Де Агостини, 2014. — 152 с. — (Мир математики: в 45 томах, том 5). — ISBN 978-5-9774-0633-8 .

Ссылки

• от 20 декабря 2018 на Wayback Machine (англ.) .