OBZORNIK ZA MATEMATIKO IN FIZIKO IZDAJA DRUŠTVO MATEMATIKOV, FIZIKOV IN ASTRONOMOV SLOVENIJE ISSN 0473-7466 DECEMBER 2021 STR 121-160 ŠT. 4 LETNIK 68 LJUBLJANA OBZORNIK MAT. FIZ. C K M Y 2021 Letnik 68 4 i i “kolofon” — 2021/12/13 — 9:16 — page 1 — #1 i i i i i i OBZORNIK ZA MATEMATIKO IN FIZIKO Glasilo Društva matematikov, fizikov in astronomov Slovenije Ljubljana, DECEMBER 2021, letnik 68, številka 4, strani 121–160 Naslov uredništva: DMFA–založništvo, Jadranska ulica 19, p. p. 2964, 1001 Ljubljana Telefon: (01) 4766 633, 4232 460 Telefaks: (01) 4232 460, 2517 281 Elektronska pošta: zaloznistvo@dmfa.si Internet: http://www.obzornik.si/ Transakcijski raˇ cun: 03100–1000018787 Mednarodna nakazila: SKB banka d.d., Ajdovšˇ cina 4, 1513 Ljubljana SWIFT (BIC): SKBASI2X IBAN: SI56 0310 0100 0018 787 Uredniški odbor: Peter Legiša (glavni urednik), Sašo Strle (urednik za matematiko in odgovorni urednik), Aleš Mohoriˇ c (urednik za fiziko), Mirko Dobovišek, Irena Drevenšek Olenik, Damjan Kobal, Petar Paveši´ c, Marko Petkovšek, Marko Razpet, Nada Razpet, Peter Šemrl, Matjaž Zaveršnik (tehniˇ cni urednik). Jezikovno pregledal Grega Rihtar. Raˇ cunalniško stavila in oblikovala Tadeja Šekoranja. Natisnila tiskarna COLLEGIUM GRAPHICUM v nakladi 1100 izvodov. ˇ Clani društva prejemajo Obzornik brezplaˇ cno. Celoletna ˇ clanarina znaša 24 EUR, za druge družinske ˇ clane in študente pa 12 EUR. Naroˇ cnina za ustanove je 30 EUR, za tujino 35 EUR. Posamezna številka za ˇ clane stane 6,00 EUR, stare številke 3,00 EUR. DMFA je vˇ clanjeno v Evropsko matematiˇ cno društvo (EMS), v Mednarodno matematiˇ cno unijo (IMU), v Evropsko fizikalno društvo (EPS) in v Mednarodno združenje za ˇ cisto in uporabno fiziko (IUPAP). DMFA ima pogodbo o reciproˇ cnosti z Ameriškim matematiˇ c- nim društvom (AMS). Revija izhaja praviloma vsak tretji mesec. Sofinancira jo Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije iz sredstev državnega proraˇ cuna iz naslova razpisa za sofi- nanciranje domaˇ cih znanstvenih periodiˇ cnih publikacij. © 2021 DMFA Slovenije – 2148 Poštnina plaˇ cana pri pošti 1102 Ljubljana NAVODILA SODELAVCEM OBZORNIKA ZA ODDAJO PRISPEVKOV Revija Obzornik za matematiko in fiziko objavlja izvirne znanstvene in strokovne ˇ clanke iz mate- matike, fizike in astronomije, vˇ casih tudi kak prevod. Poleg ˇ clankov objavlja prikaze novih knjig s teh podroˇ cij, poroˇ cila o dejavnosti Društva matematikov, fizikov in astronomov Slovenije ter vesti o drugih pomembnih dogodkih v okviru omenjenih znanstvenih ved. Prispevki naj bodo zanimivi in razumljivi širšemu krogu bralcev, diplomantov iz omenjenih strok. ˇ Clanek naj vsebuje naslov, ime avtorja (oz. avtorjev), sedež institucije, kjer avtor(ji) dela(jo), izvle- ˇ cek v slovenskem jeziku, naslov in izvleˇ cek v angleškem jeziku, klasifikacijo (MSC oziroma PACS) in citirano literaturo. Slike in tabele, ki naj bodo oštevilˇ cene, morajo imeti dovolj izˇ crpen