Математическая константа — это число , значение которого зафиксировано однозначным определением, часто обозначаемым специальным символом (например, буквой алфавита ) или именами математиков для облегчения его использования в различных математических задачах . [1] Константы возникают во многих областях математики , причем такие константы, как e и π, встречаются в таких разнообразных контекстах, как геометрия , теория чисел , статистика и исчисление .
Некоторые константы возникают естественным образом из фундаментального принципа или внутреннего свойства, например, соотношение между длиной окружности и диаметром круга ( π ). Другие константы примечательны скорее по историческим причинам, чем из-за своих математических свойств. Наиболее популярные константы изучались на протяжении веков и вычислялись с точностью до многих десятичных знаков.
Все именованные математические константы являются определяемыми числами и, как правило, также вычисляемыми числами ( константа Хайтина является существенным исключением).
Это константы, с которыми можно столкнуться в ходе довузовского образования во многих странах.
Квадратный корень из 2 , часто называемый корнем 2 или постоянной Пифагора и записываемый как √ 2 , является уникальным положительным действительным числом, которое при умножении само на себя дает число 2. Его точнее называть главным квадратным корнем из 2 , чтобы отличать его от отрицательного числа с тем же свойством.
Геометрически квадратный корень из 2 равен длине диагонали квадрата со стороной в одну единицу длины ; это следует из теоремы Пифагора . Это иррациональное число, возможно, первое число, известное как таковое, и алгебраическое число . Его числовое значение, усеченное до 50 знаков после запятой, равно:
В качестве альтернативы, быстрое приближение 99/70 (≈ 1,41429) для квадратного корня из двух часто использовалось до повсеместного использования электронных калькуляторов и компьютеров . Несмотря на то, что знаменатель равен всего 70, он отличается от правильного значения менее чем на 1/10 000 (приблизительно 7,2 × 10 −5 ).
Ее простая цепная дробь является периодической и задается формулой:
Константа π (пи) имеет естественное определение в евклидовой геометрии как отношение длины окружности к диаметру круга. Ее можно найти во многих других местах математики: например, в гауссовом интеграле , комплексных корнях из единицы и распределениях Коши в вероятности . Однако ее повсеместность не ограничивается чистой математикой. Она появляется во многих формулах в физике, и несколько физических констант наиболее естественно определяются с помощью π или ее обратной величины, вынесенной за скобки. Например, волновая функция основного состояния атома водорода имеет вид
где - радиус Бора .
π — иррациональное число , трансцендентное число и алгебраический период .
Числовое значение числа π приблизительно равно:
Необычайно хорошие приближения дают дроби 22/7 и 355/113 .
Запоминание и вычисление все большего количества цифр числа π является стремлением к мировым рекордам.
Число Эйлера e , также известное как константа экспоненциального роста , встречается во многих областях математики, и одним из возможных его определений является значение следующего выражения:
Константа e неразрывно связана с экспоненциальной функцией .
Швейцарский математик Якоб Бернулли обнаружил, что e возникает в сложных процентах : если счет начинается с 1 доллара и приносит проценты по годовой ставке R , то по мере того, как количество периодов начисления сложных процентов в году стремится к бесконечности (ситуация, известная как непрерывное начисление сложных процентов ), сумма денег в конце года приблизится к e R долларов.
Константа e также имеет приложения к теории вероятностей , где она возникает способом, не связанным с экспоненциальным ростом. В качестве примера предположим, что игровой автомат с вероятностью выигрыша один из n играет n раз, тогда для больших n (например, один миллион) вероятность того, что ничего не будет выиграно, будет стремиться к 1/ e , когда n стремится к бесконечности.
Другое применение e , частично обнаруженное Якобом Бернулли вместе с французским математиком Пьером Раймоном де Монмором , заключается в проблеме расстройств , также известной как проблема проверки шляпы . [2] Здесь n гостей приглашаются на вечеринку, и у двери каждый гость сдает свою шляпу дворецкому, который затем кладет их в маркированные коробки. Дворецкий не знает имен гостей и, следовательно, должен положить их в коробки, выбранные случайным образом. Задача де Монмора: какова вероятность того, что ни одна из шляп не будет положена в нужную коробку. Ответ:
который, когда n стремится к бесконечности, приближается к 1/ e .
