Batlamyus teoremi

Öklid geometrisinde bir teorem

Öklid geometrisinde, Batlamyus teoremi, bir kirişler dörtgeninin (köşeleri ortak bir daire üzerinde yer alan bir dörtgen) dört kenarı ile iki köşegeni arasındaki bir ilişkiyi gösteridir. Teorem, Yunan astronom ve matematikçi Batlamyus'un (Claudius Ptolemaeus) adını almıştır.[1] Batlamyus, teoremi astronomiye uyguladığı trigonometrik bir tablo olan kirişler tablosunu oluşturmaya yardımcı olarak kullandı.

Batlamyus teoremi, bir kirişler dörtgeninin uzunlukları arasındaki ilişkiyi gösterir:

Kirişler dörtgenin köşeleri sırayla , , ve ise, teorem şunu belirtir:

Burada dikey çizgiler (| |) ile gösterim, adlandırılmış köşeler arasındaki çizgi parçalarının uzunluklarını belirtmektedir. Geometri bağlamında, yukarıdaki eşitlik genellikle basitçe şöyle yazılır:

Bu ilişki sözlü olarak şu şekilde ifade edilebilir:

Eğer bir dörtgen bir dairenin içine çizilebiliyorsa, köşegenlerinin uzunluklarının çarpımı, karşıt kenarların çiftlerinin uzunluklarının çarpımlarının toplamına eşittir.

Dahası, Batlamyus teoreminin tersi de doğrudur:

Bir dörtgende, karşıt iki kenar çiftinin uzunluklarının çarpımlarının toplamı, köşegenlerinin uzunluklarının çarpımına eşitse, bu dörtgen bir daire içerisine çizilebilir, yani bir kirişler dörtgenidir.

Örnekler değiştir

Eşkenar üçgen değiştir

 
Eşkenar üçgen

Batlamyus Teoremi, sonuç olarak daire içine çizilmiş bir eşkenar üçgene ilişkin güzel bir teoreme[2] ulaşmamıza imkan verir.

Verilen: Bir daire üzerine çizilmiş bir eşkenar üçgen ve daire üzerinde bir nokta.

Noktadan üçgenin en uzak köşesine olan mesafe, noktadan daha yakın iki köşeye olan mesafelerin toplamıdır.

İspat: Hemen Batlamyus teoremini takip edersek:

 

Kare değiştir

Merkezi karenin merkezi olan bir daireye herhangi bir kare çizilebilir. Dört kenarının ortak uzunluğu  'ya eşitse daha sonra köşegenin uzunluğu  'ye eşittir. Pisagor teoremine göre ve bu ilişki açıkça geçerlidir.

Dikdörtgen değiştir

 
Pisagor teoremi: "manifestum est" : Kopernik

Daha genel olarak, eğer dörtgen, kenarları   ve   ve köşegenleri   olan bir dikdörtgen verilirse, Batlamyus teoremi, Pisagor teoremine indirgenir. Bu durumda dairenin merkezi, köşegenlerin kesişme noktasıyla çakışır. Bu durumda, köşegenlerinin çarpımı   olarak bulunur. Batlamyus eşitliğine göre sağ taraftaki toplam  'dir.

Trigonometrik çalışmasında Batlamyus'un teoremini yoğun bir şekilde kullanan Kopernik, bu sonuca bir 'Porizm' veya apaçık bir sonuç olarak atıfta bulunur:

Dahası, bir yayı oluşturan kiriş verildiğinde, yarım dairenin geri kalanını altta tutan kirişin de bulunabileceği açıktır (manifestum est).[3]

Beşgen değiştir

 
Altın oran, Batlamyus teoreminin bu uygulamasından gelir.

Daha ilginç bir örnek, düzgün bir beşgendeki kenar uzunluğu   ile 5 kirişin (ortak) uzunluğu   arasındaki ilişkidir. Bu durumda   altın oranı veren ilişkidir:

 [4]

Ongenin kenarı değiştir

 
Daire ile çevrelenen ongenin kenarı

Şimdi çap  ,  'yi ikiye bölerek çizilirse, böylece   ve  , daire içine çizilen bir ongenin   kenarlarıdır, Batlamyus teoremi tekrar uygulanırsa bu kez, köşegenlerinden biri olarak   çapına sahip kirişler dörtgeni  'ye:

 
 , burada   altın orandır.
 [5]

böylece daire içine çizilen ongenin kenarı daire çapı cinsinden elde edilir. Dik üçgen  'ye uygulanan Pisagor teoremi, çap olarak   uzunluğunu verir ve bundan sonra beşgenin[6] kenarı   olarak hesaplanır.