opis, da jih lahko veˇ cinoma razumemo tudi loˇ ceno od besedila. Avtorji ˇ clankov, ki želijo objaviti slike iz drugih virov, si morajo za to sami priskrbeti dovoljenje (copyright). Prispevki so lahko oddani v raˇ cunalni- ški datoteki PDF ali pa natisnjeni enostransko na belem papirju formata A4. Zaželena velikost ˇ crk je 12 pt, razmik med vrsticami pa vsaj 18 pt. Prispevke pošljite odgovornemu uredniku ali uredniku za matematiko oziroma fiziko na zgoraj na- pisani naslov uredništva. Vsak ˇ clanek se praviloma pošlje dvema anonimnima recenzentoma, ki morata predvsem natanˇ cno oceniti, kako je obravnavana tema predstavljena, manj pomembna pa je originalnost (in pri matematiˇ cnih ˇ clankih splošnost) rezultatov. ˇ Ce je prispevek sprejet v objavo, potem urednik prosi avtorja še za izvorne raˇ cunalniške datoteke. Le-te naj bodo praviloma napisane v eni od standardnih razliˇ cic urejevalnikov T E X oziroma L A T E X, kar bo olajšalo uredniški postopek. Avtor se z oddajo ˇ clanka strinja tudi z njegovo kasnejšo objavo v elektronski obliki na internetu. i i \Razpet" | 2021/12/13 | 8:59 | page 121 | #1 i i i i i i EVDOKSOVA KAMPILA MARKO RAZPET Pedago ska fakulteta Univerza v Ljubljani Math. Subj. Class. (2010): 14H45, 51M15 Evdoksova kampila je ena od ravninskih krivulj, ki nam pomaga re siti anti cni problem podvojitve kocke. Pokazali bomo, kako se z neozna cenim ravnilom in sestilom konstru- ira posamezne to cke kampile, dokazali bomo nekaj njenih lastnosti in utemeljili precej natan cno pribli zno metodo za podvojitev kocke. KAMPYLE OF EUDOXUS The kampyle of Eudoxus is one of the plane curves that helps us solve the ancient problem of doubling the cube. We will show how to construct the individual points of the kampyle using an unlabelled ruler and a pair of compasses, we will prove some of its properties, and we will justify a fairly accurate approximate method for doubling a cube. Uvod Evdoks iz Knida (408{355 pr. n. st.) je bil starogr ski matematik in astro- nom. Bil je Arhitov u cenec v Tarentu in Platonov na Akademiji v Atenah. Obiskal je tudi Sicilijo in Egipt. Kasneje je ustanovil svojo solo v Kiziku ob Marmarskem morju. Pomemben je njegov prispevek v teoriji razmerij in nesoizmerljivih koli cin, kar je uporabil Evklid v svojih Elementih. V astronomiji je Evdoks zagovarjal geocentri cni svetovni sistem in za pojasnitev gibanja planetov in Lune uvedel sistem koncentri cnih sfer, ki se vrtijo druga v drugi. S tem v zvezi je uvedel se eno krivuljo, ki jo poznamo pod imenom »Evdoksova hipopeda«. Problem podvojitve kocke je na svojevrsten na cin, s torusom, valjem in sto zcem, re sil pitagorejec in voja ski poveljnik Arhitas iz Tarenta v ju zni Italiji, rojen med letoma 435 in 410, umrl pa med letoma 360 in 350 pr. n. st. (o njegovi re sitvi ve c v [3, 5]). Ce slede c Arhitu uporabimo dana snje metode in oznake, potem v prostorskem kartezi cnem koordinatnem sistemu Oxyz i s cemo prese ci s ca torusa (x 2 +y 2 +z 2 ) 2 = 4a 2 (x 2 +y 2 ), ki ima polmer zunanjega ekvatorja 2a > 0, polmer notranjega pa 0, valja x 2 +y 2 = 2ax in sto zca x 2 =y 2 +z 2 . Ce ena cbo sto zca zapi semo v obliki 2 x 2 =x 2 +y 2 +z 2 in to upo stevamo v ena cbi torusa, pridemo do ena cbe a 2 (x 2 +y 2 ) = x 4 . Upo stevamo se ena cbo valja in dobimo ena cbo z eno neznanko: x 4 = 2a 3 x. Njeni realni re sitvi sta x 1 = 0 in x 2 =a 3 √ 2. Pozitivna re sitev je rob kocke, Obzornik mat. fiz.68 (2021) 4 121 i i \Razpet" | 2021/12/13 | 8:59 | page 122 | #2 i i i i i i Marko Razpet ki ima dvakrat ve cjo prostornino kot kocka z robom a. S tem je problem podvojitve kocke re sen. Platon s tako re sitvijo seveda ni bil zadovoljen: ni bila narejena po ev- klidsko, to je z neozna cenim ravnilom in sestilom, ni bila narejena v ravnini. Morda je Evdoks Arhitovo prostorsko re sitev problema podvojitve kocke poenostavil na re sevanje v ravnini, tako da je, ce uporabimo spet na se oznake, poiskal prese ci s ce krivulje a 2 (x 2 +y 2 )=x 4 in kro znice x 2 +y 2 = 2ax v ravninskem kartezi cnem koordinatnem sistemu Oxy. Krivulji se sekata v koordinatnem izhodi s cu O in se v dveh, glede na os x simetri cno le ze cih to c- kah, ki imata absciso enakoa 3 √ 2. Do re sitve tokrat pridemo vsaj v ravnini, Platon pa seveda tudi s tem ni bil zadovoljen. Krivuljo, ki ima implicitno ena cbo a 2 (x 2 +y 2 ) =x 4 , so poimenovali po Evdoksu »Evdoksova kampila«. Koordinatno izhodi s ce O(0; 0) je njena izolirana to cka, ki je navadno ne upo stevamo. Krivulja je simetri cna glede na obe koordinatni osi. Pravzaprav ni nikjer dokazano, da jo je Evdoks dejansko uporabljal. Ve se le, da mu je podvojitev kocke uspelo najti z neko krivuljo. Beseda »kam- pila« izhaja iz gr ske »kamp yle «, kar pomeni »kriva, zavita, upognjena«, namre c » crta « ali »poteza«. Problem podvojitve kocke ali delo ski problem, poimenovan po gr skem otoku Delosu v Egejskem morju, je re sevalo ve c gr skih geometrov, ki so celo sku sali izdelati v ta namen posebno orodje. Platon je pograjal Evdoksove, Arhitove in Menajhmove u cence, ce s da njihovi napori kvarijo, kar je do- brega v geometriji. Nastal je celo epigram (pu s cica, zbadljivka) v zvezi s podvojitvijo kocke, ki je zapisan v Evtokijevih komentarjih k Arhimedovi razpravi »O krogli in valju«. Navedimo omenjeni epigram v prevodu Sonje Weiss (vzeto iz obse znega knji znega dela v treh delih [1]): Te zkih Arhitovih del s cilindri nikar ne posnemaj; sto znic Menajhmovih treh nikdar izsekal ne bo s niti ne bo s spoznal, ce bo zanskega crte Evdoksa res zari sejo lik, tak iz zavitih kampil. Matematik in neoplatonist Evtokij iz A skalona v Palestini je bil pozno- anti cni u cenjak, rojen okoli leta 480, umrl pa je okoli leta 520. O njem se ve bore malo. Nekaj casa je deloval v Atenah, nazadnje pa v Aleksandriji. Ve c o tem na primer v [2]. Napisal je tudi komentarje k Apolonijevi razpravi »Sto znice «. Na sto- znice se je v srednjem veku kar nekoliko pozabilo, zanimanje zanje je spet o zivelo sele v casu Keplerja in Newtona, ko je bil potreben opis gibanja planetov v heliocentri cnem svetovnem sistemu. 