е — иррациональное число и трансцендентное число.
Числовое значение e приблизительно равно:
Мнимая единица или единичное мнимое число , обозначаемое как i , является математической концепцией, которая расширяет систему действительных чисел до комплексной системы чисел . Основное свойство мнимой единицы заключается в том, что i 2 = −1 . Термин « мнимая » был придуман, потому что не существует ( действительного ) числа, имеющего отрицательный квадрат .
На самом деле существует два комплексных квадратных корня из −1, а именно i и − i , так же как существует два комплексных квадратных корня из любого другого действительного числа (за исключением нуля , у которого есть один двойной квадратный корень).
В контекстах, где символ i неоднозначен или проблематичен, иногда используется j или греческая йота ( ι ). Это особенно актуально в электротехнике и инженерии систем управления , где мнимая единица часто обозначается как j , поскольку i обычно используется для обозначения электрического тока .
Это константы, которые часто встречаются в высшей математике .
Число φ , также называемое золотым сечением , часто встречается в геометрии , особенно в фигурах с пентагональной симметрией . Действительно, длина диагонали правильного пятиугольника равна φ , умноженному на его сторону. Вершины правильного икосаэдра являются вершинами трех взаимно ортогональных золотых прямоугольников . Кроме того, оно появляется в последовательности Фибоначчи , связанной с ростом посредством рекурсии . [3] Кеплер доказал, что это предел отношения последовательных чисел Фибоначчи. [4] Золотое сечение имеет самую медленную сходимость среди всех иррациональных чисел. [5] По этой причине это один из худших случаев теоремы Лагранжа об аппроксимации и экстремальный случай неравенства Гурвица для диофантовых приближений . Возможно, именно поэтому углы, близкие к золотому сечению, часто появляются в филлотаксисе (росте растений). [6] Оно приблизительно равно:
или, точнее,
Постоянная Эйлера или постоянная Эйлера–Маскерони определяется как предельная разность между гармоническим рядом и натуральным логарифмом :
Он часто встречается в математике, особенно в теоретическом контексте чисел, таком как третья теорема Мертенса или скорость роста функции делителей . Он имеет отношение к гамма-функции и ее производным, а также к дзета-функции , и существует много различных интегралов и рядов, включающих .
Несмотря на повсеместность константы Эйлера-Маскерони, многие ее свойства остаются неизвестными. Это включает в себя основные открытые вопросы о том, является ли она рациональным или иррациональным числом и является ли она алгебраической или трансцендентной. Фактически, была описана как математическая константа, «затененная только и по важности». [7]
Числовое значение приблизительно равно:
Константа Апери определяется как сумма обратных величин кубов натуральных чисел: Это особое значение дзета -функции Римана при . Поиск точного значения этой константы через другие известные константы и элементарные функции возник, когда Эйлер знаменитым образом решил Базельскую проблему , дав . На сегодняшний день такое значение не найдено, и предполагается, что его нет. [8] Однако существует множество представлений в виде бесконечных рядов.
Константа Апери естественным образом возникает в ряде физических задач, в том числе в членах второго и третьего порядка гиромагнитного отношения электрона , вычисляемых с использованием квантовой электродинамики . [9]
Известно, что является иррациональным числом , что было доказано французским математиком Роже Апери в 1979 году. Однако неизвестно, является ли оно алгебраическим или трансцендентным.
Числовое значение постоянной Апери приблизительно равно:
Константа Каталана определяется переменной суммой обратных величин нечетных квадратов чисел :
Это особое значение бета-функции Дирихле при . Константа Каталана часто появляется в комбинаторике и теории чисел , а также за пределами математики, например, при расчете распределения масс спиральных галактик . [10]
Вопросы об арифметической природе этой константы также остаются без ответа, поскольку ее называют «возможно, самой базовой константой, иррациональность и трансцендентность которой (хотя и сильно подозреваемая) остаются недоказанными». [11] Существует множество интегральных и рядных представлений константы Каталана.
Назван в честь французского и бельгийского математика Шарля Эжена Каталана .