 

Kopernik'in (Batlamyus'u izleyerek) yazdığı gibi,

"Verilen bir çemberin çapı, aynı çemberin çevrelediği üçgen, dörtgen, beşgen, altıgen ve ongenin kenarları da verilmiştir."[7]

İspatlar değiştir

Üçgenlerin benzerliği ile ispat değiştir

 
Batlamyus teoreminin bir kanıtı için çizim
  •   bir kirişler dörtgeni olsun.
  •   kirişi üzerinde, çevre açıları   =   ve   üzerinde,  'dir.
  •   üzerinde   noktası   olacak şekilde oluşturulursa;  ,  'dir.
  • Şimdi, ortak açılardan  ,  'ye benzer ve aynı şekilde   de  'ye benzer.
  • Böylece   ve  'dir; eşdeğer olarak,   ve  'dır.
  • İki eşitlik birbirine ekleyerek   elde ederiz ve bunu çarpanlara ayırmak suretiyle  'yı elde ederiz.
  • Ancak  'dır, dolayısıyla  

QED[8]

Yazıldığı şekliyle ispat yalnızca basit kirişler dörtgenleri için geçerlidir. Dörtgen kendi kendine kesişiyorsa  ,   çizgi parçasının dışında yer alacaktır. Ancak bu durumda  , beklenen sonucu verir.

Trigonometrik özdeşliklerle ispat değiştir

 ,   ve   tarafından oluşturulan çevre açılar sırasıyla  ,   ve   ve çemberin yarıçapı   olsun. O zaman,

 ,
 ,
 ,
 ,
  ve
 

olur ve kanıtlanacak orijinal eşitlik aşağıdaki hale dönüşür;

 

denklemin her iki tarafı da   çarpanına bölünerek sadeleşti.

Şimdi toplam formüllerini kullanarak,

  ve
 

Yukarıdaki denklemin her iki tarafının da eşit olduğunu göstermek basittir.

 

Q.E.D

Evirtim ile ispat değiştir

 
Daire evirtimi yoluyla Batlamyus teoreminin kanıtı

 'nin çevrel çemberi bir doğruya evirtildiğine (şekle bakın) göre merkezi   olan yardımcı bir   dairesi seçin. Sonra   olur. Genelliği kaybetmeden  'nin yarıçapını   alalım. Sonra   ve   sırasıyla aşağıdaki şekilde ifade edilebilir;

 ,  ,  

Önceki ilişkiyi   ile çarpar ve   eşitliğini kullanırsak Batlamyus'un eşitliğini elde ederiz.

Q.E.D.

Dörtgen kirişler dörtgeni değilse,  ,   ve  'nün bir üçgen oluşturduğuna ve dolayısıyla   olduğuna dikkat edin, bize aşağıda sunulan Batlamyus Eşitsizliğinin çok basit bir kanıtı verir.

Karmaşık sayılar kullanarak ispat değiştir

ABCD  'de bir daire etrafında saat yönünde     olacak şekilde düzenlensin. Karmaşık bir sayının kutupsal formundan   yazılabilir. Buradan da,

  ve
  elde edilir.

Kirişler dörtgeni içindeki zıt açılar toplamı   olduğundan,

 

Bu nedenle,   Böylece

  ve
  olur.

Dolayısıyla,

 'dir.

Burada üçüncü ila son eşitlik, niceliğin zaten gerçek ve pozitif olduğu gerçeğinden kaynaklanır. Q.E.D.

