Поле действительных чисел незамкнуто, потому что среди действительных чисел не всегда можно найти решение полиномиального уравнения с действительными коэффициентами (например, среди действительных чисел нет такого числа a, что a × a + 1 = 0. Доказательство общей теоремы алгебры состоит в том, что решение приведенного выше полиномиального уравнение находят в общем виде.
Глава 6
π
Что такое π?
Число π завораживает человечество на протяжении многих поколений. Оно проникло в массовую культуру (например, стало названием фильма
[62] и маркой одеколона
[63]). Школьники отмечают День π и соревнуются, кто запомнит больше знаков числа π после запятой
[64].
Пи – шестнадцатая буква греческого алфавита. В математике ею обозначают отношение длины окружности к ее диаметру. Длина окружности в π раз длиннее диаметра, или C = πd. Можно записать иначе: C = 2πr, где r – радиус окружности.
Площадь окружности можно вычислить по формуле S = πr².
С помощью числа π можно определить и площадь сферы – 4πr², а также объем шара –
Эти геометрические формулы не сообщают нам величину числа π. Начнем с того, что π больше 3. Нарисуем круг с радиусом 1, впишем в него равносторонний шестиугольник, а затем поделим его на равносторонние треугольники.
Очевидно, что стороны всех треугольников равны 1. Периметр шестиугольника равен 6. Длина окружности несколько больше, чем периметр шестиугольника. Таким образом, 2π > 6, следовательно, π > 3. На рисунке мы видим, что разница между периметрами двух фигур невелика. Значит, π немногим больше 3.
Дальше мы можем поступить наоборот – описать правильный шестиугольник вокруг окружности радиусом 1. Вновь поделим шестиугольник на шесть равных треугольников. Длина любой стороны каждого треугольника будет равна
(вы с легкостью поймете, почему это так, применив теорему Пифагора, о которой идет речь в главе 14; объяснение вы найдете в конце главы).
Таким образом, периметр большого шестиугольника равен
Периметр окружности немного меньше. Следовательно,
Дальше мы можем снова и снова вписывать в окружность и описывать вокруг нее правильные многоугольники со все бо́льшим количеством сторон. Когда мы дойдем до правильного 100-угольника, точность наших вычислений значительно повысится:
3,1410759… < π < 3,1426266…
В пределе, увеличивая число сторон вписанных и описанных правильных многоугольников до бесконечности, мы будем получать все более точное значение интересующего нас числа:
π = 3,141592653589793238462643383279502884…
Так чему же в точности равно число π? В главе 4 мы уже выяснили, что число
иррационально, то есть не может быть выражено через отношение двух целых чисел. Так же обстоит дело и с числом π. Школьников часто просят запомнить, что
но это лишь приблизительное значение
[65].
Число π не так-то просто представить в виде ряда, но вот пара попыток:
В обоих случаях необходимо вести счет до бесконечности, но это не в наших силах. Мы можем остановиться после некоторого количества шагов и найти приблизительное значение интересующего нас числа.
Ни та ни другая формула на практике не используются. Когда мы доведем расчеты по формуле (A) до
получится, что π ≈ 3,134. Когда мы доведем расчеты по формуле (B) до
получится, что π ≈ 3,13159.
Число π можно вычислить быстрее и точнее с помощью гораздо более изощренных алгоритмов. Для науки и инженерного дела достаточно знать где-то 30 знаков после запятой. Исключительно ради забавы и спортивного интереса математики и программисты вычислили число π с точностью больше триллиона знаков после запятой.