Числовое значение приблизительно равно:
Итерации непрерывных отображений служат простейшими примерами моделей для динамических систем . [12] Названные в честь математического физика Митчелла Фейгенбаума , две константы Фейгенбаума появляются в таких итерационных процессах: они являются математическими инвариантами логистических отображений с квадратичными точками максимума [7] и их бифуркационных диаграмм . В частности, константа α представляет собой отношение между шириной зубца и шириной одного из двух его подзублатов, а константа δ представляет собой предельное отношение каждого интервала бифуркации к следующему между каждой бифуркацией удвоения периода .
Логистическая карта — это полиномиальное отображение, часто приводимое в качестве архетипического примера того, как хаотическое поведение может возникнуть из очень простых нелинейных динамических уравнений. Карта была популяризирована в основополагающей статье 1976 года австралийского биолога Роберта Мэя [ 13] отчасти как дискретная временная демографическая модель, аналогичная логистическому уравнению, впервые созданному Пьером Франсуа Верхюльстом . Разностное уравнение предназначено для охвата двух эффектов воспроизводства и голодания.
Константы Фейгенбаума в теории бифуркаций аналогичны π в геометрии и e в исчислении . Ни одна из них не известна как иррациональная или даже трансцендентная. Однако существуют доказательства их универсальности . [14]
Соответствующие приблизительные числовые значения δ и α следующие:
Некоторые константы, такие как квадратный корень из 2 , постоянная Лиувилля и постоянная Чамперноуна :
не являются важными математическими инвариантами, но сохраняют интерес, будучи простыми представителями специальных множеств чисел, иррациональных чисел , [16] трансцендентных чисел [17] и нормальных чисел (по основанию 10) [18] соответственно. Открытие иррациональных чисел обычно приписывается 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, трансцендентность которого была доказана. [19]
В подразделе компьютерных наук алгоритмической теории информации константа Хайтина — это действительное число, представляющее вероятность остановки случайно выбранной машины Тьюринга , образованное из конструкции аргентинско - американского математика и ученого-компьютерщика Грегори Хайтина . Хотя константа Хайтина и невычислима , было доказано, что она трансцендентна и нормальна . Константа Хайтина не универсальна и сильно зависит от числового кодирования, используемого для машин Тьюринга; однако ее интересные свойства не зависят от кодирования.
Числовое значение константы принято выражать, давая ее десятичное представление (или только первые несколько ее цифр). По двум причинам это представление может вызывать проблемы. Во-первых, хотя все рациональные числа имеют конечное или постоянно повторяющееся десятичное разложение, иррациональные числа не имеют такого выражения, что делает невозможным их полное описание таким образом. Кроме того, десятичное разложение 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 представления констант было обычным делом на протяжении многих столетий. Например, немецкий математик Людольф ван Кейлен из 16-го века провел большую часть своей жизни, вычисляя первые 35 цифр числа пи. [22] С помощью компьютеров и суперкомпьютеров некоторые математические константы, включая π, e и квадратный корень из 2, были вычислены с точностью более ста миллиардов цифр. Были разработаны быстрые алгоритмы , некоторые из которых — как для константы Апери — неожиданно быстры.
Некоторые константы настолько отличаются от обычных, что была изобретена новая нотация для их разумного представления. Число Грэма иллюстрирует это, поскольку используется нотация Кнута со стрелкой 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 их можно построить с помощью известных операций, которые легко поддаются вычислениям. Однако не все константы имеют известные аналитические формы; константа Гроссмана [25] и константа Фойаса [26] являются примерами.
Обозначение констант буквами часто используется для того, чтобы сделать запись более краткой. Распространенное соглашение , введенное Рене Декартом в 17 веке и Леонардом Эйлером в 18 веке, заключается в использовании строчных букв из начала латинского или греческого алфавита при работе с константами в целом.
Однако для более важных констант символы могут быть более сложными и иметь дополнительную букву, звездочку , цифру, лемнискату или использовать другие алфавиты, такие как иврит , кириллица или готика . [24]
Иногда символ, представляющий константу, представляет собой целое слово. Например, 9-летний племянник американского математика Эдварда Каснера придумал названия гугол и гуголплекс . [24] [27]
Другие названия связаны либо со значением константы ( универсальная параболическая константа , константа-близнец , ...), либо с конкретным человеком ( константа Серпинского , константа Джозефсона и т. д.).
Используемые сокращения: