Рассказы о математике с примерами на языках Python и C

1) Действительно, человек слишком мал по сравнению с Земным шаром, и “на глаз” увидеть кривизну Земли невозможно. Но это вовсе не является доказательством “плоскости” Земли - просто радиус Земли для человека слишком велик, чтобы его увидеть. Геометрически это легко вычислить.

Как известно, дистанция видимого горизонта для человека - около 5км, а радиус Земли примерно 6000км (6000000м). По теореме Пифагора (см.картинку ниже), при R=6000000 и d=5000, длина гипотенузы R+h = 6000.002.08м, т.е. прирост высоты h по сравнению с плоскостью - всего лишь 2м. Угол вершины треугольника со сторонами 5000м и 2м, составит всего лишь 0.022°, это величина которую “на глаз” невозможно заметить.

В то же время, 2 метра - эта величина которую разумеется, можно измерить. Это демонстрировали, в частности, на канале Discovery Science, направив луч лазера параллельно поверхности воды. На катере было отчетливо видно, что пятно от луча при удалении поднялось вверх, что и должно быть в теории.

Основная сложность такого опыта - обеспечение параллельности луча Земле с точностью до сотых градуса, что в домашних условиях повторить сложно. Именно поэтому в youtube были опубликованы разные “опровержения” - очевидно, что направив луч не параллельно, можно получить любые результаты.

И наконец, в их втором тесте, взлетающий с другого берега озера вертолет, наблюдался в телескоп, и действительно появлялся “из под” поверхности озера.

Ну и наконец, даже не имея лазера и вертолета, можно увидеть данный эффект с помощью бинокля, смотря на удаляющийся корабль на берегу моря.

Скриншот с youtube показывает тот же эффект:

Впрочем, об этом эффекте знали и древние греки, а вот некоторые современные люди, увы, забыли.

Кстати, формула дальности горизонта активно используется связистами, т.к. УКВ-радиоволны распространяются только в прямой видимости. Именно поэтому дальность приема FM станций относительно невелика, и составляет порядка 50км.

2) Очевидно, что гипотеза висящего в космосе “блина”, над центром которого вращается Солнце, не выдерживает никакой критики с точки зрения всех законов физики - такая система в принципе не может быть устойчивой, “солнце” тут же упало бы на “землю”, а куски “земли” в итоге, под действием сил тяготения собрались бы в итоге вместе, и образовали бы - что? Правильно, шар.

3) Как увидел еще Галилей, планеты и их спутники подчиняются законам небесной механики. Некоторые могут считать, что NASA фальсифицирует результаты, но посмотреть на небо может любой желающий.

Данный снимок Юпитера сделан в телескоп автором с балкона:

На нем четко видно шар Юпитера и вращающиеся вокруг него спутники. Если выбрать удачное время, можно увидеть и прохождение тени спутника по поверхности планеты. Если подождать некоторое время, то можно увидеть и вращение самого Юпитера, он вращается весьма быстро.

Так что, к сожалению для любителей плоской Земли, плоских дискообразных планет в небе не наблюдается, проверить это с телескопом может любой желающий. Считать что все планеты таки круглые, а только Земля плоская - это противоречило бы и логике и здравому смыслу.

4) Приверженцы теории верят, что NASA фальсифицирует снимки Земли из космоса. Однако увидеть их тоже может любой желающий - достаточно RTL-SDR приемника ценой 20$ и самодельной антенны, чтобы принять сигналы метеоспутников NOAA. Они постоянно передаются со спутников в открытом виде на частоте 137МГц, и услышать их может любой желающий, с помощью обычной рации и программы Orbitron (программа нужна чтобы узнать точное время пролета спутника). Подключив приемник к компьютеру, можно декодировать сигнал и получить изображение, передаваемое спутником в данный момент:

5) Запустить ракету в космос действительно сложно и дорого. Однако обычный метеозонд можно приобрести на ebay за 20-30$, что позволит запустить фотокамеру с GPS-трекером на высоту 20-25км. Этот опыт вполне доступен, и его делали даже школьники. На такой высоте шарообразность Земли уже не вызывает сомнений.

Таким образом, благодаря математике, геометрии и здравому смыслу, мы таки можем убедиться что Земля не может быть плоской - даже несмотря на то, что мы не видим этого невооруженным глазом.

Кстати, как подсказывает гугл, кривизну Земли все-таки наблюдали невооруженным глазом альпинисты, находящиеся в горах Перу на высоте 6000м. Для этого им пришлось натянуть ровную нить, чтобы сравнить ее с изгибом горизонта, все-таки изгиб на такой высоте еще весьма мал.

5. Простые числа

Каждый знает, что простые числа — такие числа, которые делятся только на единицу и самих себя. Но так ли они просты, как кажутся, и актуальны ли сегодня? Попробуем разобраться.

То, что существуют числа, которые не делятся ни на какое другое число, люди знали еще в древности. Последовательность простых чисел имеет следующий вид:

1, 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47, 53, 59, 61 …

Доказательство того, что этих чисел бесконечно много, дал еще Евклид, живший в 300 г до н.э. Примерно в те же годы уже известный нам греческий математик Эратосфен, придумал довольно-таки простой алгоритм получения простых чисел, суть которого была в последовательном вычеркивании чисел из таблицы. Те оставшиеся числа, которые ни на что не делились, и были простыми. Алгоритм называется «решето Эратосфена» и за счет своей простоты (в нем нет операций умножения или деления, только сложение) используется в компьютерной технике до сих пор.

