مربع هيباس

المنحنى التربيعي أو المنحنى الثلاثي لهيباس (ويُسمى أيضًا المنحنى التربيعي لدينوستراتوس ) [ 1 ] هو منحنى ينشأ عن حركة منتظمة . يُرسم هذا المنحنى بنقطة تقاطع خطين ، أحدهما يتحرك انتقاليًا بسرعة منتظمة، والآخر يدور حول إحدى نقاطه بسرعة منتظمة. ويؤدي تعريف بديل له كمنحنى وسيطي إلى تكافؤ بين المنحنى التربيعي، وصورة دالة لامبرت W ، ورسم الدالة..
يُنسب اكتشاف هذا المنحنى إلى الفيلسوف اليوناني هيباس الإليسي ، حوالي عام 420 قبل الميلاد. وقد أشار مؤرخو الرياضيات إلى أن هيباس استخدمه لحل مسألة تثليث الزاوية ، ومن هنا جاءت تسميته بمنحنى التثليث . وفي وقت لاحق، حوالي عام 350 قبل الميلاد ، استخدمه دينوستراتوس لحل مسألة تربيع الدائرة ، ومن هنا جاءت تسميته بمنحنى التربيع . تربط نظرية دينوستراتوس ، التي استخدمها لتربيع الدائرة، نقطة نهاية المنحنى بقيمة π . يمكن حل كل من مسألة تثليث الزاوية وتربيع الدائرة باستخدام الفرجار والمسطرة ونسخة معطاة من هذا المنحنى؛ ومع ذلك، لا يمكن حلهما باستخدام الفرجار والمسطرة فقط. على الرغم من إمكانية إنشاء مجموعة كثيفة من النقاط على المنحنى باستخدام الفرجار والمسطرة، مما يسمح بتقريب هذه المسائل، إلا أنه لا يمكن إنشاء المنحنى بأكمله بهذه الطريقة.
منحنى هيباس التربيعي هو منحنى متسامٍ . وهو أحد المنحنيات العديدة المستخدمة في الرياضيات اليونانية لتربيع الدائرة.
التعريفات
عن طريق تحريك الخطوط
لنفترض مربعًاوقوس ربع دائرة محفور عليه مركزه عندبنصف قطر يساوي طول ضلع المربع. ليكنلتكن نقطة تتحرك بسرعة زاوية ثابتة على طول القوس منلودعلتكن نقطة تتحرك في نفس الوقت بسرعة ثابتة منلعلى طول قطعة مستقيمة، لهذا السببويبدأ في نفس الوقتويصلون في نفس الوقت إلىوثم يُعرَّف المربع بأنه موضع تقاطع القطع المستقيمةمع الخط الموازي لـخلال[ 2 ] [ 3 ]
مقطع حلزوني
لنفترض أن مستوىً ما يحتوي على خطين، أحدهما يتحرك دورانًا والآخر انتقالًا داخل المستوى، وأن هذه المجموعة بأكملها تتحرك أيضًا خطيًا، في اتجاه عمودي على المستوى، عبر الفضاء ثلاثي الأبعاد. عندئذٍ، سترسم الحركة المشتركة للمستوى مع الخط المنتقل سطحًا مائلًا ، بينما سترسم الحركة المشتركة للمستوى مع الخط الدوار سطحًا حلزونيًا . سترسم نقطة تقاطع الخطين منحنىً فضائيًا، ومسقطه على المستوى الأصلي هو المنحنى التربيعي. لاحظ بابوس الإسكندري أنه يمكن عكس هذا البناء: بتقاطع سطح حلزوني مع سطح مائل مُختار بعناية، ثم إسقاط منحنى التقاطع على مستوى، يمكن تكوين منحنى تربيعي. [ 4 ]
معادلة بارامترية

اختر الإحداثيات الديكارتية بحيث يكون المربع المحدديقع جزء من المصفوفة التربيعية في الربع الموجب ، معفي الأصلوعند النقطةأينيمثل طول ضلع المربع. ولتحديد ذلك، من الملائم عكس حركة الخطين المحددين للمربع بحيث يبدآن معًا علىالمحور - في الوقتوتنتهي بالتقاطع عندفي ذلك الوقتلا يُغيّر هذا الانعكاس المنحنى الذي ترسمه الخطوط. عندئذٍ، يمكن وصف المنحنى التربيعي بمعادلات وسيطية تُعطي إحداثيات كل نقطة على المنحنى كدالة لمعامل الزمن.، مثل و أينهي دالة ظل التمام . [ 5 ]
