Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Математическая константа является ключевым числом , значение которого устанавливается однозначное определение, часто называют символом (например, буквами алфавита ), или по именам математиков для облегчения его использования на несколько математических задачах . [1] [2] Константы возникают во многих областях математики , при этом такие константы, как e и π, встречаются в таких разнообразных контекстах, как геометрия , теория чисел и исчисление .

Что означает, что константа возникает «естественно», и что делает константу «интересной», в конечном счете, зависит от вкуса, так же как некоторые математические константы примечательны больше по историческим причинам, чем из-за присущего им математического интереса. Наиболее популярные константы изучались на протяжении веков и вычислялись с точностью до многих десятичных знаков.

Все названные математические константы являются определяемыми числами и обычно также являются вычисляемыми числами ( константа Чейтина является существенным исключением).

Основные математические константы [ править ]

Это константы, с которыми можно столкнуться во время дошкольного образования во многих странах.

Константа Архимеда π [ править ]

Длина окружности диаметра 1 равна π .

Константа π (пи) имеет естественное определение в евклидовой геометрии (соотношение между окружностью и диаметром круга), но может быть найдена во многих местах в математике: например, гауссы интеграл в комплексном анализе , то корни из единицы в теории чисел и распределения Коши по вероятности . Однако его повсеместное распространение не ограничивается чистой математикой. Он присутствует во многих формулах физики, и некоторые физические константы наиболее естественно определяются с помощью πили его обратное исключение. Однако вопрос о том, являются ли такие явления фундаментальными в каком-либо смысле, остается спорным. Например, учебная нерелятивистская волновая функция основного состояния атома водорода имеет вид

где - радиус Бора. Эта формула содержит π , но неясно, является ли это фундаментальным в физическом смысле или просто отражает π в выражении (для площади поверхности сферы с радиусом ).

Кроме того, эта формула дает только приблизительное описание физической реальности, поскольку не включает спин, относительность и квантовую природу самого электромагнитного поля . Точно так же появление π в формуле закона Кулона в единицах СИ зависит от выбора единиц и исторической случайности, связанной с тем, как так называемая диэлектрическая проницаемость свободного пространства была введена в практику электромагнетизма Джованни Джорджи. в 1901 году. Это правда, что когда различные константы выбираются в одном соотношении, появление π в других отношениях неизбежно, но это появление всегда по математическим причинам, как в приведенном выше примере волновой функции атома водорода, а не по физическим причинам.

Числовое значение π составляет приблизительно 3,1415926536 (последовательность A000796 в OEIS ). Запоминание все более точных цифр числа π - стремление к мировому рекорду.

Воображаемая единица i [ править ]

i в комплексной или декартовой плоскости . Действительные числа лежат на горизонтальной оси, а мнимые числа - на вертикальной оси.

Мнимая единица или единица мнимое число , обозначается как I , представляет собой математическое понятие , которое расширяет вещественное число системы к комплексному числу системе , которая , в свою очередь , обеспечивает по меньшей мере один корень для каждого полином P ( х ) (см алгебраического замыкания и основная теорема алгебры ). Основное свойство мнимой единицы состоит в том, что i 2 = −1 . Здесь термин « воображаемый » используется, потому что нетдействительное число, имеющее отрицательный квадрат .

Фактически существует два комплексных квадратных корня из −1, а именно i и - i , точно так же, как есть два комплексных квадратных корня из любого другого действительного числа (кроме нуля , который имеет один двойной квадратный корень).

В контекстах, где i неоднозначно или проблематично, иногда используется j или греческое ι (см. Альтернативные обозначения ). В дисциплинах электротехники и систем управления мнимая единица часто обозначается j вместо i , потому что i обычно используется для обозначения электрического тока в этих дисциплинах.

Число Эйлера e [ править ]

Экспоненциальный рост (зеленый) описывает многие физические явления.

