Matematik Atölyesi – Geometri #20

Alcatraz’dan Kaçış

Bir sınıf içerisinde bir duvardan diğerine uzaklık 5 metredir. Bu iki duvar arasına 6 metrelik bir ip bağlanır. İp yerden 2 cm yükseklikte olacak şekilde gerildikten sonra fazla gelen 1 metrelik kısmı bir uçtan sarkar durumda bırakılır.

Amaç; ipe değmeden altından geçip sınıftan kaçmaktır.

Kurallar

  • Kaçış iki duvarın orta noktasından yapılmalıdır.
  • İpi genişletmek için fazla kısım kullanılmalıdır.
  • İpe değmemeniz için bir kişi sıradaki öğrenci yerine ipi germe işini yapar.
  • Kaçış denemesi için herkesin tek bir hakkı vardır.

Kazanma Şartı: En az uzunlukta ip kullanarak ipin altından geçmek.

Futbol Sahası

Bir futbol sahasında iki kale arasında kalan mesafe 90 ile 120 metre arasındadır. Diyelim ki uzunluğun 100 metre olduğu bir sahadaki kalelerin orta noktaları arasına bir ip gerdik. Bu ip 100 metre uzunluğundadır ve saha yüzeyinin tam üstündedir. (Yani ip yere yapışık şekilde duruyor.)

İpin tam ortası, başlangıç noktası diye adlandırılmış olan noktaya denk gelir. Burası sahanın orta noktasıdır.

İpe 1 metre daha ekleyelim. İp, iki kale arasındaki mesafeden daha uzun olacağı için artık gergin değildir.

Soru: Son durumda sahanın başlangıç noktasından ipi kaç metre havaya kaldırabiliriz?

Çözüm

Soru bir bakıma şu anlama da gelir:

“Birbirine 100 metre mesafede bulunan iki nokta arasına biri 100, diğeri 101 metre olan iki ip bağlanmıştır. 101 metre uzunluğundaki ip tam orta noktasında yukarı doğru çekildiğinde, iki ipin orta noktaları arasında mesafe (diğer bir deyişle ikinci ipin yerden yüksekliği) kaç metredir?”

Yukarıdaki çizim incelendiğinde aslında iki tane birbirine eş dik üçgen olduğu görülür:

Dik üçgenlerin birinde Pisagor teoremi uygulanarak h kenarı, dolayısıyla aradığımız cevap bulunabilir:

Pisagor teoremi der ki: “Bir dik üçgende dik açının karşısındaki kenarın uzunluğunun karesi, diğer iki kenarın uzunluklarının karelerinin toplamına eşittir.”

O halde:

(50,5)2 = 502 + h2

h ≈ 7,089 m olur.

Sonuç

100 metrelik ipe sadece 1 metre eklemek, ipin orta noktasının yerden 7 metre yükseğe çıkabilmesini sağlar. Yani sadece 1 metre ekleyerek ipin ortasında bir tır geçirilebilir.

M. Serkan Kalaycıoğlu

Matematik Atölyesi: Geometri #5

En çok bilinen antik Yunan isimlerden bir liste yapılsa, Pisagor muhakkak ilk 10’da kendine yer bulurdu. (Ünlü Pisagor ve onun tarikatından bahsettiğim yazı için tıklayın.) Pisagor’un ünü ismiyle anılan bir geometri özelliğinden gelir. İşin garibi bugün bu özelliğin ondan en az 1000 yıl önce kullanılmış olduğu bilinmesine rağmen hala özelliğe Pisagor’un adını veriyoruz.

Pisagor Teoremi: Bir dik üçgende dik kenarların kareleri toplamı, dikliğin karşısında bulunan uzun kenarın karesine eşittir.

Peki bunun ispatı nedir?

Pisagor teoreminin 367 tane farklı ispatı olduğu söylenir. Fakat bunlardan bazıları birbirine o kadar benzer ki, bir matematikçi dahi ispatlar arasındaki fark/farkları görmekte zorlanır.

Gelin bunlardan birkaçına göz atalım.

İspat 1

Elisha Loomis “The Pythagorean Proposition” isimli kitabının 49-50. sayfalarında bir lise öğrencisi olan Maurice Laisnez’in bulduğu ispattan bahseder.