Sonuçlar değiştir

 
 
 
Sonuç 1: Pisagor teoremi

Birim çaplı bir dairede olması durumunda, herhangi bir   kirişler dörtgeninin kenarları  , bu kenarlar tarafından oluşturulan   ve   açıların sinüslerine sayısal olarak eşittir. Benzer şekilde, köşegenler, hangi açı çiftini oluşturursa oluştursunlar, sinüslerinin toplamının eşittir. Daha sonra Batlamyus Teoremini aşağıdaki trigonometrik biçimde yazabiliriz:

 

Oluşturulan   ve  açılarına belirli koşulları uyguladığımızda, yukarıdakileri başlangıç noktamız olarak kullanarak bir dizi önemli sonuç çıkarmak mümkündür. Aşağıdakilerde, açıların toplamının   olduğunu akılda bulundurmak faydalı olacaktır.

Sonuç 1. Pisagor teoremi değiştir

  ve   olsun. Sonra   (çünkü kirişler dörtgeninin zıt açıları bütünlerdir). Ardından:[9]  

 
 

Sonuç 2. Kosinüs yasası değiştir

 
Sonuç 2: Kosinüs yasası

  olsun. Sonuç 1'in dikdörtgeni şimdi eşit köşegenlere ve bir çift eşit kenara sahip simetrik bir yamuktur. Paralel kenarların uzunlukları   birim farklılık gösterir. Burada:

 

olup, bu durumda Batlamyus teoreminin standart ifadesine dönmek daha kolay olacaktır:

 

ABC üçgeninin kosinüs kuralı.

Sonuç 3. Sinüs toplam formülü değiştir

  olsun.

Sonra

 

Bu nedenle,

 

Sinüs toplam formülü elde edilir.[10]

Sonuç 4. Sinüs fark formülü değiştir

  olsun. Sonra,

 .

Dolayısıyla,

 
 
 

Sinüs fark formülü elde edilir.[10]

Bu türetme, Batlamyus'un Almagest'te ardından Kopernik tarafından tarihte kayıt altına alınan Üçüncü Teoreme[11] karşılık gelir. Özellikle, bir beşgenin (çevresindeki dairede 36° ile oluşturulan) ve bir altıgenin (çevresindeki dairede 30° ile oluşturulan) kenarları verilirse, 6° ile oluşturulan bir kiriş hesaplanabilir. Bu, kiriş tablolarını hesaplamanın eski yönteminde kritik bir adımdı.[12]

Sonuç 5. Kosinüs toplam formülü değiştir

Bu sonuç, Batlamyus'un Almagest'te ardından Kopernik tarafından tarihte kayıt altına alınan Beşinci Teoremin[13] özüdür.

  olsun. Sonra . Bu nedenle

 
 
 

Kosinüs toplam formülü elde edilir.

Modern trigonometrik notasyonumuzun becerisinden yoksun olmasına rağmen, yukarıdaki sonuçlardan, Batlamyus teoreminde (veya daha basitçe İkinci Teoremde[14]) antik dünyanın emrinde son derece esnek ve güçlü bir trigonometrik araca sahip olduğu anlaşılmalıdır. Doğru kiriş tabloları (sinüs tablolarına karşılık gelen) hazırlamak ve bunları kozmosu gördükleri gibi anlama ve haritalama girişimlerinde kullanmak için. Kiriş tabloları Hipparchus tarafından Batlamyus'tan üç yüzyıl önce hazırlandığı için, 'İkinci Teorem'i ve türevlerini bildiğini varsaymalıyız. Eski gök bilimcilerin izinden giden tarih, İskenderiyeli Timocharis'in yıldız kataloğunu kaydeder. Muhtemel göründüğü gibi, bu tür katalogların derlenmesi 'İkinci Teorem'in anlaşılmasını gerektiriyorsa, o zaman ikincisinin gerçek kökenleri daha sonra antik çağın sisleri arasında kaybolur, ancak eski Mısırın gök bilimcilerin, mimarların ve inşaat mühendislerinin bu konuda biraz bilgi sahibi olduğunu varsaymak mantıksız olamaz.

Batlamyus eşitsizliği değiştir

 
Bu bir kirişler dörtgeni değildir . Eşitlik burada asla geçerli değildir ve Batlamyus eşitsizliğinin gösterdiği yönde eşit değildir.

