アットランダム≒ブリコラージュ

「転ぶな、風邪ひくな、義理を欠け」(長寿の心得...岸信介) /「食う、寝る、出す、風呂」(在宅生活4つの柱)

証明

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ルジャンドル記号...

いまちょっとわかりたいと思ってるもので...^^

http://ja.wikipedia.org/wiki/平方剰余の相互法則 より Orz〜
平方剰余(へいほうじょうよ)とは、ある自然数を法としたときの平方数のことであり、平方剰余の相互法則(quadratic reciprocity)は、ある整数 a が平方剰余であるか否かを見いだす法則である。

定義
a と p とが互いに素であるとき、合同式
http://upload.wikimedia.org/math/9/3/1/9311f58ff72132d811ba22cdee7c8d9e.png
が解を持てば、 a は p を法として平方剰余であるといい、そうでないとき平方非剰余であるという。
(pa) を a と p の最大公約数とするとき、次の記号
http://upload.wikimedia.org/math/1/4/d/14d936e40558c1f206d4394943f794b6.png
を、アドリアン=マリ・ルジャンドルにちなんでルジャンドル記号と呼ぶ。

平方剰余の相互法則整数 a が素数 p を法として平方剰余であるか否かを見いだす法則である。
pq を相異なる奇素数とするときに、
http://upload.wikimedia.org/math/b/c/b/bcb6ec45662135c3c218a771577e9ef7.png
が成り立つ。
また、このほかに以下の第1補充法則、第2補充法則が知られている。
第1補充法則:
http://upload.wikimedia.org/math/d/f/3/df3f591f53cfc80bdea6e5d7e74db393.png
第2補充法則:
http://upload.wikimedia.org/math/f/0/3/f03b9412c25ac66daef4571029a536a6.png
またpabが素であれば、

この法則は、レオンハルト・オイラーによって予想され、カール・フリードリッヒ・ガウスによって証明された(ガウス日誌によれば、1796年4月8日。発表されたのは1801年の『整数論』において)。ガウスはこの法則に対して生涯で7つの異なる証明を与えた。その一つの動機は、三次や四次の相互法則を証明することにあった。現在では200近くもの証明が知られている。しかし、どれもそれほど簡単ではない。
三次や四次の相互法則は、ヤコビアイゼンシュタインによって独立に証明された(1844年にアイゼンシュタインが証明を公表)。より高次のまた一般的な代数的整数における一般的な相互法則の証明は(ヒルベルトの第9問題)、高木貞治やエミール・アルティンによってなされた。」

画像:http://www.chikumashobo.co.jp/author/003547/ より 拝借 Orz〜
イメージ 1

ドイツ数学者。Emil Artin。1898−1962。主な業績は、高木貞治により提唱された類体論の完成、ヒルベルトの23の問題の一つの解決など。フェルマーの最終定理の解決にも多大の貢献をする。1926年から1927年にかけて、特に創造的であった。科学者の場合、このように創造性が増大するケースは多々あり、ニュートンアインシュタインなどにも見られる。」...http://d.hatena.ne.jp/keyword/%A5%A2%A5%EB%A5%C6%A5%A3%A5%F3 より 引用 Orz〜

*なぜかしら...アルティンさんの画像がないんですけど...^^;...写真嫌いだった...?...

4^2=16≡2 ( mod7 )
x^2≡b ( mod 7 ) という 整数 x がある場合、b は 7を法とする平方剰余であると言います。
すなわち、次のような言い方をします。
 
2 は 7を法とする平方剰余である。
 
ここで注意してもらいたいのは、すべての整数が平方剰余であるとは限らないということです。
(事実1)
x^2≡3 ( mod 7 ) を満たす 整数 x は存在しない。
 
これは、 x=1,2,3,4,5,6 までを代入して確かめることによって確認できます。
平方剰余とは反対に、このとき、3 は 7を法とする平方非剰余である。
という言い方をします。
 
Legendre(ルジャンドル)の記号を定義します。
 
3以上の素数  p を 一つ固定します。
素数で割り切れない整数  x  に対して、 (x/p) を次のように定義します。
 
(定義1)
pの倍数でない x p を法として、平方剰余ならば、 (x/p)=1
pの倍数でない x p を法として、平方非剰余ならば、 (x/p)=-1
(追加: x が p の倍数のとき、(x/p)=0 と定義します)
 
こうして定義された (x/p)をルジャンドルの記号と言います。
 
(性質1)
(1) a≡b ( mod p ) ならば、 (a/p)=(b/p)
(2)(a/p)(b/p)=(ab/p)
(3) (a/p)≡a^{(p-1)/2} ( mod p )
 
本来なら、(性質1)は証明すべきことですが、ここでは先に進みます。

平方剰余の相互法則、第一補充法則、第二補充法則は次の式のことです。
 
(平方剰余の相互法則)
p , q が異なる2つの奇素数(3以上)とするとき
(p/q)(q/p)=(-1)^{(p-1)(q-1)/4}
 
平方剰余の相互法則から、
 
(p/q)=(-1)^{(p-1)(q-1)/4}(q/p)
 
がわかります。
  
(第一補充法則)
p が奇素数(3以上)とするとき
(-1/p)=(-1)^{(p-1)/2}
 
(第二補充法則)
p が奇素数(3以上)とするとき
(2/p)=(-1)^{(p^2-1)/8}
 
上記性質および法則を使うと、ルジャンドルの記号 (a/p) の値が簡単に求められます。
すなわち、 a p を法として、平方剰余であるか平方非剰余であるかが簡単に求められます。
 
例をやってみましょう。
 
(例1)
(15/31) の値を求めよ。
 
(解)
(15/31)=(3/31)(5/31)
(3/31)=(-1)^{(3-1)(31-1)/4}(31/3)={(-1)^15}(31/3)=(-1)(1/3)=-1
(5/31)=(-1)^{(5-1)(31-1)/4}(31/5)={(-1)^30}(31/5)=(-1)(1/5)=1
 
 (15/31)=(3/31)(5/31)=(-1)1=-1
 
これが、平方剰余 (平方非剰余)の判定法としては現在知られている簡単なやり方です。」

*メビウス関数と匂いが似てる...^^

http://ja.wikipedia.org/wiki/メビウス関数 より Orz〜
0 を含めない自然数において、メビウス関数 μ(n) は全ての自然数 n に対して定義され、n 素因数分解した結果によって -1、0、1 のいずれかの値をとる。
メビウス関数は次のように定義される(ただし 1 は 0 個の素因数を持つと考える):
  • μ(n) = 0 (n が平方因子を持つ(平方数で割り切れる)とき)
  • μ(n) = (-1)k (n が相異なる k 個の素因数に分解されるとき)
    • n が相異なる偶数個の素数の積ならば μ(n) = 1
    • n が相異なる奇数個の素数の積ならば μ(n) = -1

計算例

例えば、6 = 2 × 3 であり、素数の 2 乗で割り切れず、素因数の数は 2 で偶数であるから、μ(6) = 1 である。また、12 = 22 × 3 であり、2 の 2 乗で割り切れるため、μ(12) = 0 である。

n = 1, ..., 10 での μ(n) の値を示す(
一度出場してますようですが...^^
応用っていうか...新たな視点が得られたもので☆

パップス・ギュルダンの定理
半径aと半径b(b<a)の同心円に挟まれた円環状部分の面積は
  π*a^2−π*b^2
で与えられるが,この図形は2次元の円に幅をもたせたものと考えることができる.

そこで,帯の幅(a−b)に重心(原点からの距離:(a+b)/2)が描く円周長2π*(a+b)/2を乗ずると

  円周長×幅=2π*(a+b) /2× (a−b)=πa^2−πb^2

となって同じ値が得られる.

円を円と交わらない軸を中心にして3次元空間内で回転させるとトーラス(円環面)が得られる.半径bの円を3次元空間内で半径aで回転させたトーラスの場合,

  表面積=円周長2πb×円周長2πa=4π ^2ab
  体積=断面積πb^2×円周長2πa=2π ^2ab^2

で表すことができる.すなわち,体積・表面積とも太さと長さの積で表せるというわけである.
円周率が2つ入っているが,この意味はトーラス面は環状に並べられた円であることにほかならない.トーラスの体積・表面積の解答を自力で見つけて感動を覚え,それが次の興味に繋がったという経験をお持ちの読者も少なくないだろう.トーラスを同心円の積層であることを自力でみつける姿勢は必要であろうし,わかるということの喜びを体験することができるのである.

(第1定理)回転体の体積=元になる図形の面積とその図形の重心が移動した距離の積
(第2定理)表面積=図形の周となっている曲線の重心の移動距離とその図形の周長との積

これらは円だけでなくあらゆる回転体について成り立つ回転体の体積と表面積に関する定理であり,4世紀前半に精力的に活動した数学者パップスにちなんで「パップスの定理」と呼ばれている.

(Q1)三角形の重心は底辺から高さの1/3のところにあるが,それでは半円の重心はどこにあるのだろうか?

(A1)パップスの第1定理を逆に使って求めてみよう.直径を軸として半円を回転させると球になる.アルキメデスによれば球の体積は
  4/3πr^3
一方,パップスによればこの体積は半円の面積 1/2πr^2と半円が回転したときの重心の移動距離2πdの積に等しい(重心と円の中心との距離をdとする).したがって,
  
d=4r/3π=0.42r

(Q2)半径rの半円形をした針金の重心は?

(A2)パップスの第2定理より,重心の移動距離2πdと半円の長さπrの積は球の表面積4πr^2は等しくなる.したがって

d=2r/ π=0.64r

これらの問題は積分を使っても解くことができるが,それよりもパップスの定理を使った方が簡単であろう.また,パップスの定理は円が曲線に沿って移動するような軌跡問題などにも応用することができる.
[補]この回転体の体積や表面積についての定理は古代ギリシアの数学者パップス(4世紀前半)が言及し,後になってスイスの数学者ギュルダンによって証明が試みられました.そのため今日ではパップス・ギュルダンの定理と呼ばれています.」



パップス・ギュルダンの定理を使わないと中学生には体積が求めらない問題

例題2:図のような半径2cmの円を、円周から2cmの距離にある直線のまわりに回転させたとき、できる図形の体積を求めよ。

http://livedoor.blogimg.jp/aritouch/imgs/1/3/139963f3.bmp









左図のような、ドーナツ形(トーラスといいます)ができます。
http://livedoor.blogimg.jp/aritouch/imgs/c/e/cec9891f.bmp小学生、中学生範囲では、体積を求めることはできません。

パップス・ギュルダンの定理を使うと求められます。

円の中心が重心です。

回転体の体積
=回転する図形の面積×重心の移動距離

=(2×2×π)×(4×2×π)
=4π×8π
=32π^2
(32π2乗)


パップス・ギュルダンの定理と表面積

パップス・ギュルダンの定理は、表面積にも応用することができます。
円柱の側面積を、パップス・ギュルダンの定理を使って求めてみましょう。

http://livedoor.blogimg.jp/aritouch/imgs/f/7/f72b1d3c.bmp長さ4cmの線分を、2cm離れた直線を軸にして回転します。

線分には「長さ」しかありませんが、線分が回転したときの回転体の面積を、うすっぺらい図形が回転したときの「体積」だとみなします。

*これは...伸展したら...4*4πね ^^





http://livedoor.blogimg.jp/aritouch/imgs/5/d/5df8ac56.bmp軸に平行な線分を回転させると、円柱の側面になります。

回転体の面積を、円柱の側面積だと考えると、
4×(2×2×π)
=16π
です。



パップス・ギュルダンの定理を応用すると、
回転する図形の面積は4cmの線分の長さの4、重心の移動距離は半径2cmの円周だということになります。

回転体の体積(この場合は、線分が回転したときの面積ですが)
=回転する図形の面積×重心の移動距離

=4×(2×2×π)
=16π
です。

このように、パップス・ギュルダンの定理は、表面積を求めるときにも使えることがわかります。


軸に斜めの線分が回転する場合を考えてみましょう。
http://livedoor.blogimg.jp/aritouch/imgs/7/f/7fb1b08e.bmp







http://livedoor.blogimg.jp/aritouch/imgs/2/e/2e765b36.bmp底面の半径が4cmの円錐の側面積になります。
重心の、軸との距離は2cmです。

回転体の体積(この場合は、線分が回転したときの面積です)
=回転する図形の面積×重心の移動距離

=4×(2×2×π)
=16π


円錐の側面積は、母線×半径×πで求められますが(こちらを参照)、パップス・ギュルダンの定理を使って、同じ式を導くことができるわけです。」

*厚み0の回転体の体積=表面積ってわけね ♪

半球の重心を求めてみる...^^;
4次元球の体積は天下りですが...π^2*r^4/2
2g*π*(2π*r^3/3)=π^2*r^4/2
g=3r/8
になりそうね ^^...πが消えてる !!

イメージ 1

で...合ってるようね♪

「超球」に関してはまたいずれ ^^;v
これら二つは似てると思いますよね?
実際に、オイラーの定理からピックの定理を証明されてるサイトがあります♪
<バレンタイデーに「Pickの定理」の証明をしました>

でも、まだややこしい...^^;
他のサイトで上手いピックの説明を見つけた♪

2010.01.26 ピックの定理
イメージ 1

図1のように格子点に線を結んで、格子多角形を作る。格子多角形の内側(線上は除く)にある点の個数をA、格子多角形の線上にある点の個数をBとする。ピックの定理は、格子多角形の面積がなんと

  格子多角形の面積=A+B/2−1 

となることを主張しているのだ。

なぜこの定理は成り立つのだろうか?
証明は中学数学の知識があれば可能だが、考え方は大学レベルだと思う。
イメージ 2

まず、図2のような2つの格子多角形を重ねた図形を考える。この重ねた図形を「合体した格子多角形」と呼ぶことにする。片方の格子多角形の内側の点の個数と、線上にある点の個数をそれぞれA、Bとする。同様に、もう片方の格子多角形の内側の点の個数と、線上にある点の個数もそれぞれA、Bとする。
ここで、2つの格子多角形で重なっている線があるが、この線上にある格子点(図2の赤い点、両端の格子点は除く)の個数をXとおく。合体した格子多角形について、内側の点の個数と、線上にある点の個数をそれぞれA、Bとすると、

  A=A+A+X
  B=(B−X)+(B−X)−2

となるので、

  A+B/2−1=(A+B/2−1)+(A+B/2−1) −(※)

が得られる。

(※)は何を意味しているのだろうか?これは、もし、2つの格子多角形についてピックの定理がそれぞれ成り立つなら、合体した格子多角形についてもピックの定理が成り立つことを言っている。また、合体した格子多角形と片方の格子多角形についてピックの定理が成り立つならば、もう片方の格子多角形についてもピックの定理が成り立つことも言える。

この事実を利用する。まず、図3の単位正方形について考えると、A=0、B=4より、単位正方形についてピックの定理が成り立つ。次に、単位正方形を2つ重ねた図形を考えると、(※)からその重ねた図形についてもピックの定理が成り立つ。以下、繰り返すことで、任意の長方形についてピックの定理が成り立つ。
イメージ 3

次に、長方形を図4のように分割し、分割してできた直角三角形について考える。

イメージ 4

長方形の面積をSとすると、(※)から

  S=2(A+B/2−1)
  A+B/2−1=S/2

となるので、任意の直角三角形についてピックの定理が成り立つ。さらに、任意の三角形は図4のように考える。長方形と直角三角形については、すでにピックの定理が成り立つので、任意の三角形についてもピックの定理が成り立つ。
イメージ 5
最後に、任意の多角形は三角形に分割できるので、任意の多角形についてピックの定理が成り立つ。これで、証明が終了。」

...ピックの定理を使って、ピックの定理を証明してるような気もしたり...^^;...?
矛盾しなければいいってことかな?...

オイラーの多面体定理 (面の数:f)+(頂点の数: v)−(辺の数:e)=2
この平面バージョンを考えて...右辺=1 から...

S=f=e-v+1
を考えて...S/2 を求めればいいとわかる♪

イメージ 6


黄色
=4+6/2-1...ピックの定理の方が楽だけど...☆

=(12-9+1+12-9+1+13-10+1)/2...オイラーの公式でも...^^
=(3+3+3+3)/2
=6

明らかに...長方形から、周りの△の面積を引いた方が早いですね... ^^;...
but...オイラーの定理でも面積は出せることは示せてますよね ^^...?...Orz〜
イメージ 1

ある本を読んでいたとき...この直方体が存在するのかしないのかさえわかっちゃいないってなことが書かれてあったので...不思議だなぁと...^^;...
かのラマヌジャンさんなら暗算でできそうな問題のようにも思えたものだから...?...
で...調べてたら...存在しないことが証明されてるんですね☆

整数のレンガ問題
すべての辺と空間対角線と各面の対角線が自然数で表されるような直方体(完全直方体)が存在するかどうかということです.

このレンガには7つの未知数があります.

  a^2+b^2=d^2
  a^2+c^2=e^2
  a^2+b^2=f^2
  a^2+b^2+c^2=g^2

空間対角線だけが整数でない最小のレンガはオイラーによって辺が44,117,240のものであることが示されています.

 a=240,b=44,c=117,d=244,e=267,f=125,
 g=270.60118

[注]1719年にドイツ人会計士ハルケが見つけたといわれている.

最近まで,当該の「整数のレンガ」問題には解があるともわかっていませんでしたし,問題を解くこと自体が不可能だとも証明されていませんでした.すなわち,この問題は最近まで未解決のディオファントス問題のうち,最も難しく悪名の高いものになっていましたが,1972年,スポーンが空間対角線も整数になるものは存在しないことを証明しました.さらに,2000年,ルーティは頂点間の距離がどれも整数になるような直方体は存在しないことを証明しました.数百年解かれず残っていた問題をやっと証明したのです.

円の面積/球の面積...

円の面積の求め方は...有名ですよね ^^

イメージ 1
つまり...
底辺=円周の半分=2π*r/2
高さ=r
円の面積=長方形の面積=π*r^2

*別の視点で...

イメージ 2

つまり...
円の面積=円周*高さ/2=2πr*r/2
=πr^2

but...
球の面積を
同じ発想で考えても上手くいかず...^^;
で...調べた...♪

どうも...
球の体積から逆に求めるのがわかりやすいのねぇ ^^;

画像:http://www2.ocn.ne.jp/~mizuryu/kenkyu56.htm より 引用 Orz〜

イメージ 3

球の体積:カヴァリエリの方法
 「2つの立体を1つの平面に平行な平面で切ったとき、切り口の面積が常に等しいならば、
2つの立体の体積が等しい。」というカヴァリエリ(1598-1647)の原理」を用いて球の体積を求めてみます。これは、図のように、平面で切った切り口の面積が等しいならば、
2つの立体、三角錐と円錐の体積が等しいということです。

イメージ 4
一辺の長さrの正方形OABCの頂点Oを中心にして、半径rの円弧ACをかく。
次に頂点AとCを結ぶ。この図形をOAを軸に回転すると、内側から円錐、半球、円柱ができる。
まず、円錐を逆にしておき、次に円柱、半球、円錐を図のように並べておく。これらの3つをすべて同じ高さ(ここでは底面からの高さをxとしておく)で切って切り口の面積を調べてみる。

イメージ 5

これより、S=S+S が成り立つことに気がつく。
同じ高さで切った切り口の面積が常に等しいから、カヴァリエリの原理を用いて、円柱の体積は半球と円錐の体積の和に等しいことを示している。
したがって、半球の体積は円柱の体積πrから円錐の体積(1÷3)πrを引いて(2÷3)πrとなる。これより、半径rの体積は(4÷3)πrと導かれる。

球の表面積:四角錐の利用
イメージ 6
半径rの球を図のように底面がこの球の表面にあり、頂点が球の中心である小さな角錐体に細分して、体積の値V=(4÷3)πrから表面積Sを求めてみる。
このとき、1つ1つの角錐体の底面は球面になっているが、ほぼ平面とみなせるくらい十分に細分すれば、これは高さがrの角錐と見ることができる。このような角錐の1つの底面積をSとすると、その角錐の体積は
(1÷3)Srに等しい。
そこで、このような立体をすべて集めて、その体積を合計すると、球の体積(4÷3)πrとなる。
よって、
(4/3)πr
(1/3)Sr+(1/3)S1r+・・・+(1/3)Sn
(1/3)(S+S+・・・+S)r
(1/3)Sr

したがって、求める表面積はS=4πrとなる。

球の表面積:円柱台の利用
イメージ 7

半径がrの半球の表面をタマネギの皮をむくように1枚1枚剥がしていき、それを平面に伸ばして上に重ねる。すると、図のような円錐台ができる。そこで、半球の表面積をSとすると、円錐台の面積がSとなり、半球の体積と円錐台の体積が等しいことを利用して、S=2πrを得る。
したがって、球の表面積は4πrとなる。」

平面(2次元)は...三角で...立体(3次元)は...三角錐で...
考える/アナロジーするのが自然なわけですねぇ☆

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