Четвертая региональная

научная и инженерная выставка

«Будущее  Севера» 
 
 
 

Золотое сечение 

в природе и искусстве 

Автор:

Седлинский  Игорь Николаевич

Гимназия № 1  г. Апатиты, Мурманская обл. 

Научный руководитель:

Щукина  Любовь Николаевна 
 
 
 
 
 

Мурманск

2002 год 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Геометрия владеет двумя  сокровищами:

      одно  из них – теорема  Пифагора, другое-

      деление отрезка в среднем  и крайнем от-

      ношении.

      И. Кеплер

      Человек различает окружающие его предметы по форме. Интерес к форме какого-либо предмета может быть продиктован  жизненной необходимостью, а может быть вызван красотой формы. Форма, в основе построения которой лежат сочетание симметрии и золотого сечения, способствует наилучшему зрительному восприятию и появлению ощущения красоты и гармонии. Целое всегда состоит из частей, части разной величины находятся в определенном отношении друг к другу и к целому. Принцип золотого сечения – высшее проявление структурного и функционального совершенства целого и его частей в искусстве, науке, технике и природе.

      Самым известным из всех иррациональных чисел, то есть чисел, десятичные разложения которых бесконечны и непериодичны, следует считать число p – отношение длины окружности к ее диаметру. Иррациональное число j («фи») известно не столь широко, но оно выражает фундаментальное отношение, имеющее почти такой же универсальный характер, как и число p. Сходство между числами p и j этим не исчерпывается: подобно p, j обладает свойством возникать в самых неожиданных местах . 

      Что такое золотая  пропорция.

      Пусть длина некоторого отрезка равна А (рис.1) , длина его большей части равна Х, тогда (А – Х) – длина меньшей части отрезка. Пусть отношение всего отрезка к большей его части равно отношению большей части к меньшей. Составим отношение согласно допущению: .        (1)

Такое деление отрезка и называется со времен древних греков делением отрезка в крайнем и среднем  отношении.

      От  пропорции (1) перейдем к равенству  A(A-X)=X² . Получаем квадратное уравнение . Длина отрезка X выражается положительным числом, поэтому из двух корней выбираем положительный: .

      Число обозначается буквой j или буквой t («тау») в серьезной математике. Не менее важное значение имеет число , обратное j, которое обозначается Ф. Число j - единственное положительное число, которое обращается в обратное себе при прибавлении единицы.

=1/j

      Обратим внимание на удивительную инвариантность золотой пропорции:

 

Такие значительные преобразования, как возведение в степень, не смогли уничтожить сущность этой уникальной пропорции, ее «душу». Следующие соотношения еще раз демонстрируют инвариантность золотой пропорции:

-2-

   и т.д. 

        Подобно числу p ,Ф можно представить в виде суммы бесконечного ряда многими способами. Предельная простота следующих двух примеров еще раз подчеркивает фундаментальный характер Ф :

Ф =lim 1+

 

Ф = lim

      С золотой пропорцией тесно связан ряд чисел Фибоначчи 1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89 и т.д. В этом ряду каждое последующее  число является суммой двух предыдущих чисел. Спустя четыре столетия после  открытия Фибоначчи ряда чисел И.Кеплер установил, что отношение рядом стоящих чисел в пределе стремится к золотой пропорции Ф. Это свойство присуще не только числам Фибоначчи. Начав с любых двух чисел и построив аддитивный ряд, в котором каждый член равен сумме двух предыдущих (например, ряд 7, 2, 9, 11, 20, …), мы обнаружили, что отношение двух последовательных членов такого ряда также стремится к числу j: чем дальше мы будем продвигаться от начала ряда, тем лучше будет приближение. 

 В  дальнейшем увидим, что числа  Фибоначчи часто появляются в самых неожиданных местах, при этом неотступно сопровождая золотую пропорцию. 

Золотые фигуры.

      В геометрии существуют различные  способы построения золотой пропорции, причем характерно, что для построения достаточно взять самые простые  геометрические фигуры – квадрат или прямоугольный треугольник с соотношением катетов 1:2. Если с середины стороны квадрата провести окружность радиусом, равным диагонали  полуквадрата, то на ее пересечении с продолженной стороной квадрата получим отрезок, который меньше стороны квадрата в соответствии с золотой пропорцией. Еще проще построение золотой пропорции в прямоугольном треугольнике 1:2: . Достаточно провести две дуги окружности, пересекающиеся в одной точке на гипотенузе (рис.2), и большой катет будет разделен в соответствии с золотой пропорцией.

      Золотое сечение можно увидеть и в  пентаграмме - так называли греки звездчатый многоугольник (рис.3). Он служит символом Пифагорейского союза – религиозной секты и научной школы по главе с Пифагором, которая проповедовала братскую любовь к друг другу, отречение от внешнего мира, общность имущества и т.д. На подобных устоях основывались очень многие секты. Но Пифагорийский союз отличало от других то, что пифагорейцы считали возможным добиться очищения духа при помощи математики. По их теории, в основу мирового порядка положены числа. Мир, считали они, состоит из противоположностей, а гармония приводит противоположности к единству. Гармония же заключается в числовых отношениях. Пифагорейцы приписывали числам различные свойства. Так, четные числа они называли женскими, нечетные (кроме 1) – мужскими. Число 5 – как сумма первого

-3-

женского  числа (2) и первого мужского (3) – считалось символом любви. Отсюда такое внимание к пентаграмме, имеющей 5 углов.