Bu ispatı kontrol ederken çizim yapmak yerine kağıtları kesmeyi seçtim.

Öncelikle ihtiyacımız olan dört tane dik üçgen ve bir kenar uzunluğu bu üçgenlerden birinin dik kenarlarının toplamı kadar olan bir karedir.

Üçgenleri fotoğraftaki gibi yerleştirince karşımıza bir kenar uzunluğu dik üçgenlerin uzun kenarı kadar olan bir kare çıkıyor.

pissa2
Ortada kalan beyaz alan bir karedir.

Bu karenin bir kenarı c olsun. O halde alanı cyapar.

Şimdi üçgenleri büyük karenin içinde fotoğraftaki gibi dizelim.

pissa3
1 ve 2 ile işaretlenen alanlar birer karedir ve toplamda bir önceki fotoğrafta ortada kalan kare kadar alanları vardır.

Karşımıza bu sefer iki kare çıktı. Bu karelerin kenar uzunlukları sırasıyla üçgenin dik kenarları olan a ve b’dir.

Karelerin alanları a2 ve b2 olur. Toplamları ise bir önceki şekilde gördüğümüz üzere c2 olmalıdır. Yani sonuç

a2+b2=c2

olur.

İspat 2

İkinci ispat için antik Çin’e gideceğim.

Zhoubi Suanjing tahminen 2500-2200 yıl önce antik Çin’de yazılmış bir kitaptır. Loomis’in kitabında 253. ispat da bu kitaptan alınmıştır.

Şekil 3
Suanjing’de bulunan Pisagor teoremi ispatı.

İspatı yaparken yine kağıt parçalarından yararlanacağım.

Öncelikle dik kenarları sırasıyla 3 ve 4 birim uzunluğunda olan dik üçgenlere ihtiyacım var.

pisasaads

Bu dik üçgenleri fotoğraftaki gibi dizdiğimde karşıma içinde ufak bir kare boşluk olan bir kare çıkıyor.

pisasa

Ortada kalan ufak kareye A diyelim. A’nın bir kenar uzunluğu 1 birimdir. Bu yüzden de A alanı 1 br2 olur.

Dik üçgenin alanı, dik kenarların çarpımının yarısı alınarak bulunur. O halde üçgenlerden biri (3×4)/2 = 6 br2 olur. Toplam 4 üçgen 4×6=24 br2 yapar. Ortadaki A karesiyle toplanınca tüm şeklin alanı 25 br2 eder.

Tüm şekil bir kareyi ifade eder. Alanı 25 yapan karenin bir kenar uzunluğu ise 5 birimdir. Yani üçgenin uzun kenarının uzunluğunu bulmuş olduk:

pasdpfsdf

Böylece antik Çin’de hem 3-4-5 dik üçgeninin hem de Pisagor teoreminin bilindiğini öğrenmiş olduk.

Bi’ Göz Atmakta Fayda Var

Emekliliğe ayrılmak isteyen çiftçi bir baba, evininin arazisine bitişik olan üç tarlasını iki oğluna eşit olarak paylaştırmak istiyor. Tarlaları bozmak istemeyen baba, nasıl bir yöntem izlemelidir?

pppp

Geometrik şekillere bağımlılığı olan baba, evini bir dik üçgen şeklinde arsaya yaparken üç tarlayı da kareler olacak şekilde ayarlamıştı.

Adil bir dağıtım olması için çocuklar tarlaları hangi şekilde almalıdır?

M. Serkan Kalaycıoğlu

 

Matematik Atölyesi: Katil Sayılar #2

Bir önceki yazıda Hippasus’un sonunu getiren sayılardan bahsetmiştik. Bu sayılar ne ölçülebiliyor, ne de iki sayının oranı şeklinde gösterilebiliyordu.

İrrasyonel, yani mantıksız diye adlandırılması da bu nedenledir: Uzunluk elimizin altında ama ölçemiyoruz, sayı karşımızda ama belirtemiyoruz.

√2: En ünlü irrasyonel sayılardan biri. 

Farkında olalım ya da olmayalım; bahsettiğim uzunluğa kare şeklinde olan her şeyde rastlıyoruz. Eğer bir kareyi çapraz köşelerinden ikiye bölersek karşımıza bir ikizkenar dik üçgen çıkar.