122 Obzornik mat. fiz.68 (2021) 4 i i \Razpet" | 2021/12/13 | 8:59 | page 123 | #3 i i i i i i Evdoksova kampila Konstrukcija to ck Evdoksove kampile Oglejmo si naslednjo konstrukcijo to ck krivulje. V to cki D(a; 0), pri cemer je a> 0, postavimo pravokotnico p na abscisno os. Na p izberemo to cko A, ki jo bomo kasneje premikali po tej premici. SkoziO inA na crtamo premico q in skozi A kro znico s sredi s cem v koordinatnem izhodi s cu O. Kro znica preseka abscisno os v to ckah B inB ′ , ki sta simetri cni glede na to cko O. V B in B ′ konstruiramo pravokotnici r in r ′ na os x, ki presekata q v to ckah T inT ′ , ki sta tudi simetri cni glede na to cko O. Ko te ce to cka A po premici p, opi seta T in T ′ dvodelno krivuljo, za katero se izka ze, da je Evdoksova kampila. To cka T opi se njeno desno vejo, T ′ pa levo. Krivulja je o citno simetri cna glede na obe koordinatni osi (slika 1). V programih za dinami cno geometrijo je Evdoksova kampila sled to cke T , ko v opisani evklidski konstrukciji premikamo to cko A po premici p. Slika 1. Konstrukcija to ck Evdoksove kampile. Ena cbo desne veje dobljene krivulje je najla ze najprej izraziti v po- larnih koordinatah, nato pa se v implicitni obliki v pravokotnih kartezi c- nih koordinatah. Za polarni kot ’ vzamemo naklonski kot premice q, za polarni radij % pa razdaljo SOTS (slika 1). Najprej o citno veljata zvezi SOAS = SODS~ cos’ = a~ cos’ in % = SOTS = SOBS~ cos’ = SOAS~ cos’, iz katerih dobimo % = a~ cos 2 ’. Pri pogoju − ~2 < ’ < ~2 je torej polarna 121–127 123 i i \Razpet" | 2021/12/13 | 8:59 | page 124 | #4 i i i i i i Marko Razpet ena cba desne veje krivulje %(’)= a cos 2 ’ : (1) Obe veji krivulje imata implicitno obliko a 2 (x 2 +y 2 )=x 4 ; (2) ki jo dobimo iz polarne oblike z upo stevanjem zvez % 2 =x 2 +y 2 in cos’=x~%. Krivulja v obliki (2) ima izolirano to cko O(0; 0), ki je posledica deljenja z %, ki je lahko tudi enak 0. Evdoksova kampila je algebrska krivulja cetrte stopnje. Slika 2. Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo. Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo Z Evdoksovo kampilo se da, kot smo ze spoznali, podvojiti kocko. Na crtamo kro znico s sredi s cem v to cki D in polmeroma. Njena ena cba je x 2 +y 2 = 2ax. Sistem ena cb x 2 +y 2 = 2ax; a 2 (x 2 +y 2 )=x 4 ima trivialno re sitev (x;y)=(0; 0) in netrivialni re sitvi (x;y)=(a 3 √ 2;±a » 2 3 √ 2− 3 √ 4): V prvem kvadrantu se kro znica in Evdoksova kampila sekata v to cki T , ki ima absciso ST 0 TS = b = a 3 √ 2 (slika 2). Kocka z robom b ima prostornino b 3 = 2a 3 , torej dvakratnik prostornine kocke z robom a. 124 Obzornik mat. fiz.68 (2021) 4 i i \Razpet" | 2021/12/13 | 8:59 | page 125 | #5 i i i i i i Evdoksova kampila S tem je problem