Batlamyus teoremindeki denklem, kirişler dörtgeni olmayan dörtgenlerde asla doğru değildir. Batlamyus eşitsizliği bu gerçeğin bir uzantısıdır ve Batlamyus teoreminin daha genel bir biçimidir. Bir   dörtgeni verildiğinde,

 

burada eşitlik, ancak ve ancak dörtgen kirişler dörtgeni ise geçerlidir . Bu özel durum, Batlamyus teoremine eşdeğerdir.

İkinci Batlamyus teoremi değiştir

 

Batlamyus teoremi, kenarları bilinen bir kirişler dörtgeninin köşegenlerin çarpımını verir. Yukarıdaki özdeşlik ise oranlarını verir.

İspat : Bir çevrel çember içine çizilen   üçgenin alanı,   çap olmak üzere: 'dir.

Dörtgenin alanını aynı çevrel çemberi paylaşan iki üçgenin toplamı olarak yazdığımızda, her ayrışma için iki ilişki elde ederiz.

 
 

Denkleştirerek, açıklanan formülü elde ederiz.

Sonuç : Köşegenlerin hem çarpımını hem de oranını bildiğimizde, bunların anlık ifadelerini çıkarıyoruz:

 

Ayrıca bakınız değiştir

Notlar değiştir

  1. ^ C. Ptolemy, Almagest, Book 1, Chapter 10.
  2. ^ Wilson, Jim. "Ptolemy's Theorem". 15 Aralık 2017 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 8 Nisan 2009. 
  3. ^ "De Revolutionibus Orbium Coelestium: Page 37". 3 Nisan 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 24 Eylül 2020. . Bu sayfanın son iki satırına bakın. Copernicus, Ptolemy'nin teoremini şu şekilde ifade eder: "Theorema Secundum". 3 Nisan 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 24 Eylül 2020. 
  4. ^ "Proposition 8". 10 Mayıs 2008 tarihinde kaynağından arşivlendi.  in "Book XIII of Euclid's Elements". 26 Temmuz 2011 tarihinde kaynağından arşivlendi. proves by similar triangles the same result: namely that length a (the side of the pentagon) divides length b (joining alternate vertices of the pentagon) in "mean and extreme ratio". 
  5. ^ And in analogous fashion "Proposition 9". 10 Mayıs 2008 tarihinde kaynağından arşivlendi.  in "Book XIII of Euclid's Elements". 26 Temmuz 2011 tarihinde kaynağından arşivlendi. proves by similar triangles that length c (the side of the decagon) divides the radius in "mean and extreme ratio". 
  6. ^ An interesting article on the construction of a regular pentagon and determination of side length can be found at the following reference
  7. ^ "De Revolutionibus Orbium Coelestium: Liber Primus: Theorema Primum". 3 Nisan 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 24 Eylül 2020. 
  8. ^ Alsina (2010), Charming Proofs: A Journey Into Elegant Mathematics, Dolciani Mathematical Expositions, 42, Mathematical Association of America, s. 112, ISBN 9780883853481, 15 Eylül 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi, erişim tarihi: 24 Eylül 2020 
  9. ^ In De Revolutionibus Orbium Coelestium, Copernicus does not refer to Pythagoras's theorem by name but uses the term 'Porism' – a word which in this particular context would appear to denote an observation on – or obvious consequence of – another existing theorem. The 'Porism' can be viewed on pages 36 and 37 3 Nisan 2021 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. of DROC (Harvard electronic copy)
  10. ^ a b "Sine, Cosine, and Ptolemy's Theorem". 30 Aralık 2010 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 24 Eylül 2020. 
  11. ^ "Üçüncü Teorem". 3 Nisan 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 24 Eylül 2020. 
  12. ^ To understand the Third Theorem, compare the Copernican diagram shown on page 39 of the "Harvard copy". 13 Temmuz 2006 tarihinde kaynağından arşivlendi.  of De Revolutionibus to that for the derivation of   found in the above "Sine Cosine Theorem". cut-the-knot. 30 Aralık 2010 tarihinde kaynağından (web page) arşivlendi. 
  13. ^ "Beşinci Teorem". 3 Nisan 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 24 Eylül 2020. 
  14. ^ "İkinci Teorem". 3 Nisan 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 24 Eylül 2020. 

Kaynakça değiştir

Dış bağlantılar değiştir

Konuyla ilgili yayınlar değiştir