IMG_4552

Diyelim ki elimizde dik kenarları 12’şer cm uzunlukta olan bir dik üçgen var. Pisagor teoremine göre dik üçgenin uzun kenarının karesi, dik kenarların karelerinin toplamıdır. O halde:

olur. Yani uzun kenar irrasyonel bir sayı çıkmıştır.

Bu kenarı ölçmeye çalıştığımızda ise 16,97056… sayısıyla karşılaşırız.

Eğer 16,97056… yerine 17 dersek ne olur?

√2 Sonunda Mantıklı

12√2=17 dersek;

pisag5

sonucuna ulaşırız. √2 iki sayının oranı şeklinde yazılabildiği için artık rasyoneldir! Bundan sonra √2 gördüğümüz her yere 17/12 yazabiliriz.

Fakat, dik üçgen üzerinde biraz oynadığımızda hemen bulduğumuz sonucun ne kadar sıkıntılı olduğunu görebiliriz.

Çelişki İle İspat

12 cm uzunluğundaki dik kenarlardan altta kalanını 5 ve 7 cm olacak şekilde ayıralım ve tam bu noktadan uzun kenara bir çizgi indirelim.

IMG_4553

 

 

Bu durumda uzun kenara inen çizgi diktir ve uzunluğu 5 cm’dir. (Bunun doğru olup olmadığını görmek için kendi üçgeninizi çizip yapılan işlemi tekrarlayın. Cetvel uzunluğu, açıölçer ise dikliği doğrulayacaktır.)

 

IMG_4554

 

Elimizdeki ikizkenar dik üçgenin içinde üç adet dik üçgen elde etmiş olduk: A, B ve C. A ve B dik üçgenleri birbiriyle özdeştir, bu yüzden de büyük üçgenin uzun kenarı 12 ve 5 cm olarak ikiye ayrılmıştır. C ise ikizkenar dik üçgendir. Gelin C’yi daha yakından inceleyelim.

 

 

IMG_4554Dik kenarları 5 cm, uzun kenarı ise 7 cm uzunluğunda olan bir ikizkenar dik üçgenimiz var. Öğrendiğimiz üzere böyle bir durumda Pisagor teoremi bize uzun kenarın uzunluğunun dik kenarın √2 katı olduğunu söyler. O halde uzun kenar 5√2 cm olmalıdır.

 

Fakat az önce √2 yerine 17/12 yazabileceğimizi söylemiştik. Yani uzun kenar

5*(17/12) cm

85/12 cm

olur. Fakat fotoğrafta görüldüğü üzere uzun kenar 7 cm‘dir.

7 = 85/12 sonucu bir çelişkidir.

Bu yüzden bizim en başta yaptığımız kabul yanlıştır. √2 rasyonel değildir.

Bi’ Göz Atmakta Fayda Var

  1. Aynı işlemi C üçgeni için tekrarlayıp √2’nin rasyonel olmadığını gösterin.
  2. İkizkenar dik üçgenin dik kenarlarının uzunluğu 12 yerine 10 cm olsaydı ne olurdu?

M. Serkan Kalaycıoğlu

 

Matematik Atölyesi: Katil Sayılar #1

Tarikat Kurbanı Hippasus

Pisagor matematikte en çok bilinen isimlerden biridir. İsmiyle anılan teorem ile üne kavuşmuşsa da, basit bir teoremden çok daha fazlasını yapmış biriydi. Ayrıca o, tarihte bilinen ilk bilim tarikatının başıydı.

Pisagor Teoremi: Bir dik üçgende dik kenarların uzunluklarının karelerinin toplamı, dik olmayan kenarın uzunluğunun karesine eşittir.

Milattan önce 6. yüzyılda Kuşadası’nın karşısında bulunan Sisam adasında dünyaya gelen Pisagor, saf bir matematikçi olarak antik Yunanistan’da önemli bir üne sahipti. Onu takip edenler (Pisagorcular), tıpkı liderleri gibi yaşamayı seçmişti. Pisagorcular birbirlerine sıkıca bağlı, kapalı bir gruptu. Et ve fasulye yemeyen bu grup, mal ve mülk sahibi olmaktan kendilerini soyutlamıştı.

Pisagor’a göre evren sayılar üzerine kurulmuştu. Her sayının bir karakteri vardı ve evrendeki tüm oluşlar sayıların birbirine oranlarıyla açıklanabilirdi. Sayılar güzel, çirkin, maskülen, feminen, harika ya da eksik olarak gruplara ayrılmıştı. Örneğin 10 en iyi sayıydı; çünkü ilk dört sayıyı içinde barındırıyordu (1+2+3+4=10).

Pisagorcular tüm sayıların başka herhangi iki sayının birbirine oranı şeklinde gösterilebileceğini iddia etmişti. (Örneğin 5=10/2) Hatta temel felsefeleri bu düşünceye dayanıyordu. Bu tür sayılar “rasyonel” yani “mantıklı” sayılardı.

Günün birinde Pisagor’un bir müridi yeminini bozmuş ve sorulması yasak olanı sormuştu: Dik kenarları birbirine eşit ve bir birim uzunluğunda olan dik üçgenin (yani ikizkenar diz üçgenin) dik olmayan kenar uzunluğu kaç birimdir?

diküç1
Şekildeki üçgende uzun kenarın 1,41 birim olduğu gösteriliyor. Fakat bu tam değil, yaklaşık değerdir. Bu kenarın uzunluğu bir cetvel ile ölçülemez.

Hippasus ismindeki mürit, Pisagorcu kardeşleriyle denize açılmıştı. Yolculuk sırasında matematik üzerine çalışan Hippasus rasyonel (mantıklı) olmayan sayılar bulduğunu iddia etmişti. Pisagor’a karşı gelmenin cezası büyüktü. Pisagorcuların anayasasına aykırı davranan Hippasus suya atılarak idam edilmişti. Pisagorcular ise mantıklı olmayan sayıların varlığını sır olarak saklamaya devam etmişti.

Ölçülemeyen Sayı Var mı?

kök2

Pisagor teoremine göre dik kenarları birer birim olan üçgenin uzun kenarının uzunluğu.

Eğer Hippasus yanıldıysa, √2 mantıklı bir sayıydı. Yani √2, iki sayının oranı şeklinde yazılabilirdi. Bunu doğru kabul edelim ve √2’nin a/b olduğunu kabul ederek işe başlayalım.

Not: a ve b sayıları birbirine asal olur. Yani a/b oranı sadeleşemez durumdadır. Bu yüzden de sonuca varınca a/b’den daha küçük bir orana ulaşılmaması gerekir.

kök21

Eşitliğin her iki tarafının karesini alırsak, sol tarafı karekökten kurtarırız.

kök22

Paydayı eşitliğin sol tarafına atarsak;

kök23

olur. Bu da aslında bir karenin alanının iki katının, başka bir karenin alanı ettiğini gösterir.

kök24

Yani bir kenar uzunluğu b birim olan karelerden iki tanesi, a kenarlı bir kare yapmalı. O halde iki özdeş karenin alanları toplamı, başka bir karenin alanı etmeli. Bir diğer deyişle, bir karenin alanının iki katı büyüklükte alana sahip olan başka bir kareye ihtiyacımız var.

karekök1

Sağdaki özdeş karelerin alanları toplamı soldaki kare yapıyorsa bu iki küçük kareyi büyük olanın içine yerleştirmeye çalışalım.

karekök2

Küçük karelerden birini büyük karenin sol alt köşesine, diğerini ise sağ üst köşeye sabitlersek, ortada kesişen bölge iki defa sayılmış olur. Eğer özdeş kareler, büyük kareyi tam olarak kaplamak zorundaysa kesişen bölgenin alanı kenarlarda boş kalan bölgelerin alanların toplamı kadardır.

Şekilde görüldüğü üzere A alanına sahip iki özdeş kare, ortada kalmış taralı alanlı kare yapmalı. Eğer küçük karelerin bir kenar uzunluğu c birim, taralı karenin bir kenar uzunluğu d birim olursa

kök25

sonucu elde edilir. Yani problemin başındaki duruma dönmüş olduk: İki özdeş karenin alanları toplamı bir başka kare etmeli! (Bu da a/b’den daha küçük bir orana erişildiği anlamına gelir.) Bu sonuç hem sadeleşemez a/b oranından daha küçük bir oran verir, hem de sonsuz bir döngünün içinde bulunduğumuzu gösterir.