يمكن استخدام هذا الوصف أيضًا لإعطاء تعريف تحليلي بدلاً من تعريف هندسي للمربع، ولتوسيعه ليشمل قيمًا منما وراءالفترة . ومع ذلك، يظل المنحنى الممتد غير مُعرَّف لقيم .التي هي مضاعفات صحيحة لـ، لأنتكون الدالة منفردة عند تلك القيم.يمكن إزالة التفرد عن طريق تقييمه باستخدام النهاية، والتي تم الحصول عليها كنسبة بين دالة التطابق ودالة الظل باستخدام قاعدة لوبيتال . إزالة التفرد بهذه الطريقة وتوسيع التعريف البارامتري ليشمل القيم السالبة لـينتج عنه منحنى مستوٍ متصل على نطاق قيم المعلماتيمكن اعتبار هذا الجزء من المنحنى بمثابة الجزء المركزيفرع على شكل حرف - من الشكل. [ 5 ]
عند انعكاسها من اليسار إلى اليمين وتغيير حجمها بشكل مناسب في المستوى المركب ، تُشكّل المصفوفة التربيعية صورة المحور الحقيقي لأحد فروع دالة لامبرت W. أما صور الفروع الأخرى فتتكون من منحنيات أعلى وأسفل المصفوفة التربيعية، بالإضافة إلى المحور الحقيقي نفسه. [ 6 ]
كرسم بياني لدالة

لوصف الشكل التربيعي بأنه رسم بياني لدالة غير متفرعة ، من المفيد تبديلالمحور السيني والمحور - أي وضع الجانبعلىالمحور السيني بدلاً من المحور الرأسيالمحور -. ثم يشكل الشكل التربيعي الرسم البياني للدالة [ 7 ] [ 8 ]
تقسيم الزاوية إلى ثلاثة أجزاء


يستحيل تقسيم زاوية عشوائية إلى ثلاثة أجزاء باستخدام الفرجار والمسطرة فقط . مع ذلك، إذا سُمح باستخدام أداة التربيع كأداة إضافية، فمن الممكن تقسيم زاوية عشوائية إلى ثلاثة أجزاء.قطاعات متساوية، وبالتالي تقسيم ثلاثي (يصبح ذلك ممكناً. عملياً، يمكن رسم الشكل التربيعي باستخدام قالب أو بوصلة تربيعية (انظر الرسم). [ 2 ] [ 3 ] [ 9 ]
بحسب تعريف الشكل التربيعي، فإن الزاوية المقطوعة تتناسب مع طول الجزء المقطوع من ضلع المربع المقابل. لذلك، بتقسيم هذا الجزء على الضلع إلىيؤدي تقسيم الزاوية المرتبطة إلى أجزاء متساويةأجزاء متساوية أيضًا. تقسيم القطعة المستقيمة إلىيمكن تقسيم الأجزاء المتساوية باستخدام المسطرة والفرجار بسبب نظرية التقاطع . [ 10 ]
بتفصيل أكثر، لتقسيم زاوية معينة(بحد أقصى 90 درجة) إلى أي عدد مرغوب فيه من الأجزاء المتساوية، قم بإنشاء مربعفوق ساقهاالضلع الآخر للزاوية يتقاطع مع مربع المربع في نقطةوالخط الموازي للساقخلاليتقاطع مع الجانبمن الساحة فيوالآن الجزءيتوافق مع الزاويةوبسبب تعريف المربع، فإن أي تقسيم للقطعة المستقيمةداخلتؤدي القطع المتساوية إلى تقسيم مماثل للزاويةداخلزوايا متساوية. لتقسيم القطعة المستقيمةداخلارسم أي شعاع يبدأ من أحد الأجزاء المتساوية.معقم بتقسيمها إلى أجزاء متساوية (بأطوال عشوائية). ثم قم بتوصيل نقطة النهاية.من الجزء الأخير إلىوارسم خطوطًا موازية لـعبر جميع نقاط نهاية المتبقيفقرات عنتقسم هذه الخطوط المتوازية القطعةداخلارسم الآن خطوطًا متوازية لقطعتين متساويتين.من خلال نقاط نهاية تلك الأجزاء على, intersecting the trisectrix. Connecting their points of intersection to yields a partition of angle into equal angles.[11]