podvojitve kocke re sen, ce priznamo Evdoksovo kam- pilo za konstrukcijski element. Rob podvojene kocke je dolo cen z absciso prese ci s ca kro znice, ki po Platonu je konstrukcijski element, in kampile kot sled to cke v opisani konstrukciji. Kot je znano, pa z neozna cenim ravnilom in sestilom problem podvojitve kocke ni re sljiv. Zato pa tako kot v primeru konstrukcije pravilnega sedemkotnika ali obsega kroga posku samo najti do- volj natan cne pribli zne metode, ki so izvedljive z neozna cenim ravnilom in sestilom. Mo znost pribli zne konstrukcije daljice, ki ima dol zino zelo blizu a 3 √ 2, nudi majhna ukrivljenost Evdoksove kampile v okolici to cke T , ki je prese- ci s ce kampile (2) in kro znice x 2 +y 2 = 2ax. Ce izberemo na kampili to cko T ∗ , ki je zelo blizu T , se tangenta na kampilo v T ∗ z njo zelo dobro ujema. Zato je prese ci s ce P kro znice x 2 +y 2 = 2ax s tangento tudi zelo blizu to cke T in abscisi to ck T in P se malo razlikujeta. Za pribli zno konstrukcijo pa je treba T ∗ izbrati tako, da se jo da dolo citi z neozna cenim ravnilom in sestilom. Slika 3. Desna veja Evdoksove kampile, prevoja in pritisnjena kro znica. Evdoksovo kampilo parametriziramo kar s polarnim kotom: x(’)= a cos’ ; y(’)= a sin’ cos 2 ’ : Za prva dva odvoda v to cki, ki ustreza kotu ’, dobimo izraza dy dx = 1+ sin 2 ’ sin’ cos’ ; d 2 y dx 2 = 3 sin 2 ’− 1 a sin 3 ’ : 121–127 125 i i \Razpet" | 2021/12/13 | 8:59 | page 126 | #6 i i i i i i Marko Razpet Drugi odvod spremeni predznak pri kotih ’, za katere je 3 sin 2 ’− 1= 0. V ustreznih to ckah ima krivulja prevoje. To so to cke (±a √ 6~2;±a √ 3~2). Tangente v teh to ckah imajo strmini ±2 √ 2, kar dobimo iz zgoraj dobljenega izraza za odvod, in presekajo osx v to ckah G ± (±3a √ 6~8;0). Izka ze se, da je polmer pritisnjenih kro znic, ki se v to ckah D inD ′ kampili najbolj prilegajo, enaka. Sredi s ce take kro znice v to cki D jeS(2a; 0), v to cki D ′ paS ′ (−2a; 0). Pribli zno ujemanje krivulje, tangent v prevojih P ± in pritisnjene kro znice v temenu D ka ze slika 3. Sedaj pa poka zimo, da je za to cko T ∗ zelo primerno izbrati prevoj P + kampile, v kateri se tangenta z njo dobro ujema. Ce namesto Evdoksove kampile vzamemo kar njeno tangento y = 2 √ 2(x−a √ 6~2)+a √ 3~2 v prevoju P + in poi s cemo absciso prese ci s ca s kro znico x 2 +y 2 = 2ax, dobimo a = 1 18 » 24 √ 6− 23+ √ 6 3 + 1 9 1;259956951; kar je nekoliko ve c od to cnej se vrednosti 3 √ 2 1;259921049: Zgoraj opisani pribli zek lahko izkoristimo za precej natan cno evklidsko konstrukcijo roba b podvojene kocke z robom a. Ozna cimo z polarni kot prevoja P + v prvem kvadrantu (slika 4). Veljajo relacije: sin = √ 3 3 ; cos = √ 6 3 ; tg = √ 2 2 : Polarni radij tega prevoja je % P = a cos 2 = 3a 2 : Za konstrukcijo je zanimiv naslednji rezultat: tg 2 = 2 tg 1− tg 2 = 2 √ 2: To pomeni, da premica skozi O in P + razpolavlja naklonski kot premice y = 2x √ 2, ki je vzporedna tangenti kampile