Число Эйлера e , также известное как константа экспоненциального роста , встречается во многих областях математики, и одним из возможных его определений является значение следующего выражения:

Например, швейцарский математик Якоб Бернулли обнаружил, что e возникает в виде сложных процентов : счет, который начинается с 1 доллара и приносит проценты по годовой ставке R с непрерывным начислением сложных процентов , будет накапливаться до e R долларов в конце одного года.

Константа e также имеет приложения в теории вероятностей , где она возникает не так явно, как экспоненциальный рост. В качестве примера предположим, что в игровой автомат с вероятностью выигрыша один из n играют n раз, тогда для больших n (например, одного миллиона) вероятность того, что ничего не будет выиграно, будет стремиться к 1 / e, поскольку n стремится к бесконечность.

Другое применение e , частично открытое Якобом Бернулли вместе с французским математиком Пьером Раймоном де Монмором , связано с проблемой расстройств , также известной как проблема проверки шляпы . [3] Здесь n гостей приглашены на вечеринку, и у двери каждый гость проверяет свою шляпу с дворецким, который затем складывает их в помеченные коробки. Дворецкий не знает имен гостей, поэтому должен складывать их в коробки, выбранные наугад. Проблема де Монморта в том, какова вероятность того, что ни одна из шляп не попадет в нужную коробку. Ответ

который, когда n стремится к бесконечности, приближается к 1 / e .

Числовое значение e составляет приблизительно 2,7182818284 (последовательность A001113 в OEIS ).

Константа Пифагора 2 [ править ]

Корень квадратный из 2 равен длиной гипотенузы в виде прямоугольного треугольника с ногами длиной 1.

Квадратный корень из 2 , часто известный как корень 2 , радикал 2 , или постоянная Пифагор , и записываются в виде 2 , является положительным алгебраическим числом , что при умножении на себя, дает число 2 . Его более точно называют главным квадратным корнем из 2 , чтобы отличить его от отрицательного числа с таким же свойством.

Геометрически квадратный корень из 2 равен длине диагонали квадрата со сторонами, равными единице длины ; это следует из теоремы Пифагора . Вероятно, это было первое число, известное как иррациональное . Его числовое значение, усеченное до 65 знаков после запятой, составляет:

1.41421 35623 73095 04880 16887 24209 69807 85696 71875 37694 80731 76679 73799 ... (последовательность A002193 в OEIS ).
Квадратный корень из 2.

В качестве альтернативы часто используется быстрое приближение 99/70 (≈ 1,41429) для квадратного корня из двух. Несмотря на то, что знаменатель равен всего 70, оно отличается от правильного значения менее чем на 1/10 000 (приблизительно 7,2 × 10  −5 ).

Константа Теодора 3 [ править ]

Константы в высшей математике [ править ]

Это константы, которые часто встречаются в высшей математике .

Константы Фейгенбаума α и δ [ править ]

Бифуркационная диаграмма логистической карты.

Итерации непрерывных отображений служат простейшими примерами моделей динамических систем . [4] Названные в честь математика-физика Митчелла Фейгенбаума , две константы Фейгенбаума появляются в таких итерационных процессах: они являются математическими инвариантами логистических карт с квадратичными точками максимума [5] и их бифуркационных диаграмм .

Логистическая карта - это полиномиальное отображение, которое часто называют архетипическим примером того, как хаотическое поведение может возникать из очень простых нелинейных динамических уравнений. Карта была популяризировал в семенных 1976 бумаги Австралии биолог Роберт Мэй , [6] , в частности , как в дискретном времени демографическая модель , аналогичную логистическому уравнению первого созданного Ферхюльст . Разностное уравнение предназначено для учета двух эффектов воспроизводства и голода.

Числовое значение α составляет приблизительно 2,5029. Числовое значение δ составляет приблизительно 4,6692.

Константа Апери ζ (3) [ править ]

Константа Апери - это сумма ряда

Константа Апери - это иррациональное число, числовое значение которого приблизительно равно 1,2020569.

Несмотря на то что специальное значение дзеты - функции Римана , постоянная апери возникает , естественно , в ряде физических проблем, в том числе в второй и третьем порядке с точки зрения электрона «ы гиромагнитного отношения , вычисленным с помощью квантовой электродинамики . [7]

Золотое сечение φ [ править ]

Золотые прямоугольники в правильном икосаэдре
Явная формула для n- го числа Фибоначчи с использованием золотого сечения φ .