Since not all points of the trisectrix can be constructed with circle and compass alone, it is really required as an additional tool beyond the compass and straightedge. However it is possible to construct a dense subset of the trisectrix by compass and straightedge. In this way, while one cannot assure an exact division of an angle into parts without a given trisectrix, one can construct an arbitrarily close approximation to the trisectrix and therefore also to the division of the angle by compass and straightedge alone.[3][5]
Squaring the circle

Like angle trisection, squaring the circle with compass and straightedge alone is impossible.[12] However, if one allows the quadratrix of Hippias as an additional construction tool, the squaring of the circle becomes possible due to Dinostratus's theorem relating an endpoint of this circle to the value of π.[2] One can use this theorem to construct a square with the same area as a quarter circle. Another square with twice the side length has the same area as the full circle.[13]
Dinostratus's theorem
According to Dinostratus's theorem the quadratrix divides one of the sides of the associated square in a ratio of . More precisely, for the square used to define the curve, let be the endpoint of the curve on edge . Then as can be seen from the parametric equation for the quadratrix at and the limiting behavior of the function controlling its -coordinate at that parameter value, .[2]
The point , where the quadratrix meets the side of the associated square, is one of the points of the quadratrix that cannot be constructed with ruler and compass alone and not even with the help of the quadratrix compass. This is due to the fact that (as Sporus of Nicaea already observed) the two uniformly moving lines coincide and hence there exists no unique intersection point.[14] However relying on the generalized definition of the quadratrix as a function or planar curve allows for being a point on the quadratrix.[15][14]
Construction