O halde baştaki kabulümüz yanlıştır√2 sayısı a/b şeklinde yazılamaz. Yani √2 mantıklı bir sayı değildir.

Bi’ Göz Atmakta Fayda Var

  1. √2’nin irrasyonel (mantıklı olmayan) bir sayı olduğunu kağıt-kalem-cetvel kullanarak ispatlayın.
  2. √3’ün rasyonel mi yoksa irrasyonel mi olduğunu nasıl anlarız? (İpucu: İspatı geometrik şekilde yapmaya çalışın.)

M. Serkan Kalaycıoğlu

Matematik Atölyesi: Geometri #2

Rakamsız Matematik

Yaklaşık 2700 yıl önce antik Yunanlar bilimin hemen her alanında öncülüğü ele geçirmişti. Yüzyıllar boyunca Thales, Pisagor, Eudoxus ve Öklid gibi sadece matematik değil insanlık tarihine geçmiş olan ünlü isimler matematiğin gelişiminde lokomotif rolündeydi. Fakat Yunan matematikçiler diğer milletlerden meslektaşlarının aksine sayıları çok önemsememişti. Onlara göre matematiğin temeli geometri idi ve sayılar matematikteki her şey gibi geometriyle ortaya çıkmıştı.

Peki ne rakam sembollerini ne de sayı sistemlerini umursayan antik Yunanlar nasıl oldu da tarihin en önemli matematik eserlerinden bazılarını yazmıştı?

Cetvel, Pergel ve Birim

Antik Yunanistan’da sayı yerine büyüklük kullanılmıştı. Büyüklük belirtmek içinse doğru parçaları çiziliyordu. Yani Yunan matematikçiler bir sayı yazmak yerine, o sayıyı ifade eden bir uzunluk çiziyordu. Bu yapılırken de sadece ölçüsüz cetvel, pergel ve belirlenmiş bir birim uzunluk kullanmıştı. (Antik Yunan matematikçilerin bu üçünü kullanarak neler becerdiklerini sonraki günlerde detaylarıyla açıklayacağım.)

Gelelim asıl meselemize: Yunanlar çizgilerle matematik yapmayı nasıl becermişti?

a ve b birer pozitif tam sayı olsun.

  • Toplama

Elimizdeki sayıların toplamı a+b olur. Uzunluk kullanarak a+b şu şekilde gösterilir:

a+b

  • Çıkarma

Sayılardan a, b’den büyük olsun. O halde çıkarmamız a-b olur. Uzunluk kullanarak a-b şu şekilde gösterilir:

a-b

  • Çarpma

Sayıların çarpımı a.b olur. Bu noktada üçgende benzerlik kullanılması gerekir. Bir üçgeni büyütür ya da küçültür isek (tıpkı akıllı telefonlarda bir resmi büyütüp küçülttüğümüz gibi) o üçgenin benzerini yaratmış oluruz. O halde elimizdeki üçgenlerden küçük olanının iki kenarı sırasıyla 1 birim ve a birim olsun. Bu üçgenin büyütülmüş halinde 1 birimlik kenar b birime denk gelirse, a birimlik kenar a.b birim olur.

  • Bölme

Sayıların bölümü a/b olur. Aynı çarpmada olduğu gibi benzerlik kullanılır. Bu sefer büyük üçgenin iki kenarı b ve a olsun. Uzunluğu b olan kenar 1 birime küçültülürse, a birimlik kenar a/b birim olur.

  • Karekök Alma

a sayısının karekökünü almak için a+1 uzunluğu çizilsin. Uzunluğun kendisi, bir çemberin çapı kabul edilsin ve alt taraftan yarım çember çizilsin. a’nın bittiği yerden çembere çizilen dik çizgi a’nın kareköküdür.

Bi’ Göz Atmakta Fayda Var

Yunan matematikçilerin sayı kullanmadan işlem yapabilmesi, geometri dışındaki matematik branşlarına girdikleri anlamına gelir mi? (İpucu: Diyofantus ismini Google’da araştırın.)

M. Serkan Kalaycıoğlu