Число φ , также называемое золотым сечением , часто встречается в геометрии , особенно в фигурах с пятиугольной симметрией . Действительно, длина регулярного пятиугольника «s диагонали в ф раз его сторона. Вершины правильного икосаэдра - это вершины трех взаимно ортогональных золотых прямоугольников . Кроме того, он появляется в последовательности Фибоначчи , связанной с ростом за счет рекурсии . [8] Кеплер доказал, что это предел отношения последовательных чисел Фибоначчи. [9]Золотое сечение имеет самую медленную сходимость из всех иррациональных чисел. [10] Это, по этой причине, один из худших случаев из теоремы Лагранжа приближения и является экстремальным случаем неравенства Гурвицы для диофантовых приближений . Возможно, поэтому углы, близкие к золотому сечению, часто проявляются при филлотаксисе (росте растений). [11] Это приблизительно равно 1.6180339887498948482, или, точнее, 2⋅sin (54 °) =

Константа Эйлера – Маскерони γ [ править ]

Область между двумя кривыми (красная) стремится к пределу.

Постоянная Эйлера – Маскерони - повторяющаяся константа в теории чисел . Бельгийский математик Чарльз Жан - де - ла - Валле-Пуссен доказал в 1898 году , что, принимая любое положительное целое число п и деля его на каждом натуральном т меньше , чем п, средняя доля по которой фактор Н / м дотягивает ближайшее целое число , как правило, (а не 0,5), поскольку n стремится к бесконечности . Константа Эйлера – Маскерони также фигурирует в третьей теореме Мертена и имеет отношение к гамма-функции , дзета-функции и множеству различных интегралов и рядов.. Определение постоянной Эйлера – Маскерони показывает тесную связь между дискретным и непрерывным (см. Кривые слева).

Числовое значение составляет приблизительно 0,57721.

Константа Конвея λ [ править ]

Conway «S последовательность вид и, скажем ,

Константа Конвея - это инвариантная скорость роста всех производных строк, аналогичная последовательности look-and-say (за исключением одной тривиальной). [12]

Он задается единственным положительным вещественным корнем многочлена степени 71 с целыми коэффициентами. [12]

Значение λ составляет приблизительно 1,30357.

Константа Хинчина K [ править ]

Если действительное число r записано в виде простой непрерывной дроби :

где к являются натуральными числа для всех к , то, как русский математик Хинчины доказали в 1934 г. предел в п стремится к бесконечности из средних геометрических : ( а 1 2 ... п ) 1 / п существует и - константа, постоянная Хинчина , за исключением множества меры 0. [13]

Числовое значение K составляет приблизительно 2,6854520010.

Константа Глейшера – Кинкелина A [ править ]

Постоянная Глейшера – Кинкелина определяется как предел :

Это важная константа, которая появляется во многих выражениях для производной дзета-функции Римана . Его числовое значение составляет примерно 1,2824271291.

Математические курьезы и неопределенные константы [ править ]

Простые представители множеств чисел [ править ]

Эта вавилонская глиняная табличка дает приближение квадратного корня из 2 в четырех шестидесятеричных цифрах: 1; 24, 51, 10, с точностью до шести десятичных знаков . [14]
Константа Лиувилля - простой пример трансцендентного числа .

Некоторые константы, такие как квадратный корень из 2 , постоянного Лиувилля и постоянной Champernowne :

не важные математические инварианты , но сохраняют интерес быть простые представители специальных наборов чисел, иррациональных чисел , [15] , что трансцендентные числа [16] и нормальные числа (в базе 10) [17] соответственно. Открытие иррациональных чисел обычно приписывают пифагорейцу Гиппасу из Метапонта, который доказал, скорее всего геометрически, иррациональность квадратного корня из 2. Что касается постоянной Лиувилля, названной в честь французского математика Жозефа Лиувилля , то это было первое число, получившее название доказано трансцендентно. [18]

Константа Чейтина Ω [ править ]

В информатике подполе алгоритмической теории информации , константа хайтина реальное число , представляющее вероятность того, что случайно выбранная машина Тьюринга будет остановить, образовавшееся из - за строительства в Аргентину - американский математик и ученый Хайтин . Константа Чейтина, хотя и не вычислима , оказалась трансцендентной и нормальной.. Константа Чейтина не универсальна, она сильно зависит от числового кодирования, используемого для машин Тьюринга; однако его интересные свойства не зависят от кодировки.

Неуказанные константы [ править ]

Когда не указано иное, константы указывают классы похожих объектов, обычно функций, все равны до константы - технически говоря, это можно рассматривать как «подобие до константы». Такие константы часто появляются при работе с интегралами и дифференциальными уравнениями . Несмотря на то, что они не указаны, они имеют определенное значение, которое часто не имеет значения.

Решения с разными константами интегрирования .

В интегралах [ править ]

Неопределенные интегралы называются неопределенными, потому что их решения единственны только с точностью до константы. Например, при работе с полем действительных чисел

где C , постоянная интегрирования , - произвольное фиксированное действительное число. [19] Другими словами, каким бы ни было значение C , дифференцирование sin x + C по x всегда дает cos x .

В дифференциальных уравнениях [ править ]

Аналогичным образом константы появляются в решениях дифференциальных уравнений, в которых задано недостаточно начальных значений или граничных условий . Например, обыкновенное дифференциальное уравнение y '  =  y ( x ) имеет решение Ce x, где C - произвольная постоянная.

При работе с уравнениями в частных производных константы могут быть функциями , постоянными по отношению к некоторым переменным (но не обязательно ко всем из них). Например, PDE

имеет решения f ( x , y ) =  C ( y ), где C ( y ) - произвольная функция от переменной  y .

Обозначение [ править ]

Представление констант [ править ]

Обычно числовое значение константы выражается десятичным представлением (или только его первыми цифрами). По двум причинам такое представление может вызвать проблемы. Во-первых, даже несмотря на то, что все рациональные числа имеют конечное или постоянно повторяющееся десятичное разложение, иррациональные числа не имеют такого выражения, что делает их невозможно полностью описать таким образом. Кроме того, десятичное представление числа не обязательно уникально. Например, два представления 0.999 ... и 1 эквивалентны [20] [21] в том смысле, что они представляют одно и то же число.

Вычисление цифр десятичного разложения констант было обычным делом на протяжении многих веков. Например, немецкий математик XVI века Людольф ван Сеулен провел большую часть своей жизни, вычисляя первые 35 цифр числа Пи. [22] Используя компьютеры и суперкомпьютеры , некоторые математические константы, включая π, e и квадратный корень из 2, были вычислены с точностью до ста миллиардов цифр. Были разработаны быстрые алгоритмы , некоторые из которых - что касается константы Апери - неожиданно быстрые.

Число Грэма определено с помощью нотации Кнута, направленной вверх .

Некоторые константы настолько отличаются от обычных, что были изобретены новые обозначения для их разумного представления. Число Грэма иллюстрирует это, поскольку используется нотация Кнута, направленная вверх . [23] [24]

Может быть интересно представить их с помощью непрерывных дробей для выполнения различных исследований, включая статистический анализ. Многие математические константы имеют аналитическую форму , то есть они могут быть построены с использованием хорошо известных операций, которые легко поддаются вычислению. Однако не все константы имеют известную аналитическую форму; Постоянная Гроссмана [25] и постоянная Фояса [26] являются примерами.

Символизация и именование констант [ править ]

Обозначение констант буквами - частый способ сделать запись более краткой. Стандартное соглашение , инициированное Леонардом Эйлером в 18 веке, состоит в том, чтобы использовать строчные буквы из начала латинского алфавита или греческого алфавита при работе с константами в целом.

