المكعب (الجبر)

y = x 3 لقيم 1 ≤ x ≤ 25 .

في الحساب والجبر ، مكعب العدد ن هو قوته الثالثة ، أي ناتج ضرب ثلاثة أعداد ن معًا. يُرمز لمكعب العدد ن بالرمز ن³ ، باستخدام الرقم 3 كرمز علوي ، على سبيل المثال = 8. يمكن تعريف عملية التكعيب لأي تعبير رياضي آخر ، على سبيل المثال ( س + 1) ³ .

المكعب هو أيضاً العدد المضروب في مربعه :

n 3 = n × n 2 = n × n × n .

دالة التكعيب هي الدالة x (ويُرمز لها غالبًا بـ y = ) التي تُحوّل عددًا إلى مكعبه. وهي دالة فردية ، لأن

(− n ) 3 = −( n 3 ) .

حجم المكعب الهندسي هو مكعب طول ضلعه، ومن هنا جاءت تسميته. العملية العكسية ، التي تتمثل في إيجاد عدد مكعبه يساوي n ، تُسمى استخراج الجذر التكعيبي لـ n . وهي تُحدد طول ضلع المكعب ذي الحجم المُعطى. وهو أيضًا n مرفوعًا للأس ثلث.

يُعرف الرسم البياني للدالة التكعيبية باسم القطع المكافئ التكعيبي . ولأن الدالة التكعيبية دالة فردية، فإن هذا المنحنى له مركز تناظر عند نقطة الأصل، ولكن ليس له محور تناظر .

بالأعداد الصحيحة

العدد المكعب ، أو المكعب الكامل ، أو أحيانًا المكعب فقط ، هو عدد يُمثل مكعب عدد صحيح . المكعبات الكاملة غير السالبة حتى 60³ هي ( التسلسل A000578 في OEIS ) :

0 3 =0
1 3 =111 3 =133121 3 =926131 3 =29,79141 3 =68,92151 3 =132,651
2 3 =812 3 =172822 3 =10,64832 3 =32,76842 3 =74,08852 3 =140,608
3 3 =2713 3 =219723 3 =1216733 3 =35,93743 3 =79,50753 3 =148,877
4 3 =6414 3 =274424 3 =1382434 3 =3930444 3 =8518454 3 =157,464
5 3 =12515 3 =337525 3 =15,62535 3 =42,87545 3 =91,12555 3 =166,375
6 3 =21616 3 =409626 3 =17,57636 3 =46,65646 3 =97,33656 3 =175,616
7 3 =34317 3 =491327 3 =19,68337 3 =50,65347 3 =103,82357 3 =185,193
8 3 =51218 3 =583228 3 =21,95238 3 =54,87248 3 =110,59258 3 =195,112
9 3 =72919 3 =685929 3 =24,38939 3 =59,31949 3 =117,64959 3 =205,379
10 3 =100020 3 =800030 3 =2700040 3 =6400050 3 =125,00060 3 =216,000

من الناحية الهندسية، يكون العدد الصحيح الموجب m مكعبًا كاملًا إذا وفقط إذا أمكن ترتيب m من المكعبات الصغيرة الصلبة لتكوين مكعب صلب أكبر. على سبيل المثال، يمكن ترتيب 27 مكعبًا صغيرًا لتكوين مكعب واحد أكبر يشبه مكعب روبيك ، لأن 3 × 3 × 3 = 27 .

يمكن التعبير عن الفرق بين مكعبات الأعداد الصحيحة المتتالية على النحو التالي:

n 3 − ( n − 1) 3 = 3( n − 1) n + 1 .

أو

( n + 1) 3n 3 = 3( n + 1) n + 1 .

لا يوجد مكعب كامل أصغر، لأن مكعب أي عدد صحيح سالب هو عدد سالب. على سبيل المثال، (−4) × (−4) × (−4) = −64 .