For a given quarter circle with radius one constructs the associated square with side length . The quadratrix intersect the side in with . Now one constructs a line segment of length being perpendicular to ثم الخط المارويتقاطع مع امتداد الجانبفيويترتب على ذلك نظرية التقاطع. التمديدإلى اليمين بواسطة قطعة خط جديدةينتج عنه المستطيل مع جوانبومساحتها تساوي مساحة ربع الدائرة. يمكن تحويل هذا المستطيل إلى مربع له نفس المساحة باستخدام نظرية المتوسط الهندسي لإقليدس . يتم تمديد الضلعبواسطة قطعة مستقيمةويرسم نصف دائرة إلى يمين، والتي لديهاكقطرها. امتداديلتقي بنصف الدائرة فيوبسبب نظرية طاليس، فإن القطعة المستقيمةهو ارتفاع المثلث القائم الزاويةوبالتالي، يمكن تطبيق نظرية المتوسط الهندسي، مما يعني أنيشكل ضلع مربعبنفس مساحة المستطيلوبالتالي فهي ربع دائرة. [ 13 ]
خصائص أخرى
بالنسبة للمربع المنشأ من مربع الوحدة ، فإن المساحة تحت المربع هي [ 9 ]
يؤدي عكس الشكل التربيعي بواسطة دائرة مركزها محور الخط الدوار الذي يحدده إلى إنتاج شكل قوقعي ، وبنفس الطريقة يؤدي عكس الشكل القوقعي إلى إنتاج شكل تربيعي. [ 16 ]
تاريخ
يُعدّ منحنى هيباس التربيعي أحد المنحنيات العديدة المستخدمة في الرياضيات اليونانية لتربيع الدائرة، وهو الأكثر شهرةً لهذا الغرض. [ 1 ] ومن المنحنيات الأخرى اللولب الأرخميدسي ، الذي استخدمه أرخميدس لتربيع الدائرة . [ 17 ]
ذُكرت هذه التقنية في مؤلفات بروكلس (412-485 ق.م.)، وبابوس الإسكندري (القرنين الثالث والرابع الميلاديين)، ويامبليخوس ( حوالي 240-325 ق.م. ). [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] يُنسب بروكلس اختراع منحنى يُسمى "المربع" إلى هيباس. [ 21 ] أما بابوس، فيذكر فقط كيف استخدم دينوستراتوس ونيكوميدس وغيرهما منحنى يُسمى "المربع" لتربيع الدائرة. وينقل اعتراضات سبوروس النيقاوي على هذا التصميم، لكنه لا يذكر هيباس ولا ينسب اختراع "المربع" إلى شخص معين. ويكتفي يامبليخوس بالقول في سطر واحد إن نيكوميدس استخدم منحنى يُسمى "المربع" لتربيع الدائرة. [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]
انطلاقًا من تسمية بروكلس للمنحنى، يُحتمل أن يكون هيباس نفسه قد استخدمه لتربيع الدائرة أو أي شكل منحني آخر. مع ذلك، يفترض معظم مؤرخي الرياضيات أن هيباس هو من ابتكر المنحنى، لكنه استخدمه فقط لتثليث الزوايا. ووفقًا لهذه النظرية، لم يُستخدم لتربيع الدائرة إلا بعد عقود، ويعود الفضل في ذلك إلى رياضيين مثل دينوستراتوس ونيكوميدس. يعود هذا التفسير للمصادر التاريخية إلى عالم الرياضيات والمؤرخ الألماني موريتز كانتور . [ 19 ] [ 20 ]
يزعم روديجر ثيل أن فرانسوا فييت استخدم المثلث الثلاثي لاستنتاج صيغة فييت ، وهي عبارة عن ناتج لانهائي من الجذور المتداخلة نشره فييت عام 1593 ويتقارب إلى[ 5 ] مع ذلك ، تنظر مصادر أخرى إلى صيغة فييت على أنها تطوير لطريقة المضلعات المتداخلة التي استخدمها أرخميدس لتقريب[ 22 ] في كتابه "الهندسة" (La Géométrie) الصادر عام 1637 ، صنّف رينيه ديكارت المنحنيات إما إلى "هندسية"، أي التي يمكن إنشاؤها هندسيًا بدقة، أو إلى "ميكانيكية" إن لم يكن ذلك ممكنًا؛ وقدّم المنحنى التربيعي كمثال على المنحنى الميكانيكي. في المصطلحات الحديثة، يمكن التعبير عن التمييز نفسه تقريبًا بالقول إنه منحنى متسامٍ وليس منحنى جبريًا . [ 23 ] استخدم إسحاق نيوتن المتسلسلات المثلثية لتحديد المساحة المحصورة بالمنحنى التربيعي. [ 5 ]
الظواهر ذات الصلة

عندما تلتقط كاميرا مزودة بمصراع دوار صورة لجسم يدور بسرعة، مثل مروحة، قد تظهر منحنيات تشبه منحنى هيباس التربيعي، تتولد بطريقة مماثلة: تُرسَم هذه المنحنيات بنقاط تقاطع شفرة المروحة الدوارة مع خط المسح المتحرك للكاميرا. وقد تتولد منحنيات مختلفة تبعًا لزاوية المروحة عند لحظة عبور خط المسح محور دورانها (بدلًا من تطابقه مع خط المسح في تلك اللحظة كما في منحنى هيباس التربيعي). وقد لوحظت ظاهرة بصرية مماثلة في القرن التاسع عشر على يد بيتر مارك روجيه عند رؤية عجلة ذات أضلاع لعربة أو قطار متحرك من خلال الفتحات الرأسية لسياج أو حاجز؛ وتُعرف هذه الظاهرة بوهم روجيه للحاجز. [ 24 ]
مراجع
- 1 2 كلاين، فيليكس ( 1897)، مسائل شهيرة في الهندسة الابتدائية ، بوسطن: جين، ص 57-58
- 1 2 3 4 هيشر، هورست (2000)، “مشكلة كلاسيكية في العصور القديمة – Beispiele zur “Historischen Verankerung”" (PDF) ، في بلانكينجيل، يورغن؛ Spiegel، Wolfgang (eds.)، Mathematikdidaktik aus Begeisterung für die Mathematik – Festschrift für Harald Scheid ، Stuttgart/Düsseldorf/Leipzig: Klett، الصفحات من 97 إلى 118، مؤرشفة من النسخة الأصلية (PDF) في 2024-11-03 ، تم استرجاعه بتاريخ 15-08-2021
- 1 2 3 Henn، Hans-Wolfgang (2003)، “Die Quadratur des Kreises”، Elementare Geometrie und Algebra ، Verlag Vieweg+Teubner، الصفحات من 45 إلى 48.
- ↑ كوتسير، تون (2024)، تاريخ علم الحركة من زينون إلى أينشتاين: حول دور الحركة في تطور الرياضيات ، تاريخ علم الآليات والآلات، المجلد 46، سبرينغر نيتشر سويسرا، ص 60، doi : 10.1007/978-3-031-39872-8 ، ISBN 9783031398728
- 1 2 3 4 5 يانكه، هانز نيلز (2003)، تاريخ التحليل ، الجمعية الرياضية الأمريكية ، ص 30-32 ، ISBN 0821826239مقتطف ، صفحة 30، على كتب جوجل
- ↑ كورليس، آر إم؛ جونيت، جي إتش ؛ هير، دي إي جي؛ جيفري، دي جيه؛ نوث، دي إي (1996)، "حول دالة لامبرت W " (ملف PDF) ، التقدم في الرياضيات الحاسوبية ، 5 (4): 329-359 ، doi : 10.1007/BF02124750 ، MR 1414285
- ↑ دادلي، أندروود (1994)، المقسمات الثلاثية ، مطبعة جامعة كامبريدج، الصفحات 6-8 ، رقم ISBN 0883855143مقتطف ، صفحة 6، على كتب جوجل
- ↑ أوكونور، جون جيه؛ روبرتسون، إدموند إف ، "مربع هيباس" ، أرشيف ماك تيوتور لتاريخ الرياضيات ، جامعة سانت أندروز
- 1 2 سيموسون، أندرو ج. (سبتمبر 2024)، "إطار تربيعي"، في تاكينوتشي، كازوكي (محرر)، ICGG 2024 - وقائع المؤتمر الدولي الحادي والعشرين للهندسة والرسومات ، سلسلة محاضرات في هندسة البيانات وتقنيات الاتصالات، المجلد 218، سبرينغر نيتشر سويسرا، الصفحات 268-279 ، doi : 10.1007/978-3-031-71013-1_25 ، ISBN 9783031710131
- ↑ أوسترمان، ألكسندر؛ وانر، جيرهارد (2012)، الهندسة من خلال تاريخها ، سبرينغر، ص 6-7 ، doi : 10.1007/978-3-642-29163-0 ، ISBN 978-3-642-29163-0
- ↑ هاربر، سوزان؛ دريسكيل، شانون (يوليو 2006)، "دراسة للإنشاءات الهندسية التاريخية" ، مجلة التقارب ، الجمعية الرياضية الأمريكية
- ↑ كاسنر، إدوارد (يوليو 1933)، "تربيع الدائرة"، المجلة العلمية الشهرية ، 37 (1): 67-71 ، رمز Bibcode : 1933SciMo..37...67K ، JSTOR 15685
- 1 2 هولم، أودون (2010)، الهندسة: تراثنا الثقافي ، سبرينغر، ص 114-116 ، ISBN 9783642144400
- 1 2 أوكونور، جون جيه؛ روبرتسون، إدموند إف ، "دينوستراتوس" ، أرشيف ماك تيوتور لتاريخ الرياضيات ، جامعة سانت أندروز
- ^ ديلاهاي، جان بول (1999)،– القصة ، سبرينغر، ص 71، رقم ISBN 3764360569
- ↑ إيفز، هوارد (نوفمبر 1948)، "مقياس الرسم البياني"، معلم الرياضيات ، 41 (7): 311-313 ، doi : 10.5951/mt.41.7.0311 ، JSTOR 27953353
- ↑ بوير، كارل ب. (1968)، تاريخ الرياضيات ، برينستون، نيوجيرسي: مطبعة جامعة برينستون، ص 140-142 ، ISBN 0-691-02391-3
- 1 2 فان دير وايردن، بارتل ليندرت (1961)، صحوة العلوم ، مطبعة جامعة أكسفورد، ص. 146
- 1 2 3 غاو، جيمس ( 1884)، تاريخ موجز للرياضيات اليونانية ، مطبعة جامعة كامبريدج، ص 162-164
- 1 2 3 هيث، توماس ليتل ( 1921)، تاريخ الرياضيات اليونانية، المجلد 1: من طاليس إلى إقليدس ، مطبعة كلارندون، ص 182، 225-230
- ↑ تايلور، توماس (1792)، التعليقات الفلسفية والرياضية لبروكلس على الكتاب الأول من كتاب أصول إقليدس ، ص 146
- ^ بيكمان ، بيتر (1971)، تاريخ π ( الطبعة الثانية)، بولدر، كولورادو: The Golem Press، pp. 94–95 ، ISBN 978-0-88029-418-8، MR 0449960
- ↑ بوس، هـ. ج. م. (1981)، "حول تمثيل المنحنيات في كتاب ديكارت للهندسة"، أرشيف تاريخ العلوم الدقيقة ، 24 (4): 295-338 ، doi : 10.1007/BF00357312 ، JSTOR 41133624 ، MR 0635811
- ↑ غريغورسيتش، بور؛ بلانينسيتش، غورازد (سبتمبر 2012)، "لماذا تبدو صور خط النهاية غريبة؟"، تعليم الفيزياء ، 47 (5): 530-536 ، doi : 10.1088/0031-9120/47/5/530
للمزيد من القراءة
- ألسينا، كلاودي؛ نيلسن، روجر ب. (2010)، براهين ساحرة: رحلة في عالم الرياضيات الأنيقة ، الجمعية الرياضية الأمريكية، ص 146-147 ، ISBN 978-0-88385-348-1
- فينير، نيكول (13 مارس 2023)، الخصائص الجبرية للهندسة الإقليدية مع المنحنيات المتسامية ، arXiv : 2303.12514تتضمن هذه النسخة الأولية غير المنشورة فرضية مفادها أنه لا يمكن استخدام المصفوفة التربيعية لمضاعفة المكعب ، وهي مشكلة أخرى لا يمكن حلها باستخدام الفرجار والمسطرة.
روابط خارجية
- مايكل دي هوبرتي، كو هاياشي، شيا فانغ: هيبياس كوادراتريكس
- وايسستين، إريك دبليو ، “Quadratrix of Hippias” ، MathWorld
{{cite web}}: CS1 maint: overridden setting ( link )
- المنحنيات المستوية
- تربيع الدائرة
- منطقة
- الرياضيات اليونانية القديمة