Однако для более важных констант символы могут быть более сложными и иметь дополнительную букву, звездочку , число, лемнискату или использовать другие алфавиты, такие как иврит , кириллица или готика . [24]

Постоянная Erdős-Borwein Эмбри-Trefethen постоянная константа Бруна в течение близнеца простых констант Champernowne кардинальное число алеф нулю



ℵ 0 {\displaystyle \aleph _{0}}
Примеры различных видов обозначений констант.

Иногда символ, представляющий константу, представляет собой целое слово. Например, 9-летний племянник американского математика Эдварда Каснера придумал названия гугол и гуголплекс . [24] [27]

Имена либо связаны со значением константы ( универсальной параболическими постоянной , близнец премьером - константы , ...) или к конкретному человеку ( постоянной Серпиньскому , постоянной Джозефсона , и так далее).

Универсальная параболическая константа представляет собой отношение, для любой параболы , от длины дуги параболического сегмента (красного цвета) , образованного LATUS прямой кишкой (синей) к фокальному параметру (зеленый).

Таблица избранных математических констант [ править ]

Используемые сокращения:

R - рациональное число , I - иррациональное число (может быть алгебраическим или трансцендентным), A - алгебраическое число (иррациональное), T - трансцендентное число (иррациональное)
Gen - General , ореховые - Теория чисел , CHT - теория хаоса , Com - комбинаторика , Inf - теория информации , Ана - Математический анализ

См. Также [ править ]

  • Инвариант (математика)
  • Список математических символов
  • Список номеров
  • Физическая постоянная

Заметки [ править ]

  1. ^ «Сборник математических символов: константы» . Математическое хранилище . 2020-03-01 . Проверено 8 августа 2020 .
  2. ^ Weisstein, Эрик В. "Константа" . mathworld.wolfram.com . Проверено 8 августа 2020 .
  3. ^ Гринстед, CM; Снелл, JL "Введение в теорию вероятностей" . п. 85 . Проверено 9 декабря 2007 .
  4. ^ Collet & Экмана (1980). Итерированные отображения на инервале как динамические системы . Бирхаузер. ISBN 3-7643-3026-0.
  5. ^ Финч, Стивен (2003). Математические константы . Издательство Кембриджского университета . п. 67 . ISBN 0-521-81805-2.
  6. ^ Мэй, Роберт (1976). Теоретическая экология: принципы и приложения . Blackwell Scientific Publishers. ISBN 0-632-00768-0.
  7. ^ Стивен Финч. «Постоянная Апери» . MathWorld .
  8. Ливио, Марио (2002). Золотое сечение: история самого удивительного числа в мире Фи . Нью-Йорк: Бродвейские книги. ISBN 0-7679-0815-5.
  9. ^ Tatersall, Джеймс (2005). Элементарная теория чисел в девяти главах (2-е изд .
  10. ^ "Тайная жизнь непрерывных дробей"
  11. ^ Числа Фибоначчи и природа - Часть 2: Почему золотое сечение является «лучшим» расположением? , из числа Фибоначчи и золотого сечения доктора Рона Нотта , полученного 29.11.2012.
  12. ^ а б Стивен Финч. «Константа Конвея» . MathWorld .
  13. ^ Стивен Финч. «Константа Хинчина» . MathWorld .
  14. ^ Фаулер, Дэвид ; Элеонора Робсон (ноябрь 1998 г.). «Приближения квадратного корня в древней вавилонской математике: YBC 7289 в контексте» (PDF) . Historia Mathematica . 25 (4): 368. DOI : 10,1006 / hmat.1998.2209 . Архивировано из оригинального (PDF) 28 ноября 2007 года . Проверено 9 декабря 2007 .
    Фотография, иллюстрация и описание корневой (2) таблички из Вавилонской коллекции Йельского университета
    Фотографии с высоким разрешением, описания и анализ корневой (2) таблички (YBC 7289) из Йельской вавилонской коллекции
  15. ^ Богомольные, Александр . «Корень квадратный из 2 иррационально» .
  16. Обри Дж. Кемпнер (октябрь 1916 г.). «О трансцендентных числах» . Труды Американского математического общества . Труды Американского математического общества, Vol. 17, No. 4. 17 (4): 476–482. DOI : 10.2307 / 1988833 . JSTOR 1988833 . 
  17. ^ Champernowne, Дэвид (1933). «Построение десятичных дробей, нормальных по десятичной шкале». Журнал Лондонского математического общества . 8 (4): 254–260. DOI : 10,1112 / jlms / s1-8.4.254 .
  18. ^ Weisstein, Эрик В. "Константа Лиувилля" . MathWorld .
  19. ^ Эдвардс, Генри; Дэвид Пенни (1994). Исчисление с аналитической геометрией (4-е изд.). Прентис Холл. п. 269 . ISBN 0-13-300575-5.
  20. ^ Рудин, Вальтер (1976) [1953]. Принципы математического анализа (3е изд.). Макгроу-Хилл. с.61 теорема 3.26. ISBN 0-07-054235-X.
  21. ^ Стюарт, Джеймс (1999). Исчисление: Ранние трансцендентальные (4-е изд.). Брукс / Коул. п. 706 . ISBN 0-534-36298-2.
  22. ^ Людольф ван Сеулен - биография в архиве истории математики MacTutor.
  23. ^ Кнут, Дональд (1976). «Математика и информатика: преодоление конечностей. Развитие наших вычислительных возможностей существенно приближает нас к конечным ограничениям». Наука . 194 (4271): 1235–1242. DOI : 10.1126 / science.194.4271.1235 . PMID 17797067 . 
  24. ^ a b c "математические константы" . Архивировано из оригинала на 2012-09-07 . Проверено 27 ноября 2007 .
  25. ^ Вайсштейн, Эрик В. "Константа Гроссмана" . MathWorld .
  26. ^ Weisstein, Эрик В. "Постоянная Фояса" . MathWorld .
  27. Эдвард Каснер и Джеймс Р. Ньюман (1989). Математика и воображение . Microsoft Press . п. 23.
  28. ^ a b c Александр Дж. Йи. «y-cruncher - многопоточная программа Pi» . numberworld.org . Дата обращения 14 марта 2020 .
  29. ^ а б Александр Дж. Йи. "Рекорды, установленные y-cruncher" . numberworld.org . Дата обращения 14 марта 2020 .
  30. ^ Роджерс, Брэд; Тао, Теренс (2018). «Постоянная Де Брейна – Ньюмана неотрицательна». arXiv : 1801.05914 [ math.NT ]. (препринт)
  31. ^ «Постоянная Де Брёйна-Ньюмана неотрицательна» . Проверено 19 января 2018 . (объявление)
  32. ^ Polymath, DHJ (2019), "Эффективное приближение эволюции теплового потока функции Римана ξ и новая верхняя граница для постоянной де Брейна-Ньюмана", Исследования в области математических наук , 6 (3), arXiv : 1904.12438 , Bibcode : 2019arXiv190412438P , DOI : 10.1007 / s40687-019-0193-1
  33. ^ Вайсштейн, Эрик В. "Константа Бернштейна" . MathWorld .
  34. ^ Weisstein, Эрик В. "Константа Бэкхауса" . MathWorld .
  35. ^ Weisstein, Эрик В. "Константа Портера" . MathWorld .
  36. ^ Вайсштейн, Эрик В. "Квадратная ледяная постоянная Либа" . MathWorld .
  37. ^ Вайсштейн, Эрик В. "Взаимная постоянная Фибоначчи" . MathWorld .

Внешние ссылки [ править ]

  • Константы - из Wolfram MathWorld
  • Обратный символьный калькулятор (CECM, ISC) (расскажет, как можно построить данное число из математических констант)
  • Он-лайн энциклопедия целочисленных последовательностей (OEIS)
  • Инвертор Саймона Плуффа
  • Страница математических констант Стивена Финча (РАЗРЕШЕННАЯ ССЫЛКА)
  • Стивен Р. Финч, " Математические константы ", Энциклопедия математики и ее приложений , Cambridge University Press (2003).
  • Страница чисел, математических констант и алгоритмов Ксавьера Гурдона и Паскаля Себаха