Видимо, уже во время Эратосфена стало ясно, что какого-либо четкого критерия, является ли число простым, не существует — это можно проверить лишь экспериментально. Существуют различные способы для упрощения процесса (например, очевидно, что число не должно быть четным), но простой алгоритм проверки не найден до сих пор, и скорее всего найден не будет: чтобы узнать, простое число или нет, надо попытаться разделить его на все меньшие числа.

Это несложно записать в виде программы на языке Python:

import math

def is_prime(n):

if n % 2 == 0 and n > 2:

return False

for i in range(3, int(math.sqrt(n)) + 1, 2):

if n % i == 0:

return False

return True

# Вывод всех простых чисел от 1 до N

N = 100

for p in range(1, N, 2):

if is_prime(p): print(p)

# Вывод результата, является ли заданное число простым

print(is_prime(2147483647))

Желающие могут поэкспериментировать с программой самостоятельно.

Подчиняются ли простые числа каким-либо законам? Да, и они довольно любопытны. Так, например, французский математик Мерсенн еще в 16 веке обнаружил, что много простых чисел имеет вид 2N — 1, эти числа названы числами Мерсенна. Еще незадолго до этого, в 1588 году, итальянский математик Катальди обнаружил простое число 219 — 1 = 524287 (по классификации Мерсенна оно называется M19). Сегодня это число кажется весьма коротким, однако даже сейчас с калькулятором проверка его простоты заняла бы не один день, а для 16 века это было действительно огромной работой. На 200 лет позже математик Эйлер нашел другое простое число 231 — 1 = 2147483647. Необходимый объем вычислений каждый может представить сам. Он же выдвинул гипотезу, названную позже «проблемой Эйлера», или «бинарной проблемой Гольдбаха»: каждое чётное число, большее двух, можно представить в виде суммы двух простых чисел. Например, можно взять 2 четных числа 123456 и 888777888. С помощью компьютера можно найти их сумму в виде двух простых чисел: 123456 = 61813 + 61643 и 888777888 = 444388979 + 444388909. Точное доказательство этой теоремы не найдено до сих пор, хотя с помощью компьютеров она была проверена до чисел с 18 нулями.

Кстати, последовательность простых чисел Мерсенна 2N-1 имеет следующий вид:

M₂=3, M₃=7, M₅=31, M₇=127, M₁₃=8191, M₁₇=131071, M₁₉=524287, M₃₁=2147483647, ...

При этом показатели N, что удивительно, сами тоже являются простыми числами (доказательство этой теоремы можно найти в интернете):

2, 3, 5, 7, 13, 17, 19, 31, 61, 89, 107, ...

Существует и другая теорема, называемая теоремой Ферма-Эйлера, открытая в 1640 году, которая говорит о том, что если простое число имеет вид 4*k+1, то оно может быть представлено в виде суммы квадратов других чисел. Так, например, в нашем примере простое число 444388909 = 4*111097227 + 1. И действительно, с помощью компьютера можно найти, что 444388909 = 19197*19197 + 8710*8710. Теорема была доказана Эйлером лишь через 100 лет.

И наконец Бернхардом Риманом в 1859 году была выдвинута так называемая «Гипотеза Римана» о количестве распределения простых чисел, не превосходящих некоторое число. Эта гипотеза не доказана до сих пор, она входит в список семи «проблем тысячелетия», за решение каждой из которых Математический институт Клэя в Кембридже готов выплатить награду в один миллион долларов США.

Так что с простыми числами не все так просто. Есть и удивительные факты. Например, в 1883 г. русский математик И.М.Первушин из Пермского уезда доказал простоту числа 261 — 1 = 2305843009213693951. Даже сейчас компьютеру с запущенной вышеприведенной программой требуется несколько минут на проверку данного числа, а на то время это была поистине гигантская работа.

Кстати интересно, что существуют люди, обладающие уникальными способностями мозга — так например, известны аутисты, способные находить в уме (!) 8-значные простые числа. Как они это делают, непонятно. Такой пример описывается в книге известного врача-психолога Оливера Сакса “Человек, который принял жену за шляпу”. По некоторым предположениям, такие люди обладают способностью “видеть” числовые ряды визуально, и пользуются методом “решета Эратосфена” для определения, является ли число простым или нет.

Еще два интересных простых числа: 73939133 и 1979339333. Они интересны тем, что если от них убирать правую цифру, то каждое новое число - тоже простое:

73939133 - 7393913 - 739391 - 73939 - 7393 - 739 - 73 - 7

1979339333 - 197933933 - 19793393 - 1979339 - 197933 - 19793 - 1979 - 197 - 19 - 1

Для нахождения всех подобных чисел можно написать несложную программу, использующую написанную ранее функцию is_prime:

for v in xrange(10000001, 99999999, 2):

v0, v1, v2, v3, v4, v5, v6, v7 = v, v/10, v/100, v/1000, v/10000,

v/100000, v/1000000, v/10000000

if is_prime(v7) and is_prime(v6) and is_prime(v5) and is_prime(v4) and

is_prime(v3) and is_prime(v2) and is_prime(v1) and is_prime(v0):

print v0, v1, v2, v3, v4, v5, v6, v7

Несколько сотен лет математикам известна другая, не менее оригинальная последовательность, где все числа простые:

31 331 3331 33331 333331 3333331 33333331