      Благоговейное отношение к пентаграмме было характерно и для средневековых  мистиков, которые многое заимствовали у пифагорейцев. В средние века считалось, что пентаграмма служит охранным знаком от сатаны. Вспомним, например, как описывает Гете проникновение дьявола Мефистофеля в келью доктора Фауста, на которой была начертана  пентаграмма. Мефистофель сначала послал черного пуделя отгрызть кончик двери с частью пентаграммы. Только после этого он смог предстать перед Фаустом.

      Интересно, что стороны пентаграммы, пресекаясь, образуют  правильный пятиугольник, в котором пресечение диагоналей дает нам новую пентаграмму, а  в пересечении ее сторон мы снова видим правильный пятиугольник, открывающий возможность построения новой пентаграммы. И так далее до бесконечности.

            Пентаграмма представляет собой вместилище золотых пропорций. На рис.3 среди отрезков  HJ, EH, EJ, EB отношение каждого последующего к предыдущему равно золотой пропорции.  Пентаграмма также содержит золотые треугольники –остроугольные с углами , , и тупоугольные с углами , и .Из рис. 4 видно, что остроугольный треугольник АВС разбивается на три треугольника золотой пропорции. В них стороны равны:AD=1, DB=Ф,BC=AB=Ф+1=Ф²,AC=AE=Ф.

      Интересен еще один замечательный треугольник, в котором проявляется золотая  пропорция. В этом треугольнике углы равны , и , а их отношение составляет 5:3:2. В нем отношение большого катета к гипотенузе равно половине золотой пропорции Ф/2. Это отношение отвечает равенству Ф/2 = cos . Отсюда вытекает формула , связывающая золотую пропорцию с числом  p:

      Ф= .         

      Эта простая и по-своему красивая формула  связывает число «пи» с золотой  пропорцией. Не свидетельствует ли это о фундаментальности золотой  пропорции, о ее родстве с таким  универсальным числом, как «пи»? Характерно, что в рассмотренном треугольнике отношение углов отвечает отношению небольших целых чисел 5, 3  и 2, а отношения сторон несоизмеримы.

      Множество «золотых» фигур дополняет золотой  прямоугольник, отношение  сторон которого равно числу Ф.

      Золотой прямоугольник обладает многими  необычными свойствами. Отрезав от него  квадрат, сторона которого равна меньшей стороне прямоугольника, мы снова получим золотой прямоугольник  меньших размеров. Продолжая отрезать квадраты, мы будем получать все меньшие и меньшие золотые прямоугольники (рис.5) 

Тем самым  будет построен пример совершенного квадрируемого прямоугольника бесконечного порядка. Точки, делящие стороны  прямоугольников в среднем и  крайнем отношении, лежат на логарифмической  спирали, закручивающейся внутрь. Полюс спирали лежит на пересечении пунктирных диагоналей (рис.6). Разумеется, «вращающиеся квадраты», как их принято называть, могут не только закручивать, но и раскручивать спираль. Для этого лишь требуется строить не уменьшающиеся, а все увеличивающиеся квадраты. Логарифмическая спираль – единственный тип спирали, не меняющей своей формы при увеличении размеров. Если в логарифмической спирали из центра О провести прямую, то образующиеся отрезки ОА, ОВ, ОС, ОD и т. д., полученные при пересечении прямой с витками спирали, образуют геометрическую прогрессию, то есть ОА/ОВ=ОВ/ОС=ОС/OD=…= m, где m – постоянное число.

      Отрезки радиуса, заключенного между последовательными  витками спирали, также образуют прогрессию с отношением АВ/ВС=ВС/СD=…=n. Частным случаем спирали является такая, которая отвечает значению n, равному Ф, т. е. золотой пропорции. Такая спираль называется «кривой гармонического возрастания».

-4-

Вездесущий  филлотаксис.

      Характерной чертой строения растений и их развития является спиральность. Еще Гете, который был не только великим поэтом, но и естествоиспытателем, считал спиральность одним из характерных признаков всех организмов, проявлением самой сокровенной сущности жизни. Спирально закручиваются усики растений, по спирали происходит рост ткани в стволах деревьев, по спирали расположены семечки в подсолнечнике, спиральные движения (нутации) наблюдаются при росте корней и побегов. Очевидно, в этом проявляется наследственность организации растений, а ее корни следует искать на клеточном и молекулярном уровнях.

      Исследования  показали, что движение протоплазмы  в клетке часто спиральное. Рост клеток также может быть спиральным, как показал ученый Кастл. В жидкой среде клетки встречаются спиральные нити волокон – цитонем. И, наконец, носители информации – молекулы ДНК – также скручены в спираль. Следует отметить, что термин «спираль» не отражает точно строение молекул ДНК; более правильно говорить о винтовом расположении полипептидных цепей в этой молекуле. Во многих других случаях, рассмотренных в ботанике, речь также идет, по существу, не о спирали, а о винтовом расположении элементов структуры; к сожалению, термины часто смешивают.

      Нет сомнений, что наследственная спиральность является одним из основных свойств  организмов, она отражает один из существенных признаков живого. На первый взгляд кажется, что в кристаллах неорганических веществ спиральность или винтовая структура отсутствуют. Однако более глубокие исследования показали, что винтовое расположение атомов наблюдается и в некоторых кристаллах и выражается в образовании так называемых винтовых дислокаций. Такие кристаллы состоят из единственной винтообразной изогнутой атомной плоскости. При каждом обороте вокруг оси эта плоскость поднимается на один шаг винта, равный межатомному расстоянию. Следует добавить, что кристаллы с такой винтовой структурой обладают сверхпрочностью. От винтовой структуры молекул ДНК до закручивания усиков растений – таковы формы проявления спиральности на различных уровнях организации растений. Отчетливо проявляется эта особенность организации растений в закономерностях листорасположения.