skozi P + . Ker kro znica s sredi s cem v O in polmerom 3a~2 preseka premicox=a~2 v to cki C(a~2;a √ 2), pomeni, da skozi O in C poteka premica y = 2x √ 2, ki oklepa z osjo x kot 2 . Na premici s, simetrali kota DOC, ki ima ena cbo 126 Obzornik mat. fiz.68 (2021) 4 i i \Razpet" | 2021/12/13 | 8:59 | page 127 | #7 i i i i i i Evdoksova kampila y = x √ 2~2 in ki oklepa z osjo x kot , pa je na razdalji % P = 3a~2 prevoj kampile. Skozenj je treba na crtati le se vzporednico s premico skozi O in C, jo presekati s kro znico s sredi s cem v D(a; 0) in polmerom a, pa dobimo to cko P , ki ima za absciso b =SP 0 PS, kar je pribli zek za a 3 √ 2. Podrobnosti so razvidne na sliki 4. Slika 4. Pribli zna podvojitev kocke. Konstrukcija je pribli zno tako natan cna kot Plemljeva konstrukcija pra- vilnega sedemkotnika (glej [4]). Pri kocki z robom a= 100 m je napaka pri robu tako pribli zno podvojene kocke okoli 3,6 mm, kar pa se precej pozna pri prostornini, za katero lahko napako hitro ocenimo z diferencialnim ra- cunom. Kocka z robom x ima prostornino V =x 3 , zato je dV = 3x 2 dx. Za x = 126 m in dx = 3;6 mm dobimo dV = 171 m 3 . Relativna napaka pa je majhna: samo okoli 8;5⋅ 10 −5 . Dvomimo, da bi kdo v praksi podvajal tako veliko kocko. LITERATURA [1] G. Kocijan ci c (ured.), Fragmenti predsokratikov, Studentska zalo zba, Ljubljana, 2012. [2] B. von Pape, Von Eudoxus zu Uhlhorn, Books on Demand, Norderstedt, 2019. [3] M. Jerman, Re sevanje treh velikih starogr skih problemov , Obzornik. mat. z. 59 (2012), 182{192. [4] J. Plemelj, Pravilni sedmerokotnik, Obzornik. mat. z. 3 (1953), 134{135. [5] M. Razpet, Arhitova krivulja, Obzornik. mat. z. 62 (2015), 1{11. 121–127 127 i i \Likar" | 2021/12/13 | 9:02 | page 128 | #1 i i i i i i IZZGODOVINE EULER PRED FOURIEROM ANDREJ LIKAR Fakulteta za matematiko in ziko Univerza v Ljubljani Math. Subj. Class. (2010): 01A50 V prispevku obravnavamo del vsebine pisma, ki ga je Leonhard Euler poslal Christianu Goldbachu 4. julija 1744. V njem je navedel svojo pot do za tisti cas nenavadne vrste, ki jo je odkril med pisanjem neke razprave o diferencialnem ra cunu. EULER AHEAD OF FOURIER We discuss an interesting part of a letter which was written by Leonhard Euler to Christian Goldbach on 4th of July 1744. He reported on for that time a curious series discovered during his work on a treatise on dierential calculus. Leonhard Euler (1707{1783) si je dopisoval s stevilnimi takratnimi znan- stveniki. Dopisovanje je skrbno vodil, zato je ve cina pisem do danes ohra- njena in na voljo vsakomur. Kot je impozanten njegov opus, je tudi stevilo pisem v obe smeri zelo veliko (okrog 3200), dopisovalcev pa je bilo okoli 300. Skoraj 200 pisem si je izmenjal s Christianom Goldbachom (1690{1764), profesorjem matematike v Moskvi. Eno teh, ki ga je napisal Euler 4. julija 1744, vsebuje za tisti cas presenetljivo ugotovitev, in sicer Fourierovo vrsto: t 2 = sint + sin 2t 2 + sin 3t 3 + ; 0