النظام العشري

على عكس المربعات الكاملة ، لا تقتصر احتمالات الأرقام الأخيرة في المكعبات الكاملة على عدد قليل. فباستثناء المكعبات القابلة للقسمة على 5، حيث لا يمكن أن يكون الرقمان الأخيران إلا 25 و 75 و 00 ، يمكن لأي زوج من الأرقام، على أن يكون رقمه الأخير فرديًا ، أن يكونا الرقمين الأخيرين في المكعب الكامل. أما في حالة المكعبات الزوجية ، فهناك قيود كبيرة، إذ لا يمكن أن يكون الرقمان الأخيران في المكعب الكامل إلا 00 و02 وe4 و06 وe8 (حيث يرمز 0 إلى أي رقم فردي و e إلى أي رقم زوجي ). بعض المكعبات هي أيضًا مربعات؛ على سبيل المثال، 64 هو مربع (8 × 8) ومكعب (4 × 4 × 4) . ويحدث هذا فقط إذا كان العدد قوة سادسة كاملة (في هذه الحالة 2⁶ ) .

الأرقام الأخيرة لكل قوة ثالثة هي:

0187456329

ومع ذلك، من السهل إثبات أن معظم الأعداد ليست مكعبات كاملة، لأن جميع المكعبات الكاملة يجب أن يكون لها جذر رقمي 1 أو 8 أو 9. أي أن قيمها بتردد 9 قد تكون 0 أو 1 أو 8 فقط. علاوة على ذلك، يمكن تحديد الجذر الرقمي لأي مكعب عدد من خلال باقي قسمة العدد على 3.

  • إذا كان العدد x يقبل القسمة على 3، فإن مكعبه له جذر رقمي يساوي 9؛ أي
    لوx0(تعديل3)ثمx30(تعديل9) (في الحقيقة0(تعديل27))؛{\displaystyle {\text{إذا}}\quad x\equiv 0{\pmod {3}}\quad {\text{فإن}}\quad x^{3}\equiv 0{\pmod {9}}{\text{ (في الواقع}}\quad 0{\pmod {27}}{\text{)}};}
  • إذا كان باقي قسمة عدد ما على 3 يساوي 1، فإن جذره الرقمي يساوي 1؛ أي
    لوx1(تعديل3)ثمx31(تعديل9)؛{\displaystyle {\text{إذا}}\quad x\equiv 1{\pmod {3}}\quad {\text{فإن}}\quad x^{3}\equiv 1{\pmod {9}};}
  • إذا كان باقي قسمة عدد ما على 3 يساوي 2، فإن جذره الرقمي هو 8؛ أي
    لوx2(تعديل3)ثمx38(تعديل9).{\displaystyle {\text{إذا}}\quad x\equiv 2{\pmod {3}}\quad {\text{فإن}}\quad x^{3}\equiv 8{\pmod {9}}.}

مجموع مكعبين

مجموع ثلاثة مكعبات

يُفترض أن كل عدد صحيح (موجب أو سالب) لا يتطابق مع ±4 بتردد 9 يمكن كتابته كمجموع ثلاثة مكعبات (موجبة أو سالبة) بعدد لا نهائي من الطرق. [ 1 ] على سبيل المثال،6=23+(-1)3+(-1)3{\displaystyle 6=2^{3}+(-1)^{3}+(-1)^{3}}يتم استبعاد الأعداد الصحيحة المتطابقة مع ±4 modulo 9 لأنه لا يمكن كتابتها كمجموع ثلاثة مكعبات.

أصغر عدد صحيح من هذا النوع الذي لا يُعرف مجموعه هو 114. في سبتمبر 2019، تم العثور على أصغر عدد صحيح سابق من هذا النوع بدون مجموع مكعب ثلاثي معروف، وهو 42، والذي يحقق هذه المعادلة: [ 2 ]

42=(-80538738812075974)3+804357581458175153+126021232973356313.{\displaystyle 42=(-80538738812075974)^{3}+80435758145817515^{3}+12602123297335631^{3}.}

أحد الحلول لـx3+y3+z3=ن{\displaystyle x^{3}+y^{3}+z^{3}=n}يُعطى في الجدول أدناه لـ n ≤ 78 ، و n غير متطابق مع 4 أو 5 بتردد 9. الحل المُختار هو الحل الأولي ( قاسم مشترك أكبر لـ x و y و z يساوي 1 )، وليس من الشكلج3+(-ج)3+ن3=ن3{\displaystyle c^{3}+(-c)^{3}+n^{3}=n^{3}}أو(ن+6نج3)3+(ن-6نج3)3+(-6نج2)3=2ن3{\displaystyle (n+6nc^{3})^{3}+(n-6nc^{3})^{3}+(-6nc^{2})^{3}=2n^{3}}(نظرًا لأنها عائلات لا نهائية من الحلول)، تحقق الشرط 0 ≤ | x || y || z | ، ولها قيم دنيا لكل من | z ​​| و | y | (تم اختبارها بهذا الترتيب). [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

يتم اختيار الحلول الأولية فقط، حيث يمكن استنتاج الحلول غير الأولية بسهولة من حلول قيمة أصغر لـ n . على سبيل المثال، بالنسبة لـ n = 24 ، يكون الحل23+23+23=24{\displaystyle 2^{3}+2^{3}+2^{3}=24}النتائج المستخلصة من الحل13+13+13=3{\displaystyle 1^{3}+1^{3}+1^{3}=3}بضرب كل شيء في8=23.{\displaystyle 8=2^{3}.}لذا، هذا حل آخر تم اختياره. وبالمثل، بالنسبة لـ n = 48 ، تم استبعاد الحل ( x , y , z ) = (−2, −2, 4) ، وتم اختيار الحل ( x , y , z ) = (−23, −26, 31) .

نظرية فيرما الأخيرة للمكعبات

المعادلة + = ليس لها حلول غير تافهة (أي xyz ≠ 0 ) في الأعداد الصحيحة. في الواقع، ليس لها أي حلول في مجموعة أيزنشتاين للأعداد الصحيحة . [ 6 ]

كلا هذين البيانين صحيحان أيضًا بالنسبة للمعادلة [ 7 ] x 3 + y 3 = 3 z 3 .

مجموع أول n مكعب

مجموع أول n مكعب يساوي مربع العدد المثلثي رقم n :

13+23++ن3=(1+2++ن)2=(ن(ن+1)2)2.{\displaystyle 1^{3}+2^{3}+\dots +n^{3}=(1+2+\dots +n)^{2}=\left({\frac {n(n+1)}{2}}\right)^{2}.}
دليل مرئي على أن 1 3 + 2 3 + 3 3 + 4 3 + 5 3 = (1 + 2 + 3 + 4 + 5) 2 .

البراهين. قدم تشارلز ويتستون ( 1854 ) اشتقاقًا بسيطًا للغاية، وذلك بتوسيع كل مكعب في المجموع إلى مجموعة من الأعداد الفردية المتتالية. بدأ بإعطاء المتطابقة 

ن3=(ن2-ن+1)+(ن2-ن+1+2)+(ن2-ن+1+4)++(ن2+ن-1)ن أعداد فردية متتالية.{\displaystyle n^{3}=\underbrace {\left(n^{2}-n+1\right)+\left(n^{2}-n+1+2\right)+\left(n^{2}-n+1+4\right)+\cdots +\left(n^{2}+n-1\right)} _{n{\text{ أعداد فردية متتالية}}}.}

ترتبط هذه الهوية بالأعداد المثلثيةتين{\displaystyle T_{n}}على النحو التالي:

ن3=ك=تين-1+1تين(2ك-1)،{\displaystyle n^{3}=\sum _{k=T_{n-1}+1}^{T_{n}}(2k-1),}

وبالتالي فإن الحدود المكونةن3{\displaystyle n^{3}}ابدأ مباشرة بعد تلك التي تشكل جميع القيم السابقة13{\displaystyle 1^{3}}حتى(ن-1)3{\displaystyle (n-1)^{3}}تطبيق هذه الخاصية، إلى جانب هوية أخرى معروفة:

ن2=ك=1ن(2ك-1)،{\displaystyle n^{2}=\sum _{k=1}^{n}(2k-1),}

نحصل على الاشتقاق التالي:

ك=1نك3=1+8+27+64++ن3=113+3+523+7+9+1133+13+15+17+1943++(ن2-ن+1)++(ن2+ن-1)ن3=112+322+532++(ن2+ن-1)(ن2+ن2)2=(1+2++ن)2=(ك=1نك)2.{\displaystyle {\begin{aligned}\sum _{k=1}^{n}k^{3}&=1+8+27+64+\cdots +n^{3}\\&=\underbrace {1} _{1^{3}}+\underbrace {3+5} _{2^{3}}+\underbrace {7+9+11} _{3^{3}}+\underbrace {13+15+17+19} _{4^{3}}+\cdots +\underbrace {\left(n^{2}-n+1\right)+\cdots +\left(n^{2}+n-1\right)} _{n^{3}}\\&=\underbrace {\underbrace {\underbrace {\underbrace {1} _{1^{2}}+3} _{2^{2}}+5} _{3^{2}}+\cdots +\left(n^{2}+n-1\right)} _{\left({\frac {n^{2}+n}{2}}\right)^{2}}\\&=(1+2+\cdots +n)^{2}\\&={\bigg (}\sum _{k=1}^{n}k{\bigg )}^{2}.\end{aligned}}}
عرض مرئي يوضح أن مربع العدد المثلثي يساوي مجموع مكعباته.

في الأدبيات الرياضية الحديثة، استخدم شتاين (1971) تفسير عدّ المستطيلات لهذه الأعداد لتكوين برهان هندسي للهوية (انظر أيضًا بنجامين، كوين ، وورتز 2006 )؛ ولاحظ أنه يمكن إثباتها بسهولة (ولكن دون تقديم معلومات إضافية) بالاستقراء، وذكر أن توبليتز (1963) قدّم "برهانًا عربيًا قديمًا مثيرًا للاهتمام". وقدّم كانيم (2004) برهانًا بصريًا بحتًا، وقدّم بنجامين وأوريسون (2002) برهانين إضافيين، وقدّم نيلسن (1993) سبعة براهين هندسية.

على سبيل المثال، مجموع أول 5 مكعبات يساوي مربع العدد المثلثي الخامس.

13+23+33+43+53=152{\displaystyle 1^{3}+2^{3}+3^{3}+4^{3}+5^{3}=15^{2}}

ويمكن التوصل إلى نتيجة مماثلة لمجموع أول y مكعب فردي ،

13+33++(2y-1)3=(xy)2{\displaystyle 1^{3}+3^{3}+\dots +(2y-1)^{3}=(xy)^{2}}

لكن يجب أن تحقق x و y معادلة بيل السالبة - 2y² = -1 . على سبيل المثال، عندما تكون y = 5 و y = 29 ، فإن:

13+33++93=(75)2{\displaystyle 1^{3}+3^{3}+\dots +9^{3}=(7\cdot 5)^{2}}
13+33++573=(4129)2{\displaystyle 1^{3}+3^{3}+\dots +57^{3}=(41\cdot 29)^{2}}

وهكذا دواليك. كذلك، كل عدد زوجي كامل ، باستثناء أصغرها، هو مجموع أول 2 p −1 / 2المكعبات الفردية ( p = 3، 5، 7، ...):

28=22(23-1)=13+33{\displaystyle 28=2^{2}(2^{3}-1)=1^{3}+3^{3}}
496=24(25-1)=13+33+53+73{\displaystyle 496=2^{4}(2^{5}-1)=1^{3}+3^{3}+5^{3}+7^{3}}
8128=26(27-1)=13+33+53+73+93+113+133+153{\displaystyle 8128=2^{6}(2^{7}-1)=1^{3}+3^{3}+5^{3}+7^{3}+9^{3}+11^{3}+13^{3}+15^{3}}

مجموع مكعبات الأعداد في المتتابعة الحسابية

أحد تفسيرات عدد أفلاطون ، 3³ + + =

توجد أمثلة على مكعبات الأعداد في متتابعة حسابية يكون مجموعها مكعبًا:

33+43+53=63{\displaystyle 3^{3}+4^{3}+5^{3}=6^{3}}
113+123+133+143=203{\displaystyle 11^{3}+12^{3}+13^{3}+14^{3}=20^{3}}
313+333+353+373+393+413=663{\displaystyle 31^{3}+33^{3}+35^{3}+37^{3}+39^{3}+41^{3}=66^{3}}

يُعرف الأول أحيانًا باسم عدد أفلاطون الغامض . الصيغة F لإيجاد مجموع n مكعبًا من الأعداد في متتابعة حسابية بفرق مشترك d ومكعب ابتدائي ،

F(د،أ،ن)=أ3+(أ+د)3+(أ+2د)3++(أ+دن-د)3{\displaystyle F(d,a,n)=a^{3}+(a+d)^{3}+(a+2d)^{3}+\cdots +(a+dn-d)^{3}}

يُعطى بواسطة

F(د،أ،ن)=(ن/4)(2أ-د+دن)(2أ2-2أد+2أدن-د2ن+د2ن2){\displaystyle F(d,a,n)=(n/4)(2a-d+dn)(2a^{2}-2ad+2adn-d^{2}n+d^{2}n^{2})}

حل بارامتري لـ

F(د،أ،ن)=y3{\displaystyle F(d,a,n)=y^{3}}

تشتهر بالحالة الخاصة d = 1 ، أو المكعبات المتتالية ، كما وجدها باجلياني في عام 1829. [ 8 ]

المكعبات كمجموع أعداد فردية متتالية

في سلسلة الأعداد الفردية 1، 3، 5، 7، 9، 11، 13، 15، 17، 19، ...، يكون العدد الأول مكعبًا ( 1 = 1 3 )؛ ومجموع العددين التاليين هو المكعب التالي ( 3 + 5 = 2 3 )؛ ومجموع الأعداد الثلاثة التالية هو المكعب التالي ( 7 + 9 + 11 = 3 3 )؛ وهكذا.

مشكلة وارينغ للمكعبات

يمكن كتابة كل عدد صحيح موجب على شكل مجموع تسعة مكعبات موجبة (أو أقل). ولا يمكن تقليل هذا الحد الأعلى البالغ تسعة مكعبات، لأنه على سبيل المثال، لا يمكن كتابة العدد 23 على شكل مجموع أقل من تسعة مكعبات موجبة.

23 = 2 3 + 2 3 + 1 3 + 1 3 + 1 3 + 1 3 + 1 3 + 1 3 .

في الأعداد النسبية

كل عدد نسبي موجب هو مجموع ثلاثة مكعبات نسبية موجبة، [ 9 ] وهناك أعداد نسبية ليست مجموع مكعبين نسبيين. [ 10 ]

في الأعداد الحقيقية، والحقول الأخرى، والحلقات

y = x 3 مرسومة على مستوى ديكارتي

في الأعداد الحقيقية ، تحافظ دالة التكعيب على الترتيب: الأعداد الأكبر لها مكعبات أكبر. بعبارة أخرى، تتزايد المكعبات (بشكل صارم) بشكل رتيب. كما أن مجالها المقابل هو خط الأعداد الحقيقية بأكمله: الدالة x ↦ x³ : R R هي دالة شاملة ( تأخذ جميع القيم الممكنة )  . ثلاثة أعداد فقط تساوي مكعباتها: -1 ، 0 ، و 1 . إذا كان -1 < x < 0 أو 1 < x ، فإن > x . إذا كان x < -1 أو 0 < x < 1، فإن x³ < x . تنطبق جميع الخصائص المذكورة أعلاه أيضًا على أي قوة فردية أعلى ( x⁵ ، x⁷ ، ...  ) من الأعداد الحقيقية. وتكون المساواة والمتباينات صحيحة أيضًا في أي حلقة مرتبة .

ترتبط أحجام الأجسام الإقليدية المتشابهة بمكعبات أحجامها الخطية.

في الأعداد المركبة ، يكون مكعب العدد التخيلي البحت عددًا تخيليًا بحتًا أيضًا. على سبيل المثال ، = -i .

مشتقة x 3 تساوي 3 x 2 .

تتمتع المكعبات أحيانًا بخاصية الشمولية في حقول أخرى ، كما هو الحال في الحقل F<sub> p</sub> لأي عدد أولي p بحيث يكون p ≠ 1 (mod 3) ، [ 11 ] ولكن ليس بالضرورة: انظر المثال المضاد مع الأعداد النسبية أعلاه . أيضًا في الحقل F<sub> 7</sub> ، ثلاثة عناصر فقط هي 0 و±1 مكعبات كاملة، من أصل سبعة. −1 و0 و1 مكعبات كاملة في أي مكان ، وهي العناصر الوحيدة في الحقل التي تساوي مكعباتها: x <sub>3</sub>x = x ( x − 1)( x + 1) .

تاريخ

كان حساب مكعبات الأعداد الكبيرة شائعًا جدًا في العديد من الحضارات القديمة . فقد ابتكر علماء الرياضيات في بلاد ما بين النهرين ألواحًا مسمارية تحتوي على جداول لحساب المكعبات والجذور التكعيبية في العصر البابلي القديم (من القرن العشرين إلى القرن السادس عشر قبل الميلاد). [ 12 ] [ 13 ] وكانت المعادلات التكعيبية معروفة لدى عالم الرياضيات اليوناني القديم ديوفانتوس . [ 14 ] وابتكر هيرو الإسكندري طريقة لحساب الجذور التكعيبية في القرن الأول الميلادي. [ 15 ] وتظهر طرق حل المعادلات التكعيبية واستخراج الجذور التكعيبية في كتاب "الفصول التسعة في الفن الرياضي" ، وهو نص رياضي صيني جُمع حوالي القرن الثاني قبل الميلاد، وعلق عليه ليو هوي في القرن الثالث الميلادي. [ 16 ]

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. يتوفر أيضًاحرف Unicode العلوي ³ للطباعة : n ³.

مراجع

  1. هويسمان، ساندر ج. (27 أبريل 2016). "مجاميع أحدث لثلاثة مكعبات". arXiv : 1604.07746 [ math.NT ].
  2. بوكر، أندرو ر.؛ ساذرلاند، أندرو ف. (2021). "حول مسألة مورديل" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم . 118 (11) e2022377118. arXiv : 2007.01209 . Bibcode : 2021PNAS..11822377B . doi : 10.1073/ pnas.2022377118 . PMC 7980389. PMID 33692126 .  
  3. التسلسلات A060465 و A060466 و A060467 في OEIS
  4. ثري كيوبز
  5. n=x^3+y^3+z^3
  6. هاردي ورايت، نظرية 227
  7. هاردي ورايت، ثوم. 232
  8. بينيت، مايكل أ.؛ باتيل، فانديتا؛ سيكسيك، سمير (2017)، "القوى الكاملة التي هي مجموع مكعبات متتالية"، مجلة الرياضيات ، 63 (1): 230-249 ، arXiv : 1603.08901 ، doi : 10.1112/S0025579316000231 ، MR 3610012 
  9. هاردي ورايت، نظرية 234
  10. هاردي ورايت، نظرية 233
  11. إن المجموعة الضربية لـ F p هي دورية من الرتبة p − 1 ، وإذا لم تكن قابلة للقسمة على 3، فإن المكعبات تحدد تشاكلًا ذاتيًا للمجموعة .
  12. كوك، روجر (8 نوفمبر 2012). تاريخ الرياضيات . جون وايلي وأولاده. ص 63. ISBN  978-1-118-46029-0.
  13. نيميت-نجات، كارين ريا (1998). الحياة اليومية في بلاد ما بين النهرين القديمة . دار غرينوود للنشر. ص 306. ISBN  978-0-313-29497-6.
  14. ^ فان دير وايردن، الهندسة والجبر في الحضارات القديمة، الفصل الرابع، زيورخ 1983 ISBN 0-387-12159-5
  15. سميلي، ج. جيلبارت (1920). "صيغة هيرون للجذر التكعيبي". هيرماثينا . 19 (42). كلية ترينيتي دبلن: 64-67 . JSTOR 23037103 . 
  16. كروسلي، جون؛ و. س. لون، أنتوني (1999). الفصول التسعة في الفن الرياضي: دليل وتعليق . مطبعة جامعة أكسفورد. ص 176، 213. ISBN  978-0-19-853936-0.

مصادر